對煤炭氣化煤種適用性和有效產出成分的分析

訾東升

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.西山煤電(集團)公司，山西 太原 030053)

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·試驗研究·

對煤炭氣化煤種適用性和有效產出成分的分析

訾東升1,2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.西山煤電(集團)公司，山西 太原 030053)

闡述了煤炭氣化的主要原理及目前國內主流氣化工藝主要特點和工藝參數，分析了煤炭氣化煤種的適用性以及煤種適應性、原料煤粒度與生產效率之間的關系。并運用國內外科研院所及成熟企業運行數據，對同種氣化工藝不同爐型的煤氣產率和構成進行分析，對不同煤種不同氣化工藝的有效產出成分進行對比，得出同一氣化爐不同煤種煤氣產出成分及產率的特點，同一煤種不同氣化工藝煤氣產出成分及產率的特點，同一煤種、同一氣化工藝、不同氣化爐型煤氣產出成分及產率的特點，可對不同煤種選擇適用的氣化工藝提供參考。

煤炭氣化；氣化爐；氣化工藝；煤種；煤氣產率；煤氣產出成分

煤炭是中國的主要能源，而山西作為全國能源大省，煤炭總產量可占全國總產量的1/4,隨著國家產業政策的不斷調整、環保法規的不斷完善，煤炭氣化成為煤炭企業煤炭清潔利用的主要發展方向，本文著重對不同煤種、不同氣化工藝的有效產出成分進行分析研究。

1 煤炭氣化原理

煤炭氣化是指以煤或焦炭為原料，以氧氣(空氣、富氧或純氧)、水蒸氣或氫氣等作氣化劑，在一定溫度和壓力下通過化學反應將固體煤或煤焦中的可燃部分轉化為氣體燃料的熱化學過程。氣化時所得的可燃氣體稱為氣化煤氣，其有效成分包括CO、H2及CH4等。

在氣化爐內，煤氣一般先后經歷干燥、干餾、氣化和燃燒幾個過程，不過因氣化爐類似，溫度和壓力不同，這幾個過程進行的速度和程度不同，有時交叉進行。具體反應如下：

1) 欠氧燃燒(放熱)

C+0.5O2→CO-Q

2) 充分燃燒(放熱)

C+O2→CO2-Q

3) 蒸汽—碳反應(氣化)

C+H2O→CO+H2+Q

4) 碳的還原反應(氣化)

C+CO2→2CO+Q

5) 甲烷生成反應(氣化)

C+2H2→CH4-Q

CO+3H2→CH4+H2O-Q

6) 變換反應(氣化)

CO+H2O→CO2+H2-Q

2 氣化工藝與煤種關系

氣化爐按流體力學狀態或氣固接觸方式，分為3類,分別是固定床、流化床和氣流床。

2.1 固定床

固定床代表爐型為魯奇加壓氣化技術，目前使用最多的第三代技術是以塊煤為原料，加壓移動床固態排渣氣化爐結構，適用于不黏結或弱黏結性且灰熔點較高的煤種；另一常用的BGL熔渣氣化爐采用塊煤和助熔劑進行氣化。

2.1.1 魯奇加壓氣化技術

第三代魯奇加壓移動床固態排渣氣化爐由煤鎖、氣化爐主體和灰鎖3部分組成，煤鎖和灰鎖功能基本相似，通過程序控制器和液壓執行機構，開關各種閥門，周期地充壓、泄壓和加煤排灰，實現氣化爐加壓下的連續操作。魯奇爐要求入爐煤水分含量小于20%，灰分含量低于20%，黏結性方面要求原料煤坩堝膨脹指數(CSN)低于7，煤灰軟化溫度(ST)大于1 200 ℃，煤的反應活性越高越好。北京煤化研究分院對采用魯奇加壓氣化技術生產煤氣進行了中試，具體試驗數據見表1[1]：

表1 北京煤化研究分院魯奇加壓中試氣化爐數據表

從表1可以看出，針對不同煤種，魯奇氣化爐需要相應微調汽氧比和操作壓力來適應工藝要求，然而不同煤種由于固定碳、灰熔點、煤的反應性不同，必會造成粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

2.1.2 BGL氣化技術

BGL熔渣氣化爐是為了克服固態排渣氣化爐存在的蒸汽消耗大、煤種受限、氣化爐結構復雜的缺點開發的，采用塊煤和助熔劑為原料，液態排渣的加壓氣化工藝。BGL熔渣氣化爐對原料煤反應性、灰熔融性和黏結性要求低，非常適合氣化高揮發性且活性低的次煙煤，難熔灰含量高和水分較高的煤不適合本氣化爐[2].

針對外國不同煤種氣化效果來看，與魯奇爐結論一致，也需要微調汽氧比和操作壓力來適應工藝要求，然而不同煤種必會造成粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

2.2 流化床

流化床代表爐型有溫克勒氣化爐(Winkler)和灰熔聚氣化爐(U-Gas).

2.2.1 溫克勒氣化爐(Winkler)

溫克勒(Winkler)采用粒度為1～10 mm的褐煤、不黏煤、長焰煤及中等黏結性煙煤，要求原料煤具有較高反應性，自膨脹系數應小于4，水分應小于12%，適宜使用高活性和中高灰熔點的原料煤。目前多用于制氫、氨原料氣和燃料煤氣。

2.2.2 灰熔聚氣化爐(U-Gas)

U-Gas煤氣化工藝是由美國煤氣工藝研究所開發的單段加壓流化床灰熔局煤氣化工藝，該工藝實現了選擇性排灰，克服了傳統流化床氣化工藝底部排灰含碳量高的缺點，底灰含碳量可降至5%以下。該氣化爐對煤種適應性較強，可采用0～6 mm的煤作氣化原料，黏結性無特殊要求，對灰分高低和灰分含量波動無特殊要求。溫克勒氣化爐與灰熔聚氣化爐運行數據對比見表2.

表2 溫克勒氣化爐與灰熔聚氣化爐運行數據對比表

2.3 氣流床

氣流床氣化是指氣化劑(蒸汽與氧)將煤粉夾帶入氣化爐，在高溫下進行并流氣化反應的工藝。代表爐型有GE水煤漿氣化工藝與航天爐氣化工藝。

2.3.1 GE水煤漿氣化工藝(原德士古氣化爐)

GE水煤漿氣化工藝，煤種適應性強，對煤種沒有嚴格限制，對煤種的選擇主要根據經濟效益來測算，根據國內各企業運行效果，一般選用灰分低于28%，灰熔融性溫度流動溫度較低，含硫、氯、氟較低的煤。GE水煤漿氣化壓力高，可縮小設備體積，有利于降低能耗，氣化爐結構簡單，工藝成熟。運行數據見表3[1]：

表3 GE氣化爐典型煤氣組成表 %

2.3.2 航天爐主要運行數據

航天爐又名HT-L粉煤加壓氣化爐。航天爐的主要特點是具有較高的熱效率(可達95%)和碳轉化率(可達99%)，氣化爐為水冷壁結構，能承受1 500 ℃至1 700 ℃的高溫；對煤種要求低，可實現原料的本地化[3].航天爐的典型運行結果見表4.

表4 航天爐的典型運行結果表

3 結 論

3.1 同一氣化爐、不同煤種

同一氣化爐不同煤種，由于煤的揮發分、灰分、灰熔點、熱解溫度不同，需要根據煤質特性調整氣化爐的運行工藝參數，粗煤氣的產率以及組成成分含量必然不同。

1) 固定床：以魯奇爐為例，同粒度不同煤種的煤，在原料煤指標要求范圍內，水分低、揮發分高、灰分低、黏結指數低的煤有效氣體產率高，反之則有效氣體產率降低。同煤種不同粒度的煤，粒度區間穩定的煤，氣化效率高，有效產出成分高。

2) 流化床：以灰熔聚氣化爐為例，同粒度不同煤種的煤，在原料煤指標要求范圍內，水分低、灰分低、灰熔融性溫度高的煤有效氣體產率高，反之則有效氣體產率降低。同煤種不同粒度的煤，粒度區間小于8 mm且細粉含量越低的煤，氣化效率高，有效產出成分高。

3) 氣流床：以GE水煤漿氣化爐為例，破碎后不同煤種的煤，在原料煤指標要求范圍內，可磨性指數高、內水低、成漿性好、煤漿濃度高、灰分低、灰熔融性溫度低的煤有效氣體產率高；反之，則有效氣體產率降低。

3.2 同一煤種，不同氣化爐

3.2.1 在氣化操作條件差距較大的情況下

1) 采用不同氣化工藝。

同種煤分別采用固定床、流化床、氣流床工藝，由于氣化工藝技術設備對壓力、溫度、粒度和入料方式的不同，必然導致粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

2) 采用同種氣化工藝，不同氣化爐。

a) 固定床：以魯奇爐與BGL爐為例，原料粒度不同、爐膛溫度不同，粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

b) 流化床：以溫克勒氣化爐與灰熔聚氣化爐為例，操作壓力不同、爐膛溫度不同、進料方式不同，粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

c) 氣流床：以GE水煤漿氣化與GSP爐為例，原料形態不同、操作壓力不同，粗煤氣的產率以及組成成分含量不同。

3.2.2 在氣化操作條件接近的情況下

粗煤氣的產率以及組成成分基本類似。例如：shell爐、航天爐、科林爐，溫度、壓力、進料方式基本相同，粗煤氣產率及組成成分基本一致。

[1] 徐振剛,步學朋.煤炭氣化知識問答[M].北京：化學工業出版社，2008:81-82,108-118.

[2] 鄭萬德,王鵬娥.BGL碎煤加壓熔渣氣化爐運行情況分析[J].煤炭加工與綜合利用,2014(4):39-40.

[3] 趙華斌.航天爐粉煤加壓氣化技術探究[J].化工管理,2014(30):115.

Analysis on Coal Applicability and Effective Output Composition in Coal Gasification

ZI Dongsheng

This paper introduces the main principle of coal gasification, the major characteristics and process parameters of domestic mainstream gasification technology currently. Coal applicability in coal gasification, and the relationship among the coal adaptability, the powder size of raw materials and the production efficiency are all analyzed. Data from domestic and foreign research institutions and mature enterprise are used to analyze the gas production rate and composition of same gasification process and different gasifiers, and the effective composition output of different coals and different gasification process. Obtains gas output components and characteristics of production rate in different conditions such as coals, gasification process and gasifier type. It provides a reference for gasification process selection in different coal types.

Coal gasification; Gasifier; Gasifying process; Coal; Gas yield rate; Gas output components

2016-05-22

訾東升(1988—)，男，安徽潁上人，太原理工大學在讀工程碩士研究生，工程師，主要從事煤化工技術管理工作

(E-mail)zidongsheng@163.com

TD849

B

1672-0652(2016)07-0035-03