國內外大規(guī)模煤氣化技術的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及主要技術瓶頸分析王亞歐110475能源與環(huán)境學院主要內容1、煤氣化技術簡介2、國內外大規(guī)模煤氣化技術現(xiàn)狀3、大規(guī)模煤氣化發(fā)展趨勢4、大規(guī)模煤氣化技術瓶頸煤氣化簡介煤氣化是采用空氣、富氧空氣、水蒸汽和氧氣等作為氣化劑，煤基燃料在一定的壓力與溫度下與氣化劑發(fā)生不完全燃燒反應(氣化反應)，生成H2

和CO為主的粗煤氣。煤氣化技術的發(fā)展已經有一百多年的歷史，目前已經發(fā)展了十幾種比較成熟的煤氣化技術。大規(guī)模煤氣化技術大規(guī)模煤氣化技術是煤炭清潔高效轉化的核心技術，是發(fā)展煤基化學品合成（氨、甲醇、乙酸、烯烴等）、液體燃料合成（二甲醚、汽油、柴油等）、先進的IGCC發(fā)電系統(tǒng)、多聯(lián)產系統(tǒng)、制氫、燃料電池、直接還原煉鐵等過程工業(yè)的基礎，是這些行業(yè)的公共技術、關鍵技術和龍頭技術。煤氣化原理煤氣化經過以下幾個步驟：干燥：濕煤干煤+水

熱解：煤煤氣+焦油+焦炭氣化：碳-氧反應CO2

碳-水蒸氣反應CO2

甲烷生成反應CH4

煤中其他元素（N、S）與氣化劑間的反應加熱加熱通常的煤氣化系統(tǒng)包括備煤給料系統(tǒng)、氣化爐、除塵和脫硫。供料的方式有兩種:

一種是干煤(或干煤粉)壓力鎖斗供料;

另一種是水煤漿供料(一般要求水與煤混合被磨制成水煤漿，然后用高壓泵送入氣化爐)。煤氣化流程1、備煤供料系統(tǒng)將原煤干燥并磨碎到各種氣化所要求的粒度。2、與煤同時噴入氣化爐的還有氧化劑，在反應器的高溫條件下同時進行煤的熱解、部分氧化、水煤氣反應及其他反應。3、從煤氣冷卻器出來的粗煤氣含有許多灰粒和未反應的焦炭，還有H2S,NH3等一些污染物，固體顆粒必須在除塵系統(tǒng)中除去，除塵系統(tǒng)通常包括旋風分離器或過濾器以及水洗滌除塵器等。4、不含灰塵的煤氣進入脫硫系統(tǒng)。目前只有濕法洗滌脫硫工藝比較成熟。在濕法脫硫系統(tǒng)中脫除H2S，同時NH3也溶解于脫硫液中被脫除。

煤氣化工藝流程圖示煤氣化技術分類1、按煤氣用途分類①生產燃料用氣②生產合成氣③生產還原氣和氫④聯(lián)合循環(huán)發(fā)電2、按氣化劑分類①空氣—蒸汽氣化②氧氣—蒸汽氣化③氫氣氣化3、按供熱方式分類①自熱式氣化法②間接供熱氣化方法③煤的水蒸氣氣化和加氫相結合法④熱載體供熱4、按固體燃料的運動狀態(tài)分類①固定床煤氣化技術②流化床煤氣化技術③氣流床煤氣化技術固定床氣化固定床氣化也稱為移動床氣化。固定床一般以塊煤或煤焦為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底送入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于相對固定的狀態(tài)，床層高度亦基本維持不變，故而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘?zhí)康幕以誀t底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內逐漸并緩慢往下移動。因而又稱為移動床技術。

間歇固定床氣化爐(UGI)

固定床氣化UGI爐：世界上第一臺氣化爐是德國于1882年設計的規(guī)范為200t/d的煤氣發(fā)生爐，1913年在德國OPPAU建設第一套用炭制半水煤氣的常壓固定層造氣爐，能力為300t/d，這種爐與后來演變成UGI爐。主要特點：以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產合成原料氣和燃料氣。該技術是20世紀30年代開發(fā)成功的，設備容易制造、操作簡單、投資少。但在日益重視規(guī)?；?、環(huán)境保護和能源利用率的今天，其設備能力低、三廢量大以及必須使用無煙塊煤等缺點變得日益突出。

Lurgi加壓氣化爐：該技術是20世紀30年代由聯(lián)邦德國魯奇公司開發(fā)，是目前世界上建廠數(shù)量最多的煤氣化技術，主要用于生產城市煤氣和合成原料氣。德國Lurgi加壓氣化爐壓力位2.5-4.0MPa，氣化反應溫度800-900℃，固態(tài)排渣，以小塊煤原料、蒸汽-氧連續(xù)送風制取中熱值煤氣。產品煤氣經熱回收和除油，含有約10%~12%的甲烷和不飽和烴，適宜作城市煤氣，粗煤氣經烴類分離和蒸汽轉化后可作合成氣。主要特點：固態(tài)排渣，適宜弱黏結性碎煤（5-50mm）；生產能力大；結構復雜，爐內設有破黏和煤分布器、爐箅等轉動設備，制造和維修費用大；入爐煤必須為塊煤，原料來源受限制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復雜、流程長、設備多，爐渣含碳5%左右。Lurgi加壓氣化爐Lurgi加壓氣化爐發(fā)展分為三個階段：1.（1930~1954年）主要為生產城市煤氣，驗證加壓氣化理論和在工業(yè)上實現(xiàn)固定床加壓氣化。2.（1954~1969年）為了氣化弱黏結性的煙煤和生產合成氣、提高單爐生產能力。3.（1969年以后）第二階段的發(fā)展，為提高氣化強度，擴大對煤種的適應范圍。魯奇改進（BGL）氣化爐

固定床氣化BGL爐：由魯奇公司和英國煤氣公司聯(lián)合開發(fā)，將固體燃料全部氣化產生燃料氣和合成氣。其工作壓力為2.5-3.0MPa，氣化溫度在1400-1600℃，超過了灰渣流動溫度，灰渣呈液態(tài)形式排出。主要特點：與傳統(tǒng)Lurgi爐相比，BGL爐結構簡單，取消了轉動爐箅，氣化強度高，生產能力大，水蒸氣耗量低，煤氣熱值提高，煤種適應性增強，碳轉化率、氣化效率和熱效率均有提高，對環(huán)境的污染也減少，在當時受到了更廣泛的重視。流化床氣化流化床煤氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料。這些細煤在自下而上的氣化劑作用下，保持著連續(xù)不斷和無次序的沸騰和懸浮狀態(tài)運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結果導致整個床層溫度組成的均一。高溫溫克勒氣化爐（HTW）溫克勒氣化爐是最早工業(yè)化的流化床氣化爐，主要特性————①單爐生產能力可以達到47000m3/h，較常壓移動床氣化爐要高得多；②對原煤要求不需篩分，備煤系統(tǒng)簡單；③操作溫度低，無運動部件、操作維修簡單，運轉可靠性高；④氣化操作溫度低，帶出物和灰渣中含碳量較高，因而碳利用率不高，至今只有少數(shù)爐子在運行。U-Gas氣化爐是應用灰團聚的原理，來進行反應和排灰的。在這種氣化爐內，允許灰成分中熔點較低的部分先熔化，黏結其他為熔化的灰，并形成團聚。這種工藝的優(yōu)點是不需要熔化所有的灰，對灰渣的流動性要求不高。這種氣化爐的灰渣比純干式排灰的灰渣對環(huán)境的污染小。U-Gas氣化爐Kellogg-RustWestinghouse(KRW)氣化爐KRW也是采用灰團聚的流化床氣化爐，其運行狀況與U-Gas系統(tǒng)非常相似。二者主要的差別在于底部排灰方式不同。在KRW氣化爐中，煤，氧氣（或空氣）一起從底部通過一個噴嘴噴入反應器。煤的裂解和燃燒發(fā)生在底部噴嘴的附近，產生的熱量迅速傳到整個床層。主要特點：對原煤的適應性寬廣，碳效率高、環(huán)境影響小，爐內無運轉部件，操作簡便、穩(wěn)定，操作彈性大。氣流床氣化

氣流床氣化是一支并流式氣化。氣化劑（氧和蒸汽）將煤粉（70%以上的煤粉通過200目篩）夾帶入氣化爐。也可將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐。在氣化爐內，煤炭細粉粒與氣化劑經特殊噴嘴進入反應室，會在瞬間著火，直接發(fā)生火焰反應，同時處于不充分的氧化條件下。因此，其熱解、燃燒以及吸熱的氣化反應，幾乎是同時發(fā)生的。順氣流的運動，未反應的氣化劑、熱解揮發(fā)物及燃燒產物裹挾著煤焦粒子高速運動，運動過程中進行著煤焦顆粒的氣化反應。這種運動形態(tài)，相當于流化技術領域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習慣上稱為“氣流床氣化”。

常壓K-T爐：K-T煤氣化工藝是最早工業(yè)化的常壓氣流床煤氣化方法，第一臺工業(yè)化K-T爐于1949年建在法國。據(jù)悉以前在西方以煤為原料生產合成氨，有90%用K-T爐生產原料氣。優(yōu)點：煤氣中CO和H2產氣相當高，達90%，產物中無焦油、酚及烴類，甲烷含量甚低，生產靈活性大，可在較短時間開爐、停爐或改變生產負荷。缺點：氧耗高，常壓下操作，低活性煤較難達到高轉化率，同時也帶來許多經濟上和操作上的問題。常壓K-T爐Texaco（德士古）氣化爐德士古氣化工藝是20世紀80年代煤氣化的最新工藝之一,它是由美國德士古公司開發(fā)的以水煤漿為原料、液態(tài)排渣氣流床加壓氣化技術。原料煤與水、添加劑、石灰石等經磨機研磨制成濃度為60%～70%的水煤漿,由煤漿泵加壓后與高壓氧氣一起經燒嘴混合后,呈霧狀噴入氣化爐燃燒室發(fā)生氣化反應。通過調節(jié)氧/煤漿的比例,使爐內氣化溫度高于煤灰流動溫度(FT)。GSP氣化爐

GSP氣化法，是下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐，操作壓力2.5-3.0MPa，用粉煤、氧氣鼓風，其結構及工作原理與德士古氣化爐相類似。粉煤的氣化在以氧氣和蒸汽為氣化劑的火焰反應中進行。物料在爐內的平均停留時間約10s，氣化火焰溫度約在1800-2200℃。反應室中有水冷壁，在耐火層表面會結一層凝固渣層，最后形成流動渣膜，對耐火層起保護作用。特點：產品煤氣高氫、高一氧化碳、低甲烷，可在多種行業(yè)用作燃料氣、合成氣或制氫；工藝技術簡單，整個氣化過程沒有冷凝產物；反應速率高，氣化裝置生產能力大；燒嘴和水冷壁的使用壽命較長；氣化原料適應范圍廣；能夠獲得較高氣化效率和碳轉化率；氣化爐操作彈性大，負荷調節(jié)靈活。

Shell氣化

Shell氣化爐為立式圓筒形氣化爐，爐膛周圍安裝有由沸水冷卻管組成的膜式水冷壁，其內壁襯有耐熱涂層，氣化時熔融灰渣在水冷壁內壁涂層上形成液膜，沿壁順流而下進行分離，采用以渣改渣的防腐辦法，基本解決了高溫耐火材料損壞嚴重和檢修頻繁的難題。水冷壁與筒體外殼之間留有環(huán)形空間，便于輸入集水管和輸出集汽管的布置，便于水冷壁的檢查和維修；環(huán)形空間內充滿溫度為250-300℃的有壓合成氣。

Shell煤氣化工藝從示范裝置到大型工業(yè)化裝置均采用廢鍋流程。原料煤經破碎、干燥后進入磨煤機中被磨成粒度90%能通過170目篩孔的煤粉,用氮氣把煤粉從常壓煤粉倉送到加壓煤粉倉,再以較高的固氣比將煤粉送至氣化爐四個噴嘴,煤粉在噴嘴里與來自空分并預熱的氧氣(95%純度)混合后與蒸汽一起進入氣化爐。由對稱布置的四個燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物在爐內迅速發(fā)生氣化反應,反應溫度在1400℃～1700℃。

Shell煤氣化工藝流程示意圖Prenflo氣化爐Prenflo與Shell氣化爐結構和原理基本相同，它們與GSP氣化爐一樣是干煤粉進料，氧化壓力氣化，爐內采用水冷壁，使用壽命長，冷煤氣效率高。碳的轉化率也高達99%以上。它裝有4個煤粉燃燒器，也裝設水冷管套，在管套內產生飽和蒸汽。

Prenflo氣化爐對環(huán)境影響很小，可用成熟的脫硫方法；對燃料的適應性較好，對所有固體燃料都能完全氣化并連續(xù)運行。

氣化爐內襯采用耐火磚，約85％的煤漿與氧氣通過噴嘴射流進入氣化爐第一段，進行高溫氣化反應，一段出口的高溫氣體中含量分別接近20％；15％左右的煤漿從氣化爐第二段加入，與一段的高溫氣體進行熱質交換，煤在高溫下蒸發(fā)、熱解，殘?zhí)寂cCO2和H2O進行吸熱反應，可以使上段出口溫度降低到1040℃左右。1040℃的合成氣通過一個火管鍋爐（合成氣走管內）進行降溫，降溫后的合成氣進入陶瓷過濾器，分離灰渣，過濾器分離出的灰渣循環(huán)進入氣化爐一段。GlobalE-Gas氣化技術國內煤氣化技術的研究狀況

我國在引進國外先進煤氣化技術的同時，也在不斷探索擁有自主知識產權的煤氣化技術，并在某些領域取得了突破，一些關鍵技術已經超越了現(xiàn)有的國外技術，甚至有的技術已經走出國門。

西北化工研究院開發(fā)的大型煤氣化技術已形成完整、系統(tǒng)的專利體系。該技術原料適應性廣，具有先進的固態(tài)排渣和液態(tài)排渣技術，“三廢”排放少，設備完全立足于國內，已在25套工業(yè)裝置上得到應用，今后一段時期將迎來裝置投運高峰期。西安熱工研究院推出的兩段式干煤粉加壓氣化技術，比其他干法氣化技術提高冷煤氣效率1～2個百分點，氣化爐比氧耗降低10%，減小了空分規(guī)模，設備造價低，技術支持充分，已應用于多個項目。

兩段式氣化爐

該氣化爐的外殼為一直立圓筒,爐膛采用水冷壁結構,爐膛分為上爐膛和下爐膛兩段。運行時,由氣化爐下段噴入干煤粉、氧氣(純氧或富氧)、蒸汽,所噴入的煤粉量占總煤量的80%～85%;在上爐膛進口處噴入過熱蒸汽和煤粉,所噴煤粉量占總煤量的15%～20%。該裝置中上段爐的作用一是代替循環(huán)合成氣使溫度高達1400℃的煤氣急冷至約900℃,二是利用下段爐煤氣顯熱進行熱裂解和部分氣化,提高總的冷煤氣效率和熱效率。

華東理工大學與兗礦集團共同完成的多噴嘴對式水煤漿氣化技術及國產化裝備已得到廣泛應用，現(xiàn)已推廣至十幾家企業(yè)。該項目的創(chuàng)新點體現(xiàn)在創(chuàng)造性地研制了多噴嘴對置式氣流床氣化爐，開發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿氣化成套技術，提出了氣流床氣化模型。此外，中國航天科技集團完成的航天煤氣化技術，北京達立科科技有限公司和清華大學等合作研發(fā)的非熔渣—熔渣分級氧化煤氣化技術，陜西秦能天脊科技有限公司開發(fā)的灰融聚流化床粉煤氣化技術等，都為大規(guī)模新型煤化工產業(yè)提供了堅實的技術和裝備支撐，甚至有望走向國際市場。多噴嘴對置式氣流床氣化爐多噴嘴對置式水煤漿氣化技術創(chuàng)新點1、多噴嘴進料在爐內形成撞擊流場，強化混合和熱質傳遞；2、噴淋和鼓泡復合床型的合成氣初步洗滌冷卻系統(tǒng)，避免了合成氣帶水帶灰；3、采用分級凈化思路的合成氣初步凈化系統(tǒng)凈化效果好，系統(tǒng)能耗低，設備不易結垢堵灰；4、熱回收與除渣單元采用蒸汽與返回灰水直接接觸工藝，換熱效果好,灰水溫度高，蒸汽利用充分。煤氣化技術的發(fā)展趨勢

從當前煤氣化技術的發(fā)展趨勢看，有以下特點：①提高對多煤種的適應性，能氣化任意煤種；②大型化，提高氣化能力和氣化效率；③采用加壓氣化工藝，提高氣化強度，節(jié)約壓縮能耗或實現(xiàn)等壓合成，減少帶出物損失；④環(huán)境友好，環(huán)保問題少，污染?。虎菅兄坪秃喕鹿に嚭托滦蜌饣癄t結構，降低基本建設投資和操作費用，并與其它技術聯(lián)合應用等。煤氣化主要技術瓶頸（1）

大型化是煤氣化技術發(fā)展的首要問題現(xiàn)代過程工業(yè)（化工、發(fā)電、多聯(lián)產、制氫等）發(fā)展的一個顯著標志就是大型化、單系列，這就對作為龍頭的煤氣化技術提出了更高的要求，必須向大規(guī)模高效的方向發(fā)展。

實現(xiàn)能量的高效轉化與合理回收是煤氣化過程需要解決的迫切問題