浅谈煤加压气化技术的研究开发

2017-03-05高源中海油山东化学工程有限责任公司250014

化工管理 2017年16期

高源(中海油山东化学工程有限责任公司， 250014)

浅谈煤加压气化技术的研究开发

高源(中海油山东化学工程有限责任公司， 250014)

伴随我国能源需求量的日益增加，对煤加压技术的研发与应用提出更高的要求。从我国当前煤加压气化技术应用现状看，取得较多突破性成就，在加压固定床、加压流化床等技术上应用都较为广泛，且强调在气化炉上不断完善。本次研究将对加压固定床气化技术、加压流化床气化技术研发情况以及煤加压气化技术开发相关建议进行分析。

加压固定床气化；加压流化床气化；干煤粉加压气化炉

0 前言

作为城市煤气、工业燃料气、化工合成气生产过程中的关键性技术之一，煤加压气化技术可纳入洁净煤技术范畴中。近年来，在燃料电池(IGFC)、加压流化床锅炉与循环发电联合应用(PFBC)以及煤气化技术与循环发电技术联合应用(IGCC)下，使煤基发电、煤基化工领域中煤加压气化技术的应用更加广泛，但值得注意的是，相比发达国家煤加压气化技术发展，我国无论在技术研发或利用层面仍有一定的滞后性，需立足于当前技术应用现状，加大研发力度。因此，本文对煤加压气化技术研发的相关研究，具有十分重要的意义。

1 加压固定床气化技术

煤加压气化技术中，加压固定床气化技术应用时间较早，我国相关研究机构从常压固定床发生炉气化试验上着手，对固定床加压气化技术的应用效果进行分析，经过试验应用，取得良好的效果，为后期煤加压气化技术的研发提供重要指导。其中最为典型的加压固定气化技术以Φ100mm加压小试气化技术、Φ650mm中试气化技术研究为主。

1.1 Φ100mm加压小试气化技术研究

Φ100mm加压小试气化技术的研发，主要为解决中试气化技术下试验成本高、耗时长等问题，不利于大量煤种试验的开展。从该技术下的装置看，气化炉以5.0MPa作为设计压力，3.0MPa作为运行压力，在出灰、进料装置上都较为完善，可长时间试验。加之设计中为防止有炉内悬空、挂料情况发生，可将搅拌破粘装置设置于炉顶部，并将自动分析系统、自动检测控制系统配置其中，有助于试验数据的收集。该装置近年来在国内许多地区投入应用，在多次煤种试验中能够发现，在煤种变质程度较高情况下，煤气CH4含量保持降低趋势，且此时气化强度不高，降低焦油生产率，提高产气率。同时，在降低汽氧比情况下，煤气中CO2、CO分别处于下降、增加趋势，此时煤气热值上升。对于这些试验结果，一定程度上可反映出小试气化技术操作汽氧比较低，主要归因于气化中有较大的散热量。正因散热量大，导致气化炉消耗蒸汽时，煤气氧耗问题较为严重。研究发现，解决该问题中可考虑辅以加压活性试验、加压低温干馏试验，其获取的数据能够用于加压气化工程研究。

1.2 Φ650mm中试气化技术研究

该技术在国内应用较早，自上世纪70年代，国内便有研究强调在民用煤气生产方面引入Lurgi气化技术，由此便出现Φ650mm中试气化技术。技术应用中采用中试装置气化炉，以2.0MPa～2.5MPa作为运行压力，2m燃料层高度，且保持850m3/m2·h～1500m3/m2·h气化强度，可达到200kg/ h～500kg/h耗煤量。从近年来Φ650mm中试气化技术在国内较多地区的应用情况看，取得的成果较为理想。实践研究发现，装置运行较为稳定，即使工艺条件不同，汽氧比仍可达到最佳，且应用过程中无需将搅拌装置配置其中，可投入实际使用中[1]。

2 加压流化床气化技术研究

煤加压气化技术应用中，需考虑到实际加工生产中可能有低热值褐煤、高硫煤等，且大多煤在成浆性上较差，灰熔点较高，如何保证高效清洁利用，便需通过煤加压气化技术实现。而其中的技术便体现在加压流化床气化技术层面，要求技术应用中将煤加压气化中存在的相关问题解决，如煤气化装置运行不稳定、能耗过大、碳转化率低以及合成气带灰严重等。对此，本文在研究中主要从Φ300mm中试气化技术、Φ100mm小试气化技术两方面着手，其各自应用特征如下。

2.1 Φ300mm中试气化技术

煤加压气化技术不断发展下，我国过去几年在IGCC、PFBC技术研发力度上不断加强，强调在加压流化床装置上不断完善。装置应用下，有5t/d处理煤能力，450mm扩大段直径、300mm密相段内径、2.5MPa设计压力，在产气量上也可达到生产要求，保持为500m3/h～800m3/h。同时，对该技术进行试验，以完全气化、部分气化两种试验模式，都可发现所获取的空气气化煤气热值较为理想，且灰渣含碳质量分数被控制在10%以内。对于Φ300mm中试气化技术的应用优势分析，其在装置配置上将分析系统、测控系统以及仪表等引入其中，且气化炉本身结构简单，操作中可实现自动化要求[2]。

2.2 Φ100mm小试气化技术

固定床生产中强调使用块煤，但机械化采煤中要求粉煤，此时便需考虑将粉煤流化床技术引入其中。对于Φ100mm小试气化技术，其出现时间早于Φ300mm中试气化技术，主要采用小型气化试验炉。气化炉设计中，4m左右高度，3.0MPa设计压力，即使在纯气氧化条件、富氧气化条件、空气气化条件下，也能保证试验不中断。从该技术实际投入使用情况看，可发现在压力、甲烷含量增加下，可取得较高的煤气热值，有助于提高气化效率。由于气化剂中氧气浓度保持较高，将增加煤气内有效成分，这样在55%～60%富氧浓度下，(CO+H2)/N2≥3，该结果对于氨的生产较为适用。同时，在二甲醚合成、甲醇合成等要求上，纯氧水蒸气气化煤气都可满足[3]。

假若对加压固定床气化技术、加压流化床气化技术比较，可发现后者应用中对于褐煤、低阶煤等，在生产能力上将超出固定床许多，加之原料制备流程简单，且实际生产中有较好的环境特性，无焦油类物质产生，所以其优势更加明显，这也是其成为当前煤化工领域中应用较为广泛的主要原因。

3 煤加压气化技术开发

尽管我国近年来在煤加压气化技术研发方面取得较多突破性成就，但由于技术应用领域范围较广，需考虑到满足不同生产要求，这便意味煤加压气化技术在未来发展中仍应进一步开发利用，特别在单喷嘴、多喷嘴气化炉开发上更应加强。

3.1 干煤粉加压气化技术开发要求

当前煤加压气化技术应用中，大多能够维持在4.0MPa气化压力，为促进气化效率的提高以及装置投资规模的控制，技术开发中可考虑从高压干煤粉气化技术上着手，其在气化压力上要求6.5MPa。同时，技术开发中应注意在单炉投煤量上增加，最基本的为1000t/d以上，以2000～3000t/d单炉投煤量最为适宜。另外，技术开发中也需考虑其他较多要求，如比氧耗的控制，应在350m³O2/1000cm³(CO+H2)以内，再如有效气成分、冷煤气效率、稳定碳转化率，需分别达到89%、79%、98%以上，这样才能与发达国家煤气化技术的发展保持同步。除此之外，考虑到煤加压气化技术涉及到较多关键性技术，所以在开发中需对这些关键技术给予高度重视，如煤炭间接液化相关技术、煤制天然气相关技术、IGCC相关技术以及煤基多联产系统的开发等，同时，配套的装置如气化炉等需进一步完善，这样才能推动煤加压气化技术的进一步发展，应用于实际生产过程中[4]。

3.2 单喷嘴干煤粉加压气化炉开发

无论采用哪种煤加压气化技术，气化炉装置的应用都起到关键性作用，如加压流化床气化技术、加压固定床气化技术中，在装置试验操作或具体投入应用中，都强调气化炉作用的发挥，其性能是影响技术应用效果的管件。这就要求煤加压气化技术开发中做好气化炉开发工作。从单喷嘴气化炉开发看，以HT-L气化炉为例，在气化压力上为4.0MPa，研发中需以6.5MPa作为目标。当前单喷嘴气化炉应用中，可满足工业化生产需求，部分炉型达到750t/d投煤量，也有炉型可保持1600t/d投煤量。实际研发中，可继续在气化效率上加强，使单炉投煤量提高。同时，研发中需考虑是否满足各类工业生产需求，如甲醇项目、合成氨项目等。这样在单喷嘴干煤粉加压气化炉开发下，更有助于生产率的提高。

3.3 多喷嘴对置式加压气化炉开发

与单喷嘴气化炉比较，多喷嘴对置式气化炉在流场特征上较为明显，可实现以渣抗渣，气化炉渣口在渣、气同时下行中可被冲刷，气化炉排渣口堵渣问题因此被解决，同时，传统气化炉装置应用中高灰分、高熔点煤粉易在排渣口堵塞情况将被改善，加之炉水循环冷却，使水冷壁承受的温度降低。当前多喷嘴对置式气化炉开发中，常见的以四喷嘴气化路方式为主，其开发应用下优势更加显著，如调节负荷方便等，若将带压连投技术引入其中，更能满足装置的灵活性、大型化要求。为提高多喷嘴对置式应用效果，后续研发中，需注意引入更多技术如远程控制系统、工程放大技术、排渣工艺以及煤粉密相输送技术等[5]。