煤氣化技術實踐

氣流床加壓氣化技術以惠生與殼牌聯(lián)合開發(fā)的混合氣化技術（Hybrid）為例：Hybrid是一種先進的粉煤氣化技術，該技術結合了現(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)有流程中復雜而容易出故障合成氣冷卻器（廢鍋）和飛灰過濾器，并且結合了目前被廣泛應用于現(xiàn)有氣化技術的合成氣激冷工藝，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)有激冷技術的優(yōu)點，并有針對性地做出了改進。2100433B

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）、灰渣等副產(chǎn)品。煤氣化工藝技術分為：固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術三大類，各種氣化技術均有其各自的優(yōu)缺點，對原料煤的品質(zhì)均有一定的要求，其工藝的先進性、技術成熟程度也有差異。

煤氣化固定床氣化技術

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。該技術氧耗量較低，原料適應性廣，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。該技術的典型代表是魯奇加壓氣化技術和BGL碎煤熔渣氣化技術。

該氣化技術的優(yōu)點：

原料適應范圍廣，除黏結性較強的煙煤外，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。

該氣化技術存在的不足：

該技術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)，導致廢水處理工序流程長，投資高。

煤氣化流化床氣化技術

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，山西煤化所的ICC灰融聚氣化技術和恩德粉煤氣化技術。

雖然近年來流化床氣化技術已有較大發(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

氣流床加壓氣化技術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。

氣流床氣化技術主要分為水煤漿氣化技術和粉煤氣化技術。

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合制造代用天然氣、煤的水蒸汽氣化和甲烷化相結合制造代用天然氣。

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；按進料方式分固體進料和漿液進料；按排渣方式分固體排渣和熔融排渣等各種設計。

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)合氣體改進公司命名的煤氣化爐，是一種常壓固定床煤氣化設備。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構（圖1）。爐體用鋼板制成，下部設有水夾套以回收熱量、副產(chǎn)蒸汽，上部內(nèi)襯耐火材料，爐底設轉(zhuǎn)動爐篦排灰。氣化劑可以從底部或頂部進入爐內(nèi)，生成氣相應地從頂部或底部引出。因采用固定床反應,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)點是設備結構簡單，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,對煤種要求比較嚴格，采用間歇操作時工藝管道比較復雜。

煤氣化爐魯奇爐

德國魯奇煤和石油技術公司在1926年開發(fā)的一種加壓移動床煤氣化設備。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、弱粘結性煤等。

魯奇煤氣化爐為立式圓筒形結構（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)的煤層反應放熱，達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，進入氣化區(qū)進行吸熱氣化反應，再進入干餾區(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60000m3/h，已應用于美國、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,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,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構（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。改進的溫克勒爐將爐底改為無爐柵錐形結構，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)中的改進爐型是高溫溫克勒爐，它是在常規(guī)溫克勒爐的基礎上發(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,反應壓力12MPa，氣化溫度900℃，以2mm的煤粒在床層中進行沸騰加氫氣化，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煤氣化爐結構為臥式橄欖形（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)，立即著火進行火焰反應。中心溫度可高達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，防止粘結在緊接爐出口的輻射鍋爐爐壁，然后進入對流鍋爐進一步回收廢熱,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，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)同氣化劑進行高溫氣化反應。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構（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和泵升壓后，由氣化爐頂?shù)慕o料噴嘴進入爐內(nèi)，在高溫下進行氣化反應。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。灰渣通過灰渣鎖斗排出。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，簡化了加壓進料裝置；⑤廢水中不含焦油和酚，環(huán)境污染不嚴重。

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產(chǎn)品的原料氣。