煤气化

煤气化简介

煤气化工艺是生产合成气产品的主要途径之一，通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气，同时副产蒸汽、焦油（个别气化技术）、灰渣等副产品。煤气化工艺技术分为：固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术三大类，各种气化技术均有其各自的优缺点，对原料煤的品质均有一定的要求，其工艺的先进性、技术成熟程度也有差异。

煤气化固定床气化技术

碎煤固定层加压气化采用的原料煤粒度为6～50mm，气化剂采用水蒸汽与纯氧作为气化剂。该技术氧耗量较低，原料适应性广，可以气化变质程度较低的煤种（如褐煤、泥煤等），得到各种有价值的焦油、轻质油及粗酚等多种副产品。该技术的典型代表是鲁奇加压气化技术和BGL碎煤熔渣气化技术。

该气化技术的优点：

原料适应范围广，除黏结性较强的烟煤外，从褐煤到无烟煤均可气化，可气化水分、灰分较高的劣质煤。

氧耗量较低，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。

该气化技术存在的不足：

该技术出炉煤气中甲烷和二氧化碳的含量较高，有效气的含量较低。

蒸汽分解率低。一般蒸汽分解率约为40 %，蒸汽消耗较大，未分解的蒸汽在后序工段冷却，造成气化废水较多，由于废水中含有酚类物质，导致废水处理工序流程长，投资高。

煤气化流化床气化技术

粉煤流化床加压气化又称之为沸腾床气化，这是一种成熟的气化工艺，在国外应用较多，该工艺可直接使用0～6mm碎煤作为原料，备煤工艺简单，气化剂同时作为流化介质，炉内气化温度均匀，典型的代表有德国温克勒气化技术，山西煤化所的ICC灰融聚气化技术和恩德粉煤气化技术。

虽然近年来流化床气化技术已有较大发展，相继开发了如高温温柯勒（HTW）、U-Gas等加压流化床气化新工艺以及循环流化床工艺（CFB），在一定程度上解决了常压流化床气化存在的带出物过多等问题，但仍然存在煤气中带出物含量高、带出物碳含量高且又难分离、碳转化率偏低、煤气中有效成分低，而且要求煤高活性、高灰熔点等多方面问题。

煤气化气流床气化技术

气流床加压气化技术大都以纯氧作为气化剂，在高温高压下完成气化过程，粗煤气中有效气（CO H2）含量高，碳转化率高，不产生焦油、萘和酚水等，是一种环境友好型的气化技术。

气流床气化技术主要分为水煤浆气化技术和粉煤气化技术。

气流床加压气化技术以惠生与壳牌联合开发的混合气化技术（Hybrid）为例：Hybrid是一种先进的粉煤气化技术，该技术结合了现有壳牌 SCGP废锅流程优点，包括粉煤加压气化输送系统、多烧嘴侧喷式烧嘴布置、膜式水冷壁、间歇排渣等已经在现有SCGP装置被充分验证成熟可靠的工艺，同时又去掉了现有流程中复杂而容易出故障合成气冷却器（废锅）和飞灰过滤器，并且结合了目前被广泛应用于现有气化技术的合成气激冷工艺，既保留了壳牌SCGP废锅流程原有的煤种适应性强、易大型化等特点，采用优点，又吸收了现有激冷技术的优点，并有针对性地做出了改进。2100433B

煤的气化类型可归纳为五种基本类型：自热式的水蒸汽气化、外热式水蒸汽气化、煤的加氢气化、煤的水蒸汽气化和加氢气化结合制造代用天然气、煤的水蒸汽气化和甲烷化相结合制造代用天然气。

按煤在气化炉内的运动方式分为固定床（移动床）、沸腾床和气流床等形式；按气化操作压力分常压气化和加压气化；按进料方式分固体进料和浆液进料；按排渣方式分固体排渣和熔融排渣等各种设计。

典型的工业化煤气化炉型有：UGI炉、鲁奇炉、温克勒炉（Winkler）、德士克炉(Texaco)和道化学煤气化炉(Dow Chemical)。正在研究开发的炉型有十几种。

煤气化炉UGI炉

以美国联合气体改进公司命名的煤气化炉，是一种常压固定床煤气化设备。原料通常采用无烟煤或焦炭，其特点是可以采用不同的操作方式（连续或间歇）和气化剂，制取空气煤气、半水煤气或水煤气。

炉子为直立圆筒形结构（图1）。炉体用钢板制成，下部设有水夹套以回收热量、副产蒸汽，上部内衬耐火材料，炉底设转动炉篦排灰。气化剂可以从底部或顶部进入炉内，生成气相应地从顶部或底部引出。因采用固定床反应,要求气化原料具有一定块度,以免堵塞煤层或气流分布不匀而影响操作。

煤气化炉

UGI 炉用空气生产空气煤气或以富氧空气生产半水煤气时,可采用连续式操作方法,即气化剂从底部连续进入气化炉，生成气从顶部引出。以空气、蒸汽为气化剂制取半水煤气或水煤气时，都采用间歇式操作方法。在中国，除少数用连续式操作生产发生炉煤气（即空气煤气）外，绝大部分用间歇式操作生产半水煤气或水煤气。

UGI炉的优点是设备结构简单，易于操作,一般不需用氧气作气化剂，热效率较高。缺点是生产强度低，每平方米炉膛面积的半水煤气发生量约1000m3/h,对煤种要求比较严格，采用间歇操作时工艺管道比较复杂。

煤气化炉鲁奇炉

德国鲁奇煤和石油技术公司在1926年开发的一种加压移动床煤气化设备。特点是煤和气化剂（蒸汽和氧气）在炉中逆流接触，煤在炉中停留时间1～3h，压力2.0～3.0MPa。适宜于气化活性较高，块度3～30mm的褐煤、弱粘结性煤等。

鲁奇煤气化炉为立式圆筒形结构（图2），炉体由耐热钢板制成，有水夹套副产蒸汽。煤自上而下移动先后经历干燥、干馏、气化、部分氧化和燃烧等几个区域,最后变成灰渣由转动炉栅排入灰斗,再减至常压排出。气化剂则由下而上通过煤床，在部分氧化和燃烧区与该区的煤层反应放热，达到最高温度点并将热量提供气化、干馏和干燥用。粗煤气最后从炉顶引出炉外。煤层最高温度点必须控制在煤的灰熔点以下。煤的灰熔点的高低决定了气化剂H2O/O2比例的大小。高温区的气体含有二氧化碳、一氧化碳和蒸汽，进入气化区进行吸热气化反应，再进入干馏区，最后通过干燥区出炉。粗煤气出炉温度一般在250～500℃之间。

鲁奇炉由于出炉气带有大量水分和煤焦油、苯和酚等，冷凝和洗涤下来的污水处理系统比较复杂。生成气的组成(体积%)约为：氢37～39、一氧化碳17～18、二氧化碳32、甲烷8～10,经加工处理可用作城市煤气及合成气（见彩图）。鲁奇炉是采用加压气化技术的一种炉型，气化强度高。目前共有近200多台工业装置，用于生产合成气的只有中国的9台。鲁奇炉现已发展到Mark IV型，炉径为4.1m,每台产气量可达60000m3/h，已应用于美国、中国和南非。

煤气化炉

正在开发的鲁奇新炉型有：MK ，操作压力6MPa，5m直径，17m高；鲁奇-鲁尔-100型煤气化炉，操作压力为9MPa，两段出气；英国煤气公司和鲁奇公司共同开发的BGL炉，采用熔融排渣技术,降低蒸汽用量，提高气化强度并可将生成气中的焦油、苯、酚和煤粉等喷入炉中回炉气化。

煤气化炉温克勒炉

以德国人F.温克勒命名的一种煤气化炉型。1926年在德国工业化。特点是用气化剂（氧和蒸汽）与煤以沸腾床方式进行气化。原料煤要求粒径小于1mm的在15%以下，大于10mm的在5%以下，并具有较高的活性，不粘结,灰熔点高于1100℃。常压操作,温度900～1000℃，煤在炉中停留时间0.5～1.0h。生成气中不含焦油，但带出的飞灰量很大。

温克勒炉是立式圆筒形结构（图3）。炉体用钢板制成。煤用螺旋加料器从气化炉沸腾层中部送入，气化剂从下部通过固定炉栅吹入，在沸腾床上部二次吹入气化剂，干灰从炉底排出。整个床层温度均匀，但灰中未转化的碳含量较高。改进的温克勒炉将炉底改为无炉栅锥形结构，气化剂由多个喷嘴射流喷入沸腾床内，改善了流态化的排灰工作状况。

煤气化炉

温克勒炉以高活性煤如褐煤或某些烟煤为原料，生成气的组成（体积%）为：氢35～46、一氧化碳30～40，二氧化碳13～25、甲烷1～2。多用于制氢、氨原料气和燃料煤气。

正在开发中的改进炉型是高温温克勒炉，它是在常规温克勒炉的基础上发展起来的加压炉型。另一种加压加氢气化炉也是从温克勒炉发展起来的,反应压力12MPa，气化温度900℃，以2mm的煤粒在床层中进行沸腾加氢气化，目的是生成甲烷以制造人造天然气。

煤气化炉K-T炉

联邦德国克虏伯-柯柏斯公司和工程师F.托策克1952年开发，是一种高温气流床熔融排渣煤气化设备。采用气-固相并流接触,煤和气化剂在炉内停留时间仅几秒钟，压力为常压,温度大于1300℃。K-T煤气化炉结构为卧式橄榄形（图4），其上部有废热锅炉（辐射传热的和对流传热的），利用余热副产蒸汽。壳体由钢板制成，内衬耐火材料。煤粉通过螺旋加料或气动加料与气化剂混合，从炉子两侧或四侧水平方向以射流形式喷入炉内，立即着火进行火焰反应。中心温度可高达2000℃，炉内最低温度控制在煤的灰熔点以上，以保证顺利排渣。进料射流速度必须大于火焰传播速度，以防回火。灰渣中的一半以熔渣形式从炉底渣口排入水封槽，另一半随生成气带出炉外。生成气出炉口时，先用水或蒸汽急冷到熔渣固化点(1000℃)以下，防止粘结在紧接炉出口的辐射锅炉炉壁，然后进入对流锅炉进一步回收废热,最后去除尘和气体净化系统。K-T煤气化炉最关键的问题是炉衬耐火材料与煤的灰熔点和灰组成必须相适应，尽量减少熔渣对耐火材料的侵蚀作用。

K-T煤气化炉用一般煤为原料时,生成气的组成（体积%）大致为：氢31、一氧化碳58、二氧化碳10、甲烷0.1，不含焦油等干馏产物,适宜作合成氨和甲醇等的原料气和其他还原过程用的气体。

煤气化炉德士古炉

美国德士古公司开发的一种加压气流床煤气化设备（见彩图）。1979年在联邦德国完成工业操作试验。其特点是把煤制成水煤浆送入气化炉内同气化剂进行高温气化反应。气化温度1200～1600℃，操作压力4MPa，水煤浆中煤粉浓度约71%(质量)，煤粉中14～60%的粒度小于90μm，碳转化率99%。

煤气化炉

德士古煤气化炉为直立圆筒形结构（图5），主体分两部分，上部为气化室，下部为辐射废热锅炉（或激冷部分），下接灰渣锁斗。氧气和水煤浆分别通过压缩机和泵升压后，由气化炉顶的给料喷嘴进入炉内，在高温下进行气化反应。生成气在废热锅炉中激冷，初步降温后从中部引出。气化操作温度控制在煤的灰熔点以上。灰渣通过灰渣锁斗排出。由于采用高温加压操作，因此①气化强度高；②生成气压力较高，节省后续工序的动力；③原料适应性广，既可采用不同的煤种，也可使用煤加氢液化后的残渣；④把固体煤制成水煤浆流体输送，简化了加压进料装置；⑤废水中不含焦油和酚，环境污染不严重。

德士古K-T煤气化炉的气化温度很高,又是并流操作，炉内热效率较低，同时它以水煤浆进料，生成气中二氧化碳含量高。因此，提高水煤浆中煤的浓度是这种气化方法的重要环节。水煤浆中煤的浓度同煤的性质、粒度和粒度分布有直接的关系。加入适宜的添加剂可降低水煤浆的粘度，从而得到较高浓度的水煤浆。

德士古煤气化炉生成气的组成（体积%）为：一氧化碳44～51、氢35～36、二氧化碳13～18、甲烷 0.1适宜用作合成氨和碳一化学产品的原料气。