对煤炭气化煤种适用性和有效产出成分的分析

訾东升

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.西山煤电(集团)公司，山西 太原 030053)



·试验研究·

对煤炭气化煤种适用性和有效产出成分的分析

訾东升1,2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.西山煤电(集团)公司，山西 太原 030053)

阐述了煤炭气化的主要原理及目前国内主流气化工艺主要特点和工艺参数，分析了煤炭气化煤种的适用性以及煤种适应性、原料煤粒度与生产效率之间的关系。并运用国内外科研院所及成熟企业运行数据，对同种气化工艺不同炉型的煤气产率和构成进行分析，对不同煤种不同气化工艺的有效产出成分进行对比，得出同一气化炉不同煤种煤气产出成分及产率的特点，同一煤种不同气化工艺煤气产出成分及产率的特点，同一煤种、同一气化工艺、不同气化炉型煤气产出成分及产率的特点，可对不同煤种选择适用的气化工艺提供参考。

煤炭气化；气化炉；气化工艺；煤种；煤气产率；煤气产出成分

煤炭是中国的主要能源，而山西作为全国能源大省，煤炭总产量可占全国总产量的1/4,随着国家产业政策的不断调整、环保法规的不断完善，煤炭气化成为煤炭企业煤炭清洁利用的主要发展方向，本文着重对不同煤种、不同气化工艺的有效产出成分进行分析研究。

1 煤炭气化原理

煤炭气化是指以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在一定温度和压力下通过化学反应将固体煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的热化学过程。气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分包括CO、H2及CH4等。

在气化炉内，煤气一般先后经历干燥、干馏、气化和燃烧几个过程，不过因气化炉类似，温度和压力不同，这几个过程进行的速度和程度不同，有时交叉进行。具体反应如下：

1) 欠氧燃烧(放热)

C+0.5O2→CO-Q

2) 充分燃烧(放热)

C+O2→CO2-Q

3) 蒸汽—碳反应(气化)

C+H2O→CO+H2+Q

4) 碳的还原反应(气化)

C+CO2→2CO+Q

5) 甲烷生成反应(气化)

C+2H2→CH4-Q

CO+3H2→CH4+H2O-Q

6) 变换反应(气化)

CO+H2O→CO2+H2-Q

2 气化工艺与煤种关系

气化炉按流体力学状态或气固接触方式，分为3类,分别是固定床、流化床和气流床。

2.1 固定床

固定床代表炉型为鲁奇加压气化技术，目前使用最多的第三代技术是以块煤为原料，加压移动床固态排渣气化炉结构，适用于不黏结或弱黏结性且灰熔点较高的煤种；另一常用的BGL熔渣气化炉采用块煤和助熔剂进行气化。

2.1.1 鲁奇加压气化技术

第三代鲁奇加压移动床固态排渣气化炉由煤锁、气化炉主体和灰锁3部分组成，煤锁和灰锁功能基本相似，通过程序控制器和液压执行机构，开关各种阀门，周期地充压、泄压和加煤排灰，实现气化炉加压下的连续操作。鲁奇炉要求入炉煤水分含量小于20%，灰分含量低于20%，黏结性方面要求原料煤坩埚膨胀指数(CSN)低于7，煤灰软化温度(ST)大于1 200 ℃，煤的反应活性越高越好。北京煤化研究分院对采用鲁奇加压气化技术生产煤气进行了中试，具体试验数据见表1[1]：

表1 北京煤化研究分院鲁奇加压中试气化炉数据表

从表1可以看出，针对不同煤种，鲁奇气化炉需要相应微调汽氧比和操作压力来适应工艺要求，然而不同煤种由于固定碳、灰熔点、煤的反应性不同，必会造成粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

2.1.2 BGL气化技术

BGL熔渣气化炉是为了克服固态排渣气化炉存在的蒸汽消耗大、煤种受限、气化炉结构复杂的缺点开发的，采用块煤和助熔剂为原料，液态排渣的加压气化工艺。BGL熔渣气化炉对原料煤反应性、灰熔融性和黏结性要求低，非常适合气化高挥发性且活性低的次烟煤，难熔灰含量高和水分较高的煤不适合本气化炉[2].

针对外国不同煤种气化效果来看，与鲁奇炉结论一致，也需要微调汽氧比和操作压力来适应工艺要求，然而不同煤种必会造成粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

2.2 流化床

流化床代表炉型有温克勒气化炉(Winkler)和灰熔聚气化炉(U-Gas).

2.2.1 温克勒气化炉(Winkler)

温克勒(Winkler)采用粒度为1～10 mm的褐煤、不黏煤、长焰煤及中等黏结性烟煤，要求原料煤具有较高反应性，自膨胀系数应小于4，水分应小于12%，适宜使用高活性和中高灰熔点的原料煤。目前多用于制氢、氨原料气和燃料煤气。

2.2.2 灰熔聚气化炉(U-Gas)

U-Gas煤气化工艺是由美国煤气工艺研究所开发的单段加压流化床灰熔局煤气化工艺，该工艺实现了选择性排灰，克服了传统流化床气化工艺底部排灰含碳量高的缺点，底灰含碳量可降至5%以下。该气化炉对煤种适应性较强，可采用0～6 mm的煤作气化原料，黏结性无特殊要求，对灰分高低和灰分含量波动无特殊要求。温克勒气化炉与灰熔聚气化炉运行数据对比见表2.

表2 温克勒气化炉与灰熔聚气化炉运行数据对比表

2.3 气流床

气流床气化是指气化剂(蒸汽与氧)将煤粉夹带入气化炉，在高温下进行并流气化反应的工艺。代表炉型有GE水煤浆气化工艺与航天炉气化工艺。

2.3.1 GE水煤浆气化工艺(原德士古气化炉)

GE水煤浆气化工艺，煤种适应性强，对煤种没有严格限制，对煤种的选择主要根据经济效益来测算，根据国内各企业运行效果，一般选用灰分低于28%，灰熔融性温度流动温度较低，含硫、氯、氟较低的煤。GE水煤浆气化压力高，可缩小设备体积，有利于降低能耗，气化炉结构简单，工艺成熟。运行数据见表3[1]：

表3 GE气化炉典型煤气组成表 %

2.3.2 航天炉主要运行数据

航天炉又名HT-L粉煤加压气化炉。航天炉的主要特点是具有较高的热效率(可达95%)和碳转化率(可达99%)，气化炉为水冷壁结构，能承受1 500 ℃至1 700 ℃的高温；对煤种要求低，可实现原料的本地化[3].航天炉的典型运行结果见表4.

表4 航天炉的典型运行结果表

3 结 论

3.1 同一气化炉、不同煤种

同一气化炉不同煤种，由于煤的挥发分、灰分、灰熔点、热解温度不同，需要根据煤质特性调整气化炉的运行工艺参数，粗煤气的产率以及组成成分含量必然不同。

1) 固定床：以鲁奇炉为例，同粒度不同煤种的煤，在原料煤指标要求范围内，水分低、挥发分高、灰分低、黏结指数低的煤有效气体产率高，反之则有效气体产率降低。同煤种不同粒度的煤，粒度区间稳定的煤，气化效率高，有效产出成分高。

2) 流化床：以灰熔聚气化炉为例，同粒度不同煤种的煤，在原料煤指标要求范围内，水分低、灰分低、灰熔融性温度高的煤有效气体产率高，反之则有效气体产率降低。同煤种不同粒度的煤，粒度区间小于8 mm且细粉含量越低的煤，气化效率高，有效产出成分高。

3) 气流床：以GE水煤浆气化炉为例，破碎后不同煤种的煤，在原料煤指标要求范围内，可磨性指数高、内水低、成浆性好、煤浆浓度高、灰分低、灰熔融性温度低的煤有效气体产率高；反之，则有效气体产率降低。

3.2 同一煤种，不同气化炉

3.2.1 在气化操作条件差距较大的情况下

1) 采用不同气化工艺。

同种煤分别采用固定床、流化床、气流床工艺，由于气化工艺技术设备对压力、温度、粒度和入料方式的不同，必然导致粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

2) 采用同种气化工艺，不同气化炉。

a) 固定床：以鲁奇炉与BGL炉为例，原料粒度不同、炉膛温度不同，粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

b) 流化床：以温克勒气化炉与灰熔聚气化炉为例，操作压力不同、炉膛温度不同、进料方式不同，粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

c) 气流床：以GE水煤浆气化与GSP炉为例，原料形态不同、操作压力不同，粗煤气的产率以及组成成分含量不同。

3.2.2 在气化操作条件接近的情况下

粗煤气的产率以及组成成分基本类似。例如：shell炉、航天炉、科林炉，温度、压力、进料方式基本相同，粗煤气产率及组成成分基本一致。

[1] 徐振刚,步学朋.煤炭气化知识问答[M].北京：化学工业出版社，2008:81-82,108-118.

[2] 郑万德,王鹏娥.BGL碎煤加压熔渣气化炉运行情况分析[J].煤炭加工与综合利用,2014(4):39-40.

[3] 赵华斌.航天炉粉煤加压气化技术探究[J].化工管理,2014(30):115.

Analysis on Coal Applicability and Effective Output Composition in Coal Gasification

ZI Dongsheng

This paper introduces the main principle of coal gasification, the major characteristics and process parameters of domestic mainstream gasification technology currently. Coal applicability in coal gasification, and the relationship among the coal adaptability, the powder size of raw materials and the production efficiency are all analyzed. Data from domestic and foreign research institutions and mature enterprise are used to analyze the gas production rate and composition of same gasification process and different gasifiers, and the effective composition output of different coals and different gasification process. Obtains gas output components and characteristics of production rate in different conditions such as coals, gasification process and gasifier type. It provides a reference for gasification process selection in different coal types.

Coal gasification; Gasifier; Gasifying process; Coal; Gas yield rate; Gas output components

2016-05-22

訾东升(1988—)，男，安徽颍上人，太原理工大学在读工程硕士研究生，工程师，主要从事煤化工技术管理工作

(E-mail)zidongsheng@163.com

TD849

B

1672-0652(2016)07-0035-03