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1、煤气化技术的发展趋势以及国内研究建设现状文献综述李泽原指导教师 申峻太原理工大学 化学化工学院2011.01.07目录0 引言1 煤气化技术的发展趋势分析1.1 煤气化技术的市场需求和政策导向1.2 煤气化技术发展面临的主要问题和解决途径2 主要煤气化技术的发展状况、工艺及设备特点简介2.1 固定床 2.1.1 Lurgi/BGL2.2 流化床 2.2.1 温克勒/HTW2.3 气流床2.3.1 GE Texaco2.3.2 Global E-Gas2.3.3 Shell SCGP / Prenflo2.3.4 GSP 3 国内煤气化技术发展历程3.1 煤气化技术的引进3.1.1 Lurgi3
2、.1.2 恩德炉3.1.3 Texaco3.1.4 Shell SCGP3.2 煤气化技术的自主研发3.2.1 发展历程3.2.2 灰熔聚3.2.3 多喷嘴对置式水煤浆气化3.2.4 多喷嘴对置式干煤粉加压气化3.2.5 TPRI两段干煤粉气化3.2.6 MCSG多元料浆单喷嘴顶置气化3.2.7 HT-L 航天炉4 煤气化工艺的总结比较5 参考文献0 引言通过搜集整理相关文献和资料形成本文，文章旨在阐明作者对于煤气化知识有一定的了解并提出一些浅薄的比较和分析。煤气化主要用于生产各种燃料气，是干净的能源，有利于提高人民生活水平和环境保护。煤气化生产的合成气，是合成液体燃料、甲醇、氨、乙酐等多种产
3、品的原料。煤气化在国内外的发展经过了一定时间的研究、实践后逐渐趋于成熟，并因为市场环境的需求而加快了市场化、大型化的步伐。在国家政策的指导下，中国的煤气化行业亟需总结以往引进技术的经验，统筹安排在适应当地资源工业配置的情形下引进并自主开发出更适宜更经济环保的气化技术。1 煤气化技术的发展趋势分析1.1 煤气化技术的市场需求和政策导向20世纪80年代后期，作为煤化工的新突破，煤气化制合成气，再合成乙酸甲酯，进一步进行羰化反应得乙酐的技术标志着煤可以作为一种经济高效的原料应用于化工行业。煤气化在今天逐渐成为了煤炭清洁高效转化的核心，是发展煤基化学品合成（氨、甲醇、乙酸、烯烃等），液体燃料合成（二甲
4、醚、汽油、柴油等）、IGCC发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的公共技术。世界范围内越来越重视低碳经济、节能减排，预计到2050年煤炭能源将维持在26亿t，每年集中排放CO2 30亿t。作为把煤清洁高效转化的手段，煤气化在煤化工中的地位不断上升。 国家发改委发改工业20061350号文件中明确指出应在条件适宜的地区适当加快石油替代品产业的发展。目的在于降低我国对进口原油的依赖的宏观战略考量。煤炭一直以来都是我国的传统能源，其在我国能源结构中的地位是不可取代的,2011年全国煤炭总产能已超36亿t，相比之下煤气化投资门槛低、经济效益好、资源和环境压力较
5、小，比较当前我国采煤能力突出转化能力不足的煤化工格局，煤气化发展空间非常大。到目前为止中国已经成为世界最大的煤气化炉市场，从当前市场发展的预期来看，2020 年前我国将对煤气化炉有巨大的需求，需求量预计达到2250 套。目前我国国内正在兴起的煤制油、甲醇、合成氨及煤制烯烃等煤化工产业，必然会需要大量的大型煤气化炉。我国还有约占全国煤炭总储量约20%以上的高硫煤，也必须以气化技术为龙头才能让这些煤要获得高效、清洁利用，如果2020 年之前用煤基费托合成制醇醚燃料替代5000万t汽、柴油当量，则需煤2.2亿t3.6亿t；如果电煤中有1/3 为煤气化燃气、蒸汽联合循环发电，则发电量约2.5 亿kW，
6、以效率42%计算，需用煤6 亿t，两者合计约9 亿t。由此预测，若以2000 t/d的大型煤气化炉计算，每台炉每年处理煤600 kt，则2020年前国内共需大型煤气化炉1500 套，若再考虑到备炉，则大型煤气化炉的需求量将超过2000套。一套壳牌煤气化炉仅外壳的造价就为3 亿多元，水煤浆气化炉的造价至少也在1000 万元以上。即使都按照水煤浆气化炉的造价计算，2000 套的总造价就达到200 亿元。这样的需求数目是惊人的，它反映了我国能源结构发展的特点，促进了我国煤气化技术的进步，使我国成为世界上最大的煤气化了市场。1.2 煤气化技术发展面临的主要问题和解决途径煤气化技术将在中国具有广阔的市场
7、前景。但技术的发展并不是一帆风顺的，由于当前我国还不能掌握核心技术，国内先进煤气化炉的设计与制造还是一块短板，长期完全依赖进口，为此付出了很大代价。我国引进的煤气化技术装备价格昂贵，有关专家介绍，近几年国内一些企业对废锅流程粉煤气化技术的引进带有很大的盲目性，实际上这种技术有很多弊端，如煤气化炉及废热锅炉结构过于复杂，加工难度大，主要设备全部依赖进口等。面对我国庞大的煤气化炉市场，许多国外公司的煤气化技术已经在我国展开了新一轮竞争。有专家指出，面对这样需求巨大的煤气化炉市场，我国有必要对煤气化炉的发展制定明确的战略规划，鼓励和支持企业使用具有自主知识产权的国内技术，在立项、资金、银行贷款贴息、
8、减税和其他政策等方面给予优惠，为自主知识产权煤气化技术的推广创造宽松条件，从而一方面可加快国产化煤气化技术的大规模应用，减少巨额引进费用，同时也可加快我国化工装备制造业的发展，提升机械行业的加工制造水平。a. 生产规模大型化：现代过程工业（化工、发电、多联产、制氢等）发展的一个显著标志就是大型化、单系列，下游大规模生产的气化需求与现阶段煤气化技术产能水平的不符说明煤气化技术必须向大型化方向发展。由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，要求在现有的设备尺寸上通过提高单位时间单位体积的处理能力和处理效率实现处理能力的最大化。只能通过提高温度、增加压力、强化混合的方法解决。因此大规模高效煤气化过程必
9、须在高温（1300 oC1700oC），高压（3.0 Mpa8.5 Mpa）和多相流动条件下进行。当气化压力从0.1Mpa提高到4.0MPa，其投煤量也相应从1提高到10。高温气化条件下，煤中的焦油、氮化合物、硫化合物、氰化物也可得到充分的转化，其三废也相对低害容易处理。表1 煤气化装置的规模及特点2b. 能量的高效转化与回收：为了提高热效率，例如设计动因是应用于IGCC发电的Shell炉，采取了废热锅炉以回收煤气化高温显热，但是庞大的废热锅炉系统使其建设成本负担过重。激冷工艺适合煤基化学品的生产，比如可以用于等压合成甲醇。其设备简单可靠，但是能量回收效率低。除此之外，也提出了化学法回收高温煤
10、气显热的方案。利用一段大型气流床水煤浆气化产生的高温煤气（1300oC）以上中含有20% H2O和约20% CO2这一特点，将其通入二段固定床气化炉内与煤进行反应，从而降低一段炉出口温度，有效回收气体显热。c. 提高煤种适应性：煤炭作为一种结构、成分非常复杂且不确定的原料，所选用的料煤的性质直接影响到气化工艺的选择和结果。开发出煤种适应性强的煤气化技术，将大大提高生产企业应对市场变化的能力，有助于降低成本提高应对风险的能力。早期的固定床只能用活性较高、挥发分较低的无烟块煤，而且煤的灰熔点不可太低。流化床与固定床相比，可以采用一些活性较高的煤种，但灰熔点同样有要求。由于固定床和流化床气化温度较低
11、，煤中的碳转化率一般都低于90%，而他们的特点也决定了难以大幅度提高气化压力，大型化有困难。气流床的气化温度和压力显著提高，煤种适应性上可以采用一些低活性的煤种，单炉日处理能力也显著提高。已经工业化的气流床气化炉从原料路线上讲，有水煤气和干煤粉之分；从气化炉内部结构上来看有耐火砖和水冷壁之分。水煤浆气化要求煤种的制浆性能要好（煤浆浓度不低于60%），耐火砖结构要求煤的灰熔点要低（一般不大于1400oC）。相比较而言，干煤粉气化没有成浆性能的限制，水冷壁结构可以适应灰熔点高的煤种（16001700oC）的煤种。d. 煤气化技术理论研究基础气化理论研究的热点当前集中于几个方面：现有流化床、气流床中
12、煤的气化特性和各种工艺因素对气化特性的影响机理；气化过程中的有害元素、碱金属元素、微量元素和痕量元素等的迁移转化规律以及气化反应过程中各种元素之间的相互作用机理；对煤气化实验中难以测量的煤气化特性进行数值模拟研究的大型化、模型先进化、格式精度精确化研究；近年来第二代增压流化床联合循环发电技术PFBC部分气化燃烧继承优化技术中气化特性机理与煤炭部分气化产生半焦的燃烧特性研究也是常见的热点问题。作为煤气化新兴研究课题的等离子体气化技术，它是利用直流电弧炉中的高温直流电弧实现煤炭的气化工艺，有望突破传统固定床、流化床、气流床反应器反应速度较慢、反应过程不易控制、装置繁杂庞大的劣势。国外主要有俄罗斯学
13、者进行了许多基础研究。实验研究结果表明，等离子体气化条件碳转化率可达90.5%95%,硫转为气体产物的转化率可达94.3%96.7%，有效气成份CO和H2浓度可达84.7%85.7%。并数值模拟了具有内热源（电弧）反应器中煤粉的等离子体气化过程等。国内煤的等离子体气化研究主要是在太原理工大学教育部与山西省没科学与技术重点实验室进行，有国内唯一的煤等离子体气化反应实验装置。研究范围包括煤的等离子体气化工艺过程，水蒸气参与下的空气等离子体煤气化过程以及热等离子体裂解煤制乙炔、富勒烯、碳纳米管等的原理等。2 主要煤气化技术的发展状况、工艺及设备特点简介气化炉作为煤气化技术的核心，本文着重整理了一些气
14、化炉的工艺特点以及技术适应方向，作为比较分析的依据。良好的煤气化工艺要求具备的基本素质包括：基本投资和运行费用较低；尽量能适应任何天然固体燃料；尽量使固体燃料的可燃性有机成分转化为气体；出口煤气中尽量多的含有氢气和一氧化碳等有用成份；不产生或少产生影响环境的有害物质；气体中几乎不带腐蚀性物质，气体冷却后不产生堵塞管道和设备的固体和浆状物；操作安全可靠。2.1 固定床 常见固定床气化分为间歇式气化（UGI）和连续式（Lurgi）两种。因间歇式固定床气化技术原料单一、污染过大、能耗高，根据国家发改委发改工业20061350号文件，禁止核准和备案间歇式固定床气化技术。2.1.1 Lurgi/BGLa
15、历史：以鲁奇炉为典型的固定床加压气化炉自20世纪30年代在德国发明以来，经历了60多年的发展，出现了几种改进的炉型 鲁奇炉本质是碎煤固定床加压气化，该技术现在发展到了第四代。1974年，鲁奇公司与南非萨索尔合作开发了5m的第四代加压气化炉，而改进型BGL炉由固态排渣改为了液态排渣。b工艺：采用双夹套外壳，炉内装有搅拌器和煤分布器，转动炉篦采用宝塔结构，多层布气。操作压力3.0Mpa，采用50mm碎煤。第四代鲁奇炉几乎可适应任何煤种，单炉产量可达75000m3/h。鲁奇公司还开发了液态排渣气化炉。大幅度提高气化炉气化温度，这样不但减少了蒸汽消耗量，提高了蒸汽分解率，使气化炉出口有效气成分增加。c适用和经济评价：BGL气化技术粗煤气中CH4含量高，如果直接用作合成气将导致放空量增大，能耗高成本上升。因此该工艺多用于城市煤气联产化工产品，单独用于制合成气转化CH4工艺复杂。同时这也是BGL技术的特点，如果可以找到相应的合理适宜的工艺方法，生产污水中的焦油、酚、氨等可用于直接液化。2.2 流化床 流化床（或称沸腾床）煤气化技术是气化碎煤气的一种主要技术。其过程是将气化剂（氧气或空气和水蒸汽）从气化炉底部鼓入炉内，使炉内的碎煤粒呈沸腾状（流化态）在一定的温度下发生燃烧和气化的反应。流化床又有
