煤化工技术之一---煤炭气化技术应用及其发展

    煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。

　一、煤炭气化技术
　煤气化方法繁多，其分类以过程参数及燃料种类和形态为依据。
　(1)以原形态为主进行分类，有固体燃烧气化、液体燃料气化、气体燃烧料气化及固/液混合燃料气化等。
　(2)以入炉煤的粒级为主进行分类, 有块煤气化(6~50mm)、煤粉气化(小于0.1mm)等。此外, 入炉燃烧以煤/油浆或煤/水浆形成的，均归入小粒煤和煤粉气化法中。
　(3)以气化过程的操作压力为主进行分类, 有常压或低压气化(0~0.35MPa)、中压气化(0.7~3.5MPa)和高压气化(7MPa)。
　(4)以气化介质为主进行分类, 有空气鼓风气化、空气-水蒸气气化、氧-水蒸气气化和加氢化（以氢气为化剂，由不得煤制取高热值煤气的过程）等。
　(5)以排渣方式为主进行分类，有干式或湿式排渣气化、固态或液态排渣气化、连续或间歇排渣气化等。
　(6)以气化过程供热方式进行分类，有外热式气化（气化所需热量通过外部加热装置由气化炉内部释放出来）和热载体（气、固或液渣载体）气化。
　(7)以入炉煤在炉内的过程动态进行分类，有移动床气化、液化床气化、气流（夹带）床气化和熔融床（熔渣或熔盐、熔铁水）气化等。
　(8)以固体煤和气体介质的相对运动方向进行分类，有同向气化或称并流气化、逆流气化等。
　(9)以反应的类型为主进行分类，有热力学过程和催化过程。
　(10)以过程的阶段性为主进行分类，有单段气化、两段（单简、双简）或多段气化等。
　(11)以过程的操作方式为主进行分类,有连续间歇式或循环式气化等。
　中国煤气化技术是在小型合成氨基础上逐步发展起来的，目前固定床气化常压固定床气化炉（UGI炉）仍是中国煤造气使用最多的炉型,投资低。但是，由于必须使用块煤、碳转化率低，能耗高，气化强度低，污水含焦油，酚处理复杂，在大型煤化工项目建设中一般己不再采用。
　从80年代中期，国内开始引进先进的洁净煤气化技术，1984年，山东鲁南化肥厂从美国Texaco公司引进技术，建设了中国第一套Texaco水煤浆气化装置，1993年建成投产。此后,上海焦化厂、陕西渭河煤化工公司、安徽淮南化工总厂、浩良河化肥厂和中石化金陵石化公司又相继引进了Texaco水煤浆气化技术，单炉投煤量从360吨/天增加到1500吨/天，气化压力从2.6MPa到6.37MPa，生产的合成气用于生产合成氨、甲醇、醋酸和发电等。通过这几套装置的建设，中国在设计、设备制造、施工、生产操作等方面已积累了丰富的经验，除进口关键设备外，大部分设备均可立足国内制造，并开发了具有自主知识产权的多喷嘴对置水煤浆气化炉。
　由于中国一些煤种不适合水煤浆气化煤对煤质的要求，国内十分关注先进的粉煤气化技术，在大型合成氨油改煤及新建大型煤化工项目中选用壳牌炉。目前国内已经引进并建设的Shell煤气化项目有13个。
　近年国内恩德炉的应用也取得了一定的进展，国内己采用恩德炉气化的企业有8家，恩德炉的主要问题是对煤种活性有较高的要求，同时常压气化使规模受到限制，难以大型化。
　灰熔聚炉是中国自主开发煤气化炉。在陕西城固化肥厂工业化装置投产后，2003年天津碱厂合成氨油改煤项目也选用2台灰熔聚炉，但运行中仍存在一些问题。山西煤化所正在开发加压灰熔聚气化炉，单台煤处理能力将达到300～1000吨/天，可用于大中型化工合成和先进煤基发电系统。
　二、煤炭气化技术应用
　1、生产工业燃气
　一般热值为1100－1350大卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。
　2、生产民用煤气
　一般热值在3000－3500大卡，要求CO含量小于10％，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，而采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4、及其它烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。
　3、作为化工合成和燃料油合成原料气，早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。随着合成气化工和碳一化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。
　化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50％以上来自煤炭气化合成工艺。
　4、生产冶金还原气
　煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。
　5、整体煤气化联合循环发电
　整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度-如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床气化（德士古）、加压气流（Shell气化炉）广东省加压流化床气化工艺，煤气热值2200－2500大卡左右。
　6、作煤炭气化燃料电池
　燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要由磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型(MCFC)、固体氧化物型(SOFC)等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。
　7、煤炭气化制氢
　氢气广泛的用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。
　8、煤炭液化的气源
　不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。
　三、煤炭气化产业发展
　煤炭气化的产品主要有甲醇、合成氨、燃料气等。
　1、煤气化-合成氨
　中国的合成氨工业始于20世纪30年代，50年代初期生产能力不足6000吨/年；50年代中期以引进技术为主建设了若干中型合成氨厂；60年代和70年代以国内技术为主大力发展中、小型厂；70-90年代引进一批大型合成氨装置；80-90年代末又对已有的大、中、小企业进行了大量技术改造。
　到2004年底，年产30万吨以上以煤(焦)为原料的大型合成氨生产装置有2套，中型装置34套，小型装置中约96%的装置以固定床间歇煤气化技术为主。目前，全国约有4000多台煤气化炉，每年消费原料煤(或焦炭)4000多万吨。
　合成氨产量稳步增长。1980年为1498万吨，1998年达到3169万吨，2004年4222万吨，2005年万吨。其中以煤为原料合成氨产量约占总产量的65%。合成氨下游产品主要是尿素、碳酸氢钱、硝酸钱等氮肥，总量已基本满足国内农业生产的需求。
　随着农业的进一步发展和提高，作为氮肥和其他复合肥料的中间产品，中国合成氨产量将稳步增加。未来合成氨工业的发展趋势是:新建大型生产装备，条件较好的中小型企业采用先进的煤气化技术进行改造和扩大生产能力，淘汰低水平、高能耗、低效率、高成本、污染大的小型企业。原料选择是中国建设合成氨一氮肥企业的重要问题，目前大型企业的技术改造方向之一是“油改煤”；未来新建大型合成氨企业，除少数靠近天然气产地、原料价格较低的企业或地区外，煤炭依然是合成氨的主导原料。
　2、煤气化-甲醇及下游产品
　中国甲醇工业已有40多年历史，目前生产企业有200多家，生产能力超过500万吨，大部分是生产能力较小的企业。小型企业单套装置生产能力小，工艺技术相对落后，消耗大、产品成本高，企业市场竞争能力较差。
　近年来，受下游化工产品和车用代用燃料增加的拉动，甲醇产量及消费量快速增长。2003年甲醇产量约300万吨，表观消费量约440万吨，分别比2001年增长45%和32%。2005年我国甲醇产量536万吨。其中，以煤为原料生产的甲醇约350万吨，占总产量的65%。
　甲醇是重要的基础化工原料，其下游产品有：醋酸、甲酸等有机酸类，醚、醋类各种含氧化合物，乙烯、丙烯等烯烃类，合成汽油、二甲醚等燃料类等。其中甲醛生产约占30%，汽油添加剂(MTBE)约占9%，醋酸合成约占7%，其余还有农药、医药、甲胺等，用作燃料的约占10%-15%。目前，甲醇生产能力正处于膨胀发展状态，新建或拟建项目激剧增加，据不完全统计，目前在建甲醇规模已接近900万吨，拟建和规划产能还有千万吨以上。这些项目若全部付诸实施，一旦甲醇后加工生产技术和应用市场开发滞后，势必造成产能大量过剩。预计几年后中国国内甲醇生产企业间以及与进口廉价甲醇间的竞争将日趋激烈。
　甲醇脱水即可制得二甲醚。到2002年末，中国二甲醚生产能力约2万吨/年,产量约1万吨/年；2003年12月，山东久泰化工科技公司投产3万吨/年装置，2004年又建成7万吨/年装置，全国生产总能力达到12万吨/年。