Lurgi(鲁奇)加压气化工艺

摘要: 对鲁奇气化技术的发展历史、工艺，流程及其特点，气化条件确定，气化工艺优化控制及在国内外的应用现状和前景进行了论述说明, 重点对鲁奇气化工艺的气化条件以及其优化控制方法,鲁奇气化技术在国内煤化工行业应用的前景, 进行了分析。

关键词: 鲁奇; 加压气化; 工艺流程；工艺条件; 优化控制

中图分类号： TG453 文献标识码： A

近几年, 随着中国煤化工产业的蓬勃发展, 煤的气化技术作为煤转化利用的领先技术和核心技术, 得到越来越广泛的应用。煤气化单元在煤化工生产装置投资中占有重要比例, 不同煤气化技术投资差异巨大, 因而煤气化技术的选择对项目固定投资有重要影响。同时, 不同气化技术的工艺特点、技术指标、设备结构等也存在较大差异,不同的煤种、产品方案和规模应选择适宜的气化技术, 从而做到技术和经济均可行。鲁奇（Lurgi）气化技术是最早应用于工业化的气化技术之一, 也是在加压气化工艺中应用最多的气化技术。

1、鲁奇气化工艺流程及特点

鲁奇气化典型工艺流程如图1所示。

5~50mm块煤经煤溜槽、煤锁进入气化炉。水蒸气和氧气混合后从气化炉底部经炉篦进入气化炉, 在30MPa、1000 ℃的条件下, 与煤发生气化反应。从气化炉出来的粗煤气, 温度高达220～600℃ , 经喷冷器后温度降至200～210 ℃左右, 进入废热锅炉回收余热, 温度降至1800℃。左右, 粗煤气经气液分离后进入下游序。废热锅炉可产生0.5MPa～0.6MPa的低压蒸汽从喷冷器洗涤下来的含焦油和尘的煤气水随煤气一起进入废热锅炉底部分离器, 初步分离油和水。部分含尘煤气水由循环泵返回到洗涤冷却器, 其余送至煤气水分离单元。气化炉气化产生的灰渣周期性通过灰锁斗排出。

图1鲁奇气化工艺流程图

具体在用软水水洗之前还需用油洗以去除煤气中的轻油等杂质，由下图知鲁奇加压气化工艺主要分为四个阶段，分别为气化过程，冷凝冷却过程，油洗过程以及水洗过程。气化过程产生灰渣，冷凝冷却过程产生焦油和酚水（含酚类的废水），油洗过程产生了氛水和轻油，水洗过程则只产生了轻油，经过这四个过过称，鲁奇炉产生了不少的废物，如何利用这些废物，就成

了工程科学界的一个课题。

鲁奇气化工艺主要有以下特点:

1) 以碎煤为原料。一般采用5～50mm的块煤进料, 且下限率不能过高。一般要求煤的反应性好、无粘结性和弱粘结性、机械强度较高、灰熔融性温度较高。因此适宜的煤种为褐煤、次烟煤、贫煤和无烟煤, 对一些水分较高( 20%～30%)和灰分较高(如30%)的劣质煤也适用。与气流床工艺相比, 鲁奇炉采用碎煤为原料, 进入炉煤的处理费用低。

2) 耗氧率低。气化为干法排灰, 使用纯氧气化, 为防止结渣, 采用较高汽氧比, 因此氧耗较低, 约为气流床氧耗的70%, 可在空分制氧设备上节省大量投资。

3) 气化后煤气质量较好。气化产生的煤气中CH4 含量较高, 达10%左右, 适合于生产城市煤气和代用天然气(SNG), 将CH4转化为CO和H2后也可以用于生产化工产品,比如甲醇和氨。

4) 煤气成分有利。粗煤气中H 2/CO为2.0, 不经变换或少量变换即可用于F-T合成、甲醇合成、天然气合成等产品生产, 对比气流床气化减少了CO变换工序。

5) 汽氧比。该工艺最重要的工艺操作参数为汽氧比,与气流床强调的氧煤比有一定区别, 但目的相同, 就是控制一定的气化炉温度。汽氧比的确定通常根据煤样的ST温度、反应活性、产生的灰渣状态和煤气组成质量。

6) 产物热回收方便。固定床气化气、固两相逆流接触, 通过逆流操作实现高的冷煤气热效率, 逆流操作使粗煤气和灰渣均以较低的温度离开气化炉, 与气流床相比,在高温煤气和高温液态渣的热回收方面有优势。

7) 气化工艺成熟, 设备国产化率高、造价较低, 在投资上较气流床占有较大优势。

2、 鲁奇气化工艺条件的确定

加压鲁奇气化必须在一定条件下才能反应，条件主要包括气化压力，温度，气化剂等，如下

图2 鲁奇气化工艺温度压力曲线图

2.1气化温度的确定

气化温度对过程热力学和动力学产生决定性影响，温度和压力对生成产物成分的影响曲线如上图.可知当温度增加CH4生成反应直线下降,常压1000℃时,几乎没有甲烷生成,，然而H2,CO生成反应却直线上升,平衡产率达100%,在生产中不能只看到热力学这方面,更重要的是反应动力学,要从最经济出发,综合各种条件得到最佳工艺条件。实践证明,提高操作温度是强化生产的最重要手段。

气化操作温度主要根据灰熔点和灰的品位来定。一般长渣煤,燃烧区最高温度。选择选择T2操作短渣煤,最高温度不能超过T2。 操作温度高有如下好处。

（1）温度高,气化反应速度大大增加,投资减少,煤气成本降低。

（2）水蒸汽/氧气比可以降低,减少蒸汽消耗,蒸汽分解率提高,未分解蒸汽少了,从而带走显热少了,减少了氧耗。水蒸汽/氧气比低,煤气水少了,处理煤气水的投资费用相应减少。

2.2气化压力的确定

提高气化压力最显著的效果是

（1）节省动力,压力越高,节省动力越多,因压缩一体积的氧,随煤质不同可得到体积同样压力的粗煤气。

（2）提高气化压力,气化反应速度加快,气化强度随气化压力的0.5次方增加,大大节省投资。

（3）提高操作压力,粗煤中CO2含量迅速增加,如上图活性越好的煤，操作压力高，可得含CH4高的煤气。

（4）提高操作压力,减小了粗煤气离开煤层的速度,减少了煤气中的含尘量。

当然提高压力操作,要求设备制造技术高。蒸汽分解率有所下降。但这都不是主要的,在技术可靠的条件下,制取合成氨,甲醇,代用天然气时,尽可能提高压力操作。

2.3气化剂的确定

气化剂及其各成分的比例影响过程热力学、动力学。气化剂不同,所得煤气成分,热值相差很大。气化剂主要是根据煤气的用途决定。如制取各种用途的合成气,城市煤气,应选蒸汽--氧为气化剂。H2O,蒸汽/O2与煤的灰熔点、活性、粒度有关,一般H2O/O2=4.5~8kg/Nm3。若制得的煤气用来合成油,可用部分CO2代替高压蒸汽,CO2的加入量还可控制CO的生产量。H2也可用作作气化剂,制得高浓度CH4的管道煤气。

2. 4气化强度确定

气化强度是气化压力、温度及煤的活性,粒度和灰中含碳量等决定的。气化温度高,活性好,粒度合适,在30kg/cm3气化,生产强度为4000～5000Nm3/hm2灰熔点太低,活性差的煤,生产强度较低,灰中含碳量一般控制3～5%。对灰熔点高、活性好的煤,粒度更显得重要,否则将限制生产强度的提高。

3、鲁奇气化工艺经济优化控制

为了有效提高鲁奇气化炉经济运行效果，对影响气化炉能耗的原因进行分析就很必要了，从改善入炉煤煤质到节能技术的应用等方面对鲁奇气化工艺进行优化控制，提出根据灰熔点分类堆放，降低灰分，加强矸石清除能力，选择合适汽氧比等气化炉稳定经济运行的措施 ，研究结果表明，通过改变原料煤煤质优化气化炉工艺控制以及采用节能技术，可有效降低鲁奇气化炉的能耗指标。

3. 1根据灰熔点分类堆放

据鲁奇气化炉对煤的特殊要求，煤炭采购中应将灰熔点作为一项主要的控制指标，尽可能集中采购灰熔点相近的煤种并分类堆放。

3. 2降低灰分，加强清除能力

灰分和矸石无任何利用价值，增加了运输成本煤炭采购中应根据价格合理控制灰分，灰分含量越低越好。

3 . 3根据生产负荷合理选择发热量，保证用煤粒度

根据生产负荷采购相应热值的煤，可通过减少运行炉数量来提高生产负荷，根据生产负荷合理选取适合鲁奇气化工艺的煤，避免盲目追求过高固定碳含量或发热量，造成原料成本过高，气化炉运行不经济。

3. 4选择合适汽氧比

通过对气化炉灰样中残碳含量和粗煤气成分的分析，结合现场灰渣的颜色粒度下灰量等因素，在保证灰不熔融的情况下，根据固定碳含量调整汽氧比提高气化反应温度，降低粗煤气中CO2含量，提高粗煤气品质，以达到提升经济效益的目的。

3. 5减少气化炉开停车次数

加强设备检修管理，根据气化炉各部件的检修周期，合理安排气化炉的检修计划，减少炉子启停次数。

3. 6三废问题

从备煤和破碎中产生的煤粉要另加处理装置。它们的最终处置办法取决于每个装置。从洗涤冷却器和脱酚系统等排出来的废水含有有机的和无机的杂质需要进行生化处理。回收的无机物可与灰渣混合后填地用。焦油、轻油、酚、石脑油、氨和硫是鲁奇加压气化系统产生的副产品。这些副产品的数量是因原料煤种而变化的。如果没有市场的话,所有这些均需专门处理。例如回收的有机物可以循环回气化炉中。但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工产品, 当装置规模较大时, 将有一定优势。

4、鲁奇气化技术在中国煤化工行业应用前景

煤的气化是现代煤化工技术的核心, 煤气化可得到合成气CO和H2, 再由合成气可合成生产氨、甲醇、含氧化学品、油、天然气等多种碳氢化工产品和能源产品。30多年来, 国内外煤气化技术快速发展, 以气流床气化技术为代表现代煤气化技术为煤化工的建设提供了强大的支持。应用于大型煤化工项目的可选气化技术的典型煤气组成见表3

煤化工的发展要受煤种条件的限制, 尤其在中国东北、云南等部分地区, 煤种为高水分的褐煤, 对于气流床气化存在干燥的技术和经济问题,而鲁奇炉不用干燥直接气化褐煤已有成熟的应用经验。在气化装置的投资上, 气流床气化装置投资巨大, 包括干粉和水煤浆在内, 单台气化炉投资均在亿元以上, 而单台鲁奇炉投资仅在3000万～ 5000万元之间, 若将空分制氧装置计算在内, 则投资相差更大。在规模适应性上, 气流床气化炉适合于大型化。比如甲醇规模要在50万t/a以上, 而鲁奇炉产气能力适

图3典型煤气化技术煤气组成

图4几种煤气化技术的气化炉示意图

中, 可灵活地适用于不同规模。在三废排放上, 主要指气化废水, 气流床气化要略优于固定床气化。但据报道, 在大平原和萨索尔厂, 气化废水经酚氨回收后进入生化处理, 处理后的水可作为循环水补充水, 循环水排污水经多效蒸发后, 浓缩液返回到气化炉, 无废水排放。从煤气用途分析, 因鲁奇炉粗煤气含10%左右的CH4, 更适合于生产代用天然气(城市煤气)或联产甲醇。

综上所述, 鲁奇加压气化是一项成熟的技术。根据煤的性质和气化工艺分析, 我国水分含量高的褐煤, 更适合用于鲁奇加压气化。近几年来, 鲁奇加压气化技术在我国正受到越来越多的重视, 因此, 在中国煤化工发展的大潮中, 该技术将具有广阔的应用前景。

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