煤氣化工藝技術(shù)

煤氣化簡介

煤氣化工藝是生產(chǎn)合成氣產(chǎn)品的主要途徑之一，通過氣化過程將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的合成氣，同時副產(chǎn)蒸汽、焦油（個別氣化技術(shù)）、灰渣等副產(chǎn)品。煤氣化工藝技術(shù)分為：固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床氣化技術(shù)三大類，各種氣化技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點，對原料煤的品質(zhì)均有一定的要求，其工藝的先進(jìn)性、技術(shù)成熟程度也有差異。

煤氣化固定床氣化技術(shù)

碎煤固定層加壓氣化采用的原料煤粒度為6～50mm，氣化劑采用水蒸汽與純氧作為氣化劑。該技術(shù)氧耗量較低，原料適應(yīng)性廣，可以氣化變質(zhì)程度較低的煤種（如褐煤、泥煤等），得到各種有價值的焦油、輕質(zhì)油及粗酚等多種副產(chǎn)品。該技術(shù)的典型代表是魯奇加壓氣化技術(shù)和BGL碎煤熔渣氣化技術(shù)。

該氣化技術(shù)的優(yōu)點：

原料適應(yīng)范圍廣，除黏結(jié)性較強的煙煤外，從褐煤到無煙煤均可氣化，可氣化水分、灰分較高的劣質(zhì)煤。

氧耗量較低，氣化較年輕的煤時，可以得到各種有價值的焦油、輕質(zhì)油及粗酚等多種副產(chǎn)品。

該氣化技術(shù)存在的不足：

該技術(shù)出爐煤氣中甲烷和二氧化碳的含量較高，有效氣的含量較低。

蒸汽分解率低。一般蒸汽分解率約為40 %，蒸汽消耗較大，未分解的蒸汽在后序工段冷卻，造成氣化廢水較多，由于廢水中含有酚類物質(zhì)，導(dǎo)致廢水處理工序流程長，投資高。

煤氣化流化床氣化技術(shù)

粉煤流化床加壓氣化又稱之為沸騰床氣化，這是一種成熟的氣化工藝，在國外應(yīng)用較多，該工藝可直接使用0～6mm碎煤作為原料，備煤工藝簡單，氣化劑同時作為流化介質(zhì)，爐內(nèi)氣化溫度均勻，典型的代表有德國溫克勒氣化技術(shù)，山西煤化所的ICC灰融聚氣化技術(shù)和恩德粉煤氣化技術(shù)。

雖然近年來流化床氣化技術(shù)已有較大發(fā)展，相繼開發(fā)了如高溫溫柯勒（HTW）、U-Gas等加壓流化床氣化新工藝以及循環(huán)流化床工藝（CFB），在一定程度上解決了常壓流化床氣化存在的帶出物過多等問題，但仍然存在煤氣中帶出物含量高、帶出物碳含量高且又難分離、碳轉(zhuǎn)化率偏低、煤氣中有效成分低，而且要求煤高活性、高灰熔點等多方面問題。

煤氣化氣流床氣化技術(shù)

氣流床加壓氣化技術(shù)大都以純氧作為氣化劑，在高溫高壓下完成氣化過程，粗煤氣中有效氣（CO H2）含量高，碳轉(zhuǎn)化率高，不產(chǎn)生焦油、萘和酚水等，是一種環(huán)境友好型的氣化技術(shù)。

氣流床氣化技術(shù)主要分為水煤漿氣化技術(shù)和粉煤氣化技術(shù)。

煤的氣化類型可歸納為五種基本類型：自熱式的水蒸汽氣化、外熱式水蒸汽氣化、煤的加氫氣化、煤的水蒸汽氣化和加氫氣化結(jié)合制造代用天然氣、煤的水蒸汽氣化和甲烷化相結(jié)合制造代用天然氣。

氣流床加壓氣化技術(shù)以惠生與殼牌聯(lián)合開發(fā)的混合氣化技術(shù)（Hybrid）為例：Hybrid是一種先進(jìn)的粉煤氣化技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有殼牌 SCGP廢鍋流程優(yōu)點，包括粉煤加壓氣化輸送系統(tǒng)、多燒嘴側(cè)噴式燒嘴布置、膜式水冷壁、間歇排渣等已經(jīng)在現(xiàn)有SCGP裝置被充分驗證成熟可靠的工藝，同時又去掉了現(xiàn)有流程中復(fù)雜而容易出故障合成氣冷卻器（廢鍋）和飛灰過濾器，并且結(jié)合了目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有氣化技術(shù)的合成氣激冷工藝，既保留了殼牌SCGP廢鍋流程原有的煤種適應(yīng)性強、易大型化等特點，采用優(yōu)點，又吸收了現(xiàn)有激冷技術(shù)的優(yōu)點，并有針對性地做出了改進(jìn)。2100433B

按煤在氣化爐內(nèi)的運動方式分為固定床（移動床）、沸騰床和氣流床等形式；按氣化操作壓力分常壓氣化和加壓氣化；按進(jìn)料方式分固體進(jìn)料和漿液進(jìn)料；按排渣方式分固體排渣和熔融排渣等各種設(shè)計。

典型的工業(yè)化煤氣化爐型有：UGI爐、魯奇爐、溫克勒爐（Winkler）、德士克爐(Texaco)和道化學(xué)煤氣化爐(Dow Chemical)。正在研究開發(fā)的爐型有十幾種。

煤氣化爐UGI爐

以美國聯(lián)合氣體改進(jìn)公司命名的煤氣化爐，是一種常壓固定床煤氣化設(shè)備。原料通常采用無煙煤或焦炭，其特點是可以采用不同的操作方式（連續(xù)或間歇）和氣化劑，制取空氣煤氣、半水煤氣或水煤氣。

爐子為直立圓筒形結(jié)構(gòu)（圖1）。爐體用鋼板制成，下部設(shè)有水夾套以回收熱量、副產(chǎn)蒸汽，上部內(nèi)襯耐火材料，爐底設(shè)轉(zhuǎn)動爐篦排灰。氣化劑可以從底部或頂部進(jìn)入爐內(nèi)，生成氣相應(yīng)地從頂部或底部引出。因采用固定床反應(yīng),要求氣化原料具有一定塊度,以免堵塞煤層或氣流分布不勻而影響操作。

煤氣化爐

UGI 爐用空氣生產(chǎn)空氣煤氣或以富氧空氣生產(chǎn)半水煤氣時,可采用連續(xù)式操作方法,即氣化劑從底部連續(xù)進(jìn)入氣化爐，生成氣從頂部引出。以空氣、蒸汽為氣化劑制取半水煤氣或水煤氣時，都采用間歇式操作方法。在中國，除少數(shù)用連續(xù)式操作生產(chǎn)發(fā)生爐煤氣（即空氣煤氣）外，絕大部分用間歇式操作生產(chǎn)半水煤氣或水煤氣。

UGI爐的優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易于操作,一般不需用氧氣作氣化劑，熱效率較高。缺點是生產(chǎn)強度低，每平方米爐膛面積的半水煤氣發(fā)生量約1000m3/h,對煤種要求比較嚴(yán)格，采用間歇操作時工藝管道比較復(fù)雜。

煤氣化爐魯奇爐

德國魯奇煤和石油技術(shù)公司在1926年開發(fā)的一種加壓移動床煤氣化設(shè)備。特點是煤和氣化劑（蒸汽和氧氣）在爐中逆流接觸，煤在爐中停留時間1～3h，壓力2.0～3.0MPa。適宜于氣化活性較高，塊度3～30mm的褐煤、弱粘結(jié)性煤等。

魯奇煤氣化爐為立式圓筒形結(jié)構(gòu)（圖2），爐體由耐熱鋼板制成，有水夾套副產(chǎn)蒸汽。煤自上而下移動先后經(jīng)歷干燥、干餾、氣化、部分氧化和燃燒等幾個區(qū)域,最后變成灰渣由轉(zhuǎn)動爐柵排入灰斗,再減至常壓排出。氣化劑則由下而上通過煤床，在部分氧化和燃燒區(qū)與該區(qū)的煤層反應(yīng)放熱，達(dá)到最高溫度點并將熱量提供氣化、干餾和干燥用。粗煤氣最后從爐頂引出爐外。煤層最高溫度點必須控制在煤的灰熔點以下。煤的灰熔點的高低決定了氣化劑H2O/O2比例的大小。高溫區(qū)的氣體含有二氧化碳、一氧化碳和蒸汽，進(jìn)入氣化區(qū)進(jìn)行吸熱氣化反應(yīng)，再進(jìn)入干餾區(qū)，最后通過干燥區(qū)出爐。粗煤氣出爐溫度一般在250～500℃之間。

魯奇爐由于出爐氣帶有大量水分和煤焦油、苯和酚等，冷凝和洗滌下來的污水處理系統(tǒng)比較復(fù)雜。生成氣的組成(體積%)約為：氫37～39、一氧化碳17～18、二氧化碳32、甲烷8～10,經(jīng)加工處理可用作城市煤氣及合成氣（見彩圖）。魯奇爐是采用加壓氣化技術(shù)的一種爐型，氣化強度高。目前共有近200多臺工業(yè)裝置，用于生產(chǎn)合成氣的只有中國的9臺。魯奇爐現(xiàn)已發(fā)展到Mark IV型，爐徑為4.1m,每臺產(chǎn)氣量可達(dá)60000m3/h，已應(yīng)用于美國、中國和南非。

煤氣化爐

正在開發(fā)的魯奇新爐型有：MK ，操作壓力6MPa，5m直徑，17m高；魯奇-魯爾-100型煤氣化爐，操作壓力為9MPa，兩段出氣；英國煤氣公司和魯奇公司共同開發(fā)的BGL爐，采用熔融排渣技術(shù),降低蒸汽用量，提高氣化強度并可將生成氣中的焦油、苯、酚和煤粉等噴入爐中回爐氣化。

煤氣化爐溫克勒爐

以德國人F.溫克勒命名的一種煤氣化爐型。1926年在德國工業(yè)化。特點是用氣化劑（氧和蒸汽）與煤以沸騰床方式進(jìn)行氣化。原料煤要求粒徑小于1mm的在15%以下，大于10mm的在5%以下，并具有較高的活性，不粘結(jié),灰熔點高于1100℃。常壓操作,溫度900～1000℃，煤在爐中停留時間0.5～1.0h。生成氣中不含焦油，但帶出的飛灰量很大。

溫克勒爐是立式圓筒形結(jié)構(gòu)（圖3）。爐體用鋼板制成。煤用螺旋加料器從氣化爐沸騰層中部送入，氣化劑從下部通過固定爐柵吹入，在沸騰床上部二次吹入氣化劑，干灰從爐底排出。整個床層溫度均勻，但灰中未轉(zhuǎn)化的碳含量較高。改進(jìn)的溫克勒爐將爐底改為無爐柵錐形結(jié)構(gòu)，氣化劑由多個噴嘴射流噴入沸騰床內(nèi)，改善了流態(tài)化的排灰工作狀況。

煤氣化爐

溫克勒爐以高活性煤如褐煤或某些煙煤為原料，生成氣的組成（體積%）為：氫35～46、一氧化碳30～40，二氧化碳13～25、甲烷1～2。多用于制氫、氨原料氣和燃料煤氣。

正在開發(fā)中的改進(jìn)爐型是高溫溫克勒爐，它是在常規(guī)溫克勒爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的加壓爐型。另一種加壓加氫氣化爐也是從溫克勒爐發(fā)展起來的,反應(yīng)壓力12MPa，氣化溫度900℃，以2mm的煤粒在床層中進(jìn)行沸騰加氫氣化，目的是生成甲烷以制造人造天然氣。

煤氣化爐K-T爐

聯(lián)邦德國克虜伯-柯柏斯公司和工程師F.托策克1952年開發(fā)，是一種高溫氣流床熔融排渣煤氣化設(shè)備。采用氣-固相并流接觸,煤和氣化劑在爐內(nèi)停留時間僅幾秒鐘，壓力為常壓,溫度大于1300℃。K-T煤氣化爐結(jié)構(gòu)為臥式橄欖形（圖4），其上部有廢熱鍋爐（輻射傳熱的和對流傳熱的），利用余熱副產(chǎn)蒸汽。殼體由鋼板制成，內(nèi)襯耐火材料。煤粉通過螺旋加料或氣動加料與氣化劑混合，從爐子兩側(cè)或四側(cè)水平方向以射流形式噴入爐內(nèi)，立即著火進(jìn)行火焰反應(yīng)。中心溫度可高達(dá)2000℃，爐內(nèi)最低溫度控制在煤的灰熔點以上，以保證順利排渣。進(jìn)料射流速度必須大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，以防回火?；以械囊话胍匀墼问綇臓t底渣口排入水封槽，另一半隨生成氣帶出爐外。生成氣出爐口時，先用水或蒸汽急冷到熔渣固化點(1000℃)以下，防止粘結(jié)在緊接爐出口的輻射鍋爐爐壁，然后進(jìn)入對流鍋爐進(jìn)一步回收廢熱,最后去除塵和氣體凈化系統(tǒng)。K-T煤氣化爐最關(guān)鍵的問題是爐襯耐火材料與煤的灰熔點和灰組成必須相適應(yīng)，盡量減少熔渣對耐火材料的侵蝕作用。

K-T煤氣化爐用一般煤為原料時,生成氣的組成（體積%）大致為：氫31、一氧化碳58、二氧化碳10、甲烷0.1，不含焦油等干餾產(chǎn)物,適宜作合成氨和甲醇等的原料氣和其他還原過程用的氣體。

煤氣化爐德士古爐

美國德士古公司開發(fā)的一種加壓氣流床煤氣化設(shè)備（見彩圖）。1979年在聯(lián)邦德國完成工業(yè)操作試驗。其特點是把煤制成水煤漿送入氣化爐內(nèi)同氣化劑進(jìn)行高溫氣化反應(yīng)。氣化溫度1200～1600℃，操作壓力4MPa，水煤漿中煤粉濃度約71%(質(zhì)量)，煤粉中14～60%的粒度小于90μm，碳轉(zhuǎn)化率99%。

煤氣化爐

德士古煤氣化爐為直立圓筒形結(jié)構(gòu)（圖5），主體分兩部分，上部為氣化室，下部為輻射廢熱鍋爐（或激冷部分），下接灰渣鎖斗。氧氣和水煤漿分別通過壓縮機(jī)和泵升壓后，由氣化爐頂?shù)慕o料噴嘴進(jìn)入爐內(nèi)，在高溫下進(jìn)行氣化反應(yīng)。生成氣在廢熱鍋爐中激冷，初步降溫后從中部引出。氣化操作溫度控制在煤的灰熔點以上?；以ㄟ^灰渣鎖斗排出。由于采用高溫加壓操作，因此①氣化強度高；②生成氣壓力較高，節(jié)省后續(xù)工序的動力；③原料適應(yīng)性廣，既可采用不同的煤種，也可使用煤加氫液化后的殘渣；④把固體煤制成水煤漿流體輸送，簡化了加壓進(jìn)料裝置；⑤廢水中不含焦油和酚，環(huán)境污染不嚴(yán)重。

德士古K-T煤氣化爐的氣化溫度很高,又是并流操作，爐內(nèi)熱效率較低，同時它以水煤漿進(jìn)料，生成氣中二氧化碳含量高。因此，提高水煤漿中煤的濃度是這種氣化方法的重要環(huán)節(jié)。水煤漿中煤的濃度同煤的性質(zhì)、粒度和粒度分布有直接的關(guān)系。加入適宜的添加劑可降低水煤漿的粘度，從而得到較高濃度的水煤漿。

德士古煤氣化爐生成氣的組成（體積%）為：一氧化碳44～51、氫35～36、二氧化碳13～18、甲烷 0.1適宜用作合成氨和碳一化學(xué)產(chǎn)品的原料氣。