粉煤流化床气化技术应用研究

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摘 要 阐述了流化床气化技术是当今煤炭洁净高效利用的关键技术之一。简单介绍了流化床气化技术的基本原理和影响因素。分析了国内外已经工业化的流化床气化技术特点。为未来流化床气化技术的发展提供了一些意见。
关键词 流化床气化；洁净煤技术；HTW 气化炉；U-Gas；灰熔聚流化床
中图分类号TQ53 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）93-0173-02
煤炭在我国快速经济增长中发挥核心作用。煤炭是我国主要能源，目前，我国的煤炭消费量占全球的47%。我国煤炭传统的利用方式是直接燃烧和火力发电，这两种方法能源利用率低，环境污染严重。为了解决这些问题，煤炭高效清洁利用是煤化工技术发展的未来之路。相对于石油和天然气而言，煤是一种难于直接清洁利用的化石能源和重要原料。煤炭气化的过程实质是将难以加工处理、难以脱除无用组分的固体转化为易于净化、易于应用的气体的过程，简言之，是将煤中的C、H转化为清洁的合成气或燃料气（CO+H2）的过程。煤炭气化是煤炭高效清洁利用的重要途径，也是其他几种洁净煤技术的龙头。
煤流化床气化是流化床中煤在气化剂的作用下，经过氧化和还原反应生成合成气的化学反应过程，在流化床内气体和固体间具有较强的传热和传质效率，床层中气固两相的混合接近于理想混合反应器，床层固体颗粒和温度分布均匀等优势。同时，流化床技术具有气化温度低，碳转化率相对较高，煤种适应能力强，硫化物和氮化物排放量小等技术特点。本文针对流化床气化的原理和工业应用情况进行介绍。
1 流化床煤气化原理
煤气化反应的实质是煤在气化剂的作用下不完全燃烧生成气体的反化学应过程。煤进入气化炉内首先发生热解反应，其中包括煤炭颗粒的热裂解和缩聚两种反应过程，两种反应进行程度主要受反应温度所控制，热解反应在煤颗粒没全 部转化成气体之前一直都发生；后续的高温主要发生煤的气化反应，主要包括气体-固体之间的非均相反应和气体-气体之间的均相反应。在流化床中这几种反应几乎是同时进行的，流化床气化床层温度等其他操作条件对合成气中CO、CO2、CH4和H2体积百分含量有较大影响。
2 流化床煤气化技术的工业应用情况
粒度小于10mm的小颗粒煤和气化剂分别从气化炉底部进入气化炉内，在颗粒的起始流化气速和带出气速之间的以流态化形势和气化剂相接触，进行流化态的强烈换热反应。国外具有代表的流化床技术有伍德气化炉和U-Gas气化炉；国内最具代表性的是灰聚熔气化炉。2.1 伍德气化炉
蒂森克虏伯伍德公司的高温温克勒气化炉（HTW）是在温克勒炉的基础上，改良而得的流化床煤气化技术。气化炉可进行高压操作操作，流化床中细粉被气体带出后经过旋风分离器分离后重新进入气化炉内，因而增加了系统的碳转化率。伍德气化炉炉体内部结构简单，煤种适应性广。蒂森克虏伯伍德公司致力于煤流化床气化技术的研究，开发出的HTW炉可应用于各种煤种，甚至城市生活垃圾、有机生物质等，也可用于气化。伍德的HTW气化炉结构如图1所示。
伍德HTW气化炉技术特点：
1）加压流化床；
2）反应温度：800-1000℃；
3）反应压力：10-30bar；
4）灰熔点以下运行（适合加工具有高灰熔点的煤、生物质、硬质褐煤以及废物）。
图1 伍德气化炉气化炉结构
2.2 SES公司的U-Gas气化炉
U-Gas气化工艺于20世纪70年代由美国煤气工艺研究所（GTI）开发。采用流化床粉单段粉煤气化方法，灰分采用团聚方式进行排放，原料适用性广。U-GAS煤气化技术在我国已经有三个项目，分别是枣庄煤制甲醇项目、内蒙煤综合利用项目和河南义马的煤制气项目。U-gas技术具有以下的技术特点：
1）燃料灵活，可处理多种煤及生物质；
2）能处理最廉价的煤炭-高灰/低热值煤炭；
3）投资成本低–比其它技术低30%～40 % ；
4） 装置小规模运行经济性良好，并可进行工业放大；
5）操作温度适中，最大限度地减少维修；
6）操作简单，装置可利用率高。
2.3 灰熔聚流化床粉煤气化炉
我国具有自主知识产权的流化床气化炉中最具典型的是灰熔聚流化床粉煤气化炉，该技术是由中科院山西煤化所在国家科技处的重点支持下发展起来的。山西煤化所经过多年的努力，开拓了该技术的在煤种方面的适应性，原料不仅可以采用烟煤、无烟煤、还有低阶煤和石油焦。与国外的技术相比，该技术具有较强的成本优势。
3 流化床煤气化的发展方向
1）发展以流化床为核心的多联产工艺。将煤气化技术与发电、化工联合起来，综合利用能源，提高热效率，降低生产成本；
2）提高煤种适应性。我国煤炭资源相对分散，煤质的差异大，即使同一矿区不同的采煤区的煤质也存在较大差异。因此，先进的煤炭流化床气化技术，应该对煤种有较宽的适应性，以消除煤质变化带来的不利因素；
3）保护环境。煤中污染较严重的S和N等元素，通过先进的流化床气化技术排放量应相对较少或容易处理。这也符合我国煤炭洁净利用政策的要求，满足持续发展的要求。
4 结论
煤在我国能源体系中起至关重要的作用，且我国在流化床燃烧和循环流化床锅炉的发展中已有比较丰富的经验，只需对已有的流化技术进行深入研究，流化床技术在我国一定会迅速发展起来。这也同样为其他化工项目的拓展提供新领新的方法。
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