粉煤流化床氣化技術(shù)應(yīng)用研究

沈和平，劉瑞民，任 鵬，盧 貝，王 昊

陜西煤業(yè)化工集團(tuán)（上海）勝幫化工技術(shù)有限公司, 上海 201203

煤炭在我國(guó)快速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中發(fā)揮核心作用。煤炭是我國(guó)主要能源，目前，我國(guó)的煤炭消費(fèi)量占全球的47%。我國(guó)煤炭傳統(tǒng)的利用方式是直接燃燒和火力發(fā)電，這兩種方法能源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了解決這些問(wèn)題，煤炭高效清潔利用是煤化工技術(shù)發(fā)展的未來(lái)之路。相對(duì)于石油和天然氣而言，煤是一種難于直接清潔利用的化石能源和重要原料。煤炭氣化的過(guò)程實(shí)質(zhì)是將難以加工處理、難以脫除無(wú)用組分的固體轉(zhuǎn)化為易于凈化、易于應(yīng)用的氣體的過(guò)程，簡(jiǎn)言之，是將煤中的C、H 轉(zhuǎn)化為清潔的合成氣或燃料氣（CO+H2）的過(guò)程。煤炭氣化是煤炭高效清潔利用的重要途徑，也是其他幾種潔凈煤技術(shù)的龍頭。

煤流化床氣化是流化床中煤在氣化劑的作用下，經(jīng)過(guò)氧化和還原反應(yīng)生成合成氣的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在流化床內(nèi)氣體和固體間具有較強(qiáng)的傳熱和傳質(zhì)效率，床層中氣固兩相的混合接近于理想混合反應(yīng)器，床層固體顆粒和溫度分布均勻等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，流化床技術(shù)具有氣化溫度低，碳轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高，煤種適應(yīng)能力強(qiáng)，硫化物和氮化物排放量小等技術(shù)特點(diǎn)。本文針對(duì)流化床氣化的原理和工業(yè)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 流化床煤氣化原理

煤氣化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是煤在氣化劑的作用下不完全燃燒生成氣體的反化學(xué)應(yīng)過(guò)程。煤進(jìn)入氣化爐內(nèi)首先發(fā)生熱解反應(yīng)，其中包括煤炭顆粒的熱裂解和縮聚兩種反應(yīng)過(guò)程，兩種反應(yīng)進(jìn)行程度主要受反應(yīng)溫度所控制，熱解反應(yīng)在煤顆粒沒(méi)全 部轉(zhuǎn)化成氣體之前一直都發(fā)生；后續(xù)的高溫主要發(fā)生煤的氣化反應(yīng)，主要包括氣體-固體之間的非均相反應(yīng)和氣體-氣體之間的均相反應(yīng)。在流化床中這幾種反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，流化床氣化床層溫度等其他操作條件對(duì)合成氣中CO、CO2、CH4 和H2 體積百分含量有較大影響。

2 流化床煤氣化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用情況

粒度小于10mm 的小顆粒煤和氣化劑分別從氣化爐底部進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在顆粒的起始流化氣速和帶出氣速之間的以流態(tài)化形勢(shì)和氣化劑相接觸，進(jìn)行流化態(tài)的強(qiáng)烈換熱反應(yīng)。國(guó)外具有代表的流化床技術(shù)有伍德氣化爐和U-Gas 氣化爐；國(guó)內(nèi)最具代表性的是灰聚熔氣化爐。

2.1 伍德氣化爐

蒂森克虜伯伍德公司的高溫溫克勒氣化爐（HTW）是在溫克勒爐的基礎(chǔ)上，改良而得的流化床煤氣化技術(shù)。氣化爐可進(jìn)行高壓操作操作，流化床中細(xì)粉被氣體帶出后經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離后重新進(jìn)入氣化爐內(nèi)，因而增加了系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化率。伍德氣化爐爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤種適應(yīng)性廣。蒂森克虜伯伍德公司致力于煤流化床氣化技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)出的HTW 爐可應(yīng)用于各種煤種，甚至城市生活垃圾、有機(jī)生物質(zhì)等，也可用于氣化。伍德的HTW 氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

伍德HTW 氣化爐技術(shù)特點(diǎn)：

1）加壓流化床；

2）反應(yīng)溫度：800-1000℃；

3）反應(yīng)壓力：10-30bar；

4）灰熔點(diǎn)以下運(yùn)行（適合加工具有高灰熔點(diǎn)的煤、生物質(zhì)、硬質(zhì)褐煤以及廢物）。

圖1 伍德氣化爐氣化爐結(jié)構(gòu)

2.2 SES 公司的U-Gas 氣化爐

U-Gas 氣化工藝于20 世紀(jì)70 年代由美國(guó)煤氣工藝研究所(GTI)開(kāi)發(fā)。采用流化床粉單段粉煤氣化方法，灰分采用團(tuán)聚方式進(jìn)行排放，原料適用性廣。U-GAS 煤氣化技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)有三個(gè)項(xiàng)目，分別是棗莊煤制甲醇項(xiàng)目、內(nèi)蒙煤綜合利用項(xiàng)目和河南義馬的煤制氣項(xiàng)目。U-gas 技術(shù)具有以下的技術(shù)特點(diǎn)：

1）燃料靈活，可處理多種煤及生物質(zhì)；

2）能處理最廉價(jià)的煤炭－高灰/低熱值煤炭；

3）投資成本低–比其它技術(shù)低30%～40 % ;

4） 裝置小規(guī)模運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性良好，并可進(jìn)行工業(yè)放大；

5）操作溫度適中，最大限度地減少維修；

6）操作簡(jiǎn)單，裝置可利用率高。

2.3 灰熔聚流化床粉煤氣化爐

我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流化床氣化爐中最具典型的是灰熔聚流化床粉煤氣化爐，該技術(shù)是由中科院山西煤化所在國(guó)家科技處的重點(diǎn)支持下發(fā)展起來(lái)的。山西煤化所經(jīng)過(guò)多年的努力，開(kāi)拓了該技術(shù)的在煤種方面的適應(yīng)性，原料不僅可以采用煙煤、無(wú)煙煤、還有低階煤和石油焦。與國(guó)外的技術(shù)相比，該技術(shù)具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。

3 流化床煤氣化的發(fā)展方向

1）發(fā)展以流化床為核心的多聯(lián)產(chǎn)工藝。將煤氣化技術(shù)與發(fā)電、化工聯(lián)合起來(lái)，綜合利用能源，提高熱效率，降低生產(chǎn)成本；

2）提高煤種適應(yīng)性。我國(guó)煤炭資源相對(duì)分散，煤質(zhì)的差異大，即使同一礦區(qū)不同的采煤區(qū)的煤質(zhì)也存在較大差異。因此，先進(jìn)的煤炭流化床氣化技術(shù)，應(yīng)該對(duì)煤種有較寬的適應(yīng)性，以消除煤質(zhì)變化帶來(lái)的不利因素；

3）保護(hù)環(huán)境。煤中污染較嚴(yán)重的S 和N 等元素，通過(guò)先進(jìn)的流化床氣化技術(shù)排放量應(yīng)相對(duì)較少或容易處理。這也符合我國(guó)煤炭潔凈利用政策的要求，滿足持續(xù)發(fā)展的要求。

4 結(jié)論

煤在我國(guó)能源體系中起至關(guān)重要的作用，且我國(guó)在流化床燃燒和循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展中已有比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，只需對(duì)已有的流化技術(shù)進(jìn)行深入研究，流化床技術(shù)在我國(guó)一定會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。這也同樣為其他化工項(xiàng)目的拓展提供新領(lǐng)新的方法。

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