| 中國是一個能源大國,但又是一個人均能源資源占有量的貧國。一次能源結(jié)構(gòu)中75%以上是煤。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉,甚至到21世紀(jì)末,中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會改變。煤的高效、清潔利用,是中國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇,是保證中國能源穩(wěn)定可靠供應(yīng)以及可持續(xù)發(fā)展的重要科技基礎(chǔ)。這也充分表明了中國發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)的重要性和緊迫性。為了滿足未來經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展對能源的需求,煤炭的潔凈利用必須以科學(xué)的發(fā)展觀,依靠科技進(jìn)步,走出一條兼顧高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的煤炭利用的新型工業(yè)化道路,發(fā)展基于煤氣化的煤基能源及化工系統(tǒng)是在可預(yù)見范圍內(nèi)最有效的技術(shù)途徑,已成為能源領(lǐng)域科技界和企業(yè)界的共識。煤氣化技術(shù)是發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ),是這些行業(yè)的共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù),對中國經(jīng)濟(jì)和保障國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。長期的生產(chǎn)實(shí)踐表明,在將煤炭轉(zhuǎn)變成更便利的能源和產(chǎn)品形式的各種技術(shù)中,煤氣化是最應(yīng)優(yōu)先考慮的一種加工方法。城市煤氣、化工合成用原料氣、先進(jìn)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)夂途C合利用系統(tǒng)是煤氣化發(fā)展和應(yīng)用的主要方向。西安熱工研究院自1994年就已開始了干煤粉氣流床氣化技術(shù)的研究,開發(fā)出了一種新型的兩段式加壓氣流床氣化爐。1997年建成一臺0.7 t/d的試驗(yàn)裝置,并完成了14種中國典型動力煤種的加壓氣化試驗(yàn)研究。2004年建成了處理煤量為36～40 t/d(10 MWth)的中試裝置,完成了多種煤粉的氣化試驗(yàn)。目前該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用階段,計(jì)劃首先建設(shè)日氣化原煤2000噸級的“綠色煤電”煤氣化發(fā)電示范裝置,預(yù)計(jì)2011年中期底投運(yùn),該項(xiàng)目已得到國家發(fā)改委的核準(zhǔn)。在化工行業(yè)中,內(nèi)蒙世林化工有限公司30萬噸甲醇/年項(xiàng)目采用該技術(shù),預(yù)計(jì)2011年投運(yùn)。華能滿洲里煤化工有限責(zé)任公司60萬噸甲醇/年項(xiàng)目和美國賓西法尼亞IGCC發(fā)電項(xiàng)目已確定采用西安熱工研究院有限公司兩段式干煤粉氣化技術(shù)。1兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)的原理和工藝特點(diǎn)1.1兩段式氣化爐結(jié)構(gòu)現(xiàn)有干法進(jìn)料氣流床氣化技術(shù)中,荷蘭Shell和德國Prenflo氣化爐均為以干煤粉形式進(jìn)料的氣化裝置,但它們只有一級氣化反應(yīng),為了讓高溫煤氣中的熔融態(tài)灰渣凝固以免使煤氣冷卻器堵塞,需要采用后續(xù)工藝中大量的冷煤氣對高溫煤氣進(jìn)行急冷,方可使高溫煤氣由1400℃冷卻到900℃,其熱量損失很大,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率,冷煤氣效率和總熱效率等指標(biāo)均比較低,并且由于煤氣流量較大,造成煤氣冷卻器、除塵和水洗滌裝置的尺寸過大。為了解決這一問題,西安熱工研究院開發(fā)出了一種新型的兩段式干煤粉加壓氣流床氣化爐。如圖1所示。該氣化爐的外殼為一直立圓筒,爐膛采用水冷壁結(jié)構(gòu),爐膛分為上爐膛和下爐膛兩段,下爐膛是第一反應(yīng)區(qū),用于輸入煤粉、水蒸氣和氧氣的噴嘴設(shè)在下爐膛的側(cè)壁上。渣口設(shè)在下爐膛底部高溫段,圖1兩段式氣化爐結(jié)構(gòu)示意采用液態(tài)排渣。上爐膛為第二反應(yīng)區(qū),其內(nèi)徑較下爐膛的內(nèi)徑小,高度較長,在上爐膛的側(cè)壁上開有兩個對稱的二次粉煤和水蒸氣進(jìn)口。運(yùn)行時,由氣化爐下段噴入干煤粉,氧氣(純氧或富氧)以及蒸汽,所噴入的煤粉量占總煤量的80%～85%,在上爐膛進(jìn)口處噴入過熱蒸汽和粉煤,所噴入量占總煤量的15%～20%。該裝置中上段爐的作用主要有二:其一是代替部分循環(huán)激冷合成氣使溫度高達(dá)1400℃的煤氣急冷至約1100℃左右,其二則是利用下段爐煤氣顯熱進(jìn)行熱裂解和部分氣化,提高總的冷煤氣效率和熱效率。該氣化爐已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利。2.2兩段式煤氣化技術(shù)的兩個工藝流程為了滿足發(fā)電行業(yè)和化工行業(yè)對于煤氣化工藝的不同要求,兩段式干煤粉加壓氣流床氣化爐根據(jù)下游工藝的不同要求,可以采用有廢鍋和無廢鍋兩種形式,即適合于發(fā)電工藝的廢鍋流程和適合于煤化工工藝的煤氣激冷流程。在廢鍋流程中,粗煤氣中15%～20%熱能被回收為中壓或高壓蒸汽,氣化工藝總體的熱效率可以達(dá)到98%。此工藝過程比較適合于IGCC項(xiàng)目。目前為華能綠色煤電工程設(shè)計(jì)的工藝流程即采用此流程。如果使用激冷流程,則用激冷水將煤氣直接冷卻至300℃以下,這種工藝方式的系統(tǒng)比較簡單,投資較少。此工藝流程適合應(yīng)用于化工領(lǐng)域及多聯(lián)產(chǎn)。目前為內(nèi)蒙世林有限公司設(shè)計(jì)的工藝流程即采用此流程。圖2是帶廢鍋的工藝流程簡圖,圖3是無廢鍋的激冷工藝流程簡圖。1.3兩段式干煤粉氣化技術(shù)的特點(diǎn)(1)氣化反應(yīng)溫度1400～1600℃,氣化壓力可達(dá)3.0～4.0 MPa,碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上,煤氣中有效氣體體積分?jǐn)?shù)(CO+H2)高達(dá)90%以上。(2)高溫氣化不產(chǎn)生焦油、酚等凝聚物,不污染環(huán)境,煤氣質(zhì)量好。圖2廢鍋工藝流程簡圖圖3激冷氣化工藝流程簡圖(3)在氣化爐二段送入少量煤、N2和蒸汽,主要進(jìn)行煤的干餾熱解、揮發(fā)分的二次裂解及水蒸氣的分解等反應(yīng)。能夠顯著降低氣化爐二段出口的合成氣溫度,從而可以減小冷煤氣循環(huán)激冷系統(tǒng),使得系統(tǒng)自耗功大幅度降低,同時煤氣冷卻器及凈化系統(tǒng)的設(shè)備尺寸減小,造價(jià)降低。(4)氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu),以渣抗渣,無耐火磚襯里,維護(hù)量少,運(yùn)轉(zhuǎn)周期長,無需備爐。(5)與國外同類技術(shù)相比冷煤氣效率提高2～3個百分點(diǎn),比氧耗減小,因而與之配套的空分裝置投資較少。(6)兩段式氣化爐后續(xù)工藝可配套激冷流程或廢鍋流程,滿足不同工藝條件的要求。2兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)的研發(fā)歷程2.1模擬在兩段式氣化爐的概念提出后,西安熱工研究院建立了基于ASPEN PLUS(化工過程設(shè)計(jì)平臺)的氣化過程的模擬方法,并對其性能進(jìn)行了模擬研究。數(shù)學(xué)模擬研究結(jié)果顯示:采用兩段式干煤粉氣流床氣化工藝,可顯著降低爐膛出口煤氣的溫度,因而能夠減小冷煤氣循環(huán)激冷系統(tǒng),減小進(jìn)入煤氣冷卻器的煤氣流量。另外,根據(jù)不同的一、二段給煤比,兩段式干煤粉氣流床氣化工藝可降低氣化過程中的氧氣耗量并能較大幅度地提高氣化爐的冷煤氣效率,與Shell氣化工藝相比可提高2～3個百分點(diǎn)。2.2氣化小型試驗(yàn)自1994年開始,西安熱工研究院就開始進(jìn)行干煤粉氣流床氣化技術(shù)的研究。在國家電力公司和科技部的資助下,西安熱工研究院于1997年建成了中國國內(nèi)第一套干煤粉加壓氣化特性試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該裝置的氣化能力為0.7～1.0 t/d煤粉,壓力為3.0 MPa。利用該裝置完成了14種中國典型動力煤種的干煤粉加壓氣化試驗(yàn)研究。研究的目標(biāo)是積累中國主要動力煤在干粉氣化狀態(tài)下的氣化數(shù)據(jù)庫,形成一套干煤粉加壓氣化評價(jià)方法,對不同煤種在干煤粉加壓氣化條件下的氣化反應(yīng)特性進(jìn)行了評價(jià),研究了煤粉氣化的著火和熔渣特性、煤種與煤氣成分的關(guān)系以及操作條件與氣化特性的規(guī)律等等。小型氣化試驗(yàn)研究的成果為更大型的氣化裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備見圖4。2.3干煤粉加壓氣化技術(shù)的中試試驗(yàn)西安熱工研究院在進(jìn)行干煤粉加壓氣化小試的基礎(chǔ)上,提出了兩段式干煤粉加壓氣化工藝,并在中國科技部“十五”863計(jì)劃的支持下,以西安熱圖4 0.7～1.0 t/d的干煤粉濃相輸送和氣化試驗(yàn)裝置工研究院為牽頭單位,聯(lián)合國內(nèi)其他六家研究院所和生產(chǎn)單位,于2004年在陜西渭河化肥廠建成日處理36～40t煤的兩段式干煤粉加壓氣化中試裝置,其流程圖如圖5所示。2005年完成試驗(yàn)研究。中試裝置如圖6所示。2006年5月16日通過中國科技部的驗(yàn)收。圖5干煤粉加壓氣化試驗(yàn)裝置的工藝流程圖6 36～40 t/d兩段式干煤粉加壓氣化中試裝置西安熱工研究院在該裝置上完成了若干種煤的氣化試驗(yàn)研究,取得了充分的煤氣化過程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)煤種的灰分試驗(yàn)范圍為5%～30%,揮發(fā)分試驗(yàn)范圍為8%～40%,灰熔點(diǎn)試驗(yàn)范圍為1100～1600℃,覆蓋了從褐煤、煙煤、貧煤到無煙煤的各種煤種。不同煤種的氣化煤氣成分見表1。中試裝置氣化試驗(yàn)達(dá)到的氣化指標(biāo)如下:碳轉(zhuǎn)化率98.9%,比氧耗298.6m3/1000 m3(CO+H2)(標(biāo)況下,下同),比煤耗518 kg/1000 m3(CO+H2),冷煤氣效率83.2%,有效氣成分(CO+H2)91.7%。與主要進(jìn)口煤氣化工業(yè)裝置的合成氣成分指標(biāo)的對比顯示:兩段式氣化爐的煤氣成分明顯好于水煤漿進(jìn)表1不同煤種的氣化煤氣成分煤種神木煤華亭煤神華褐煤黃陵煤晉城無煙煤伊南煤CO/%62.38 62.79 61.9 62.36 69.93 64.96H2/%29.36 28.46 27.84 28.98 21.78 26.61CH4/%0.26 0.17 0.05 0.14 0 0.01CO2/%2.76 3.41 3.59 4.29 4.52 7.64H2S+COS/%0.37 0.25 0.11 0.24 0.14 0.19N2/%4.87 4.92 6.51 3.99 3.61 0.59料的TEXACO氣化爐,與干法進(jìn)料的SHELL氣化爐相當(dāng),在部分成分上甚至高于SHELL氣化爐。表2給出了與主要進(jìn)口煤氣化爐合成氣成分指標(biāo)的表2與主要進(jìn)口煤氣化爐合成氣成分指標(biāo)的對比煤氣成分TEXACO SHELL兩段式氣化爐CO/%39.35 46.30 63.30 63.5 62.38 62.79H2/%30.78 33.20 26.70 26.50 29.36 28.46H2O/%16.43 0 2.00 1.90 1.50 2.0 CH4/%0.04 0.05 0 0.02 0.26 0.17 CO2/%11.43 19.52 1.50 1.60 1.26 1.41 H2S+COS/%0.88 0.35 1.3 1.48 0.37 0.25 N2+Ar/%0.49 0.58 5.2 5.00 4.87 4.92對比。36 t/d(10 MWth)的中試裝置氣化試驗(yàn)表明,兩段式干煤粉氣化工藝具有良好的煤種適應(yīng)性,氣化指標(biāo)先進(jìn),中試裝置經(jīng)過了168 h的連續(xù)運(yùn)行考核試驗(yàn),已累計(jì)運(yùn)行了2500 h。3兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)的工程化應(yīng)用3.1在發(fā)電領(lǐng)域針對電力行業(yè)的用戶,西安熱工研究開發(fā)出2000 t/d級兩段式干煤粉加壓氣化廢鍋流程工藝。國家科技部在繼“十五”之后繼續(xù)在“十一五”863計(jì)劃中對西安熱工研究院開發(fā)成功的“兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)”繼續(xù)給予重點(diǎn)支持,在華能的“綠色煤電”第一階段示范工程中實(shí)現(xiàn)2000t/d級具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干煤粉加壓氣化技術(shù)的工程化。華能“綠色煤電”250MW IGCC項(xiàng)目采用西安熱工研究院兩段式氣化爐和煤氣全熱回收工藝。其關(guān)鍵設(shè)備——?dú)饣癄t和煤氣冷卻器由上海鍋爐廠進(jìn)行制造。目前,氣化爐和煤氣冷卻器已經(jīng)完成詳細(xì)設(shè)計(jì),外殼已經(jīng)開始加工制造。內(nèi)件的設(shè)計(jì)已進(jìn)行制造工藝審核并開始投料制造。氣化爐和煤氣冷卻器的全部制造和組裝將在2010年9月左右完成并分段運(yùn)抵施工現(xiàn)場。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、空分設(shè)備、余熱鍋爐等重大設(shè)備已經(jīng)于2007年簽訂供貨合同。在全廠設(shè)計(jì)方面,目前,包括氣化島在內(nèi)的IGCC全廠設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)已經(jīng)收口,施工設(shè)計(jì)已經(jīng)全面展開。在土建建設(shè)方面,2009年7月6日進(jìn)行了現(xiàn)場開工典禮,目前已進(jìn)入全面建設(shè)階段。預(yù)計(jì)2011年中期投產(chǎn)。西安熱工研究院有限公司積極開發(fā)兩段式氣化技術(shù)的國外市場。目前,美國賓西法尼亞IGCC項(xiàng)目已確定采用西安熱工研究院有限公司兩段式氣化爐,激冷流程工藝。2009年3月在中國上海簽訂了兩段式干煤粉氣化工藝技術(shù)使用許可協(xié)議。3.2在化工領(lǐng)域針對化工行業(yè)的用戶,西安熱工研究開發(fā)出1000t/d級兩段式干煤粉加壓氣化激冷流程工藝,內(nèi)蒙世林公司的30萬噸煤制甲醇項(xiàng)目(氣化爐處理煤量約為1000t/d)采用了該工藝技術(shù)。內(nèi)蒙古世林30萬噸/年甲醇項(xiàng)目采用西安熱工研究院兩段式氣化爐和煤氣激冷工藝。其關(guān)鍵設(shè)備——?dú)饣癄t由杭州鍋爐廠進(jìn)行制造,煤氣激冷罐由西安核設(shè)備制造廠制造。目前,氣化爐和煤氣激冷罐設(shè)備已運(yùn)至內(nèi)蒙世林化工年產(chǎn)30萬噸甲醇項(xiàng)目現(xiàn)場,目前設(shè)備正在安裝階段,該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2011年投產(chǎn)。華能滿洲里煤化工有限責(zé)任公司年產(chǎn)60萬噸煤制甲醇項(xiàng)目已確定采用西安熱工研究院兩段式氣化爐,該項(xiàng)目采用內(nèi)蒙北部的褐煤。目前已完成了煤氣化裝置工藝包的編制。4結(jié)語在多年來對氣流床煤氣化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,西安熱工研究院開發(fā)成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兩段式干煤粉加壓氣流床 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