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1、11. 背景介绍1.1 煤化工综述世界目前主要能源除原油以外，还包括天然气、液化石油气、煤炭等。我国是一个富煤、少气和贫油的国家，煤炭资源丰富，煤种齐全，国家“十五”能源科技和能源建设计划对发展煤化工给予充分的重视，煤化工在我国面临新的市场需求和发展机遇。立足本国的富集资源，依靠技术革新的力量，开展新型煤化工，很大程度上可以实现石油和天然气资源的补充和部分替代。煤化工产业是指以煤为主要原料，采用化工过程，生产化工产品的产业，包括煤焦化、煤气化、煤液化和电石等行业，涵盖以煤为原料生产的焦炭、电石、氮肥、甲醇、二甲醚、烯烃、油品、天然气等产品，涉及煤炭、电力、石化等领域，是技术、资金、资源密集型产
2、业，对能源、水资源的消耗较大，对资源、生态、安全、环境和社会配套条件要求较高。我国煤化工产业正逐步从焦炭、电石、煤制化肥为主的传统煤化工产业向石油替代产品为主的现代煤化工产业转变。石油替代产品是煤化工产业的发展方向。发展煤炭液化、气化等现代煤转化技术，对发挥资源优势、优化终端能源结构、大规模补充、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 BDO 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 2国内石油供需缺口有现实和长远的意义， 煤的气化是新一代煤化工的核心。煤炭气化是煤炭转化的主导途径之一，是煤化工、IGCC、加氢工艺、煤液化等的龙头和基础，煤直接液化、煤间接液化、煤制
3、烯烃等项目都要用到煤炭气化。1.2 煤气化综述煤气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧） 、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气（合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料） ，进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。1.3 工业化煤气化工艺及我国应用情况煤气化工艺发展到今天，可以作为大型化工企业选择的气化方法主要有以下几种类型： 流化床气化工艺 气流床气化工艺 固定床气化技术1.3.1 流化床气化流化床气
4、化又称之为沸腾床气化，这是一种成熟的气化工艺，在国外应用较多，该工艺可直接使用0 6mm 或0 10mm 的碎煤作为原料，但亦不希望1mm 以下的细粉过多，备煤工艺简单，气化剂同时作为流化介质，炉内气化温度均匀，但气化温度较低小于1 000 左右，碳反应不完全，渣和飞灰中碳含量高，煤气中有效成份较低，近年来流化床气化技术已有较大发展，开发了如德国的高温温克勒（HTW），美国的U - Gas 等加压流化床气化新工艺，在一定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物过多等问题，但仍然存在带出物含量高、碳含量高且又难分离、碳转化率偏低、煤气中有效成分低、而且要求煤高活性、高灰熔点等多方面问题。该气化工艺
5、操作压力偏低，煤气污水中有少量焦油、酚等。因此流化床气化比较适合中、小化工企业采用。此种气化工艺及气化炉在我国应用较少。1.3.2 气流床气化气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉 2 类；从专利上3分，Texaco、 Shell 最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度 13501500；后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在 15001900高温下气化，残渣以熔渣形式排出。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下，因此，其热解、燃烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂
6、、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。成熟的粉煤气流床气化工艺主要以SHELL 、GSP 干粉煤加压气化和德士古水煤浆加压气化为代表，这几种气化工艺都是以纯氧作为气化剂，在高温高压下进行熔渣气化，粗煤气中有效组分含量高，仅有微量的甲烷，不产生焦油、萘和酚水，煤气质量好，最适合作合成气。1.3.2.1 德士古（Texaco）气化技术美国Texaco（ 2002年初成为Chevron 公司一部分，2004年5月被GE 公司收购）开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60
7、65%的水煤浆，用纯氧作气化剂，在高温高压下进行气化反应，气化压力在3.08.5MPa 之间，气化温度1400，液态排渣，煤气成份COH 2为 80%左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率9699%，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。相比之下，水煤浆气化技术经过我国有关科研、设计、生产、制造部门的多年研究，已基本掌握德士古水煤浆气化技术，并能设计大型工业化装置，国产化率可达90 %以上，技术支撑率高，生产管理经验多、风险少。目前，国内使用德士古气化工艺的主要有：1. 山东兖矿集团鲁南化肥厂2. 上海焦化厂三联供3. 淮南化工集团4. 陕西渭河化肥厂5
8、. 陕西渭河化肥厂甲醇项目6. 山东兖矿集团国泰化工7. 陕西神木化学工业有限公司8. 久泰二甲醚项目9. 奎屯锦疆化工有限公司10. 河南中原大化411. 中石化南京化学工业公司12. 内蒙古伊泽矿业投资有限公司13. 宁夏煤业集团14. 兖矿集团国宏化工有限公司15. 大连化学工业公司化肥工程16. 绵阳化肥厂扩建17. 中石化吉林化工分公司18. 中石化金陵石化分公司煤代油项目19. 中石化宁夏分公司化肥节能改造20. 中石化齐鲁分公司资源优化工程21. 中石化乌鲁木齐分公司大化肥22. 中石化镇海石化分公司大化肥23. 重庆万盛煤化工24. 南京惠生化工甲醇项目25. 神华包头烯制烃项
9、目26. 南京化工集团27. 山西丰喜肥业28. 兖州煤业榆林甲醇厂29. 上海惠生甲醇项目30. 陕西榆林神木化工甲醇项目31. 中石化南京分公司合成氨项目32. 黑龙江浩吉河合成氨项目33. 上海太平洋化工集团醋酸项目34. 新奥集团35. 利华益集团36. 陕西中化益业能源投资有限公司1.3.2.2 Global E-Gas 气化技术E-Gas 气化技术最早由 Destec 公司开发，采用水煤浆原料，两段气化，后被Dow 公司收购。E-Gas 气化技术的开发始于1978 年，在美国路易斯安娜州的Plaguemine 建立了日处理15 t 煤的中试装置，其后于1983 年建立了单炉550
10、t/d 煤的示范装置，于1987 年建设了单炉1600 d/t 煤气化装置，配套 165MW IGCC 电站，这两套装置均位于Plaguemine。基于这两套装置的经验，在路易斯安娜州的 TerraHaute 建立了单炉2500 t/d 的气化装置，配套 WabashRiver 的260 MW 的5IGCC 电站，该电站于1996 年投入运行，发电效率40。此工艺目前在国内应用较少。1.3.2.3 壳牌（Shell）气化技术壳牌煤气化工艺是由荷兰壳牌国际石油公司开发的干法粉煤加压气流床气化技术，壳牌公司从50 年代开始开发油气化技术，已积累了丰富油气化经验。近年来，我国引进十几套Shell 气
11、化装置用于合成氨和合成甲醇。总的来说壳牌气化技术是比较先进的气化技术，但是由于其气化炉的结构特点，使得该气化技术一次投资较大。一台套2 000t/ d 投煤量的气化装置需10 亿元人民币，采用该气化技术给企业带来非常大的投资压力。目前，国内使用Shell气化工艺的主要有：1. 河南义马开祥化工2. 柳州广西柳化3. 大唐国际锡林郭勒煤化工4. 湖北双环科技5. 中石化湖北化肥（枝江化肥）6. 中石化安庆石化7. 中石化岳阳石化8. 河南中原大化9. 大连大化集团甲醇项目10. 河南永城煤电集团甲醇项目11. 云南云天化合成氨12. 云南沾化合成氨13. 中国神华鄂尔多斯煤制油项目14. 大唐国
12、际发电多伦煤基烯烃项目15. 天津碱厂搬迁改造16. 贵州天福化工有限公司17. 鹤壁中原煤化工有限公司18. 鄂尔多斯世林化工有限公司煤制甲醇19. 安阳化工20. 山西兰花科技21. 川西北甲醇厂 l22. 浙江巨化股份23. 陕西榆林煤化科技624. 内蒙古天野化工粉煤示范工程25. 中石化巴陵石化分公司26. 河南龙宇煤业化工有限公司27. 大同矿业集团1.3.2.4 Prenflo 气化技术Prenflo和Shell气化技术十分相似，都是在K-T炉基础上发展起来的，都是多喷嘴上行干煤粉气化，水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气，煤气冷却都用废热锅炉。其主要差别在废热锅炉的设置上，Shell
13、在经过桥管后在侧边设置，而 Prenflo 在顶部。这是因为当初两家公司是一起合作开发的，后来才分开。其技术优势在于：采用的是膜式水冷壁气化炉而非耐火砖，使高温气化（1700 ）可行，所以原料选择范围较宽，而且降低了运行成本。气化后产生的煤气中CO 2 含量低，有效气体（CO+H 2）的体积分数约90%，氧耗比水煤浆气化约低10% 。其存在的问题主要是投资大，设备造价过高，干燥、磨煤、高压氮气及回炉激冷用合成气的加压所需功耗较大，气化炉的压力低于4.5 MPa，不能与后续过程相衔接（如等压合成甲醇）等。目前，国内应用此气化技术的较少。1.3.2.5 GSP 气化技术GSP（GAS Schwar
14、ze Pumpe）称为“黑水泵气化技术” ，是德国未来能源公司开发的气化技术，现由西门子公司收购。是下喷式加压气流床液态排渣气化炉，操作压力210410MPa，用粉煤、氧气鼓风，其结构及工作原理与德士古气化炉相似。未来能源公司的前身是原东德的德意志燃料研究所Deut schesBrennstoffinstitut Freiberg（DBI ），是当时东德从事与煤有关的各种技术研发最高研究机构，未来能源公司在不同煤种、废渣、裂解木炭、石油焦以及各种化学废料方面有GSP 气化技术的经验。GSP 气化技术不仅可使矿物燃料或类似原料转化为合成气，还可以使有些常规燃料如有足够高热值的废渣和废料转化为合成
15、气。因此，采用水冷壁气化反应器有很大的优势。与壳牌气化技术相比，GSP 气化技术由于其气化炉的结构简单，使得项目一次投资较较小。一台套2 000t/ d 投煤量的气化装置不足 4 亿元人民币，采用该气化技术是一种比较经济、现实的考虑。目前，国内使用GSP 气化工艺的主要有：1. 江苏灵谷化工有限公司 GSP2. 淮南化工集团 GSP3. 神华宁夏煤业集团公司 GSP4. 山西兰花科技 GSP75. 贵州开阳化工有限公司 GSP1.3.3 固定床气化固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体
16、颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。固定床气化炉常见有间歇式气化和连续式气化两种。1.3.3.1 间歇式气化炉（UGI）以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术是 30 年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达 5 000 m3，放空气体中含 CO、CO 2、H 2、H 2S、SO 2、NO x 及粉灰；煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。我国中小化肥厂有 900 余家，多数厂采用该技术生产合成原料气，弊端颇多。随着能源
