灰融聚流化床粉煤氣化制氫技術方案設計

畢可軍，卞素君

（1.陜西華祥能源科技集團有限公司，陜西西安 710075；2.平煤神馬集團飛行化工公司，河南平頂山 467001）

由于傳統的煤氣化制氫技術已不能滿足我國工業需要，必須加快發展先進的煤氣化制氫技術。其中，灰融聚流化床粉煤氣化制氫采用低廉的粉煤資源進行氣化，制取富含氫氣的原料氣，在原料成本及規模等方面具有一定的優勢。

1 常用的制氫工業方法

目前常用的制氫工業方法有以下。

（1）以煤或焦等固體物料為原料采用煤氣化工藝獲取制氫氣的原料氣。

（2）以渣油或重油等液相物料為原料，采用部分氧化法工藝獲取制氫原料氣。

（3）以天然氣、石油氣等烴類氣相物料為原料，采用烴類水蒸氣轉化工藝獲取制氫原料氣。

（4）利用企業已有的富含氫氣氣源（如焦爐氣、碳化煤氣）進行凈化分離獲取氫氣。

制氫方法的選擇，應視企業可利用的資源而定。灰融聚流化床粉煤氣化制氫采用粉煤（粉焦）進行氣化，制取富含氫氣的原料氣，再通過變壓吸附等技術獲得高純度的氫氣。

2 灰融聚流化床粉煤氣化技術

一般的流化床煤氣化工藝，爐內必須維持一定的含碳量（一般應大于40%，以維持爐內的還原氣氛），且在流化狀態下渣和料層的分離很困難，灰渣與飛灰含碳量均較高。氣化溫度一般在950℃以下，只能用反應活性好的煤種，如褐煤、長焰煤，才能獲得質量較好的煤氣。

而灰融聚流化床粉煤氣化技術根據射流原理，在流化床底部設計了灰團聚分離裝置，形成床內局部高溫區，使灰渣團聚成球，借助重量的差異達到灰團與半焦的分離，在非結渣情況下，連續有選擇排出低碳量灰渣，因此床內含碳量高，床溫高（950～1 100℃），使用煤種就放寬了。

2.1 技術特點

灰融聚流化床粉煤氣化技術具有以下特點：

（1）適合的煤種范圍寬，適合褐煤、煙煤、無煙煤、焦粉等多種原料的氣化；

（2）能用粉煤作為原料，且適合高灰、高硫、高灰熔點、低活性煤的氣化；

（3）氣化爐結構簡單，為單段流化床，爐內無轉動部件，容易制造和維修；

（4）氣化爐內中心高溫區使灰渣團聚成灰球，使煤粉和灰球有效分離，提高了碳轉化率，降低了灰渣中的含碳量；

（5）煤氣中夾帶的飛灰經第一級旋風除塵器分離回收并返回爐內再燃燒、氣化，進一步提高了碳的轉化率；

（6）煤氣中不含焦油，洗滌廢水含酚量低，凈化簡單；

（7）床層溫度高，氣化強度高；

（8）控制容易，操作可靠；

（9）本技術具有我國自主知識產權，設備完全可以國產，同等規模下，與國外氣化技術相比，投資僅為其50%左右。

2.2 工藝流程

灰融聚流化床粉煤氣化工藝流程如圖1所示。主要包括進煤，氣化，除塵，廢熱回收，中、深度除塵等系統。

圖1 灰融聚流化床粉煤氣化工藝流程圖

（1）進煤系統

由備煤系統送入的粒徑為0～6mm的原料粉煤（含水量控制在5%以下）依次進入煤斗、煤鎖、給煤斗，由螺旋給料機控制加煤量，用氮氣或二氧化碳吹送粉煤進入氣化爐下部。

（2）氣化系統

粉煤在氣化爐中主要經過煤的干燥脫水、脫揮發分、煤的氣化、灰渣熔聚、從床內分離出灰渣等五個過程。由分布板進入的蒸汽和氧氣，主要使床料流化起來。由中心管進入的蒸汽和氧氣，在噴口附近形成射流高溫燃燒區，使灰渣團聚成球。由環管進入的蒸汽和氧氣，在一定的氣速下，使灰團與半焦分離，在非結渣情況下，連續有選擇地排出低碳量的灰渣。粉煤在氣化爐中與氣化劑氧氣－蒸汽進行反應，生成CO、H2、CH4、CO2、H2S等氣體，生成的煤氣從上部引出。氣化爐上部直徑較大，含細灰的氣流速度降低，大部分細灰及未完全反應的半焦回落至氣化爐下部繼續反應，只有一部分細灰及半焦隨氣流夾帶出氣化爐。

（3）除塵系統

從氣化爐上部導出的高溫煤氣依次進入兩級旋風分離器，從兩級分離器分出的熱飛灰，由特殊控制裝置，經料腿用水蒸氣或二氧化碳吹入氣化爐內部進一步燃燒、氣化，以提高碳轉化率。

（4）廢熱回收系統

從兩級旋風除塵器出來的高溫煤氣依次進入廢熱鍋爐、蒸汽過熱器、鍋爐給水預熱器，冷卻回收熱量，蒸汽過熱器產生的過熱蒸汽一部分供裝置自用，另一部分送入工廠管網。

（5）中度、深度除塵系統

來自鍋爐給水預熱器的煤氣依次經過環流式旋風除塵器、袋式除塵器進行中、深度除塵后，煤氣中的粉塵含量達到10.0mg／m3以下，然后進入粗煤氣凈化系統。

3 制氫能力

3.1 原料煤

原料煤 神木涼水井煤

工業分析（質量分率）：

元素分析（質量分率）

高位熱值 28 740.00kJ／kg

灰熔點

3.2 氣化指標

灰融聚流化床粉煤氣化爐氣化指標如表1。

表1 單臺氣化爐主要氣化指標

單臺灰融聚流化床粉煤氣化爐生產有效氣（CO＋H2）為22 472.00m3／h，如有效氫回收率按88%計算，單臺灰融聚流化床粉煤氣化爐制氫能力達到20 000.00m3／h。

3.3 消耗及成本估算

1 000m3氫氣消耗及成本估算（只含氣化部分經濟分析）如表2所示。

表2 1 000m3氫氣消耗及成本估算（只含氣化部分）

4 后續配套工藝

灰融聚流化床粉煤氣化制氫后續配套工藝如圖2所示。氣化爐產高溫煤氣經過旋風分離器初級除塵后，由廢熱回收系統冷卻回收熱量，然后經過環流式旋風分離器進行中度除塵，再經過袋式除塵器深度除塵，使煤氣含塵量小于10mg／m3；經過除塵的粗煤氣溫度在200℃，汽氣比為0.6（摩爾比），直接進行CO耐硫變換，使煤氣中CO變換成H2，然后進行粗脫硫、精脫硫，脫硫后經壓縮至2.0MPa以上，經過變壓吸附（PSA）吸附出氫氣以外的氣體（主要成分為CO2，可返回氣化系統作為輸送氣使用），得到純度大于99.9%的氫氣。

圖2 灰融聚流化床粉煤氣化制氫后續配套工藝方框圖

5 結 語

灰融聚流化床粉煤氣化制氫工藝在原配套合成氨、甲醇等化工產品的基礎上進行了優化設計。其中，重點采用干法除塵技術，使煤氣含塵量小于10mg／m3，再利用煤氣中的水蒸氣進行CO變換，實現了物質和能量轉換的集約化，從而簡化工藝流程、減少基本投資和運行費用。