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煤氣發生爐氣化技術的發展分析

發布時間:2015-01-07
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苑衛軍,張福亮,王輝,韓明汝

(唐山科源環保技術裝備有限公司  河北唐山  063020

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摘要:從制造業燃料煤氣需求規模、企業投資強度、煤氣化技術多元化要求,以及中國煤氣發生爐氣化技術的國際地位和國際市場需求的角度,闡述了煤氣發生爐氣化技術應該繼續存在和發展的理由。同時就該氣化技術目前存在的一些環境和安全問題,以及在系統自動化程度和大規模供氣方面存在的不足進行了系統分析,并提出了解決問題和克服不足的技術措施及建議,從而指出了常壓固定床煤氣發生爐技術的發展方向。

關鍵詞:煤氣化技術;煤氣發生爐氣化技術;發展理由;發展方向;環保;安全;自動化程度;大規模供氣

An Analysis on Gasification Technology Development of Coal Gasifier

YUAN Wei-jun   ZHANG Fu-liang  WANG-hui  HAN Ming-ru

(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd.

Tangshan Hebei  063020)

Abstract: This paper briefly explains the reasons to the continue existing and development of coal gasifier gasification technology from the perspective of fuel gas demand in processing industry, the scale of enterprise investment, diversified coal gasification technology as well as the international status and marketing demands of Chinese coal gasifier gasification technology. Also makes a system analysis on the environmental and safety problems of present gasification technology and some deficiencies on system automation and large scale of gas supply, as well as raises some technical measures and suggestions to settle the problems and overcome shortages, then points out the development direction of atmospheric fixed bed gas generator technology.

Key words: coal gasification technology; gasification technology of coal gasifier; reasons of development; environmental protection ; safety; automation degree; large scale of gas supply

1 引言

中國的煤炭儲煤量占其化石能源儲量的92.94%,石油和天然氣儲量相對匮乏,2010年中國原煤、原油、天然氣和可再生能源的消費比例分别為71.9%、20.0%、4.6%和3.5,煤炭在中國能源結構中占有舉足輕重的地位,到本世紀中葉,預計煤炭在中國能源消費中的比重仍然需要保持在50%左右。煤炭作為消費能源的應用過程中,污染物的排放控制尤為重要,煤炭氣化技術屬于潔淨煤技術範疇,可以有效減少污染物的排放。《中國能源統計年鑒》(2012)數據顯示,2011年中國的煤炭消耗中,除電力耗煤占到了50%以外,制造業作為燃料等應用的煤炭也接近了23%,大力發展為IGCC發電系統配套的煤氣化技術,同時着力發展适合制造業用氣規模的煤氣化技術,是解決能源多元化應用和治理環境污染的有效途徑。

在衆多煤氣化技術中,作為工業企業燃料氣供氣單元的常壓固定床氣化技術的代表爐型煤氣發生爐,在諸多燃耗企業應用極為廣泛,但由于諸多因素的影響,使其應用日益受到制約和限制,有些專家甚至認為常壓固定床氣化技術屬于瀕于淘汰的落後技術。本文僅就該氣化技術存在與發展的理由和目前存在的問題進行分析,并對其未來發展方向進行闡述和分析,旨在判斷該氣化技術是否應該存在和發展,如何才能健康的發展。

2 煤氣發生爐氣化技術的發展理由

2.1 制造業燃料用氣需求規模的要求

制造業燃氣應用較為廣泛的諸如建材、化工、冶金、機械等行業,其用氣規模折合熱量需求一般在10×103-30×104MJ/h,折合成耗煤量約為16-380t/d,而多數企業耗煤量集中在100-200t/d。煤氣發生爐規格較多,其單爐煤炭處理量小到10/d、大到70-80t/d,可以多台套組合構成單獨的供氣單元。如表1所示,其他流化床或氣流床氣化爐每天單爐投煤量一般都在幾百噸甚至上千噸,不符合制造業燃料用氣規模的要求。

2. 2 加工制造企業投資強度的要求

就設備投資而言,以日處理煤炭300-400噸左右的同等規模煤氣站為例,國産粉煤氣化或加壓固定床氣化設備投資,通常是常壓固定床氣化設備投資的幾倍,一般設備投資都以億元為單位計算,以這樣的設備投資強度建設煤氣站,對于一般加工制造企業而言很難承受,表1所列的氣化技術通常用于IGCC聯合發電或合成氨、合成甲醇等大型煤化工行業。每小時生産100GJ熱量的煤氣,發生爐煤氣站設備投資約為500-550萬元,适合一般加工制造企業的投資強度要求。

2.3 塊煤與粉煤氣化技術共存的要求

煤炭氣化技術種類很多,就應用原料的粒度狀态而言,一般包括粉煤利用氣化技術(如粉煤氣化技術、水煤漿氣化技術和多元料漿氣化技術等)和塊煤利用氣化技術(如加壓固定床氣化技術和常壓固定床氣化技術等)。煤氣發生爐氣化技術屬于常壓固定床氣化技術範疇,需要以一定粒度的塊煤作為氣化原料。就煤炭供應結構而言,各煤礦由于采用機械化和深度開采技術等原因,煤礦粉煤産量較大,粉煤價格長期低于塊煤價格,曆史數據顯示,當塊煤價格達到1000元/t左右時,其與粉煤的差價約為200-300元/t左右。這主要是由于目前粉煤的用量與其産量不匹配造成的,基于維持粉煤和塊煤供需平衡的考慮,就煤炭氣化技術的發展而言,保持煤炭氣化技術多元化發展,即在大力發展粉煤氣化技術的同時,将塊煤氣化技術的發展維持在一定水平,是非常有必要的。

2.4 中國煤氣發生爐氣化技術的國際地位及國際市場的要求

中國自上世紀50年代開始,在美國WG型和前蘇聯Д型爐型基礎上研究開發一段式煤氣發生爐,上世紀80年代又開始從英國、美國、法國和意大利等國家引進兩段式煤氣發生爐技術進行消化吸收。中國對煤氣發生爐技術及裝備的開發、研制和應用延續了60多年,形成了一套完整的設計、制造和應用體系。上世紀60年代,随着廉價石油和天然氣的開采,一些擁有煤氣發生爐先進技術的國家相繼放棄此技術的研發,1972年石油危機時,美國等國家也曾重新開發出FW-Stoic兩段式煤氣發生爐爐型,但随着危機的緩解又重新放棄。而中國在歐美國家兩段式煤氣發生爐基礎上一直不斷的完善和創新,截至目前中國擁有世界上最完善的的常壓固定床氣化技術,而且是中國為數不多的不涉及國際知識産權糾紛的煤氣化技術。2000年左右,随着國際石油及天然氣價格的不斷飚升,世界各國能源壓力日趨增大,越南、泰國、印尼、馬來西亞、印度、烏克蘭,以及澳大利亞、日本、韓國等國家,都來中國尋求煤氣發生爐氣化技術及設備。中國煤氣發生爐氣化技術的國際地位和國際市場的需求,需要我們進一步對該技術進行開發和完善。

3. 目前煤氣發生爐氣化技術存在的問題及發展方向

3.1 環境問題

3.1.1 含酚廢水問題

含酚廢水一直是困擾發生爐氣化技術發展的環保難題,許多專家們經過了長期的研究與探讨,對蒸汽化學脫酚法、蒸汽脫酚法、焚燒法、溶劑萃取脫酚法、樹脂脫酚法、磺化煤吸附法、生化法等十幾種酚水治理方法,都曾進行了相當時間的應用實驗,但最後均以失敗而告終。近年來發生爐煤氣站酚水治理也嘗試了許多新的技術方法,取得了一定的效果。許多陶瓷廠采用文獻1介紹的技術,應用煤氣站的酚水和粉煤制成水煤漿作為噴霧幹燥塔燃料,該技術處理煤氣站含酚廢水較為徹底,但由于酚水水煤漿的氣味等問題,隻能就地制漿就近應用,限制了該技術的廣泛推廣。文獻2介紹的利用兩段式煤氣發生爐下段煤氣顯熱,将含酚廢水汽化後作為發生爐氣化劑的酚水處理技術,在許多煤氣站也多有應用,但由于兩段式煤氣發生爐上下段煤氣比例調節的要求,下段煤氣的顯熱往往不足以将煤氣站所産酚水全部處理,一般隻能處理酚水總量的50-80%。文獻3,4介紹的含酚廢水處理技術利用煤氣發生爐所有煤氣的顯熱,将含酚廢水汽化後作為發生爐氣化劑應用,可以将煤氣站低沸點含酚廢水全部處理,但高沸點的含酚廢水殘液無法在煤氣站内徹底處理。

   利用文獻3介紹的蒸發濃縮法治理含酚廢水的主體思路,結合煤氣站系統相關設備的自身特點,進一步開發完善設備和處理工藝,完全可以做到含酚廢水的徹底處理。山東萊蕪某焦油深加工企業采用幹餾式煤氣發生爐冷煤氣工藝,利用KM5Q幹餾式煤氣發生爐的氣化及結構特點,結合文獻3,4介紹的蒸發濃縮法治理含酚廢水的工藝方法,不僅完全處理了煤氣站自身所有的含酚廢水,另外對企業焦油加工過程中産生的部分焦化廢水進行了有效處理,實際運行數據顯示,當煤氣站煤氣産量為6000-7000Nm3/h時,煤氣站可額外處理焦化廢水約15t/d左右。

3.1.2 焦油問題

目前發生爐煤氣站副産焦油存在的主要問題是煤粉含量高、水分含量大,特别是焦油中的水分一般為20-30%左右,許多煤氣站在出售焦油前,為了降低焦油含水率,利用蒸汽對池中的含水焦油進行加熱蒸發,緻使煤氣站空氣環境嚴重污染。

提高爐出煤氣溫度至焦油冷凝溫度以上,在煤氣發生爐出口處設置除塵器,将煤氣中的煤粉捕除後,再對煤氣進行降溫和除焦油處理,可以有效降低焦油中的煤粉含量。由于發生爐副産焦油的密度與水接近,采用重力分離技術很難進行油水分離,可考慮設置專門的油水蒸發分離器,利用蒸汽對油水混合物進行加熱蒸發分離,蒸發出的蒸汽輸送至發生爐爐底作為氣化劑應用,如此可以将油水分離和酚水處理過程進行有效的結合。

3.1.3 惡臭氣味問題

惡臭污染是一種嚴重的感覺公害,發生爐煤氣站的惡臭污染物主要是揮發性的烴、烯、芳香烴類和苯、酚類等物質,目前絕大多數發生爐煤氣站對此沒有設置有效處理設施,對周邊環境形成了嚴重的污染。

文獻5介紹了焦化行業常用的幾種惡臭氣味的治理方法,如洗滌法、過濾法、吸附法、焚燒法和氮封法等。韓國浦項制鐵某廠的發生爐煤氣站,采用對惡臭污染氣體集中收集後,輸送至爐底與氣化劑混合,在煤氣發生爐内進行焚燒處理的工藝方法,處理效果較為明顯。結合發生爐氣化工藝的自身特點,借鑒焦化等相關行業的處理技術,煤氣站惡臭可以得到有效控制。

3.1.4 CO2的減排問題

文獻6綜合考慮煤氣燃燒CO2排放,以及煤氣生産、淨化、輸配過程和輔助燃燒系統耗電等産生的間接CO2排放,對常用工業燃料煤氣應用過程中的CO2排放量列表對比(表2),指出發生爐煤氣應用過程中CO2強度相對較大。

文獻7介紹了一種以“富氧空氣—CO2煙氣—水蒸氣”為氣化劑的煤氣化技術,利用窯爐反應廢氣中的部分煙氣中的CO2參與煤氣化過程中的還原反應,與煤中的碳反應生産CO可燃氣體,指出該技術特别适合于石灰煅燒等CO2排放強度較大的行業。煤氣發生爐利用該氣化技術,既可以節約煤炭資源,又能夠有效降低CO2的周期排放量。

3.2 安全問題

3.2.1 蒸汽發生系統的安全問題

    煤氣發生爐的蒸汽發生系統主要指水夾套以及與其相連的集汽包,該系統出現的爆炸事故通常比低壓蒸汽鍋爐爆炸事故還要嚴重,往往伴随着人員傷亡。目前許多煤氣站蒸汽發生系統的安全防範意識不強,普遍存在水夾套用水不規範、集汽包加水無自動設施等問題,安全隐患極大。參照蒸汽鍋爐的設計、制造和管理的相關規範,對煤氣發生爐蒸汽發生系統進行嚴格監管,可以有效防止該系統安全事故的發生。

3.2.1 煤氣系統的安全問題

    煤氣發生爐的煤氣系統包括煤氣發生系統和煤氣淨化加壓系統,煤氣系統的安全事故通常分為爆炸、燃燒和CO中毒,該系統安全事故的惡性程度通常小于蒸汽發生系統。國家對發生爐煤氣站及其安全設計有着嚴格的标準和規範8,9,設備及工藝系統的規範性設計,對煤氣系統的安全保障尤為重要。上世紀80-90年代,煤氣站設備及工藝的設計任務全部由幾大部屬設計院完成,嚴格執行規範要求,有效減少了事故發生率,目前設備工藝的設計全部由設備供應企業完成,設計隊伍素質的參差不齊導緻煤氣站安全系數較低。政府相關部門建立一套完善的項目設計審批驗收制度進行監控,可以有效控制系統安全事故的發生。

3.3 自動化程度問題

與其他同類設備對比,目前發生爐煤氣站的自動化程度相對較低,緻使煤氣站占用人員較多,而且人為事故的發生頻率也無形中增大,随着勞動力成本增加、環保和安全壓力的增大,應用企業對煤氣站自動化程度的要求日趨提高。目前煤氣發生爐必須通過人工探火了解爐内料層情況,進而調整爐況的操作方式,限制了煤氣站自動化程度的提升空間,這一直是制約發生爐煤氣站實現全面自動化控制的瓶頸節點。開發煤氣發生爐料層自動檢測、調整系統,同時開發設計煤氣站故障專家診斷系統10,在此基礎上開發完善的DCS控制系統,可以有效提升發生爐煤氣站的自動化程度。

3.4 較大規模供氣問題

目前中國加工企業應用的發生爐煤氣站,多以單個企業為單位進行建設,規模一般不大,但鑒于環保、安全及效益化管理方面的要求,多個臨近企業或工業園區集中建站供氣,是将來工業企業燃料煤氣供氣形式的發展方向。但目前煤氣發生爐單爐生産能力較小,以内徑3.6m煤氣發生爐為例,其正常最大産氣量為11000Nm3/h(煤氣熱值為6270-6688KJ/Nm3),折合熱量供應約為68.97-73.57GJ/h,大規模供氣煤氣站需要十幾台甚至二十幾台以上發生爐并聯供氣,占地面積較大,而且不便于管理,為了适應大規模供氣的要求,必須提高發生爐單爐産能。

提高發生爐單爐産能的問題,可以從兩方面着手解決,第一,增大發生爐爐膛直徑以提高煤氣産量;第二,采取相應措施,提高煤氣發生爐氣化強度和煤氣熱值。發生爐的産氣量一般與爐膛截面積成正比,爐膛直徑的增大,對提高發生爐産能貢獻有限,而且受到設備運輸問題的限制,所以該方法隻能作為提高單爐産能的輔助措施。文獻11介紹在煤氣發生爐内以“富氧空氣+水蒸氣”替代“空氣+水蒸氣”作為氣化劑生産煤氣,煤氣中可燃成分(CO+H2)的含量增加,煤氣熱值得以有效提高,同時加劇了煤的氧化反應程度,氣化效率和氣化強度也得到了提高。表3為在Φ3m常壓固定床煤氣發生爐中對焦炭進行空氣氣化和富氧氣化的實驗數據比較,可以看出以氧含量為50%的富氧空氣替代空氣作為氣化劑,煤氣熱值提高了56%,氣化強度提高了83%,綜合考量富氧氣化爐的單爐産能提高了139%,即利用富氧氣化技術,富氧程度在50%時,一台爐的産能相當于原來的2.4台發生爐。綜上所述,以富氧氣化技術為基礎,适當增大爐膛直徑,是煤氣發生爐适應大規模供氣要求的發展方向。

4. 結語

在中國常壓固定床發生爐氣化技術發展了幾十年,就制造業燃料煤氣需求規模、企業投資強度、煤氣化技術多元化要求,以及中國煤氣發生爐氣化技術的國際地位和國際市場需求的角度而言,該氣化技術都有其繼續存在和發展的理由。但我們也必須正視常壓固定床發生爐氣化技術目前存在的一些環境和安全問題,以及在系統自動化程度和大規模供氣方面存在的不足,在此基礎上我們應該深入研究,解決問題、克服不足,如此常壓固定床發生爐氣化技術才能步入健康發展的軌道。

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第一作者

姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,本科畢業于河北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com

聯系人:苑衛軍

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