石炭氣化技術

  一、液化氣化原理

  氣化過程是石炭的一個熱化學加工過程。它是以煤或煤焦為原料，以氧氣氣（空氣、富氧氣或工業純氧氣）、水氣作為氣化劑，在高溫高壓下經過化學反響將煤或煤焦中的可燃局部轉化為可燃性氣體的工藝過程。氣化時所得的可燃氣體變成液化氣，對于做化工原料用的液化氣普通稱為合成氣（合成氣除開以石炭為原料外，還可以認為合適而使用天然煤氣、重質燃料組分等為原料），施行氣化的設施稱為液化氣發生爐或氣化爐。

  石炭氣化里面含有一系列物理、化學變動。普通涵蓋熱解和氣化和燃燒現象四個階段。干燥歸屬物理變動，隨著溫度的升高，煤中的養分受熱蒸發。其它歸屬化學變動，燃燒現象也可以覺得是氣化的一小批。煤在氣化爐中干燥往后，隨著溫度的進一步升高，煤分子發生熱分解反響，生成數量多揮發性事物（涵蓋干餾液化氣、木焦油和熱解水等），同時煤粘結成半焦。煤熱解后形成的半焦在更高的溫度下與通入氣化爐的氣化劑發生化學反響，生成以一氧氣化碳、氫氣、甲烷及碳酸氣、氮氣、硫化氫、水等為主要成分的氣體狀態產物，即粗液化氣。氣化反響涵蓋眾多的化學反響，主要是碳、水、氧氣、氫、一氧氣化碳、碳酸氣互相間的反響，那里面碳與氧氣的反響又叫作燃燒現象反響，供給氣化過程的卡路里。

  主要反響有：

  1、水氣轉化反響 C+H2O=CO+H2-131KJ/mol

  2、水液化氣變換反響 CO+ H2O=CO2+H2+42KJ/mol

  3、局部氧氣化反響 C+0.5 O2=CO+111KJ/mol

  4、絕對氧氣化（燃燒現象）反響 C+O2=CO2+394KJ/mol

  5、甲烷化反響 CO+2H2=CH4+74KJ/mol

  6、Boudouard反響 C+CO2=2CO-172KJ/mol

  二、液化氣化工藝

  石炭氣化技術雖有眾多種不一樣的分類辦法，但普通常用按出產裝置化學工程特點標志分類辦法施行分類，或稱為依照反響器方式分類。氣化工藝在非常大程度上影響炭化工產品的成本和速率，認為合適而使用高效、低耗、無污染的液化氣化工藝(技術)是進展炭化工的關緊前提，那里面反響器便是工藝的中心，可謂氣化工藝的進展是隨著反響器的進展而進展的，為了增長液化氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善背景，新一代液化氣化技術的研發總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5 MPa）進展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）進展；氣化原料向多樣化進展；固態排渣向液態排渣進展。

  1、固定床氣化

  固定床氣化也稱移動床氣化。固定床普通以塊煤或主焦煤為原料。煤由氣化爐頂參加，氣化劑由爐底參加。流生氣體的升漲力不以致固體顆粒的相對位置變樣，即固體顆粒處于相對固定狀況，床層高度亦基本維持未變，故而稱為固定床氣化。額外，從宏觀角度看，因為煤從爐頂參加，包括殘炭的爐渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內漸漸并不迅速往下移動，故而又叫作為移動床氣化。

  固定床氣化的特別的性質是簡單、靠得住。同時因為氣化劑于煤倒流接觸，氣化過程施行得比較絕對，且使卡路里獲得合理利用，故而具備較高的熱速率。

  固定床氣化爐常見有間歇式氣化（UGI）和蟬聯式氣化（魯奇Lurgi）2種。前者用于出產合成氣時必須要認為合適而使用無煙煤（硬煤）或焦碳為原料，以減低合成氣中CH4含量，國內有數千臺這類氣化爐，弊病頗多；后者國內有20多臺火爐，多用于出產城市液化氣；該技術所含液化氣開始階段的凈化系統極為復雜，不是公認的首選技術。

  （1）、固定床間歇式氣化爐（UGI）

  以塊狀硬煤或木炭為原料，以空氣和水氣為氣化劑，在常壓下出產合成原料氣或燃燒材料氣。該技術是30時代研發成功的，投資少，容易操作，到現在為止已屬滯后的技術，其氣化率低、原料純一、能耗高，間歇制氣過程中，數量多吹習氣排空，每噸合成氨吹習氣放空多達5 000 m3，放空氣體中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；液化氣冷卻蕩滌塔排出的污水包括木焦油、酚類及氰化物，導致背景污染。我國中小化肥廠有900余家，大多數廠仍認為合適而使用該技術出產合成原料氣。隨著能量物質政策和背景的要來越來越高，不長的日后，會逐層為新的液化氣化技術所代替。

  （2）、魯奇氣化爐

  30時代德國魯奇（Lurgi）企業研發成功固定床蟬聯塊液化氣化技術，因為其原料適合性較好，單爐勞動能力較大，在國里外獲得廣泛應用。氣化爐壓力（2.5～4.0）MPa，氣化反響溫度（800～900）℃，固態排渣，氣化爐已定型（MK～1～MK－5），那里面MK－5型爐，內徑4.8m，投煤量（75～84）噸/h，粉液化氣產量（10～14）萬m3/h。液化氣中除含CO和H2外，含CH4高達10百分之百～12百分之百，可作為城市液化氣、人工天然煤氣、合成命運用。欠缺是氣化爐結構復雜、爐內設有破粘和煤散布器、爐篦等轉動設施，制作和維修花銷大；入爐煤務必是塊煤；原料出處受一定限止；出爐液化氣中含木焦油、酚等，污水處置和液化氣凈化工藝復雜、流程長、設施多、爐渣含碳5百分之百左右。針對上面所說的問題，1984年魯奇企業和英國液化氣企業聯手研發了液體排渣氣化爐（BGL），獨特的地方是船舶蝶閥氣化溫度高，灰渣成熔化態排出，炭轉化率高，合成氣品質較好，液化氣化萌生廢水量小況且處置困難程度小，單爐勞動能力同比增長3～5倍，是一種有進展前景的氣化爐。

  2、流化床氣化

  流化床氣化又叫作為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料，這些個細顆粒在自下而上的氣化劑的效用下，維持著袞袞和無秩序的沸騰和懸浮狀況運動，迅疾地施行著混合和熱交換，其最后結果造成整個兒床層溫度和組成的均一。流化床氣化能得以迅疾進展的主要端由在于：（1）出產強度較固定床大。（2）直接運用小顆粒碎煤為原料，適合采煤技術進展，避開了塊煤供求矛盾。（3）對煤種煤質的適合性強，可利用如褐煤等高灰質量低劣煤作原料。

  流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環流化床（CFB）、增大壓力流化床（PFB是PFBC的氣化局部）等。

  （1）、循環流化床氣化爐CFB

  魯奇企業研發的循環流化床氣化爐（CFB）令人氣憤化各種煤，也可以用碎木、樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料，水氣和氧氣氣作氣化劑，氣化比較絕對，氣化強度大，是移動床的2倍，碳轉化率高（97百分之百），爐底排灰中含碳2百分之百～3百分之百，氣化原料循環過程中回返氣化爐內的循環物料是新參加原料的40倍，爐內氣流速度在（5～7）m/s之間，有頎長的導熱傳質速度。氣化壓力0.15MPa。氣化溫度視原料事情狀況施行扼制，普通扼制循環旋風清除粉塵器的溫度在（800～1050）℃之間。魯奇企業的CFB氣化技術，在全球已有60多個工廠認為合適而使用，正在預設和建設的還有30多個工廠，在國際商品交換市場處于領先地位。

  CFB氣化爐基本是常壓操作，若以煤為原料出產合成氣，每千克煤耗費氣化劑水氣1.2kg，氧氣氣0.4kg，可出產液化氣 （l.9～2.0）m3。液化氣成份CO＋H2＞75百分之百，CH4含量2.5百分之百左右， CO215百分之百，低于德士古爐和魯奇MK型爐液化氣中CO2含量，有幫助于合成氨的出產。

  （2）、灰熔聚流化床粉液化氣化技術

  灰熔聚液化氣化技術以小于6mm粒徑的干粉煤為原料，用空氣或富氧氣、水氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部蟬聯參加，在爐內（1050～1100）℃的高溫下施行迅速氣化反響，被粗液化氣夾帶的未絕對反響的殘碳和飛灰，經兩極旋風離合器回收，再回返爐內施行氣化，因此增長了碳轉化率，使灰中含磷量減低到10百分之百以下，排灰系統簡單。粗液化氣中幾乎不含木焦油、酚等有害事物，液化氣容易凈化，這種先進的液化氣化技術中國已自行研發成功。該技術可用于出產燃燒材料氣、合成氣和聯手循環發電，尤其用于中小氮肥廠代替間歇式固定床氣化爐，以氣煤代替硬煤出產合成氨原料氣，可以使合成氨成本減低15百分之百～20百分之百，具備廣大寬闊的進展前面的景物。

  U－Gas在上海焦化廠（120噸煤/天）1994年十一月開車，長時期運轉不正常，于2002年前停運；中科院山西炭化所研發的ICC灰熔聚氣化爐，于2001年在陜西城化股份企業施行了100噸/天制合成氣工業做出典范裝置嘗試。CFB、PFB可以出產燃燒材料氣，但國際上尚無出產合成氣前例；Winkler已有用于合成氣出產案件的例子，但對粒度、煤種要求較為嚴明，甲烷含量較高（0.7百分之百～2.5百分之百），并且設施出產強度較低，已不代表趨勢。

  3、氣流床氣化

  氣流床氣化是一種并流式氣化。從原料形態分有水煤漿、干煤粉2類；從專利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐，氣化溫度1350～1500℃；后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐，在1500～1900℃高溫下氣化，殘渣以熔渣方式排出。在氣化爐內，石炭齏粉粒經特別噴嘴兒進入了反響室，會在剎那失火，直接發點燃燃料焰反響，同時處于不充分的氧氣化條件下，因為這個，其熱解、燃燒現象以吸熱的氣化反響，幾乎是同時發生的。隨氣流的運動，未反響的氣化劑、熱解揮發物及燃燒現象產物裹夾著煤焦粒子高速運動，運動過程中施行著煤焦顆粒的氣化反響。這種運動狀況，相當于流化技術領域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習性上稱為氣流床氣化。

  氣流床對煤種（氣煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具備較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容積、增大壓力廠在運作，其保潔、高效代表著當今技術進展潮流。

  干粉進料的主要有K-T（Koppres-Totzek）爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐，濕法煤漿進料的主要有德士古（Texaco）氣化爐、Destec爐。

  （1）、德士古（Texaco）氣化爐

  美國Texaco(2002年前變成Chevron企業一小批，2004年五月被GE企業從各處買進)研發的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成液體濃度為60～65百分之百的水煤漿，用純氧氣作氣化劑，在高溫高壓下施行氣化反響，氣化壓力在3.0～8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態排渣，液化氣成份CO＋H2為80百分之百左右，不含木焦油、酚等有機化合物質，對背景無污染，碳轉化率96～99百分之百，氣化強度大，火爐結構簡單，能耗低，運轉率高，并且煤適合范圍較寬。到現在為止Texaco最大經濟活動裝置是Tampa電站，歸屬DOE的CCT-3，1989年立項，1996年七月投運，十二月宣告進入了證驗運行。該裝置為單爐，日處置煤2000～2400噸，氣化壓力為2.8MPa，氧氣純凈度為95百分之百，煤漿液體濃度68百分之百，冷液化氣速率～76百分之百，凈功率250MW。

  Texaco氣化爐由噴嘴兒、氣化室、激冷室(或廢熱鍋爐)組成。那里面噴嘴兒為三通道，工藝氧氣走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧氣噴射的流體之間。水煤漿氣化噴嘴兒常常面對噴口磨耗問題，主要是因為水煤漿在較高線速下(約30m/s)對金屬材質的沖刷腐蝕。噴嘴兒、氣化爐、激冷環等為Texaco水煤漿氣化的技術關鍵。

  80時代末直到現在，中國共引進多套Texaco水煤漿氣扮裝置，用于出產合成氣，我國在水煤漿氣化領域中積累了浩博的預設、安裝、開車以及新技術研討研發經驗與知識。

  從已投入生產的水煤漿增大壓力氣扮裝置的運做事情狀況看，主要長處：水煤漿制備輸送、計量扼制簡單、安全、靠得住；設施國產化率高，投資省。因為工程預設和操作經驗的不完備，還沒有達到長周期、高載荷、牢穩運行的最佳狀況，存在的問題還較多，主要欠缺：噴嘴兒生存的年限短、激冷環生存的年限僅一年、褐煤的制漿液體濃度約59百分之百～61百分之百；氣煤的制漿液體濃度為65百分之百；因液體變氣體煤漿中的水要耗去煤的8百分之百，比干煤粉為原料氧氣耗高12百分之百～20百分之百，所以速率比較低。

  （2）、Destec（Global E-Gas）氣化爐

  Destec氣化爐已建設2套經濟活動裝置，都在美國：LGT1（氣化爐容積2200噸/天，2.8MPa，1987年投運）與Wabsh Rive（二臺爐，一開一備，單爐容積2500噸/天，2.8MPa，1995年投運）爐型大致相似于K-T，分第1段（水準段）與第二段（鉛直段），在第1段中，2個噴嘴兒成180度對置，借助撞擊流以鞏固混合，克服了Texaco爐型的速度成鐘型（正態）散布的欠缺，無上反響溫度約1400℃。為增長冷液化氣速率，在第二階段中，認為合適而使用總煤漿量的10百分之百～20百分之百施行冷激（該點與Shell、Prenflo的循環沒氣冷激不一樣），此處的反響溫度約1040℃，出口液化氣進火管鍋爐回收卡路里。熔渣自氣化爐第1段中部流下，經水冷激固化，形成渣水漿排出。E-Gas氣化爐認為合適而使用壓力螺旋式蟬聯排渣系統。

  Global E-Gas氣化技術欠缺為：二次水煤漿稽留時間短，碳轉化率較低；設有一個極大的離合器，以離合一次液化氣中帶著灰渣與二次煤漿的灰渣與殘炭。這種爐型適應于出產燃燒材料氣而不舒服合于出產合成氣。

  （3）、Shell氣化爐

  最早成功實現工業化的干粉加料氣化爐是K-T爐，其他都是在其基礎之進步展起來的，50時代初Shell研發渣油氣化成功，在此基礎上，經歷了3個階段：1976年嘗試石炭30余種；1978年與德國Krupp-Koppers（krupp-Uhde企業的前身）合作，在Harburg建設日處置150t煤裝置；兩家分離后，1978年在美國Houston的Deer Park建設日處置250t高硫氣煤或日處置400t高灰分、高養分褐煤。共消耗時間16年，至1988年Shell煤技術使用于荷蘭Buggenum IGCC電站。該裝置的預設辦公為1.6年，1990年十月動工建筑，1993年開車，1994年元月進入了為時3年的證驗期，到現在為止已處于經濟活動運行階段。單爐日處置煤2000t。

  Shell氣化爐殼體直徑約4.5m，4個噴嘴兒位于火爐下部同一平行面上，沿圓周平均安置，借助撞擊流以鞏固熱質傳交過程，使爐內橫剖面氣速相對趨于平均。爐襯為水冷壁（Membrame Wall），總重500t。爐殼于水冷管排之間有約0.5m空隙，做安裝、檢查修理用。

  液化氣帶著煤灰總量的20百分之百～30百分之百沿氣化爐軸線上進運動，在靠近爐頂處通入循環液化氣激冷，激冷液化氣量約占生成液化氣量的60百分之百～70百分之百，降低溫度至900℃，熔渣凝結，發泄化爐，沿斜管道向向上入了管式余熱鍋爐。煤灰總量的70百分之百～80百分之百以熔態流入氣化爐底部，激冷凝結，自爐底排出。

  粉煤由N2帶著，密相輸送進入了噴嘴兒。工藝氧氣（純凈度為95百分之百）與蒸汽也由噴嘴兒進入了，其壓力為3.3～3.5MPa。氣化溫度為1500～1700℃，氣化壓力為3.0MPa。冷液化氣速率為79百分之百～81百分之百；原料煤熱值的13百分之百經過鍋爐轉化為蒸汽；6百分之百由設施和出冷卻器的液化氣顯熱虧損于大氣和冷卻水。

  Shell液化氣化技術就象下所述長處：認為合適而使用干煤粉進料，氧氣耗比水煤漿低15百分之百；碳轉化率高，可達99百分之百，耗煤量比水煤漿低8百分之百；勸解載荷便捷，關閉一對噴嘴兒，載荷則減低50百分之百；爐襯為水冷壁，據稱其生存的年限為20年，噴嘴兒生存的年限為1年。主要欠缺：設施投資大于水煤漿氣化技術；氣化爐及廢鍋爐結構過于復雜，加工困難程度加大。

  （4）、GSP氣化爐

  GSP（GAS Schwarze Pumpe）稱為“黑抽水機氣化技術”，由前東德的德心志燃燒材料研討所（略稱DBI）于1956年研發成功。到現在為止該技術歸屬設立于2002年未來能量物質企業(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子企業）。GSP氣化爐是一種下噴式增大壓力氣流床液態排渣氣化爐，其石炭參加形式大致相似于shell，火爐結構大致相似于德士古氣化爐。1983年十二月在黑抽水機聯手公司建成第1套工業裝置，單臺氣化爐投煤量為720噸/天，1985年投入運行。GSP氣化爐到現在為止應用很少，僅有5個廠應用，我國還未有一臺正式運用，寧煤集團（我企業控股）即將引進此技術用于炭化工項目。

  總之，從增大壓力、大容積、煤種兼容性大等方面看，氣流床液化氣化技術代表著氣化技術的趨勢，水煤漿和干煤粉進料狀況各有好處害處，界限并不非常明確，國內技術界也眾說多而雜亂。

  3、我國液化氣化技術發展

  液化氣化技術在中國已有近一百年的歷史，但還是較滯后和進展不迅速，就總體而言，中國液化氣化以傳統技術為主，工藝滯后，環保設備不健全，石炭利用速率低，污染嚴重。到現在為止在國內較為成熟的還是只是常壓固定床氣化技術。它廣泛用于冶煉金屬、化工、建筑材料、機械等工業行業和人民生活所使用的燃氣，以UGI、水液化氣兩段爐、發生爐兩段爐等固定床氣化技術為主。常壓固定床氣化技術的長處是操作簡單，投資小；但技術滯后，有經驗和速率低，污染重，緊急需要技術改造。如未變更目前的狀況，將影響經濟、能量物質和背景的協調進展。

  近40年來，在國度的支持下，中國在研討與研發、克化引進技術方面施行了數量多辦公。我國先后從海外引進的液化氣化技術多端。經過對液化氣化引進技術的克化借鑒，特別是經過國度重點科學技術攻關，對引進裝置施行技術改造并使之國產化，使我國液化氣化技術的研討研發獲得了關緊發展。50時代末到80時代施行了仿K-T氣化技術研討與研發；80時代中科院山西炭化所研發了灰熔聚流化床液化氣化工藝并獲得了專利；“九五”時期華東理工大學、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學工程企業承受了國度重點科學技術攻關項目“新式(多噴嘴兒對置)水煤漿氣化爐研發”(22噸煤/天裝置)，中試裝置的最后結果表明：管用氣成分～83百分之百，比相同條件下的Texaco出產裝置高1.5～2個百分比；碳轉化率>98百分之百，比Texaco高2～3個百分比；比耗煤量、比氧氣耗均比Texaco減低7百分之百。 “十五”時期多噴嘴兒對置式水煤漿氣化技術已進入了經濟活動做出典范階段。“新式水煤漿氣化技術”獲“十五”國度高技術研討進展規劃(863規劃)立項，由兗礦集團有限企業、華東理工大學承受，在兗礦魯南化肥廠建設多噴嘴兒對置式水煤漿氣化爐及組成一套工程，利用兩臺日處置1150噸煤多噴嘴兒對置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)組成一套出產24萬噸木醇、聯產71.8MW發電，總投資為～16億元。該裝置于2005年七月二十一號一次投料成功，并完成80鐘頭蟬聯、牢穩運行。裝置開始階段的運行最后結果表明：管用氣CO＋H2超過82％，碳轉化率高于98％。它微記著我國領有了具有自主知識產權的、與國度能量物質結構相適合的液化氣化技術具備重大的打破，其水準填補了國內空白，并達到國際先進水準。