煤气化技术

摘要 介绍了常见的煤气化技术，比较了各项技术的气化煤种、操作条件及产品煤气等性能，认为以加压水煤浆气化、Shell气化为代表的气流床技术及地下煤气化技术具有良好的应用前景。

关键词 煤气化技术 优点 应用

Technology of Coal Gasification

Shi Xiao-bing

（Shanxi jinfeng coal chemical company limited 048000）

Abstract The traditional technologys of coal gasifying are introduced in this article，and the advantages of every method are analysed.A conclusion is obtained that Underground Coal Gasification and flow bed technic including texaco coal gasification process and Shell coal gasification process will be widely used in the future.

Keywords methods of coal gasification advantage application

前言

煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要方法之一，是许多能源高新技术的关键环节。煤气化有完全气化和部分气化（煤的干馏技术）两种途径。由于受到煤种和产品综合发展的制约，部分气化只能满足局部的需要；而我国煤炭资源中有一半以上煤种适合完全气化，因此煤制气技术的立足点应放在完全气化方面。

煤气化分类无统一规定，最常见的是按原料在气化炉内的移动方式分成固定床、流化床和气流床三种。此外，还有使煤炭在地下直接气化，获得煤气的方法，即地下气化法（Underground Coal Gasification，UGG）。

1.固定床气化技术

1.1常压固定床气化技术

由于气化剂的不同，常压固定床煤气化可能产生的产品有空气煤气和混合煤气，前者以空气为气化剂，热值约为4.6MJ/m3。后者以空气和水蒸汽为气化剂时，称为间歇气化法；以纯氧或富氧空气和水蒸汽为气化剂时，称为连续气化法。混合煤气组成中无效气体约占60%左右，热值约为5.02～5.86MJ/m3，主要用作工业燃料气，亦可作为民用燃气的掺混气。

一般而言，气化剂中氧气含量越高，气化强度也就越大，气化效率也就越高，而对纯氧的消耗量也就越高。连续气化较间歇气化在气化强度、气化效率、有效气体组成及制氨能耗等方面具有明显的优越性。

自1882年第一台常压固定床煤气发生炉在德国投产以来，该技术不断得到完善。由于技术成熟可靠，投资少，建设期短，在国内外仍广泛使用。在冶金、建材、机械等行业用于制取燃气，在中小型合成氨厂用于制取合成气。

常见的混合煤气发生炉有M型、3MT（威尔曼）型、W-G（威尔曼-格鲁沙）型、TG型和U.G.I型。此外，美国的FW-STOIC炉和波兰循环鼓风两段炉也可以生产发生炉煤气或水煤气。

1.2固定层加压气化技术

目前，德国鲁奇公司利用鲁奇（Lurgi）炉开发的加压下，碎煤（5～50mm）与气化剂（水蒸汽或纯氧）进行反应的技术较为成熟。该技术在中国城市煤气生产和制取合成气方面已受到广泛重视。

鲁奇炉可气化褐煤、无烟煤，直至水分、灰分较高的劣质煤；单炉生产能力可达7500m3（标）/h（干基）；由于是连续气化过程，有利于实现自动控制；气化压力高，可缩小设备和管道尺寸，利用气化后的余压可进行长距离输送；气化较年轻的煤时，可以得到各种有价值的焦油、轻质油及粗酚等多种副产品；通过改变压力和后续工艺流程，可以制得H2/CO各种不同比例的化工合成原料气。

但是，由于鲁奇炉采用了固态排渣，蒸汽分解率低，蒸汽消耗较大，未分解的蒸汽在后序工段冷却，所以造成气化废水较多，废水处理工序流程长，投资高；且需要配套相应的制氧装置，一次性投资较大。

2.流化床（或称沸腾床）煤气化技术

流化床床层温度均匀，传热传质效率高，气化强度大，可气化多煤种的粉煤，煤气中基本不含焦油和酚类物质；不过，气体中带出细粉过多而影响了碳转化率。使细煤粉再次循环可一定程度的克服这一缺点。

2.1常压温克勒（Winklee）煤气化技术

气化剂（氧气和水蒸汽）消耗量低；气化负荷弹性大；操作温度低，控制维修简易，运转稳定可靠。但由于其操作压力和气化温度均较低，使得单炉处理量较小，碳转化率低，带出物和灰渣中碳含量较高（一般带出物含碳30～50%，灰渣含碳20～30%）；并且气化炉体积庞大，单位容积气化率较低。

常压温克勒的缺点限制了其推广应用，80年代以后国内已停止使用。针对这一缺点，通过提高气化温度和气化压力，改进气化剂分布器结构，成功开发了多种新型流化床气化技术，主要有高温温克勒、U-Gas、KRW和CFB等气化炉。

2.2高温温克勒（HTW）煤气化技术

HTW保留了传统Winkler气化技术的优点，提高了气化温度和气化压力，粗煤气带出的固体煤粉尘参与了循环利用，使气化炉大型化成为可能。

2.3灰熔聚流化床煤气化技术

该技术改变了以往的排渣方式，实现了灰熔聚排渣。代表炉型有美国的U-Gas炉，KRW炉以及中国科学院山西煤炭化学研究所的ICC炉。

与一般流化床煤气化炉相比，灰熔聚煤气化炉结构简单，操作控制方便，运行稳定；可气化小于6mm的包括黏结煤、高灰煤在内的各种等级的碎粉煤；气化温度高，气化强度为一般固定床气化炉的3～10倍；碳转化率高，气化效率达75%以上；煤中含硫可全部转化为H2S，也可用石灰石在炉中脱硫，简化了煤气净化系统；与熔渣炉（Shell）相比气化温度低的多，耐火材料使用寿命可达10年以上；煤气夹带的煤灰可返回气化炉内，进一步燃烧、气化，碳利用率高。

2.4循环流化床（Circulating Fluidized Bed）煤气化技术

CFB克服了鼓泡流化床中存在大量气泡造成的气固接触不良，以及气流床中气化温度过高、大量煤转化为热能而不是化学能的缺点；产品气和反应器内的温度均一，避免了鼓泡床中局部高温造成的结渣现象；除外循环还存在内循环，利于新加入的物料迅速升温和反应的迅速完成；另外，由于循环比率高达几十倍，增加了颗粒在床内停留时间，提高了碳转化率。代表炉型是鲁奇CFB炉。

2.5其它型式的流化床煤气化技术

1、FM1.61型间歇式常压流化床水煤气炉，由江苏理工大学开发，能直接生产CO﹤20%的中热值煤气。

2、恩德炉粉煤气化技术，由中国抚顺恩德机械有限公司在国外专利技术的基础上改进而成。该技术成熟可靠，运行安全稳定，煤种适应性较宽，气化效率较高，操作弹性大，建设投资较少，生产成本低，环境影响小。但也存在设备体积大，灰渣含碳量较高，煤气有效成份（CO+H2）较低，气化压力较低等缺点。

3、载热体常压循环床粉煤气化技术，由上海申江化肥成套设备有限公司与宁夏吴忠富荣化肥工业有限公司联合开发。操作简单、运行稳定，且可连续制气；但是其常压操作不利于大型化生产，且对环境污染较严重。

3.气流床煤气化技术

气流床气化的主要特点是：粉煤进料，高温气化，液态排渣。它的代表炉型及相关的进料形态、气化压力和气化剂见下表：

3.1 K-T（Kopper-Tolzek）炉

与固定床煤气炉相比，K-T炉对原料煤的限制较少，生产能力大（为其5～10倍）；合成气有效成分（CO+H2）高达85～88%，甲烷含量低于0.1%。

K-T炉的不足之处是：碳转化率、冷煤气效率与shell炉比较低，氧、煤消耗较高；煤粉制备工序电耗高，环保问题多；气化炉带出物（飞灰）多，除尘效率低，必须设置洗涤、机械除尘、静电除尘等逐级的除尘设备。

3.2 Shell炉

能成功地处理高灰分、高水分和高硫煤种；对煤的性质，诸如活性、结焦性、水、硫、氧及灰分等，并不敏感；能源利用率高，气化过程的碳转化率达99%；设备单位容积产气能力高，且在同样生产能力下，设备尺寸较小，结构紧凑，占地面积小，相对的建设投资也比较低；环境效益好，属于“洁净煤”工艺。

3.3湿法（水煤浆）气流床加压气化技术

除可气化除大部分煤种外，还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青、可燃垃圾、可燃废料（如废轮胎）等；与干粉进料相比，既安全又易于控制；工艺技术成熟，流程简单，设备布置紧凑，运转率高；气化炉内没有机械传动装置，操作性能好，可靠程度高；单台气化炉的投煤量[400～1000t/d（干煤）左右]选择范围大，美国的Tampa装置气化能力甚至可达2200t/d（干煤）；可供选择的气化压力范围广，碳转化率（95～99%）高，操作弹性（50～105%）大，粗煤气中有效成分（CO+H2）可达80%左右，除含少量甲烷外不含其它烃类、酚类和焦油等物质，采用传统气体净化技术即可达到要求；气化过程污染少，环保性能好。

但是，该技术高温高压的生产环境都对管道及设备的材料提出了更高的要求；并且水煤浆含水量太高，使得冷煤气效率和煤气中的有效气体成分（CO+H2）偏低，氧耗、煤耗均比干法气流床要高一些。

当前，湿法气流床加压气化技术仍被广泛采用。有代表性的技术有美国德士古发展公司开发的水煤浆加压气化技术、道化学公司（Dow Chemical Company）开发的两段式水煤浆气化技术、中国自主开发的多喷嘴煤浆气化技术等，前者开发最早、应用最广。

4.地下煤气化技术

煤炭地下气化集建井、采煤、转化工艺于一体，简化了生产工艺流程，舍弃了庞大、笨重的采煤设备和地面气化设备，变传统的物理采煤为化学采煤，提高了煤的转化率，产品煤气便于输送和使用，因而具有安全性好、投资少、效益高、污染小等优点，深受世界各国的重视。早在上世纪50年代，我国已先后在山西、江苏、黑龙江、河北等地进行了试验研究，并已取得了一定成效。

但是，由于地下气化是在地下煤层中的反应空间进行的，这种反应在很大程度上取决于煤层的赋存条件，这就使煤炭地下气化的过程比地面煤气发生炉复杂得多。较之固定床气化（与地下气化过程类似），地下气化具有以下基本特征。

（1）煤层的不规则冒落，形成了不均匀大尺度煤块的水平渗流床，气化区边界有质量交换，因而比地面气化更具复杂性。

（2）地下气化过程中煤层不能移动，而是通过燃烧工作面（气化工作面）的移动来保持气化过程的连续，而且各反应带的长度在不断改变。

（3）因煤层及岩层冒落，气化通道截面在不断发生变化；此外，气化反应通道与煤层的顶底板发生热量交换，不利于气化过程的进行。

结束语

煤气化技术种类较多，发展较快，但随着能源的枯竭及人们环保意识的增强，加压水煤浆气化技术、Shell气化技术为代表的气流床技术及地下煤气化技术将会受到越来越多的重视。