李鳳剛，李肖，楊杰，鞠彩霞

(棗莊學(xué)院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 棗莊 277160)

我國以煤炭為主要能源，以前從煤炭中獲取能量的方式主要是燃燒，造成了資源大量浪費、環(huán)境污染嚴(yán)重.因此大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，高效清潔地利用我國煤炭資源，對于促進(jìn)能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，滿足國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展的需要，具有極其重要的戰(zhàn)略意義.煤氣化是潔凈煤技術(shù)的龍頭.它是發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)等過程工業(yè)的基礎(chǔ)［1］，是潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)，也被認(rèn)為是最清潔的煤轉(zhuǎn)化利用方式.

1 煤氣化的發(fā)展

從煤氣化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程來看，早期的煤氣化大都使用塊煤和小粒煤為原料制合成氣如各種常壓移動床氣化爐、魯奇加壓氣化爐及流化床中的恩德爐氣化、U－gas氣化和灰熔聚煤氣化等氣化方法，通稱為第一代煤氣化工藝.進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，煤氣化技術(shù)取得了重大成果并進(jìn)行了商業(yè)化運行，其采用先進(jìn)的氣流床反應(yīng)器，以干粉煤或水煤漿為原料，加壓氣化，如Texaco法、Shell法、GSP粉煤氣化技術(shù)和四噴嘴對置式水煤漿氣化等，通稱為第二代煤氣化工藝［2］.

2 煤氣化技術(shù)分析

煤氣化技術(shù)按氣化爐內(nèi)固體和氣化劑的接觸方式不同分為固定(移動)床氣化、流化床氣化、氣流床氣化、熔融床氣化，目前已經(jīng)工業(yè)化運行的只有前三種.

2.1 固定(移動)床氣化工藝

在氣化過程中，塊煤或碎煤由氣化爐頂部加入，氣化劑由底部入，煤料與氣化劑逆流接觸，逐漸完成煤炭由固態(tài)向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化，煤料的下降速度相對于氣體的上升速度而言很慢，未達(dá)到流化速度，故稱為固定床(移動床)氣化［3］.固定床氣化的代表工藝有常壓固定層間歇式無煙煤(或焦炭)氣化技術(shù)、常壓固定層無煙煤(或焦炭)富氧連續(xù)氣化技術(shù)、魯奇加壓氣化技術(shù)等.

2.1.1 常壓固定層間歇式無煙煤(或焦炭)氣化技術(shù)

以無煙煤或焦炭為原料，水蒸氣為氣化劑進(jìn)行常壓移動床氣化.該技術(shù)氣化效率低，操作繁雜，單爐生產(chǎn)能力較差，環(huán)境污染嚴(yán)重，屬于將逐步淘汰的工藝.

2.1.2 魯奇加壓氣化技術(shù)

魯奇加壓氣化技術(shù)與常壓氣化技術(shù)類似，只是在高于常壓條件下氣化，采用固態(tài)排渣，煤種適用性較廣，其主要優(yōu)點包括:加壓氣化可以使用劣質(zhì)煤氣化;生產(chǎn)能力高;低氧耗，低溫操作、碳效率高、氣化效率高［4］.但其只能以塊煤為原料，不僅原料昂貴，氣化強度低，而且氣—固逆流換熱，合成氣復(fù)雜，并且甲烷體積含量大.魯奇加壓氣化技術(shù)在合成氨、甲醇、城市煤氣和合成油中都有應(yīng)用，山西天脊集團采用該氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氨，運行狀況較好.通過表2－1對以上氣化爐進(jìn)行比較.

表2 －1 幾種固定床(移動床)工藝比較

2.2 流化床氣化工藝

流化床技術(shù)是以粒度為0～10mm的小顆粒煤為氣化原料，以空氣、氧氣或富氧和蒸汽為氣化劑，氣體從爐內(nèi)氣化板自上而下經(jīng)過床層，通過控制氣化劑的流速，使碎煤處于流化狀態(tài)，在充分?jǐn)嚢韬头祷斓臈l件下，煤粉與氣化劑充分接觸，發(fā)生氧化和熱傳遞過程，故被稱為流化床造氣(又稱沸騰床).流化床氣化爐的代表有德國的恩德爐，美國的U－Gas氣化爐，國內(nèi)主要有中科院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)的灰熔聚流化床粉煤氣化爐.

2.2.1 恩德爐氣化

恩德爐屬于改進(jìn)后的溫克勒氣化爐，氣化技術(shù)的核心由三部分組成:一是沸騰床粉煤氣化發(fā)生爐(以下稱恩德爐);二是沸騰床粉煤氣化裝置及使用該裝置生產(chǎn)煤氣的方法;三是廢熱鍋爐系統(tǒng).該氣化爐適用褐煤及長焰煤等，主要用于生產(chǎn)燃料氣和合成氨原料氣等.操作可靠，運轉(zhuǎn)率可達(dá)92%.主要缺點是氣化壓力為常壓，單爐氣化能力相對比較低，有效氣體含量較低且含氮高，產(chǎn)品氣中CH4體積分?jǐn)?shù)高達(dá)1.5% ～2.0%，環(huán)境污染及飛灰堆存和綜合利用問題有待解決.

2.2.2 U－gas氣化

U－gas氣化工藝由美國煤氣工藝研究所(GTI)于20世紀(jì)70年代開發(fā)，屬于單段流化床粉煤氣化工藝，采用灰團聚方式操作.其特點是灰渣的形成和排渣方式是團聚排渣，與固態(tài)排渣相比，降低了灰渣中的碳損失;與液態(tài)排渣相比，減少了灰渣帶走的熱損失，從而提高了氣化過程的碳利用率.煤種適用性極廣，主要定位于氣化劣質(zhì)煤，對高灰、高硫和高水分煤的氣化有較大優(yōu)勢.但依然存有不足排出的灰渣經(jīng)灰冷器，然后經(jīng)輸灰系統(tǒng)送至灰倉，灰冷器的密封較難解決，運行中經(jīng)常發(fā)生灰冷器堵塞等情況，影響氣化爐的正常生產(chǎn).

2.2.3 灰熔聚煤氣化

灰熔聚煤氣化技術(shù)由中科院山西煤化所開發(fā)成功，屬于流化床氣化爐.氣化爐是一個單段流化床，可在流化床內(nèi)一次實現(xiàn)煤的破碎、脫揮發(fā)分、氣化、灰團聚及分離、焦油及酚類的裂解.該技術(shù)具有投資少，生產(chǎn)成本低，碳的利用率高等優(yōu)點.其缺點是有效氣體成分較低、產(chǎn)品氣中CH4體積分?jǐn)?shù)較高;其次是氣化壓力低、單爐產(chǎn)氣量小.通過表2－2對以上流化床氣化爐進(jìn)行了相應(yīng)比較［5］.

2.3 氣流床氣化技術(shù)

氣流床氣化是將氣化劑(氧氣和水蒸氣)夾帶著煤粉或煤漿.，通過特殊噴嘴送入氣化爐內(nèi).在高溫輻射下，煤氧混合物瞬間著火、迅速燃燒，產(chǎn)生大量熱量.在爐內(nèi)高溫條件下，所有干餾產(chǎn)物均迅速分解，煤焦同時進(jìn)行氣化，生產(chǎn)以CO和H2為主要成分的煤氣和液態(tài)熔渣.典型的氣流床煤氣化技術(shù)，國外有美國德士古(Texaco)公司(現(xiàn)屬于GE公司)水煤漿氣化技術(shù)、荷蘭殼牌(Shell)粉煤氣化技術(shù)和德國未來能源公司的GSP粉煤氣化技術(shù)，國內(nèi)有四噴嘴對置式水煤漿氣化爐、四噴嘴干煤粉加壓氣化爐、二段干煤粉加壓氣化爐和HT－L航天爐等.

2.3.1 德士古水煤漿氣化技術(shù)

德士古水煤漿氣化技術(shù)由美國德士古公司在重油氣化的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的煤氣化技術(shù)，屬于氣流床濕法加料、液態(tài)排渣的加壓氣化技術(shù).德士古水煤漿氣化技術(shù)是目前商業(yè)運行較好的煤氣化技術(shù).該氣化技術(shù)對煤種適應(yīng)性廣、合成氣質(zhì)量較好，產(chǎn)品氣中(CO+H2)可達(dá)80%左右，甲烷含量低.但其也包含一些不足之處，僅適宜于氣化低灰分、低灰熔融性溫度的煤;比氧耗和比煤耗較高;氣化爐耐火磚使用壽命較短;氣化爐燒嘴使用壽命較短，需停車進(jìn)行檢查、維修或更換噴嘴頭部［6］.對管道及設(shè)備的材料選擇要求嚴(yán)格，一次性投資比較高.

2.3.2 殼牌(Shell)粉煤氣化技術(shù)

Shell煤氣化技術(shù)簡稱SCGP，是由荷蘭Shell國際石油公司開發(fā)的一種加壓氣流床粉煤氣化技術(shù)［7］.Shell煤氣化技術(shù)的優(yōu)點較為突出:可氣化煙煤、褐煤、石油焦等原料，使煤炭得以充分利用.其中的硫化物被還原成硫磺，可作為化工行業(yè)的原料;灰分則被回收用來制造建筑材料;氣化過程無廢氣排放，對環(huán)境幾乎沒有影響.但其依然存在不足，如Shell煤氣化的指標(biāo)數(shù)據(jù)是在發(fā)電上得到的，并不完全適合于氫、氨、醇的生產(chǎn);水冷壁管對水質(zhì)及相關(guān)設(shè)備有較高要求;高壓氮氣結(jié)合超高壓氮氣的用量過大，部分抵消了其節(jié)能的優(yōu)勢.

在國內(nèi)市場上，殼牌煤氣化技術(shù)主要用于生產(chǎn)合成氨、尿素、甲醇以及合成氫燃料等的原料氣.在未來的發(fā)展道路上，隨著化工企業(yè)多聯(lián)產(chǎn)道路的發(fā)展，實現(xiàn)煤—化—電—熱的聯(lián)合，就要將殼牌等煤氣化技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)相結(jié)合.

2.3.3 GSP粉煤氣化技術(shù)

為了進(jìn)一步開發(fā)褐煤及其它煤種的氣化，原民主德國的黑水泵公司于1976年開發(fā)了GSP粉煤氣化技術(shù)［8］.GSP氣化技術(shù)氣化原料來源廣泛，氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)物完全無焦油，燒嘴使用壽命長，投資及運行成本較低，兼?zhèn)銽exaco和Shell氣化爐的優(yōu)點，自上而下的噴射和內(nèi)水冷壁結(jié)構(gòu)，六通道的燒嘴也比較合理，是一種有廣闊發(fā)展前景的氣化技術(shù).神華寧夏煤業(yè)集團在建的五座2000噸/天氣化能力的氣化爐和山西蘭花煤化工有限責(zé)任公司兩座同樣的氣化爐，都采用了西門子GSP氣化技術(shù)，這是該技術(shù)在國內(nèi)煤化工項目中首次應(yīng)用.

2.3.4 四噴嘴對置式水煤漿氣化

華東理工大學(xué)、水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心與充礦集團有限公司合作開發(fā)的四噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)打破了國外對我國大型煤氣化技術(shù)的壟斷.該技術(shù)與德士古氣化技術(shù)最大的不同是，它將德士古單噴嘴改為對置式四噴嘴，從而強化了傳質(zhì)傳熱過程，氣化效果較好［9］.采用直接換熱式含渣水處理工藝;采用蒸汽進(jìn)入熱水室與循環(huán)灰水直接接觸換熱，蒸發(fā)熱水塔實現(xiàn)熱量的回收.該氣化爐最大優(yōu)勢之一是整個爐膛溫度分布均勻，最高與最低溫度差一般為50～150℃，最高溫度也不超過1300℃.不足之處是出現(xiàn)氣化爐拱頂磚沖刷嚴(yán)重和拱頂超溫問題，氣化爐內(nèi)向下的撞擊流有可能直接沖向氣化爐出口，形成“短路”現(xiàn)象，從而影響裝置的運行穩(wěn)定性和氣化效率.該技術(shù)到目前為止在國內(nèi)已推廣了30余家，共20多臺氣化爐.如兗礦集團有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司均采用該技術(shù).通過表2－3對以上氣流床技術(shù)技術(shù)進(jìn)行了比較［10］.

表2 －3 幾種氣流床氣化工藝比較

由上可得，通過表2－4對三大氣化工藝進(jìn)行相應(yīng)比較.

表2 －4 三種煤氣化技術(shù)比較

3 結(jié)論

三種氣化技術(shù)有各自的優(yōu)缺點，要從煤種的適用性、技術(shù)的成熟性、工藝的先進(jìn)性、投資大小以及環(huán)境負(fù)荷等方面綜合考慮采用哪種氣化技術(shù)合適.Lurgi固定床氣化技術(shù)，由于粗煤氣中甲烷含量較高，適合用作城市煤氣聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品，以溫克勒和灰熔聚技術(shù)為代表的流化床技術(shù)則被廣泛應(yīng)用于中小型化工企業(yè).而Shell、GSP等氣流床氣化技術(shù)作為現(xiàn)代煤氣化的發(fā)展方向之一，可用于大規(guī)模生產(chǎn)裝置中［11］.煤氣化是煤化工的核心技術(shù)，未來時期要加強我國自主創(chuàng)新的氣化技術(shù)的開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用，鼓勵和支持企業(yè)使用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù).

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