煤气化技术分类与选用

时间：2022-11-01 百科知识版权反馈

【摘要】：气化时所得的可燃气体称为煤气,对于做化工原料用的煤气一般称为合成气,进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。用于IGCC的煤气,对热值要求不高,但对煤气净化度,如粉尘及硫化物含量的要求很高。工业技术的分类常是依据分类方法或具体技术指标来进行的。流化床气化又称为沸腾床气化。熔融床气化技术相对落后,未进行商业化生产,目前已被淘汰。

煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料,以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂,在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。气化时所得的可燃气体称为煤气,对于做化工原料用的煤气一般称为合成气,进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。

一、煤气的应用

煤炭气化技术广泛应用于下列领域:

1.作为工业燃气

作为工业燃气时,一般热值为比较低,采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门,用以加热各种炉、窑,或直接加热产品或半成品。

2.作为民用煤气

作为民用煤气时,一般热值比较高,要求CO小于10%,除焦炉煤气外,用直接气化也可得到,采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比,民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染,而且能够极大地方便人民生活,具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑,要求民用煤气中的H2、CH4及其他烃类可燃气体含量应尽量高,以提高煤气的热值;而CO有毒,其含量应尽量低。

3.作为化工合成和燃料油合成原料气

第二次世界大战时,德国等就采用费托工艺(Fischer-Tropsch)合成航空燃料油。随着合成气化工和碳-化学技术的发展,以煤气化制取合成气,进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础,主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。

化工合成气对热值要求不高,主要对煤气中的CO、H2等成分有要求,一般选用德士古气化炉、Shell气化炉比较合适。

4.作为冶金还原气

煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中,利用还原气可直接将铁矿石还原成海绵铁;在有色金属工业中,镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。

5.作为联合循环发电燃气

整体煤气化联合循环发电(简称IGCC)是指煤在加压下气化,产生的煤气经净化后燃烧,高温烟气驱动燃气轮机发电,再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。用于IGCC的煤气,对热值要求不高,但对煤气净化度,如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化(鲁奇炉)、气流床气化(德士古)、加压气流床气化(Shell气化炉),煤气热值为2200~2500大卡。

6.煤炭气化制氢

氢气广泛用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域,目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用,一般是将煤炭转化成CO和H2,然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O,将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术,即可获得氢气。

7.作煤炭气化燃料电池

燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料(化学能)通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要有磷酸盐型(PAFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC,其发电效率可达53%。

二、煤气化工艺分类

煤气化技术已有悠久的历史,尤其自20世纪70年代石油危机的出现,世界各国广泛开展了煤炭气化技术的研究,迄今为止,已开发出近百种气化技术。工业技术的分类常是依据分类方法或具体技术指标来进行的。一种技术或工艺,能被不同的分类方法归于特定的界定范围之内,对煤炭气化技术,常见的分类方法有如下4种。

1.按气化炉内煤炭与气化剂的反应形式分类

此分类方法是工业上对气化技术分类的主要方法。按此方法分类,气化技术可分为固定床(移动床)气化炉、流化床(沸腾床)气化炉、气流床气化炉及熔融床气化炉。

(1)固定床气化

固定床气化也称移动床气化,固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入,气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化,即固体颗粒处于相对固定状态,床层高度亦基本保持不变,因而称为固定床气化。另外,从宏观角度看,由于煤从炉顶加入,含有残炭的炉渣自炉底排出,气化过程中,煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动,因而又称为移动床气化。

固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂与煤逆流接触,气化过程进行得比较完全,且使热量得到合理利用,因而具有较高的热效率。

固定床气化炉常见有间歇式气化(UGI)和连续式气化(鲁奇Lurgi)。

(2)流化床气化

流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料,这些细颗粒在自下而上的气化剂的作用下,保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动,迅速地进行着混合和热交换,其结果导致整个床层温度和组成的均一。

流化床气化炉常见有温克勒(Winkler)、灰熔聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床(PFB是PFBC的气化部分)等。

(3)气流床气化

气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉两类。前者是先将煤粉制成煤浆,用泵送入气化炉,气化温度为1350~1500℃;后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉,在1500~1900℃高温下气化,残渣以熔渣形式排出。在气化炉内,煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室,会在瞬间着火,直接发生火焰反应,同时处于不充分的氧化条件下。因此,其热解、燃烧以吸热的气化反应,几乎是同时发生的。随气流的运动,未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动,运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态,相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”,习惯上称为气流床气化。

气流床对煤种(烟煤、褐煤)、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性,国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作,其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。

干粉进料的主要有K-T(Koppres-Totzek)炉、Shell-Koppres炉、Prenflo炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉,湿法煤浆进料的主要有德士古(Texaco)气化炉、Destec炉。

(4)熔融床气化

熔融床气化的特点是有一温度较高且高度稳定的熔池,煤粉和气化剂以切线方向高速喷入熔池内,池内熔融物保持高速旋转。此时,气、液、固三相密切接触,在高温条件下完成气化反应,生成以H2和CO为主要成分的煤气。熔融床气化技术相对落后,未进行商业化生产,目前已被淘汰。

2.按煤气成因分类

一般可分为天然气、人工煤气和液化石油气。人工煤气根据制气原料和制气方法可分为3种:

(1)固体燃料干馏煤气,系利用焦炉等对煤进行干馏所获得的煤气。

(2)固体燃料气化煤气,主要指以煤的完全气化技术制得的煤气,包括压力气化煤气、水煤气、发生炉煤气等。

(3)油制气,指以重油为原料制得的煤气。按制取方法不同可分为重油蓄热催化裂解煤气和重油蓄热热裂解煤气两种。

3.按气化剂分类

气化方法按使用气化剂的不同可分为如下5种。

(1)空气气化一般以空气(或富氧空气)为气化剂制得的煤气。主要为大量氮气、二氧化碳和一定量的一氧化碳和氢气。