煤气化原理及其技术发展方向

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1、石油炼制与化工２０１５年４月加工工艺ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＳ第４６卷第４期煤气化原理及其技术发展方向吴治国（中国石化石油化工科学研究院，北京１０００８３）摘要：煤质的复杂性和下游工艺要求的多样性导致了多种煤气化技术的产生。在煤气化原理的基础上分析了当前国内煤气化技术的优劣，认为熔渣气流床具有气化速率快、碳转化率高和工艺过程绿色等优势，应成为煤气化技术的主要发展方向；移动床的热解层使得其产物气体中甲烷含量较高，有利于煤制天然气，但其床层特点使气化强度较低，且炉内存在碱金属富集的物理条件；流化床热解－气化也可以提高甲烷含量，且在合理选择原料煤粒度

2、的条件下，气化强度高于移动床。其它煤气化技术还存在这样或那样的问题，需要继续研发或谨慎考虑工业化应用。关键词：煤气化化学反应煤气化技术煤气化技术的发展已经历一百多年，实验室优化的，难免包含不利因素。本文试图从煤气化研发与工业应用绵延至今，气化过程的概念设计原理的角度分析典型煤气化技术的潜在风险或改种类繁多，研发轨迹可大致分为４类：①气化反应进方向，并对其它煤气化技术进行简要分析。床层：有移动床（或称固定床）、流化床、气流床、熔１煤气化原理渣床等；②操作温度：从低温气化到高温气化；③压力等级：从常压气化到加压气化；④原料煤粒从气化原料角度看，首先，煤具有煤岩特性，［１］度：从块煤气化到粉煤气

3、化。其它不一一列举。固体颗粒粒度分布是煤炭利用过程的重要指标之以上研发轨迹隐含着对煤气化原理的认知过一；其次，煤中含有机质、无机质和水分，具体含量程和相关技术不同阶段的发展水平。间歇式常和性质又与煤化程度密切相关。有机质结构复杂，压、块煤移动床气化炉（ＵＧＩ炉）出现在早期。以以由桥键连接的芳环为主，桥键包括—ＣＨ２—，投资少、建设周期短为优势，以燃烧放热与气化吸—ＣＨ—ＣＨ—，—Ｏ—，—Ｏ—ＣＨ—，—Ｓ—等，芳２２２热分步进行为特点，缺点是气化强度低、环境污染环则包括单环、双环以及稠环，环中还含杂原子，大。在此基础上形成的鲁奇炉提高了气化压力，如Ｓ，Ｎ，Ｏ等，无机质种类很多，已检测出的矿物

4、也实现了连续操作，气化强度有所提高，但同时出质达１２５种以上［２］，伴生元素４０余种，其中２６种现了水蒸气消耗量大、副产酚水等问题。为了节对环境影响很敏感，如砷、镉、铬、汞等［３］；第三，煤省水蒸气并实现液态排渣，英国人又在鲁奇炉基气化反应过程复杂，热解、燃烧和还原反应可同时础上提出了ＢＧＬ炉。进行，也可分步完成。流态化技术用于煤气化可使原料煤粒度上限煤的热解产物包括气体、煤焦油和焦炭。在从移动床的５０ｍｍ降到８ｍｍ，同时使操作处于连热解的进程中，随着温度的升高，桥键按强弱顺序续状态。但流化床操作温度与移动床相似，依然依次断裂。煤种不同，热解过程和产物均有所不低于原料煤的灰熔点，气化强度难

5、以大幅提高。同。褐煤的起始热解温度在２００℃左右，烟煤约气流床原料煤粒度小于０．１ｍｍ，操作温度在灰熔为３５０℃，无烟煤则在４００℃左右。褐煤中羧基、点以上，气化炉压力在４．０ＭＰａ或以上，气化强度羰基、羟基较多，热解初期气体中ＣＯ２，ＣＯ，Ｈ２Ｏ大，碳转化率高。在能源结构与实际需求的作用下，国内煤化收稿日期：２０１４－０８－２８；修改稿收到日期：２０１４－１２－２３。工、煤制油与煤制天然气前景看好，作为龙头的煤作者简介：吴治国，博士，教授级高工，主要从事油煤共炼和煤气化技术正在中国蓬勃发展。但是，煤气化技术气化新工艺的研发工作。涉及面较广，多数技术方案都是在一定的条件下通讯联系人：吴治国

6、，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｚｈｉｇｕｏ．ｒｉｐｐ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ。第４期吴治国．煤气化原理及其技术发展方向２３含量较高，烟煤次之，无烟煤则很少。一般地，煤ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ化程度低时煤焦油产率高；煤化程度高时煤焦油ＣｘＨｙ（气态煤焦油）＋（ｘ＋ｙ?２）?２Ｏ２→产率低。影响热解的因素还有煤粒度、加热速率、ｘＣＯ＋ｙ?２Ｈ２Ｏ终温高低、气氛环境等。气固反应：热解反应需要热能，移动床的热解段由高温Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２热气供热，流化床和气流床的热解气体与煤焦油２Ｃ＋Ｏ２→２ＣＯ参与气化反应，即时向热解反应供热。气化反应Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２主要发生在半焦或焦炭与气化剂

7、之间。Ｃ＋ＣＯ２→２ＣＯ如果以ＣＨｍ表示煤焦，则ｍ值在０．０５～０．６０Ｃ＋２Ｈ２→ＣＨ４之间。在流化床与气流床中，煤颗粒的热解历程氧气参与的反应速率很快，特别是氧气浓度不尽相同，所以ｍ值不同；在移动床中，ｍ值与床高的区域，而２个主要的气化反应，即碳与水蒸气、层中空间位置和块煤粒径有关，从床层上部到下碳与二氧化碳的反应都是吸热反应，受温度影响部，ｍ值逐渐变小，直到趋于零的灰层。粒径较大大。温度提高，这２个反应的平