煤气化技术应用分析

李凤刚，李肖，杨杰，鞠彩霞

(枣庄学院 化学化工与材料科学学院，山东 枣庄 277160)

我国以煤炭为主要能源，以前从煤炭中获取能量的方式主要是燃烧，造成了资源大量浪费、环境污染严重.因此大力发展洁净煤技术，高效清洁地利用我国煤炭资源，对于促进能源与环境协调发展，满足国民经济快速稳定发展的需要，具有极其重要的战略意义.煤气化是洁净煤技术的龙头.它是发展煤基化学品、煤基液体燃料、煤气化联合循环发电、多联产等过程工业的基础［1］，是洁净煤技术领域的关键性技术，也被认为是最清洁的煤转化利用方式.

1 煤气化的发展

从煤气化技术的发展进程来看，早期的煤气化大都使用块煤和小粒煤为原料制合成气如各种常压移动床气化炉、鲁奇加压气化炉及流化床中的恩德炉气化、U－gas气化和灰熔聚煤气化等气化方法，通称为第一代煤气化工艺.进入20世纪80年代后，煤气化技术取得了重大成果并进行了商业化运行，其采用先进的气流床反应器，以干粉煤或水煤浆为原料，加压气化，如Texaco法、Shell法、GSP粉煤气化技术和四喷嘴对置式水煤浆气化等，通称为第二代煤气化工艺［2］.

2 煤气化技术分析

煤气化技术按气化炉内固体和气化剂的接触方式不同分为固定(移动)床气化、流化床气化、气流床气化、熔融床气化，目前已经工业化运行的只有前三种.

2.1 固定(移动)床气化工艺

在气化过程中，块煤或碎煤由气化炉顶部加入，气化剂由底部入，煤料与气化剂逆流接触，逐渐完成煤炭由固态向气态的转化，煤料的下降速度相对于气体的上升速度而言很慢，未达到流化速度，故称为固定床(移动床)气化［3］.固定床气化的代表工艺有常压固定层间歇式无烟煤(或焦炭)气化技术、常压固定层无烟煤(或焦炭)富氧连续气化技术、鲁奇加压气化技术等.

2.1.1 常压固定层间歇式无烟煤(或焦炭)气化技术

以无烟煤或焦炭为原料，水蒸气为气化剂进行常压移动床气化.该技术气化效率低，操作繁杂，单炉生产能力较差，环境污染严重，属于将逐步淘汰的工艺.

2.1.2 鲁奇加压气化技术

鲁奇加压气化技术与常压气化技术类似，只是在高于常压条件下气化，采用固态排渣，煤种适用性较广，其主要优点包括:加压气化可以使用劣质煤气化;生产能力高;低氧耗，低温操作、碳效率高、气化效率高［4］.但其只能以块煤为原料，不仅原料昂贵，气化强度低，而且气—固逆流换热，合成气复杂，并且甲烷体积含量大.鲁奇加压气化技术在合成氨、甲醇、城市煤气和合成油中都有应用，山西天脊集团采用该气化技术生产合成氨，运行状况较好.通过表2－1对以上气化炉进行比较.

表2 －1 几种固定床(移动床)工艺比较

2.2 流化床气化工艺

流化床技术是以粒度为0～10mm的小颗粒煤为气化原料，以空气、氧气或富氧和蒸汽为气化剂，气体从炉内气化板自上而下经过床层，通过控制气化剂的流速，使碎煤处于流化状态，在充分搅拌和返混的条件下，煤粉与气化剂充分接触，发生氧化和热传递过程，故被称为流化床造气(又称沸腾床).流化床气化炉的代表有德国的恩德炉，美国的U－Gas气化炉，国内主要有中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化炉.

2.2.1 恩德炉气化

恩德炉属于改进后的温克勒气化炉，气化技术的核心由三部分组成:一是沸腾床粉煤气化发生炉(以下称恩德炉);二是沸腾床粉煤气化装置及使用该装置生产煤气的方法;三是废热锅炉系统.该气化炉适用褐煤及长焰煤等，主要用于生产燃料气和合成氨原料气等.操作可靠，运转率可达92%.主要缺点是气化压力为常压，单炉气化能力相对比较低，有效气体含量较低且含氮高，产品气中CH4体积分数高达1.5% ～2.0%，环境污染及飞灰堆存和综合利用问题有待解决.

2.2.2 U－gas气化

U－gas气化工艺由美国煤气工艺研究所(GTI)于20世纪70年代开发，属于单段流化床粉煤气化工艺，采用灰团聚方式操作.其特点是灰渣的形成和排渣方式是团聚排渣，与固态排渣相比，降低了灰渣中的碳损失;与液态排渣相比，减少了灰渣带走的热损失，从而提高了气化过程的碳利用率.煤种适用性极广，主要定位于气化劣质煤，对高灰、高硫和高水分煤的气化有较大优势.但依然存有不足排出的灰渣经灰冷器，然后经输灰系统送至灰仓，灰冷器的密封较难解决，运行中经常发生灰冷器堵塞等情况，影响气化炉的正常生产.

2.2.3 灰熔聚煤气化

灰熔聚煤气化技术由中科院山西煤化所开发成功，属于流化床气化炉.气化炉是一个单段流化床，可在流化床内一次实现煤的破碎、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解.该技术具有投资少，生产成本低，碳的利用率高等优点.其缺点是有效气体成分较低、产品气中CH4体积分数较高;其次是气化压力低、单炉产气量小.通过表2－2对以上流化床气化炉进行了相应比较［5］.

2.3 气流床气化技术

气流床气化是将气化剂(氧气和水蒸气)夹带着煤粉或煤浆.，通过特殊喷嘴送入气化炉内.在高温辐射下，煤氧混合物瞬间着火、迅速燃烧，产生大量热量.在炉内高温条件下，所有干馏产物均迅速分解，煤焦同时进行气化，生产以CO和H2为主要成分的煤气和液态熔渣.典型的气流床煤气化技术，国外有美国德士古(Texaco)公司(现属于GE公司)水煤浆气化技术、荷兰壳牌(Shell)粉煤气化技术和德国未来能源公司的GSP粉煤气化技术，国内有四喷嘴对置式水煤浆气化炉、四喷嘴干煤粉加压气化炉、二段干煤粉加压气化炉和HT－L航天炉等.

2.3.1 德士古水煤浆气化技术

德士古水煤浆气化技术由美国德士古公司在重油气化的基础上开发成功的煤气化技术，属于气流床湿法加料、液态排渣的加压气化技术.德士古水煤浆气化技术是目前商业运行较好的煤气化技术.该气化技术对煤种适应性广、合成气质量较好，产品气中(CO+H2)可达80%左右，甲烷含量低.但其也包含一些不足之处，仅适宜于气化低灰分、低灰熔融性温度的煤;比氧耗和比煤耗较高;气化炉耐火砖使用寿命较短;气化炉烧嘴使用寿命较短，需停车进行检查、维修或更换喷嘴头部［6］.对管道及设备的材料选择要求严格，一次性投资比较高.

2.3.2 壳牌(Shell)粉煤气化技术

Shell煤气化技术简称SCGP，是由荷兰Shell国际石油公司开发的一种加压气流床粉煤气化技术［7］.Shell煤气化技术的优点较为突出:可气化烟煤、褐煤、石油焦等原料，使煤炭得以充分利用.其中的硫化物被还原成硫磺，可作为化工行业的原料;灰分则被回收用来制造建筑材料;气化过程无废气排放，对环境几乎没有影响.但其依然存在不足，如Shell煤气化的指标数据是在发电上得到的，并不完全适合于氢、氨、醇的生产;水冷壁管对水质及相关设备有较高要求;高压氮气结合超高压氮气的用量过大，部分抵消了其节能的优势.

在国内市场上，壳牌煤气化技术主要用于生产合成氨、尿素、甲醇以及合成氢燃料等的原料气.在未来的发展道路上，随着化工企业多联产道路的发展，实现煤—化—电—热的联合，就要将壳牌等煤气化技术与分布式能源系统相结合.

2.3.3 GSP粉煤气化技术

为了进一步开发褐煤及其它煤种的气化，原民主德国的黑水泵公司于1976年开发了GSP粉煤气化技术［8］.GSP气化技术气化原料来源广泛，气化效率和碳转化率高，产物完全无焦油，烧嘴使用寿命长，投资及运行成本较低，兼备Texaco和Shell气化炉的优点，自上而下的喷射和内水冷壁结构，六通道的烧嘴也比较合理，是一种有广阔发展前景的气化技术.神华宁夏煤业集团在建的五座2000吨/天气化能力的气化炉和山西兰花煤化工有限责任公司两座同样的气化炉，都采用了西门子GSP气化技术，这是该技术在国内煤化工项目中首次应用.

2.3.4 四喷嘴对置式水煤浆气化

华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心与充矿集团有限公司合作开发的四喷嘴对置式水煤浆气化技术打破了国外对我国大型煤气化技术的垄断.该技术与德士古气化技术最大的不同是，它将德士古单喷嘴改为对置式四喷嘴，从而强化了传质传热过程，气化效果较好［9］.采用直接换热式含渣水处理工艺;采用蒸汽进入热水室与循环灰水直接接触换热，蒸发热水塔实现热量的回收.该气化炉最大优势之一是整个炉膛温度分布均匀，最高与最低温度差一般为50～150℃，最高温度也不超过1300℃.不足之处是出现气化炉拱顶砖冲刷严重和拱顶超温问题，气化炉内向下的撞击流有可能直接冲向气化炉出口，形成“短路”现象，从而影响装置的运行稳定性和气化效率.该技术到目前为止在国内已推广了30余家，共20多台气化炉.如兖矿集团有限公司、山东华鲁恒升化工股份有限公司均采用该技术.通过表2－3对以上气流床技术技术进行了比较［10］.

表2 －3 几种气流床气化工艺比较

由上可得，通过表2－4对三大气化工艺进行相应比较.

表2 －4 三种煤气化技术比较

3 结论

三种气化技术有各自的优缺点，要从煤种的适用性、技术的成熟性、工艺的先进性、投资大小以及环境负荷等方面综合考虑采用哪种气化技术合适.Lurgi固定床气化技术，由于粗煤气中甲烷含量较高，适合用作城市煤气联产化工产品，以温克勒和灰熔聚技术为代表的流化床技术则被广泛应用于中小型化工企业.而Shell、GSP等气流床气化技术作为现代煤气化的发展方向之一，可用于大规模生产装置中［11］.煤气化是煤化工的核心技术，未来时期要加强我国自主创新的气化技术的开发、产业化推广和应用，鼓励和支持企业使用我国具有自主知识产权的煤气化技术.

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