中国煤炭气化技术进展
2005/1/5 17:45:47     编辑:煤炭网

[作者:黄振中]


    我国结合引进技术的工业实践,逐步开发出了具有中国特色的煤气化技术,但也走了不少弯路。我国对煤炭地下气化技术的研究取得了很大进展。在“十五”规划中,各方都强调要推进煤炭气化技术的开发和应用。    煤炭气化技术是洁净、高效利用煤炭的重要技术之一。它是煤炭化工合成、煤炭直接/间接液化、IGCC技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导性技术和核心技术。煤炭气化技术分地面和地下两种。

1. 地面煤气化技术

    地面煤气化技术有固定床、流化床与气流床三种主要形式。气化工艺开发集中于提高气化压力、提高气化炉容量、扩大煤种适应性、环境友好、提高碳转化率和提高气化效率和液态排渣等。主要应用于化工合成、城市煤气生产及联合循环发电。

    从当前国外煤气化技术发展趋势看[1],大型化、加压、适应多种粉煤、低污染、易净化是煤气化的发展方向。国外新开发的气化炉都采用加压气化工艺,这可提高气化强度,增加单炉的产量,节约压缩能耗,减少带出物损失。

    国外现有加压气化炉型主要分为三类:加压固定床气化炉(如Lurgi炉)、加压流化床气化炉(Winkler/HTW, KRW,U-gas)和加压气流床气化炉(Texaco, DOW, Shell, Prenflo)。这三类气化炉各有特点。产业化程度以鲁奇(Lurgi)、德士古(Texaco)最为成熟,都已达到日处理400?1650吨的量级,这些气化炉的发展都以服务于化工产业为先导。鲁奇炉以弱粘结块煤为原料,冷煤气效率最高,但净化系统复杂(焦油处理);德士古气化炉需以低灰、低灰熔点煤为原料,高温操作,虽气化强度和气体品质较高,但氧耗高、设备投资高;高温温克勒炉(Winkler/HTW)操作温度相对较低,尚只适用于年青烟煤或褐煤。

    发达国家开发出的高效洁净煤气化技术已实现商业化,例如Texaco气化技术的Tampa(日处理2000吨煤,发电能力为250MW);Shell气化技术的Buggenum(日处理2000吨煤,发电能力250MW);Kropp技术的Puertollano(日处理2600吨煤与石油,发电能力300MW)。

    煤气化技术的大容量示范电站与商业化运行表明,气流床气化炉代表着发展趋势,目前世界上已经商业化的大型(250MW以上)电站都采用气流床,例如,以水煤浆为原料的Texaco、Destec和以干煤粉为原料的Shel1、Prenflo。
    目前几乎所有重要的煤气化工艺都在开拓联合循环发电方面的应用,并取得了重要的进展。

    虽然国外已开发成功多种煤气化技术,但目前在国内较为成熟的仍然只是常压固定床气化技术。它广泛用于冶金、化工、建材、机械等工业行业和民用燃气,以UGI、水煤气两段炉、发生炉两段炉等固定床气化技术为主。常压固定床气化技术的优点是操作简单,投资小;但技术落后,能力和效率低,污染重,急需技术改造。以常用的直径为3m的发生炉为例,能力仅为50t/d,引进的一般加压Lurgi炉能力也达500t/d。

    目前我国正在运转的常压固定床气化炉有四千多台。而常压流化床气化炉只有十几台,Texaco气流床气化炉仅12台。固定床气化工艺需要使用块煤,尤其是化肥行业普遍采用的水煤气炉目前只使用无烟块煤和焦炭,而机械化采煤使块煤率下降,导致块煤资源紧张,原料成本上升。另外水煤气工艺气化效率低,吹风气排放污染环境。

    我国煤气化技术总体水平落后,与世界先进技术相比差距甚远。国家从“六五”至“九五”投入大量人力、物力,引进、研制、开发先进的煤气化技术。我国先后从国外引进的煤气化技术多种多样。如引进的水煤浆气化装置就有,1987年投产的鲁南煤气化装置(二台炉、一开一备,单炉日处理450吨煤,2.8Mpa),1995年投产的吴泾煤气化装置(四台炉,三开一备,单炉日处理500吨煤,4.0MPa)、1996年投产的渭河煤气化装置(三台炉,二开一备,单炉日处理820吨煤,6.5MPa),2000年7月投产的淮南煤气化装置(三台炉,无备用,单炉日处理500吨煤,4.0MPa)等等[2]。通过对煤气化引进技术的消化吸收,尤其是通过国家重点科技攻关,对引进装置进行技术改造并使之国产化,使我国煤气化技术的研究开发取得了重要进展。如关键技术之一的国产喷嘴替代了从美国引进的水煤浆气化喷嘴,技术性能大大优于引进喷嘴;国产洛耐砖替代了从法国进口的气化炉用耐火砖,价格比为0.5:1。另外,我国已具备设计制造如磨煤机、气化炉、激冷环,锁渣斗、捞渣机、高、低压煤浆泵、灰水泵、文氏管等设备的能力。鲁南化肥厂的设备国产化率已达到90%以上[3];中科院山西煤化所开发了f 0.3m、f 1.0m灰熔聚流化床粉煤气化工艺,经继续攻关已进入工业应用阶段,目前100t/d工业示范项目还在进行[1];煤科总院北京煤化所开发了f 0.3m加压粉煤流化床气化试验装置,并进行了试验[4]。我国结合引进技术的工业实践,逐步开发出了具有中国特色的煤气化技术,形成了一些创新的研究开发方法,建立了一些系统的煤气化理论。

    我国引进了从最早的一般固定床气化炉到后来的两段炉,以及鲁奇炉、U-gas和Texaco气化炉等几乎所有的技术。由于缺乏坚实的基础准备,弯路走了不少,我国引进煤气化技术的教训是沉痛的。如某厂引进的Lurgi炉,工艺操作摸索了近十年才达到原设计能力;某厂引进的U-gas炉由于技术不成熟,至今8台炉子只能凑合开2台。另外目前有的Texaco气化炉灰渣含碳量过高,碳转化率达不到设计要求,而Texaco炉的喷嘴及耐火材料寿命又过短等。这些因素影响了生产的正常进行,并增加了运行成本[5]。

    气化炉的开发需要煤炭、金属材料、化工流体力学、传质传热知识、耐火材料、自动控制等技术的相互结合。但是我国许多领域分割过细,煤质研究、气化炉开发和应用单位属于不同的主管部门,力量分散,影响了我国煤炭气化技术的开发。到目前为止,几乎所有的气化方法在我国都开发过,但往往开发到中试甚至只有实验室规模就停止,如流化床工艺、气流床工艺等。导致真正拥有知识产权的大容量先进气化技术至今几乎仍是空白。

    在基础研究方面,煤炭热解、气化动力学、气化过程传质及传热、气化过程污染物迁移规律等等研究都进行过,但不够系统,也没有总结出可以应用的规律。

2.地下煤气化技术

    煤炭地下气化是将地下煤炭有控制燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术。只提取煤中含能组分,而将灰渣等污染物滞留在井下。这种新技术集建井、采煤、转化工艺为一体,大大减少了煤炭生产和使用过程中所造成的环境破坏,并可大大提高煤炭资源的利用率。因此深受世界各国重视。
   对于煤炭地下气化技术,在国外主要是俄罗斯在应用,欧美等国在开发。美国的经验指出,地下气化与地面气化生产相同下游产品相比,合成气的成本可下降43%,天然气代用品的成本可下降10?18%,发电成本可下降27%;前苏联列宁格勒火力发电设计院公布的资料表明,地下气化热力电厂与燃煤电厂相比,厂房空间可减少50%,锅炉金属耗量可降低30%,运行人数可减少37%[6]。地下气化技术是十分具有诱惑力的。

    近年来,我国对煤炭地下气化技术的研究有很大进展。中国矿业大学提出并完善了“长通道、大断面、两阶段”的地下气化新工艺。长通道、大断面气化炉有利于气化过程的稳定,两阶段煤炭地下气化工艺是一种循环供给空气(或纯氧、富氧空气)和水蒸汽的地下气化方法。新工艺实现了井下无人、无设备、长壁式气化工作面采煤,节省了大量的资金、设备和人员投入,经济效益显著。在徐州新河二号井的半工业性试验和唐山刘庄煤矿的工业性试验中利用了这种新工艺。新河试验于1994年3月点火,煤气供徐州市居民使用。刘庄试验于1996年5月开始, 煤气供唐山市卫生陶瓷厂和刘庄矿供热锅炉使用,已实现稳定生产三年多,目前仍在运行中[6]。

    新工艺可获得含H2量在50%以上的煤气,该煤气在地面稍作处理后,可作为合成甲醇等化工产品的原料气或用于提取纯氢。

3结论和建议

    煤炭在我国能源生产与消费结构中一直占主导地位。煤炭的开发和加工利用已经成为我国环境污染物排放的主要来源。因此,发展洁净煤技术、提高煤炭利用率是我国能源发展战略的必然选择。作为洁净、高效利用煤炭的先进技术之一的煤炭气化技术是我国能源领域重点发展对象。为此,国家计委、国家经贸委、国家煤炭工业局、国家科技部等都对煤炭气化技术制定了“十五”期间的发展规划、纲要、计划[7,8,9,10]。提出要推进煤炭气化技术的开发和应用。继续做好煤炭地下气化试验,探索煤炭开发和利用的新途径。要引进国外先进的煤炭气化技术。并具体提出要在辽宁抚顺、河南鹤壁、甘肃华亭和山东新汶等地建设煤炭地下气化示范工程。

    “十五”科技发展规划把集中开发整体煤气化联合循环发电技术及装备、研究煤非动力用气化技术等关键技术列为重点实施的洁净煤技术重大项目[11];国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中,把温和气化、粉煤气化、城镇民用煤气、地下气化等煤炭气化技术列为煤炭工业14项洁净煤技术重点发展目标之一[12]。

    针对我国对气化技术发展的这种迫切需求,当前我们应重点研究和开发具有自主知识产权的气化技术。

    对于地面煤气化技术[5],在基础研究方面,目前应集中研究气化基础和气化过程的数学模拟,并开发自动控制软件包、研究液态排渣理论、气化过程污染物如硫化物、氮化物及碱金属等气化过程迁移规律等,研究煤气高温除尘脱硫技术。

    在气化工艺方面,应发展能提高气化压力、提高气化炉容量、煤种适应性广、环境友好、实现零排放、能提高碳转化率和提高气化效率以及改善液态排渣的气化工艺。

    另外,要加紧开发建设一批地面煤炭气化示范装置,如加压流化床气化工业化示范装置,干法进料加压气流床气化中试、工业示范装置,湿法进料加压气流床气化工业化示范装置等。并积极开展对煤气化多联产系统优化组合技术研究。
    对于煤炭地下气化技术[6],应加强不同煤层赋存条件下稳定气化工艺参数及控制技术的研究;煤炭地下气化燃空区动态监测可视化及控制技术的研究;煤炭地下气化污染物控制及资源化技术的研究;煤炭地下气化煤气综合利用技术的研究。

    另外,为发展我国煤炭气化产业,要积极鼓励企业和居民使用煤气,国家应制定相关政策,对使用煤气提高能源转化效率,减少污染的企业实行优惠政策,如减免税收。

参考文献
[1]王洋,张建民,黄戒介,陈寒石,徐奕丰,杨金权,房倚天.加压灰熔聚流化床粉煤气化技术的研究与开发[A].全国清洁能源技术研讨会论文集.2001
[2]龚欣,于遵宏.水煤浆气化技术在中国的应用及其进展[A].中美清洁能源技术论坛论文集.2001.9,Ⅴ-61
[3]水煤浆气化及煤化工国家工程中心.建设日处理500吨煤水煤浆气化示范装置[A].全国清洁能源技术研讨会论文集.2001
[4]上海科技,洁净煤技术[N].www.china5e.com/news/newpower/.2001.7.17
[5]李金柱等.合理能源与煤炭清洁利用对策总报告[R].煤炭科学研究院.2001.8
[6]梁杰,余力,初茉.煤炭地下气化新技术[A].全国清洁能源技术研讨会论文集.2001
[7]国家计委.国民经济和社会发展第十个五年计划能源发展重点专项规划[N].www.sdpc.gov.cn/
[8]陆彩荣.我国制定洁净煤技术发展规划[N].光明日报2001.10.9(4)
[9]国家经贸委行业规划司.煤炭工业“十五”规划[N].www.setc.gov.cn/gyhy15gh/setc_gyhy15gh.htm
[10]国家煤炭工业局. 煤炭工业“十五”规划[N].www.chinacoal.gov.cn/coal/mtfg/fg4.htm
[11]国家计委,科技部.国民经济和社会发展第十个五年计划(科技发展规划)[N].2001.5.18 
[12]国家计委.中国洁净煤技术“九五”计划和2010年发展纲要[R].计交能[1997]1093号.1997.6.26

作者简介:黄振中(1938),男,江苏张家港人,研究员,获特殊贡献政府津贴,中国科学技术信息研究所
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