补充资料：煤气化工艺

煤气化工艺
coal gasification process

解放军化肥厂采用鲁奇炉制氨。1972年，德国在吕能(Lunen)建造世界上第一座IGCC示范电站，容量为170 MW，采用鲁奇气化炉。 BGL．气化妒 BGI。是British Gas／l。urgi的缩写。 图2 BGI。气化炉1一煤气骤冷装置}2一原煤闭锁仓；3一布煤嚣f 4一加压外壳；5一耐火衬；6一永夹套；7、8一蒸汽／氧喷嘴；9一排渣口；10一 液渣骤冷室；11一储渣斗是英国煤气公司与德国鲁奇公司合作开发的煤气化技术，气化炉结构如图2所示。原料煤采用6～50mm粒径范围，小于6 mm的屑煤可制成煤粉或水煤浆同时喷入炉内。它采用液态排渣，使固定床气化炉的生产能力得到进一步提高。 BGI。气化炉的操作压力为2．5～3．OMPa，反应温度一般为1400～1600℃，超过灰渣的流动温度。与传统的Lurgi炉相比，它的结构简单，取消了转动炉箅；气化过程的冷煤气效率提高，蒸汽分解率由30％提高到70％～90％；蒸汽与氧的比值由8下降到1．5以下．生产能力提高了2倍以上；粗煤气中的CO。含量由30％降到3％～5％，煤气的热值提高25％。 目前。单炉的煤气化能力最大为500 t／d，操作压力为2．5 MPa，该装置建在苏格兰的韦斯特菲尔德。在该示范装置上进行的试验表明：碳转化率可达到99．9％，冷煤气效率可达到92％，出炉煤气温度为400～500℃，经水洗骤冷凝结的焦油及飞灰回送人炉。煤气热值为1300 kJ／kg，负荷的变化范围为50％～100％，变负荷率为每分钟提高5％负荷和每分钟降低10％负荷。BGI，气化工艺目前尚未实现商业化。 在美国的第五轮洁净煤技术示范计划(CCT—V)中，BGI。煤气化工艺将应用于格兰德塔(GrandTower)电厂的477 MW IGCC示范项目，目前该项目中的IGCC机组尚未建成。 漉化床气化工艺 流化床气化工艺中气化介质的流速较高，煤粒相互分离并在气流的作用下在炉内呈流态化运动。流化床气化炉采用粒度较小的煤(<6mm)，气化介质与煤粒的接触面较大．反应速度较快。melq.hua gongy.煤气化工艺(eoal gasifieation proeess)煤在一定温度和压力条件下，通过加人气化剂(气化介质)被转化为煤气的过程。其反应过程是以煤为原料，以载氧的气体(包括空气、氧气、水燕气、CO:等)为气化介质，通过煤的热解反应、燃烧反应和气化反应，生成由CO、H:、CH;、COZ、NZ、HZO和C.H.等主要成分组成的煤气，通常煤气中还含有HZs、 Cos、CSZ、NH。、HCN、卤化物和粉尘等杂质。 甚本原理煤气化过程包括10个基本反应，化学方程如表所示。 煤气化过租的荟本反应┌────┬────────────────────────┐│煤的燃烧│C+0:=CO:+393.9 kJ/mol ││ 反应 │C+l/202=CO+1 1 0.5 kJ/mol │├────┼────────────────────────┤│CO:还原 │C+COZ=ZCO一1 67.8 kJ/mol ││ 反应 │ │├────┼────────────────────────┤│水煤气 │C+HZO=CO+H:一175.8 kJ/mol ││ 反应 │C+ZH:0=COZ+2H2一179.1 kJ/mol │├────┼────────────────────────┤│变换反应│CO+HZO=HZ+C02+3.35 kJ/mol │├────┼────────────────────────┤│甲烷生成│主反应C+2H2=CH一+75.0 kJ/mol ││ 反应 │ {co+“H，一CH。+HZO+250·3kJ/mo‘ ││ │副反应气“CO+“H，一CH‘+C(，，+“47·““J/mo‘││ │ tC02+4H:=CH。+2H20+253.7kJ/mol │└────┴────────────────────────┘大的提高，是固定床气化炉发展的方向。 奋奇(Lurgi)气化炉加压固定床气化炉的代表。其结构如图1所示，操作压力通常为1.。~3.0 MPa。与常压固定床气化炉相比.它的优点是:可以采用灰熔点稍低和粒度较小的煤，对煤的机械强度和热稳定性要求较低;能气化一些水分较高(20%~30%)、灰分较高(3o%)的劣质煤;煤气的热值较高;气化过程的耗氧t低，约是常压气化的1/3~2/3;气化炉的生产能力是常压气化的4~8倍;冷煤气效率较高。与流化床和气流床气化工艺相比，它的冷煤气效率和煤气的热值最高，操作温度最低，对炉体材料要求不高。它的缺点是:水燕气分解率低;只能采用块煤;设备维修和运行费用较高;煤气中焦油和酚含量高，不利于煤气净化。 ┌────┐ │，一不，│┌───┼────┤│笋址上│欧 │└───┴────┘ 图1 Lurgi加压固定床气化炉结构1一煤箱口一上部刮刀传动机构;3一煤气出口管刮刀;4一喷冷器;5一炉体;6一炉算，7一炉算传动机构;8一刮灰刀;9一下灰颐管;10一灰箱; 11一裙板A一带有内部液压传动装里的煤箱上阀;B一外部液压传动装1.C一煤箱下阀的液压传动装里 备奇气化炉源于德国，第一台工业炉于1936年建于德国的Hirschfe记e，目的是用煤生产合成油。目前世界上约有137台普奇气化炉，其中南非有90多台。最大产气t可达到10万m“/h(标)。鲁奇气化炉在城市煤气和合成油行业应用最多。我国的山西化肥厂、云南煤在炉内停留时间为几分钟。为维持炉内流化状态，气化温度控制在煤灰的软化温度以下，以避免因床层猫结而破坏流态化。这种气化炉通常最适合于高活性的揭煤。 流化床气化工艺的优点是:能气化灰分较高的煤，煤的成分波动对气化炉的性能影响较小;负荷适应性好，调节幅度大，容易起动和停车;多种燃料混烧容易;能在气化炉内加石灰石脱硫，出口粗煤气中没有焦油和重质烃类产品。其缺点是:碳转化率低;灰渣分离困难;飞灰和灰渣量大.不能使用低灰熔点的煤。 流化床气化工艺的代表性炉型有:Winkler(温克勒)炉、HTW(高温温克勒)炉、KRW炉和U一Gas炉。 Winkler气化炉属常压细粒煤流化床气化工艺，用空气(或氧气)和蒸汽为气化介质。图3是它的结构示惫图。以空气气化的Winkler气化炉单炉处理能力目前可达到700~1100t/d，用氧气气化时处理能力可达到1100~1500t/d。原煤灰分的最大允许值为50%，煤中水分小于18%时无需预干燥处理.煤气中没有焦油和重质烃类副产品。 Winkler气化炉是德 ┌─┐ │7 │ └─┘┌─┐ │力│ └─┘ 图3 Winkler气化炉结构1一原料煤.2一煤仓.3一螺~.‘~~~，~旋给料器;4一蒸汽，5一氛国人佛雷兹一温克勒版布们，”悯‘、’“竹 _.___…、_____气;6一刮灰机;7一炉体;8(Fritz一Winkler)于1922”_一了’‘’一’.‘”’!‘一_一____.一_一刮灰机四一灰斗;1。一煤年发明的。1926年建成第一‘一、.卜一_，~，二，，。----.~~一气出口一台Winkler气化炉，用富氧和燕汽连续鼓风制取合成氨原料气。至70年代末，国外曾有24个厂70多台炉在运行，目前只有少数几个厂在运转。实践证明，Winkler气化炉的碳转化率较低(只有80%左右)，捕渣率较低(40%左右)，飞灰含碳且较高(7o%~80肠)。我国吉林和兰州在50年代引进前苏联类似于Winkler的大型流化床气化炉，目前已停运。 HTW气化炉HTW振骚ligh Temperature Winkler的缩写.是德国莱茵褐煤公司于1978年开发的高温流化床气化炉，图4是它的结构示意图。它的主要特点是:在Winkler炉的基础上提高了操作压力(1.0~2.0MPa)，进而提高了气化炉的生产能力，使碳转化率和气化效率也得到提高;采用喷嘴组代替炉算布风，减少了排渣的含碳t;增加了二次风，使炉温提高，降低了95%。1998年，KRW气化炉处在调试阶段。 U一Ga:气化炉是美国煤气技术研究所(I GT)于70年代研究开发的流化床气化工艺.1974年建成投运处理能力为3Ot/d的小试装里，如图6所示。炉内直径为笋900mm，操作压力为。.4MPa.气化床层温度为955一1095℃。若以氧为气化介质时，氧煤比为。.93，蒸汽与煤的重量比为1.62，冷煤气效率为79%。 该气化炉主要是利用灰熔聚成球排灰的原理，以降低灰渣含碳t，气化剂一般分两股人炉，主要一股是通过炉栅人炉使煤焦流化并气化;另一股气流从炉底中心的灰渣排出口通人，的煤不太适合，负荷的调节幅度也较小。 代表性的气流床气化炉型有:常压的K一T炉，加压的Texaeo(德士古)气化炉、Deste。(德士泰)气化炉、Shell(壳牌)气化炉、Prenflo气化炉和GSP气化炉。 K一T气化炉K一T是Koppers一Totzek的缩写。K-T气化炉是1936年由德国Kop碑rs公司Totzek博士开发成功的，第一台工业化炉于1952年建于芬兰.图7是它的结构示意图。煤粉和气化剂由两头喷人，高温煤气由中空反应器排出，液态渣由反应室流人水浴室淬冷。 图6U一Gas气化炉结构1一气化炉;2、3一一级和二级旋风除尘界，4一粗煤气出;5一原煤入口;6一料斗;7一螺旋给料机;8、9一空气(或02)和蒸汽入口;10一灰斗;11一水入口，12一灰水 混合物出口，13一布风板┌─┬─┐│舟│-1│└─┴─┘在炉底中心喷嘴气流出口周围形成高温反应区，使灰渣熔化聚成小球排出，灰渣的含碳量可降至6%左右。飞灰经两级旋风分离器分离后再循环进人炉内气化，从而得到较高的碳转化率。 中国的上海焦化厂从美国引进了8台声2。。。mm直径的U一Gas气化炉.中国科学院山西煤化所开发了与U一Gas类似的灰团聚流化床气化炉，已通过常压和加压中试验证。1991年至1995年，煤炭科学研究总院北京煤化所也在上海试验了沪300 mm的加压流化床气化炉。 气流床气化工艺是用气化剂携带煤粉人炉，煤粉和气化剂处于相对平行的运动状态，可在瞬间完成嫩烧和气化反应;气流速度大于粉粒的终端沉降速度。要求人炉煤粒度小于0.1 mm。气流床气化属高温气化，火焰中心的温度高达2000‘C左右，气化剂一般为氧气(富氧)和蒸汽. 气流床气化工艺的碳转化率较高(98%~”%)，冷煤气效率一般为74%~83%。煤气中不含焦油和酚等烃类，CH‘含t也较低。气流床气化炉的生产能力较大，已商业化的气化炉最大处理能力达到2600 t/d，是大容tIGCC发电系统可选择的主要炉型。但气流床气化工艺的操作过程较为复杂，对运行水平要求较高;运行条件较为苛刻，对材料及部件的耐温要求也较高。另外，对煤种虽有一定适应性，但对高灰分和高灰熔点 图7近代K一T炉结构示意图1一落煤管;2一空气入口.3一水蒸气入口;4一粗煤 气出口;5一灰渣下落管;6一捞渣机 K一T炉是常压运行，以空气为气化剂，反应区温度为1500~1600℃，比灰熔融温度(FT)高100~2。。℃，人炉煤粉粒度要求85%通过200目的筛子。对于褐煤，K一T炉的碳转化率可达到99%。对于烟煤，它的碳转化率一般只有80%左右。由于是常压运行，K-T炉的处理能力较低。 目前，世界上还有20余台K一T炉在运行，主要用于生产合成氨。 Texaeo气化炉Texaeo气化炉是由美国Texaeo公司于1948年开发的，但遇到种种技术问题，直到80年代初，随着耐高温抗熔渣耐火材料的突破及高浓度水煤浆制备技术的成熟才改为直接用水煤浆和氧气人炉气化，并于1982年试验成功。先后在美国实验基地建有15t/d和25 t/d两套装里，在德国建有15ot/d的试验厂。中试成功后已建设了12套工业装t;是率先实现商业化的气流床气化工艺，商业运行的台数最多。中国的普南、渭河化肥厂和上海焦化厂都使用了该煤气化工艺，其中渭河化肥厂的Texac。炉的单炉煤气化能力可达到670t/d。Texaeo煤气化工艺于1984年就在美国的Cool Water 100 MW IGCC示范电站中得到煤炭气化有两个目的，一是制取气体燃料，二是制取化工合成用的气体原料。制取燃料气时，煤气化的主要反应是燃烧反应、C02还原反应和水煤气反应。制取原料气时，主要反应是水煤气反应和燃烧反应. 煤气化工艺包括煤的制备、气化剂制备(制氧、燕汽站)、煤气生产、煤气净化、煤气变换、煤气精制以及甲烷合成等主要流程。在生产中、低热值煤气时，如IGCC发电系统，一般只需要前三个流程和煤气净化;在生产原料气时，才需要后三个流程。原料煤的物理化学性质对气化炉的设计、运行及煤气处理都有直接的影响，是决定煤气化工艺技术经济效果的重要因素之一。不同型式的气化炉对煤炭的品质和原料准备都有一定的要求。煤气化工艺中的原料准备一般包括原煤破碎、筛分、干燥或调制水煤浆等。煤气的生产主要靠气化炉来完成，是煤气化过程的主要环节，它不仅决定粗煤气的组成和热值，也决定整个工艺流程的布里。煤气净化主要包括煤气的除尘、脱硫、脱C02及煤气的精制，对于IGCC发电系统，目前只有前两个流程。煤气变换是指将煤气中的CO变换成HZ的过程，主要是在生产化工原料气中采用。在生产高热值煤气(可替代天然气)时，才采用甲烷合成这一流程。 分类煤气化工艺的类型很多.分类的方法也很多。最常用的分类是按煤和气化剂在气化炉内的运动过程来划分，即煤气化工艺可分为固定床(或称移动床)气化工艺、流化床气化工艺、气流床(或称喷流床)气化工艺和熔融床(或称熔盐床)气化工艺等。 固定床气化工艺固定床气化工艺中气体流速较低，气体从相对静止的煤粒间隙中穿过，煤层运动速度很低。 在固定床气化炉中煤由气化炉顶部加人，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外。有的炉型采用液态排渣方式.故最下部为熔渣层。气化介质则自下而上与煤形成逆流接触。为保证床层分布的均匀性和透气性，一般固定床气化炉要求人炉煤有一定的粒度(3一30mm)和合理的粒级分布。 在固定床气化炉中，煤的停留时间较长，约1一1.sh。热效率、碳转化率和气化效率都较高.但单位容积的处理量小。若使用猫结性煤.炉内要增加搅拌设备。不适于建设大规模的生产装置。煤气中焦油和酚含量较高。 代表性的固定床气化炉有:两段发生炉、常压UGI间歇式水煤气炉、加压的鲁奇(IJurgi)炉和BGI，炉。两段发生炉、UGI炉和L盯91炉是固态排渣.BGL炉是液态排渣。常压固定床气化炉在国外已逐步被淘汰。高压固定床气化炉的容量和效率均比常压炉有很Entrained Flow的缩写。1997年投运的西班牙普埃托图1 1 Prenflo气拉诺(Puertollano)300 MW IGCC示范电厂，采用此工艺，气化炉的气化能力为2600t/d。 图11是Prenflo气化炉的结构示意图。它是加压干煤粉气流床气化工艺.液态排渣，内设水冷壁，有四个气化喷嘴。结构与Shell气化炉相似，区别在于冷却段和煤气冷却器。Prenflo气化炉的反应区和第一级冷却器被做成一个整体，热煤气从反应区出来，经过中心管急冷段上升至炉顶，然后沿环形煤气冷却器下降 化炉结构示慈图至气化炉中部，离开气化炉，进 1一气化炉充体，2一人第二级冷却器。 喷嘴(4个);3一煤气Prenfl。气化炉的特性与 冷却器;4一粗煤气出shen气化炉基本相同，不同之处 口，5一灰渣出口是它可用纯度为85%的氧气作为气化剂.PuertollanoIGCC示范装置运行性能及效果的详细情况尚未公布。 GSP气化炉GSP是德文Gaskombiant SchwarzePumPe的缩写。GSP气化炉是一下喷式加压干煤粉气流床气化工艺，液态排渣，操作压力一般为2.5~3.0MPa。以氧气和燕汽为气化剂，人炉煤粉粒度小于0.1mm。碳转化率可达到”写，冷煤气效率一般为77%~80%。 GSP气化炉是由原东德Gaskombiant SehwarzePumpe公司于1976年开发的。1979年建成了一台8t/d的试验装全。1980年又建成一台100~250 kg/h的装t.1985年投运了一套工业装置，气化炉的容量为720 t/d，主要供城市煤气.目前，尚未在IGCC中应用。 烟胜床气化工艺这种气化工艺采用干煤粉氧气气化方法，气化反应发生在一个熔融池的表面或内部，这种熔融池通常是铁或NaCO:的熔液.煤中的灰被高温熔化于池中，当液位升高时，熔渣排出。这种气化炉的操作温度在160。℃以上，人炉煤的粒度不大于3mm，可在高压下运行。 熔融床气化工艺的煤种适应范围较宽，不受煤的灰熔点、猫结性及热稳定性的限制;碳转化率和气化效率都较高;可以在床内脱除HZS和其他含硫杂质，脱硫效率较高;调节负荷能力强。但这种气化工艺对炉体材料要求较高，容量较小，目前尚未商业化。 代表性的炉型有:常压罗米尔熔渣池气化炉、加压萨尔堡一奥托气化炉、加压Kellogg熔盐气化炉和ATGAS熔铁浴气化炉。应用，1996年投运的美国TamPa 250 MW IGCC示范电站也采用Texac。气化工艺，单炉处理能力达到2400t/d，是目前最大容t的Texaeo气化炉。 图8是Texaeo气化炉结构示意图。水煤浆和气化剂均由炉顶的一个喷嘴人炉，反应区的温度为1400~1500℃，操作压力为2.0~6.5 MPa，液态排渣。煤气的冷却有急冷和辐射式煤气冷却器(辐射废热锅炉)两种形式。水煤浆浓度一般为60%一68%，氧/煤比较高(约0.9)，冷煤气效率一般在70%~76%，碳转化率一般为96%~98%。该工艺对煤种的适应性较好，对灰熔点较高的煤应加助熔剂，对煤的内在水分和灰 图8 Texaeo气化炉 示意图1一气化炉充体;2一水煤浆入口;3一氧气入口;4一度热锅炉;5一给水入口;6一高压蒸汽引出管;7一煤气出口大于3个月，耐火砖的寿命大于3年。 Deste。气化炉从70年代开始，经过处理能力分为11t/d和33 t/d的中试，1982年建成了处理能力1200 t/d的工业示范性气化炉。1987年在美国LGTI IGCC热电联产电站中投运，气化炉处理能力2400t/d。1995年投运的美国Wabash River 262MIGCC示范电站就采用该气化工艺，气化炉的处理力为2500t/d，是当时世界上最大的气化炉。 Shell气化炉是由荷兰Shell公司开发，始于年代初。开始Shen公司与克虏伯一柯勃斯(KrurKoppers)公司合作在德国汉堡建造了容量为150t的试验装置，名叫Shell一Koppers气化炉。1987年Sh公司在美国休斯顿建成一个气化能力为230~400t的示范装置，取得了成功。1996年投入运行的荷Demkolee IGCC电站采用了Shell煤气化工艺，电站容量为250 MW，气化炉的煤处理能力为2000 t/d，行状况良好。 Shell气化炉如图10所示，是干煤粉加压气流︸加明﹄口;‘UJ‘阮习廿，﹄匕JUn“分较高的煤不适合。气化炉内设耐火砖，耐火砖的寿命气化工艺，气化剂一般为95%纯度的氧气和蒸汽，液态排渣。气化炉内设水冷壁，有四个气化喷嘴。人炉煤粉粒度小于0.1 mm，水分小于2%。气化炉反应区温度一般为1500~1600‘C，操作压力为2.5~3.0 MPa。在气化炉出口处采用冷煤气对热煤气进行急冷，使熔渣淬聚，并使出口粗煤气冷却至900C后，进人下游的煤气冷却器。 sheli气化炉的冷煤气效率较高(8o%~83%)，碳转化率可达到99%。喷嘴的寿命可超过10000小时，水冷壁的寿命设计为10年。负荷的调节幅度较大(25写~100%)，对煤种的适应性强，但对高灰图10 Shell气化炉 结构示意图1一煤气出口;2一急，环;3一气化炉壳体.4- 图9 Destee气化炉 示意图l一气化炉壳体.2一水煤浆入口;3一暇气入口;4一一般为2年。气化炉喷嘴的寿命一般为3个月，运行维修费较高。与Shell和Prenflo气化炉相比，负荷的变化范围较小。 Destec气化炉美国道(I〕Ow)化学公司开发，其结构如图9所示。它是水煤浆加压液态排渣气流床气化工艺。气化炉分为两段，8。%的水煤浆和氧气(纯度95%)从一段反应区的两头喷人，反应产生的高温煤气向上进人二段反应区，在此喷人另外2。%的水煤浆，与炉内的热煤气反应，提高煤气的热值，并降低煤气的出口温度.DesteC气化炉的基本特性与一段反应区;5一二段反应Texac。气化炉相似，但它的区.6一灰渣急冷室，7一灰煤气热值和冷煤气效率更高法和水出口;8一煤气出(74%~78%)，煤气冷却系口，9一飞灰再循环入口统简单，造价低。喷嘴的寿命分和高灰熔点的煤仍有很大水冷壁.5一高压蒸汽七的限制。口，6一给水入口;7一』 Prenflo气化炉德国化喷嘴(4个);8一浏Krupp一Koppers公司开发。70渣水冷室;9一冷却水户年代初，该公司曾与shell公口;10一灰渣出口司合作共同开发干煤粉气流床煤气化炉。1986左Krupp一KopPers单独在德国的福鲁斯藤一豪(Frusten一hausen)建了一套处理能力为48t/d的试装置，并命名为Prenflo气化炉，它是Press、飞灰含碳量;在炉上部有一段辐射式锅炉以降低煤气的出口温度.压力的升高，使流化床气化工艺有可能用于IGCC发电系统。 图4 HTW气化炉结构 HTW炉经过35 t/d和60 t/d的两个示范厂运行，证明是成功的。碳转化率可达到96%，床层温度为760~820℃。 HTW炉将在德国的柯伯瑞(Kobra)300 MWIGCC示范电站中进行示范，该项目尚在筹建中。 KRW气化炉KRW是Kellogg Rust Westing-house的缩写，是由美国Kellogg Rust Synfuels Ine和westinghouse合资开发粗儿气的，图5是它的结构示意图。采用灰熔聚流化床气化工艺。煤粉与气化剂由喷嘴喷人炉内，形成高温燃烧气化区，允许灰渣局部熔化，并使之熔聚成渣球，与煤分离。 KRW气化炉已于70年代通过半工业性试验。试验炉处理能力为24t/d，操作压力为1.6MPa，气化炉煤气出口温度为705℃。经1.3万h的运行，证明该气化工艺是可行的。飞灰含碳量较低，但灰渣含碳量较高;拍环煤气~{煤及.送气灰团月丛呷日·图5 KRW气化炉结构1一气化炉沼一游离层口一气化层;4一喷嘴然烧区;5一旋风除尘器;6一回转式排灰机在试验厂中采用热灰渣再循环入流化床锅炉嫩尽的办法来提高碳转化率。 采用KRW气化工艺的美国派龙派因(PinonPine)100 MW IGCC示范电站已于1997年建成并投运。气化炉设计处理能力为881 t/d，采用空气气化，冷煤气效率和碳转化率的设计值分别为80写一85纬和

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