煤气化之流化床气化技术

风光好

流化床工艺

首先认识一下流态化：

当气体或液体以某种速度通过颗粒床层而足以使颗粒物料悬浮，并能保持连续的随机运动状态时，便出现了颗粒床层的流化。

流化床气化就是利用流态化的原理和技术，使煤颗粒通过气化介质达到流态化。流化床的特点在于其有较高的气-固之间的传热、传质速率，床层中气固两相的混合接近于理想混合反应器。

流化床特点是适应于劣质煤种的气化，气化强度高，煤气中基本不含焦油和酚。

1922年德国人Winkler首先发明了流化床气化技术，此处介绍一下典型的wrinkler流化床工艺。

首先是原则流程图：

1—常压料仓  2—加压料仓 3—螺旋给料机

4—气化炉  5—废热锅炉 6—旋风分离器

看一下反应器：

典型的工业规模的炉型高23米，内径5.5米，单炉生产能力较大，可充分利用机械化采煤得到的细粒度煤。干馏和气化在相同温度下进行，干馏温度较移动床高得多，所以煤气中几乎不含焦油，酚和甲烷含量也很少。

气化温度在900℃左右，故应使用活性高的煤作原料，同样由于温度低，不利于CO2的还原和水蒸气的分解，煤气中CO2含量偏高。出炉煤气温度高，热损失大。气流速度高使得煤气中带出物较多。

正如前篇所讲，流化床与气流床的基本原理均与固定床基本相同，因此，不再进行重复介绍，不同种类的煤炭，其流化床工艺也不相同：

自wrinkler工艺后，流化床也发展迅速，不断有新的工艺产生，如高温Winkler气化技术（单炉840吨煤/天）；Ｋellog公司开发的KRW工艺，用于IGCC发电，最大规模单炉893吨煤/天。

也有一些工艺失败了，比如美国U-Gas技术，在上海焦化示范失败，SES公司在山东枣庄继续建工业装置，目前运转也有困难。

KRB(美国南方电力）也开发了一种流化床工艺，其输运床气化工艺流程图如下所示：

气流床工艺

气流床技术应用在煤的气化上，是将煤制成粉煤或煤浆（＜0.1mm），通过气化剂夹带，由特殊的喷嘴喷入炉内进行瞬间气化。

与前述的几种气化工艺比较，气流床的特点是反应温度高（火焰中心温度可达2000 ℃），反应速度快，煤料的停留时间短(1～10s)，产物不含焦油、甲烷等物质，用来生产合成氨、甲醇时，甲烷含量低是其优点。

另一特点是，由于煤料悬浮在气流中，随气流并流运动，煤粒的干燥、热解、气化等过程瞬间完成，煤粒被气流隔开，所以煤粒基本上是单独进行膨胀、软化、燃尽及形成熔渣等过程，所以煤的黏结性、机械强度、热稳定性等对气化过程不起作用，原则上几乎可以气化任何煤种。气流床的设计简单，内件很少。

看一下国内外主要气流床气化炉：

气流床的分类：

• 进料形式：干煤粉和水煤浆
• 气流方式：上行，下行
• 工艺流程：废锅流程和直接水激冷
• 喷嘴数量：单喷嘴和多喷嘴
• 耐火材料：耐热砖和水冷壁
• 进料方式：一段和两段
  
  

类似于流化床技术，介绍一下气流床气化技术先驱：Koppers-Totzek 炉，于上世纪40年代初开发，1950年建成第一家商业化规模工厂。

炉身：是一圆筒体，用锅炉钢板焊成双壁外壳，通常衬有耐火材料。在内外壳的环隙间产生的低压蒸汽，同时把内壁冷到灰熔点以下，使内壁挂渣而起到一定的保护作用。

两个稍向下倾斜的喷嘴相对设置，一方面可以使反应区内的反应物形成高度湍流，加速反应，同时火焰对喷而不直接冲刷炉墙，对炉墙有一定的保护作用。另一方面，在一个反应区未燃尽的喷出颗粒将在对面的火焰中被进一步气化，如果出现一个烧嘴临时堵塞时保证连续安全生产。

粉煤与氧气、水蒸气混合后，从相对炉头并流进入，瞬间着火，进行气化反应，炉头内火焰的温度高达2000 ℃ ，煤料在炉头内的停留时间约0-1s，在气化炉中部，炉温度约在1500～1600℃的范围内，一般要比煤的灰熔点高100～150℃，煤气在炉内的停留时间约1～1.5s。

该工艺的优点是：

·         技术成熟，有多年的运行经验

·         气化炉结构简单维护方便煤种范围宽

·         煤气中不含焦油和煤尘，甲烷含量也很低

·         碳转化率高于流化床

作为早期气流床工艺，K-T炉也存在着较明显的缺陷：

·         制粉设备庞大，耗电量高

·         气化耗氧，需控分装置

·         需高效率除尘装置

·         回收显热需大型热交换设备，投资大

自K-T炉以后，气流床工艺一直在发展，新的技术如GE（Texaco）、Shell 粉煤加压气化技术等对原有的气流床工艺进行了改进，但由于篇幅原因，此处不再进行讨论。

煤气化技术发展趋势

大型化是煤气化技术发展的主要趋势，也是相关产业发展的需要，气流床技术符合大型化的要求，发展最快。

• 原料煤（煤种、灰分含量、灰熔点等）：
  
  

有限制→较少限制→基本无限制

• 操作条件（温度、压力等）
  
  

常压、中温→高压、高温

• 气化炉
  
  

固定床→流化床→气流床

• 气流床
  
  
  

水煤浆进料→煤粉进料

耐火砖衬里→水冷壁衬里

为实现上图所示的产油量，需3000吨煤/天的气化装置25台左右。大型煤气化技术可可解决目前遇到的瓶颈问题，因而相关技术的发展需要大型煤气化技术。

根据目前的发展情况，大型煤气化技术多为气流床工艺，可以认为气流床煤气化技术为大型化的主要方向。

结束语

我国电力，似乎不止我国，全球上看，绝大多数国家的电力系统均离不开煤炭，作为传统的支柱能源，煤炭除了直接燃烧、发电以外，亦可以进行煤气化，煤制油等，进行各种加工。或许我们90后这代人可以看到化石燃料枯竭的那一天，但与煤炭、石油相关的化工工艺我们不应忘记，先辈们智慧的结晶我们应当传承下去。

煤炭的低迷走在了石油不景气的前面，当年山西煤炭的胜景似乎还在眼前，虽然目前我们能源还是依赖煤炭，但确实不可同日而语，算是给我们一个教训吧，今日油价的持续低迷确实令人忧心忡忡，希望不要走向煤炭的道路。