【技术】煤化工龙头:主要煤气化技术比较

接6月30日【煤化工龙头:煤气化技术各流派一览】

2 国内外主要煤气化技术的比较

在3类气化技术中,固定床气化技术相对简单,但对床层均匀性和透气性要求较高,需要使用块煤或型煤,有效气(CO+H2)产率低,副产物和气化废水处理工序复杂,环保问题较多。流化床气化技术采用碎煤进料,灰渣循环使用,但仍存在气化温度较低、停留时间短、要求原料煤有较好的反应性等问题;同时在工程化上存在熔渣与飞灰的调控问题。气流床气化技术采用干煤粉或水煤浆进料,原料适应范围宽,气化能力大,碳转化效率高,符合大型化要求,近年来发展较快。

相对于高温合成气的冷却方式,废锅流程比较适合于IGCC装置。Shell,E-Gas,GE在IGCC装置中均采用废锅流程,利用煤气化时产生的高温合成气余热副产高、中压蒸汽,用于蒸汽透平发电。在制氢等化工装置中,变换工段需要大量的蒸汽将粗合成气中的CO变换为H2,采用激冷流程更加适合,可以直接利用合成气激冷洗涤产生的饱和工艺蒸汽进入变换工艺,大幅缩短工艺流程。同时水激冷流程气化炉不需设置废锅段,工艺稳定性好,大幅降低了装置的造价。

与传统的煤气化技术相比,煤催化气化技术由于气化反应温度低,催化剂的存在提高了气化反应速率,使得煤气中的甲烷含量远高于其他气化技术,对于甲烷合成工艺可缩短工艺流程,提高工业生产的经济性,因而受到人们的普遍关注和重视。但催化剂的选择及应用(包括催化剂的种类、加入方式和回收等)是煤催化气化技术能否经济性地实现工业化应用的关键。

3 煤气化技术的发展趋势及对策

高压、大容量气流床气化技术具有良好的经济和社会效益,代表着目前煤气化技术的发展趋势,是现在最清洁的煤利用技术之一,是洁净煤技术的龙头和关键。随着科学技术和社会经济的发展,大型煤气化技术也将不断发展,如何提高煤气化整体效率、煤种适应性、气化炉单炉生产能力、装置的可靠性、提高和推进绿色气化工艺、减少污染物排放、降低投资强度、强化煤气化与新型煤化工的技术集成是煤气化技术的发展方向。

3.1 煤气化过程的能量高效转化与合理回收

合理回收煤气化合成气高温显热是提高煤气化整体效率的重要环节。回收合成气显热的技术主要有激冷工艺和废热锅炉工艺两种。激冷工艺设备简单,投资省,但能量回收效率低。废热锅炉工艺热量回收效率高,但设备庞大,投资巨大。以Shell废锅流程煤气化技术为例,日处理1000t煤气化炉废锅高约45m,采用废锅流程的投资较采用急冷流程的投资高5亿元以上。

采用先进的气流床气化技术,碳转化率已达99%左右,仅通过强化煤气化炉中的混合过程和传递过程已很难大幅提高气流床煤气化的效率。近年来,人们尝试通过二次喷煤等以“化学激冷”的方式来实现高温合成气显热的充分利用。通过工艺优化和技术改进,研究煤气化整体工艺的匹配性,回收气化高温热量,实现节能降耗。

3.2 提高煤种适应性问题及其对策

煤气化技术从固定(移动)床到流化床,再到气流床,一方面是适应大型化的要求,更重要的是为了拓展气化技术对煤种的适应性。同时,大型煤化工装置和煤矿结合发展是现代煤化工的发展趋势,如何实现资源的优化配置,合理使用煤炭资源,按照煤质的情况、产品情况匹配合适的气化技术,提高煤种适应性是煤气化发展过程必须合理解决的问题。

一方面采用合适的配煤技术,保证气化炉在一定时间内实现稳定进料。通过深入研究气化机理和改进气化炉结构,扩大单一或多元混配煤种运用范围,提高与后续加工装置的匹配性,保证气化装置安全、经济地运行。另一方面通过劣质煤预处理提质等技术的开发可为气流床气化技术提供较为适宜的气化原料。第三,采用复合煤气化技术提高煤炭资源的利用效率,优质优用,劣质劣用。以合成气制天然气项目为例,充分利用煤炭开采过程中的粉煤,采用固定床技术与气流床技术相结合,既提高了煤炭资源的利用效率,又解决了煤气化效率与废水处理问题。

3.3 煤气化技术的大型化及对策

大型化、单系列是现代过程工业发展的一个显著标志。气化炉能力向大型化发展,有利于与新型煤化工工艺整体的匹配,提高整体产业链的经济性、合理性。由于气化炉外形尺寸受制造、运输和安装等客观因素限制,必须通过提高温度、压力和强化混合等方式来实现气化炉的大型化发展,气流床易于实现上述的扩能方式,是大型化的必选技术。已工业化的煤气化技术中,规模在1500t/d以上的煤气化装置均采用高压气流床技术。

通过提高压力和强化混合等方式可进一步保持气流床气化技术的优势。根据进料特点(粉煤/水煤浆),结合水煤浆进料的雾化过程和粉煤进料的弥散过程特点,通过采用合理的喷嘴数量及设置,与气化炉匹配形成较合理的炉内流场结构,可实现混合过程强化。对于粉煤进料,由于粉体在低速下即能较好地弥散,因此采用多路煤粉输送共用一个工艺喷嘴也可实现粉煤气化炉的大型化。

3.4 提高煤气化装置可靠性技术

煤气化装置作为煤化工的核心和龙头装置,必须具有稳定供应合成气的性能,是整个煤化工装置能否稳定运行的关键,因此对气化系统的长周期可靠性提出了非常高的要求。提高煤气化装置可靠性的技术途径主要包括以下3个方面:一是原料稳定性。建立入炉煤标准,通过配煤或添加石灰石等工艺,保证入气化炉煤质稳定,提高煤气化装置的可靠性。二是工艺优化。降低气化技术的工艺复杂度,通过工艺创新和优化,实现气化装置的长周期可靠性。三是关键设备的优化。提高关键设备(如喷嘴、阀门、耐火衬里等)的可靠性,通过关键设备设计理论和关键材料的突破、关键部位防护技术的突破,实现单个设备的长周期运行。

3.5 煤气化的污水问题及其处理技术

煤气化(固定床等)废水是一种典型的高浓度、高污染、有毒、难降解的工业有机废水,另外废水水质因各企业使用的原煤成分及气化工艺的不同而差异较大。其中,气流床气化工艺产生的废水较少,污染程度较低;但固定床气化工艺等产生的废水污染程度较大,特别是该工艺产生的含酚废水很难处理,运行成本高。因此,针对不同的煤气化工艺和所用的煤种,应采用有针对性的工艺对其废水进行处理。 选择低废水排放的气化技术,积极稳妥地采用新技术、新工艺、新设备和新材料,是解决煤气 化污水处理问题及其处理技术的关键。通过研究掌握煤气化过程中污染物的迁移转化机理,降低煤气化过程中污染物的排放;通过采用新型废物治理技术,如生物法处理废水、废渣等,实现煤气化装置的零排放;开发各种污泥和高浓度有机废水与煤共气化技术,实现气化炉资源化处置有机污染物。

3.6 煤气化与新型煤化工的技术集成

根据煤种性质和产品特点,研究开发煤在加工过程中的组合技术和多联产技术,通过煤气化与新型煤化工的技术集成,提高煤的优化利用和转化效率。同时集成与煤气化技术相配套的CO耐硫变换、酸性气体净化等工艺和催化剂、溶剂技术,提高煤气化装置的稳定性和经济性。

3.7 中国煤化工产业政策的影响

中国缺油、少气和富煤的能源结构导致把发展煤化工作为能源安全和原料结构调整的重要途径。中国是世界上使用煤气化技术门类最多和建有煤气化装置最多的国家,但煤化工耗水量、CO2排放量和三废排放均较大,给生态环境带来较大压力。进入“十二五”后,针对煤化工行业中存在的技术重复引进、项目盲目建设、产业发展失控等状况,国家进一步出台政策严格规范煤化工产业秩序,合理引导产业有序发展,进行引导和调控的方向也越加清晰。对新上煤化工项目的能源转化效率、综合能耗、吨产品新鲜水用量等具体指标进行控制,并对示范项目采用的技术和设备进行明确规定,这将有助于推进我国煤化工产业的技术创新,不断促进煤气化技术的进步。

4 结语

煤气化技术和产业的发展必须以煤资源的高效利用、环境和生态友好为前提。因此,高效和洁净的煤气化技术是当今煤气化技术发展的主流。气流床技术具有大型化、洁净、高效、煤种适应性强等特点,是当今煤气化发展的主要方向。围绕气流床气化技术,应通过气化炉内多相反应过程调控、优化高温合成气冷却,优化气化工艺,完善关键设备,实现能量的高效转化与合理回收,扩大煤种的适应性,并提高气化装置的可靠性。通过开发各种有机污染物与煤共气化技术,利用气流床高温气化炉的优势,可实现资源化处置有机污染物。对于催化气化等新型煤气化技术,应进一步加大基础研究的力度,实现关键技术突破后才可在工程中应用。(赵锦波 王玉庆 中国石油化工股份有限公司)

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