典型煤氣化技術(shù)介紹及選擇要點(diǎn)分析

楊 益

（山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030006）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)的能源消耗量也在持續(xù)增加。煤炭作為能源來(lái)源之一，在能源的消耗量中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，尤其是在我?guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭更是占有絕對(duì)重要的地位。

煤氣化技術(shù)是煤炭潔凈化利用的重要途徑之一，也是現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的龍頭技術(shù)。煤氣化是以進(jìn)入氣化爐的煤為氣化原料，以空氣、氧氣、二氧化碳或水蒸氣為氣化劑，在氣化爐內(nèi)一定的溫度、壓力等條件下進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)以一氧化碳、氫氣為主要成分的煤氣的工藝過程。近年來(lái)，煤炭氣化技術(shù)得到了的長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用[1-3]，在實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效潔凈利用的同時(shí)，還有效降低了對(duì)環(huán)境的污染。

煤氣化技術(shù)按照煤在氣化爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的不同，一般分為固定床、流化床和氣流床等形式。

1 典型煤氣化技術(shù)

1.1 固定床氣化技術(shù)[2，4]

固定床氣化技術(shù)是最早開發(fā)的氣化技術(shù)。在氣化爐的下部有爐箅子，用以支撐氣化爐內(nèi)的煤層。固定床氣化中，原料煤自氣化爐的頂部加入，依靠自身的重力逐步向下緩慢移動(dòng)，依次經(jīng)過干燥層、干餾層、氣化層和燃燒層。氣化劑則是自氣化爐下部進(jìn)入，并逐漸自氣化爐下部向氣化爐上部流動(dòng)，與煤層呈逆流接觸的形式。

固定床氣化爐以5 mm～50 mm 的塊煤為原料，氣化后剩余的灰渣從氣化爐底部排出，排渣的碳含量較低。由于氣體和煤層的逆流接觸，煤氣在流出氣化爐前，被原料煤冷卻，煤氣在出口的溫度一般為400 ℃～500 ℃，同時(shí)由于煤在熱煤氣的作用下進(jìn)行熱解反應(yīng)，生產(chǎn)的煤氣中含有較高的甲烷含量，同時(shí)煤氣中夾帶著有大量的焦油、酚類以及氰化物等物質(zhì)，導(dǎo)致后續(xù)的煤氣凈化及水處理系統(tǒng)工藝復(fù)雜、設(shè)備多。

1.1.1 Luigi 氣化技術(shù)

Luigi 氣化技術(shù)屬于典型的固定床氣化技術(shù)，經(jīng)過不斷地升級(jí)改進(jìn)，目前已經(jīng)推出了第五代爐型。Luigi 氣化技術(shù)爐型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用固態(tài)排渣方式，爐渣含碳量一般在5%左右。氣化爐內(nèi)的最高溫度一般可達(dá)1 300 ℃，因此在選擇氣化原料時(shí)不宜選用灰熔點(diǎn)較低的煤種。

1.1.2 BGL 氣化技術(shù)

BGL 氣化技術(shù)也是典型的固定床氣化技術(shù)之一。BGL 氣化技術(shù)采用液態(tài)排渣的方式進(jìn)行排渣，氣化爐結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的Lurgi 爐簡(jiǎn)單，由于氣化爐內(nèi)最高溫度可達(dá)1 500 ℃，BGL 氣化爐煤種適應(yīng)性強(qiáng)，氣化強(qiáng)度高，生產(chǎn)能力大，煤氣中可燃組分提高，碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率和熱效率均較高，對(duì)環(huán)境的污染也減小。但其高溫的操作條件和液態(tài)排渣的方式對(duì)BGL 固定床氣化爐設(shè)備提出了更高的要求。同時(shí)，由于排渣采用液態(tài)排渣的方式，在選用氣化原料時(shí)，不宜選用高灰含量和高灰熔點(diǎn)的煤種。

1.2 流化床氣化技術(shù)[4-5]

流化床氣化爐底部有一氣體分布板，進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，氣化劑自分布板之下進(jìn)入分布板上面，分布板上面的反應(yīng)煤層中的粉煤在氣化劑的作用下呈懸浮狀態(tài)，在一定溫度、壓力條件下與氣化劑反應(yīng)生成煤氣。

流化床氣化以碎煤為原料（一般小于6 mm），煤氣中幾乎不含焦油、酚和烴類，流化床反應(yīng)器的混合特性有利于傳熱、傳質(zhì)及粉狀原料的使用，傳統(tǒng)流化床為降低排渣的碳含量，必須保持床層物料的低碳灰比；而在這種高灰床料工況下，為維持穩(wěn)定的不結(jié)渣操作，傳統(tǒng)流化床必須控制在較低的操作溫度（低于950 ℃），因而只適用于高活性的褐煤或次煙煤。

為克服傳統(tǒng)流化床氣化技術(shù)的缺點(diǎn)，開發(fā)了灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)?；胰劬哿骰卜勖簹饣夹g(shù)根據(jù)射流原理，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的氣體分布器和灰分離裝置，在氣化爐內(nèi)形成局部的高溫區(qū)（1 200 ℃～1 300 ℃），并采用選擇性排渣提高了床內(nèi)碳濃度，降低了結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了操作溫度（可達(dá)1 100 ℃），使其可氣化的煤種由褐煤、次煙煤等高活性煤種，拓寬到煙煤甚至無(wú)煙煤等低活性的煤種。

流化床氣化技術(shù)工藝操作溫度適中，投資較低，原料適應(yīng)性寬，因此愈來(lái)愈受到重視。

1.2.1 溫克勒煤氣化技術(shù)

溫克勒煤氣化技術(shù)屬于典型的傳統(tǒng)流化床煤氣化技術(shù)，最早用于工業(yè)生產(chǎn)，氣化原料煤的粒度范圍較寬，氣化爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。溫克勒氣化爐為常壓操作，這種爐型的缺陷是僅適用于褐煤、次煙煤等反應(yīng)活性高的煤種，氣化溫度低，排渣含碳量高，飛灰?guī)С鑫镌斐傻奶紦p失大，致使碳利用率低，煤耗高。針對(duì)這些問題開發(fā)了高溫溫克勒氣化技術(shù)（HTW）。

相較于溫克勒氣化技術(shù)，高溫溫克勒氣化技術(shù)提高了操作壓力和溫度，增加流化床帶出細(xì)粉循環(huán)入爐系統(tǒng)，從而提高了氣化爐的氣化強(qiáng)度和碳轉(zhuǎn)化率，煤氣中甲烷含量相較于溫克勒氣化技術(shù)也得到了降低。但高溫溫克勒氣化技術(shù)原料煤種依然局限于褐煤等高活性煤種。

1.2.2 ICC 灰熔聚流化床氣化技術(shù)

ICC 灰熔聚流化床氣化技術(shù)屬于典型的改進(jìn)型的流化床氣化技術(shù)。由中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)的ICC 灰熔聚流化床氣化技術(shù)低壓工業(yè)裝置目前已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，成功應(yīng)用于工業(yè)合成項(xiàng)目和工業(yè)燃料氣項(xiàng)目。ICC 灰熔聚流化床氣化技術(shù)的煤種適應(yīng)性強(qiáng)，可以氣化褐煤等高活性煤種，也可氣化無(wú)煙煤、甚至石油焦等低活性煤種，對(duì)應(yīng)高灰、高灰熔點(diǎn)、高硫等劣質(zhì)的三高煤也可以實(shí)現(xiàn)很好的氣化。ICC灰熔聚流化床氣化技術(shù)工業(yè)裝置在工業(yè)燃料氣項(xiàng)目中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)，但在應(yīng)用于工業(yè)合成項(xiàng)目時(shí)，其操作壓力有待于進(jìn)一步的提高，相對(duì)于氣流床氣化技術(shù)，單臺(tái)氣化爐的處理能力也需要進(jìn)一步的提高。

1.3 氣流床氣化技術(shù)

氣流床氣化技術(shù)在進(jìn)行煤氣化過程中，在氣化爐內(nèi)氣化劑夾帶著原料煤粉一起流動(dòng)，氣化劑和煤粉呈并流流動(dòng)的狀態(tài)。氣流床氣化技術(shù)原料細(xì)煤粉的粒徑必須達(dá)到＜0.1 mm 的要求，且以液態(tài)排渣的方式排渣。氣流床氣化操作壓力高，氣化操作溫度高，可達(dá)1 500 ℃，煤氣中不含焦油、酚和烴類，甲烷含量很少，氣化強(qiáng)度高，但同時(shí)投資高，氧耗量高，由于以液態(tài)排渣方式排渣，必須采用較低灰熔點(diǎn)和低灰含量的煤作原料，否則需加助熔劑而進(jìn)一步增加氧耗，這對(duì)我國(guó)近50%的高灰熔點(diǎn)和高灰煤是非常不利的。

氣流床氣化技術(shù)根據(jù)進(jìn)料時(shí)，原料細(xì)煤粉進(jìn)料形態(tài)的不同，又可細(xì)分為兩種，具體為以干細(xì)煤粉為原料的干法氣流床氣化技術(shù)或者干粉進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)，以細(xì)煤粉制備的水煤漿為原料的水煤漿氣化爐氣化技術(shù)或者濕法進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)。德士古Texaco 氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)、多原料漿氣化技術(shù)等屬于水煤漿氣化技術(shù)，殼牌Shell氣化技術(shù)、GSP 氣化技術(shù)等屬于干粉氣化技術(shù)[1，3，5]。

1.3.1 德士古Texaco 氣流床氣化技術(shù)

德士古氣流床氣化技術(shù)屬于典型的水煤漿氣流床氣化技術(shù)。德士古氣流床氣化技術(shù)是在重油氣化的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)了，是一種率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的氣化技術(shù)，其進(jìn)料方式簡(jiǎn)單，工程問題較少，具有大的氣化能力，近些年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。德士古氣化爐使用的典型煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是60%～70%，由于煤漿具有液體的特性，加壓進(jìn)料容易，所以可以實(shí)現(xiàn)更高壓力（8 MPa～10 MPa）操作。其操作溫度一般在1 350 ℃～1 450 ℃，當(dāng)所用煤種的灰熔點(diǎn)和灰熔融流動(dòng)溫度較高時(shí)，需要添加助熔劑。

1.3.2 殼牌Shell 氣化技術(shù)

殼牌氣流床氣化技術(shù)屬于典型的干粉氣流床氣化技術(shù)。殼牌氣化技術(shù)采用干煤粉進(jìn)料，煤粉通過高壓氮?dú)饣蚨趸急粋魉偷綒饣癄t內(nèi)，煤粉、氧氣和水蒸氣在氣化爐內(nèi)反應(yīng)，氣化爐操作溫度保持在1 400 ℃～1 500 ℃，煤灰熔融并以液態(tài)形式排出。殼牌氣化技術(shù)原料干煤粉必須經(jīng)過干燥后達(dá)到水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%，以免煤粉結(jié)團(tuán)而無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于采用干煤粉進(jìn)料，相對(duì)水煤漿進(jìn)料而言干煤粉進(jìn)料的氧耗低，冷煤氣效率高，但同時(shí)產(chǎn)品煤氣中的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)高達(dá)約60%，對(duì)于后續(xù)以煤氣進(jìn)行化工合成為目的時(shí)，煤氣變換的壓力增加很多。當(dāng)所用煤種的灰熔點(diǎn)和灰熔融流動(dòng)溫度無(wú)法滿足爐內(nèi)操作溫度時(shí)，需要添加助熔劑。

2 氣化技術(shù)的選擇

不同的氣化技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，在實(shí)施不同的項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的氣化技術(shù)[3，6-8]。在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)的大背景下，選擇合適的氣化技術(shù)，優(yōu)化項(xiàng)目工藝，降低過程能耗，即實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果，也提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 煤氣用途

選擇氣化技術(shù)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)煤氣是作為合成氣使用，還是作為燃料氣使用。以合成氨、甲醇等為目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，氣化技術(shù)的產(chǎn)品煤氣中應(yīng)盡量減少甲烷含量，并保持合理的一氧化碳和氫氣體積分?jǐn)?shù)，這樣可以減輕后續(xù)的甲烷轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換等工序的負(fù)荷和能耗；以合成天然氣為目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，則可以選擇產(chǎn)品煤氣中甲烷含量相對(duì)較高的氣化技術(shù)。當(dāng)煤氣作為燃料氣使用時(shí)，需要考慮煤氣的熱值，后續(xù)使用的壓力，以及負(fù)荷波動(dòng)等。

2.2 氣化原料

在選擇氣化技術(shù)時(shí)，需要考慮氣化原料的水分含量、灰含量、灰熔點(diǎn)、成漿性、反應(yīng)活、粒度等因素。原料煤水分含量高且不易干燥，不易選擇干煤粉氣流床氣化技術(shù)。原料煤的灰含量高對(duì)于以液態(tài)形式排渣的氣化技術(shù)會(huì)帶來(lái)額外的運(yùn)行能耗和費(fèi)用。原料煤的灰熔點(diǎn)高，不易選擇液態(tài)排渣的氣化技術(shù)，否則需要添加助溶劑，相當(dāng)于增加了煤的灰含量。原料煤是否易于制備成水煤漿，決定了是否可以選用水煤漿氣化技術(shù)。對(duì)于反應(yīng)活性差的原料煤不能選擇高溫溫克勒氣化技術(shù)（HTW）等傳統(tǒng)流化床氣化技術(shù)[6-8]。原料煤的粒度分布決定了選擇氣化技術(shù)的大方向，原料煤為塊煤時(shí)固定床氣化技術(shù)可以作為選擇方案之一，當(dāng)原料煤為粉煤時(shí)則不能選擇固定床氣化技術(shù)。

2.3 用氣規(guī)模

在進(jìn)行氣化技術(shù)選擇時(shí)還需要考慮煤氣規(guī)模的影響。為了保持項(xiàng)目連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)不能出現(xiàn)煤氣斷供或者出現(xiàn)大幅波動(dòng)的情況，因此在確定氣化技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮單臺(tái)氣化爐的規(guī)模，并設(shè)置有備用氣化爐。

2.4 原料來(lái)源

當(dāng)項(xiàng)目所在地生產(chǎn)煤時(shí)，則盡量選擇以當(dāng)?shù)孛簽闅饣?，選擇適合當(dāng)?shù)孛旱臍饣夹g(shù)。否則，就需要到外地購(gòu)買原料煤，這在一定程度上增加了原料煤采購(gòu)的費(fèi)用

3 結(jié)語(yǔ)

煤氣化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的龍頭技術(shù)之一，也是現(xiàn)代煤化工的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同的煤氣化技術(shù)都有其獨(dú)特的氣化技術(shù)特性，有其一定的適應(yīng)性和局限性。選擇煤氣化技術(shù)應(yīng)根據(jù)煤氣用途、氣化原料、氣化規(guī)模和原料來(lái)源等選擇合適的氣化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排的同時(shí)，提高整體的經(jīng)濟(jì)效益。