水煤漿氣化技術的發展及應用選擇

摘 要：文章討論了煤化工氣化原理及氣化技術的發展趨勢，并探討了各種水煤漿加壓氣化技術的特點及優缺點，并得出結論：我國煤種很多，一種氣化方式只適用某種特定的煤種，氣化技術的選擇應因煤制宜，目標產品不同也應采用不同的氣化技術。

關鍵詞：水煤漿氣化技術；發展趨勢；應用選擇

引言

煤炭是世界上分布最廣儲量最多的化石能源，是世界經濟和社會發展的重要動力支柱，在未來幾十年內，煤炭將仍是世界主要能源之一，煤炭是21世紀中國經濟快速發展的重要支柱，占有不可取代的地位。我國在煤炭綜合利用中存在著方法單一、利用效率低、污染嚴重等問題，這對環境保護和經濟社會的可持續發展產生了巨大威脅[1-3]。因此，積極發展潔凈煤技術，從而解決中國油氣短缺等能源安全問題，滿足國民經濟發展對能源的需求，對中國經濟社會的可持續發展具有十分重要的意義。

1 煤氣化原理及發展趨勢

1.1 煤氣化的原理

煤的氣化反應是指氣化劑（空氣、水蒸氣、富氧空氣、工業氧氣以及其相應混合物等）與碳質原料之間以及反應產物與原料、反應產物之間的化學反應。在氣化爐內，煤炭要經歷干燥、熱解、氣化和燃燒過程[5]。

1.1 濕煤中水分蒸發的過程：

1.2 熱解（干餾）是煤受熱后自身發生的一系列物理化學變化過程。一般來講，熱解的形式為：煤 煤氣（CO2，CO，CH4，H2O，H2，NH3， H2S）+焦油+焦炭

1.3 氣化與燃燒過程。僅考慮煤的主要元素碳的反應，這些反應如下：

a.碳-氧間的反應；

b.碳-水蒸氣間的反應；

c.甲烷生成反應；

需要指出的是，以上所列諸反應為煤氣化和燃燒過程的基本化學反應，不同過程可由上述或其中部分反應以串聯或平行的方式組合而成。

1.2 煤氣化技術的發展趨勢

現代煤炭氣化技術發展趨勢如下[4]：

1.2.1 氣化壓力向高壓發展。氣化壓力由常壓、低壓（<1.0MPa）向高壓（2.0-8.5MPa） 氣化發展，從而提高氣化效率、碳轉化率和氣化爐能力。

1.2.2 氣化爐能力向大型化發展。大型化便于實現自動控制和優化操作，降低能耗和操作費用。

1.2.3 氣化溫度向高溫發展。氣化溫度高，煤中有機物質分解氣化，消除或減少環境污染，對煤種適應性廣。

1.2.4 不斷開發新的氣化技術和新型氣化爐，提高碳轉化率和煤氣質量，降低建設投資。目前碳轉化率高達98%-99%，煤氣中含CO+H2達到80%-90%。

1.2.5 現代煤氣化技術與其他先進技術聯合應用。

1.2.6 煤氣化技術與先進脫硫、除塵技術相結合，實現環境友好，減少污染。

2 水煤漿氣化裝置

煤氣化技術是煤化工系統的關鍵單元。目前在國內推廣的煤氣化技術，我國自主開發技術和國外技術總共有10多種[5]。按氣化類爐型分，主要有固定床、流化床、氣流床三種。氣流床氣化技術具有較大的煤種與粒度適應性和更優良的技術性能，且工藝成熟穩定，是煤基大容量、高效潔凈的燃氣與合成氣制備的首選技術。

Texaco（德士古）水煤漿氣化技術

20世紀50年代初期，美國德士古公司在重油部分氧化氣化基礎上，成功開發了德士古水煤漿加壓氣化技術。該技術中，將原料煤、水及添加劑等送入磨機磨成水煤漿，由高壓煤漿泵送入氣化爐噴嘴，采用爐頂單噴的進料形式，粗煤氣和熔融的液渣從排渣口排出。

Destec（E-Gas/DOW） 水煤漿氣化技術

Destec（E-Gas）煤氣化工藝原稱DOW煤氣化工藝，是在德士古煤氣化工藝基礎上發展的二段式煤氣化工藝，是由美國DOW化學公司于1973年開發的，1987年成功應用于商業性的熱電廠。道水煤漿氣化爐分為兩段，下部一段為臥式爐，水煤漿經預熱以后和氧氣同時由兩端噴射入爐，進行部分燃燒反應，產生的高溫氣體進入上部第二段立式爐，在立式爐底部靠近臥式爐部位噴入水煤漿，利用一段爐產生的粗煤氣顯熱來產生額外的合成氣，降低了氧耗和煤耗。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術由華東理工大學、充礦魯南化肥廠、中國天辰化學工程公司于“九五”期間聯合開發，具有完全的自主知識產權。在多噴嘴對置水煤漿氣化技術中，水煤漿經隔膜泵加壓，通過4個對稱布置在氣化爐氣化室中上部同一水平面的工藝噴嘴，與氧氣一起對噴進入氣化爐。氣化爐出口位于氣化爐底部，高溫合成氣與熔融灰清一起離開氣化室進入激冷室進行降溫和分離。多噴嘴對置式水煤漿氣化爐與Texaco氣化爐相比，爐內流場分布更為合理，湍流混合強度有所增加，混合效果變好。中試研究的結果顯示：合成氣中的有效氣成分達83%，比相同條件下的Texaco水煤漿氣化裝置高1.5%-2%；碳轉化率>98%，比Texaco水煤漿氣化裝置高2%-3%；比煤耗、比氧耗比Texaco水煤漿氣化工藝低7%。

水煤漿水冷壁氣化技術

水煤漿水冷壁氣化技術是在清華大學、北京達立科公司和山西陽煤豐喜集團合作開發的“非熔渣-熔渣分級氣化技術”基礎上進行的技術改進和創新，是我國具有自主知識產權的創新技術。2011年水煤漿水冷壁氣化爐在山西陽煤豐喜肥業集團首次投料成功，標志著我國自主研發的水煤漿水冷壁氣化技術躋身世界先進行列，為大型煤化工企業的煤氣化技術提供了新的選型。

作為清潔能源利用技術，水煤漿水冷壁氣化技術解決了長期來煤炭利用過程中的環境污染問題和多煤種的選用問題，從而為后石油時代的來臨做了相當實際的技術準備。但企業在進行煤氣化技術改造時不能盲目，要全面考慮問題。水冷壁爐只適合灰熔點高于1300℃的煤，這樣的煤制漿性能才好。

3 氣化技術選擇

Texaco 氣化技術的主要優點：對煤種適應性比較寬；單爐生產能力大；煤氣質量好；甲烷含量低。主要缺點： 燒嘴運行周期短，由于水煤漿在較高線速下（約30m/s） 對金屬材質的沖刷腐蝕，水煤漿氣化噴嘴常面臨噴口磨損問題；爐襯采用耐火磚存在成本高、壽命短的問題。

Destec氣化爐適合于生產燃料氣而不適合于生產合成氣。主要缺點： 二次水煤漿停留時間短，碳轉化率較低； 設有一個龐大的分離器，以分離一次煤氣中攜帶灰渣與二次煤漿的灰渣與殘炭。

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐雖然有有效氣氛高、炭轉化率高，比煤耗、比氧耗低等優點，但也存在著不足之處，如：回流區過小、氣化爐對負荷調節的適應性較差等。

水冷壁氣化爐最大的優勢，就是擴展了水煤漿氣化爐的煤種適應性，對灰熔點超過1350℃的煤也能使用水煤漿氣化技術，但水冷壁爐與熱壁爐仍各有千秋。熱壁爐有保溫材料，其保溫性能好，外部熱損失小，轉入煤氣中的熱量更多，冷煤氣效率會更高。因此，對于高活性、低灰分的煤，仍應考慮熱壁爐。

4 結束語

每種技術都有自己的優點，也有自己的缺點，各水煤漿氣化技術孰優孰劣，很難有定論。煤本身具有復雜性和特殊性，因此煤氣化過程中存在許多無法克服的矛盾，如：追求煤轉化能效率高，則氣化溫度要低，但煤結構中存在大量苯環，這些苯環需高溫打破，高溫意味著高能耗，同時需要空分裝置提供純氧，因此會帶來投資高、熱損失大、能效低等問題，這些問題都是由煤的特性決定的。針對解決單一問題、追求單向指標而開發的技術，很容易誤導煤化工企業，這些技術往往強調其單項指標，而割裂了整體性，誤導企業對技術的選取和對煤氣化技術的認識。

參考文獻

[1]陳俊峰.煤氣化技術的發展現狀及研究進展[J].廣州化工，2012.40（5）：31-33.

[2]呂玉坤，豆中州，趙鍇.整體煤氣化聯合循環（ICCC）發電技術發展與前景[J].應用能源技術，2010（10）：36-39.

[3]武利軍，周靜，劉璐等.煤氣化技術進展[J].潔凈煤技術，2002.8（1）：31-34.

[4]許世森等.大規模煤氣化技術[M].北京：化學工業出版社，2006，1.

[5]賀永德.現代煤化工技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2004，1.