现代煤化工项目煤气化技术运用分析

2021-07-06刘斌

化工设计通讯 2021年6期

刘斌

（乌兰集团圣华新药业，内蒙古兴安盟 137400）

因为传统的煤炭应用方式成本高、污染严重，所以现代煤化工项目都开始使用煤气化技术，该项技术可使固体煤炭气化，生成煤气，再将煤气输送给用户，气体在用户端会被充分利用，煤炭的资源利用率大幅提升，同时充分的利用率可以避免污染产生，可见煤气化技术具有较高应用价值，值得推广。但现实情况来看，我国煤气化技术的推广情况并不乐观，如2017年电力、重工业、建筑、化工等煤炭资源的“大户”行业中，仅有3%使用了煤气化技术，其余依旧使用传统方式，在这种情况下就有必要展开相关研究，主要介绍煤气化技术的功效性、具体运用方式，旨在大范围推广煤气化技术。

1 煤气化技术的基本原理与常见形式

1.1 基本原理

煤气化技术是一种先对煤炭进行特殊处理，随即将煤炭送入反应器内，借助反应器内的温度与压力，配合氧化剂用一定的流动方式让固体的煤炭转化为气体，可得粗制水煤气，再对粗制水煤气进行脱硫脱碳处理，可得精制一氧化碳气，精制一氧化碳气就是煤气。这整个过程被称为煤干馏过程，其中主要原理为：①特殊处理过的煤炭在100℃以上的高温环境下受热，随即内部水分向外蒸发；②当环境温度提升到200℃以上时，煤炭中结合水释出。煤炭开始朝黏结性煤方向发展；③当问题超过350℃时，黏结性煤朝软化方向发展，进一步成为黏稠胶质体；④当温度处于400～500℃时，黏稠胶质体煤炭内的煤气与焦油会被大量析出，同时该状态下煤炭会开始热分解；⑤在温度处于450～550℃区间时，热分解作用会使得煤炭的残留物变稠，然后固化呈半焦状；⑥当温度超过550℃，半焦状煤炭残留物将继续分解，产生大量挥发性气体，气体的主要成分为氢气，同时半焦状煤炭残留物会不断收缩，表面有明显裂纹；⑦当温度超过800℃时，半焦状煤炭残留物将缩小为多孔焦炭，表面有一定硬度。经过以上7个步骤，煤炭就会转化为气体，剩余固体物质为煤炭气化副产品，具有一定的利用价值，而在这个过程中煤炭转化出来的气体主要成分为氢气、甲烷，因此可以作为燃料使用，这就是煤气化技术的基本原理。

1.2 常见形式

围绕煤气化技术的基本原理，研究界通过不断的研发提出了很多煤气化技术形式，并且在这些技术形式的优胜劣汰之下，精选出了几种功效可观、无可替代的技术形式，其中最为常见的有固定床气化、流化床气化、气流床气化。

1.2.1 固定床气化

固定床气化是最早的煤气化技术形式，又可以分为Lurgi气化技术、BGL气化技术两类，该项技术主要以煤块为原料，通过加压纯氧方式进行连续气化，其技术特点在于加压气化方式使得煤气生产能力大幅增高，且耗氧量降低。该项技术因为研发时间比较早，所以存在很多缺陷，诸如该项技术生产出的煤气质量较低，同时只能用不黏块煤块作为原料，使得煤气生产成本增高，在商业价值上比较低。固定床气化的两项技术分类的具体内容如下。

（1）Lurgi气化技术，该项技术的核心设备为鲁奇炉，整个技术流程大体可以分为4个步骤，分别为气化、冷凝冷却、油洗、水洗，运作时需要侧重压力与温度两大核心参数，在参数条件合理的情况下可以生产大量煤气以及灰渣。而Lurgi气化技术的缺陷在于整个过程中会产生大量废料，诸如冷凝冷却步骤就会产生大量含酚废水，这些废料在理论上具有一定的利用价值，但目前还没有找到正确的价值开发方式。

（2）BGL气化技术，该项技术相比于Lurgi气化技术更加先进，可以以石油焦、无烟煤、烟煤等煤炭作为原料，具有冷煤气效率高、碳转化率高等方面的优势，其产生的煤气利用价值高，能满足工业燃气需求。同时，BGL气化技术也会产生废料，但这些废料无污染，且性能优异，可以直接应用于其他领域，诸如建筑领域可以用这些废料填路，总体而言BGL气化技术更加先进，废料应用价值高。

1.2.2 流化床气化

流化床气化是一种对煤炭进行加温，促使煤炭处于沸腾状态，同时施于沸腾状态煤炭上升气流，这样气流就会带走煤炭在沸腾过程中产生的煤炭颗粒，最终完成煤气生产。流化床气化的技术特点在于煤炭颗粒与气化剂在空间底部会聚集，并保持流运动状态，这样能更好地进行固体排渣，这一特点来源于流化床气化气化炉的锥形结构，比较常见的气化炉为常压Winkler炉、加压HTW炉。两大气化炉的具体内容如下。

①常压Winkler炉，该气化炉主要可以应用于高活性煤炭的煤气生产中，应用时需要以氧气、蒸汽作为氧化剂，结合流化床的沸腾作用实现煤炭气化。②加压HTW炉，该气化炉是在常压Winkler炉开发而出的，因此基本特征与前者无异，但区别在于加压HTW炉应用中的温度更高，同时还会给内部空间施加压力，因此具有更高的生产效率，还可以降低能耗[1]。

1.2.3 气流床气化

气流床气化是一种利用气体作为介质，夹带煤粉使其处于悬空状态，随即进行气化的煤气化技术。该项技术目前是最为先进的煤气化技术形式，在国际上得到了广泛应用，在应用过程中，需要先对煤炭进行特殊处理，使其成为煤粉或者煤浆，随即利用气体气化剂让煤粉或煤浆产生气化反应与燃烧反应，这样就实现了煤炭气化。气流床气化的技术特点在于气化指标优秀、原料使用范围广，在生产过程中其气化压力最高，可达8.7MPa，还能借助多个工艺烧嘴让煤炭气化转换率增大，大幅减少废料量，因此具备极高的利用价值。但气流床气化并不是尽善尽美的，应用中存在冷煤气效率低、原料消耗相对高的缺陷，这些缺陷在理论上虽然可以克服，但实际上还没有找到很好的方法。

2 煤气化技术运用要求

2.1 技术选型

虽然不同煤气化技术形式存在优劣之分，但不代表可以只选择最先进的技术来进行生产，事实上不同技术形式有自身适用条件，且涉及经济成本问题，因此企业在煤气化技术运用之前应当根据生产条件、自身经济状况慎重选择技术形式。技术形式选型规则如下：

（1）根据生产条件，选择可在现实条件中运作的生产技术，并且注意不同形式技术的分类，选择其中更加先进的技术种类，诸如固定床气化中就建议选择BGL气化技术。

（2）参照自身经济条件，选择最经济实惠的技术形式，即保障技术能够在现实生产条件下运作的情况中，企业需要根据自身经济条件进行进一步选择，否则可能因为无法承担技术运维成本而放弃，不但带来经济损失，还不利于煤气生产[2]。

2.2 技术配置

所有煤气化技术形式都需要使用到相关设备，且设备关系到技术的生产效率，因此在技术应用中企业要根据技术要求做好相关设备配置工作。以气流床气化为例，该项技术的核心设备为德士古煤气化炉，同时因为该项技术的热化率较低，所以要配置高功率的热回收系统。另外，考虑到气流床气化应用中的高温熔渣会腐蚀炉壁，因此还要注意气化炉的材质。

2.3 参数设置

在煤气化技术运用中设备参数条件非常重要，诸如压力、温度等，因此企业应当了解各项技术形式的参数条件，再依照所选技术参数条件做好参数设置。以流化床气化为例，其中温度是核心参数，具体要求为：①150℃进行干燥处理；②150～700℃进行热裂解；③700～1 500℃进行燃烧反应；④800～1 100℃进行还原反应。

3 煤气化技术运用效果

3.1 案例概况

某煤气生产企业成立十余年，发展过程非常稳定，因此经济条件雄厚，并且引进了很多煤炭作为生产原料。以往该企业是直接使用煤炭来完成生产的，但这给企业带来了较大的经济压力，尤其在近三年，该企业发现自身业务范围内的需求量大幅增长，迫使企业必须提高生产量，而这样做将使得企业成本再次增长，虽不至于亏本，收益却会大幅降低，在这种情况下企业积极求变，开始使用煤气化技术。

3.2 技术运用方法

参照煤气化技术三大运用要求，该煤气企业选择了气流床气化，原因在于自身煤气生产原料种类较多，如果使用其他技术会导致部分原料无法使用，且企业生产条件符合该技术形式要求，同时该企业经济条件良好，可以承担气流床气化的成本。围绕气流床气化技术的设备配置、参数设置要求，该企业做好了一系列准备，具体内容为如下。

（1）在设备配置方面，该企业选择了德士古水煤浆气化炉，同时配置了700MW的热回收系统，有效弥补了气化炉热化率低的缺陷，并且该企业所选气化炉的材质经检验具有良好的耐腐蚀、耐高温能力。

（2）在参数设置方面，参照气流床气化技术要求，该企业进行了参数设置，具体见表1。

表1 气流床气化参数

3.3 运用效果

该企业通过气流床气化进行了煤气生产，主要利用气化剂将煤粉代入气化炉，随即借助高温（实际温度为1 670℃左右）生产CO、H2、CO2等气体，集中后可得煤气。经过生产观察了解到，气流床气化运用虽然会产生高温熔渣，但熔渣可以被完全排除，因此技术运用负担不高。同时根据企业技术应用前后的资源消耗情况可以看出，气流床气化使得该企业的煤炭资源用量大幅减小，在相同的时间，气流床气化的煤炭资源用量占直接应用的70%，说明降低了30%的资源用量，效果可观、经济效益良好。