流化床煤气化技术的研究进展

流化床煤气化技术的研究进展

煤气化技术有多种分类法，按煤的进料状态可分为干块进料、干粉进料和煤浆进料。煤层中燃料运动状态，可分为固定床（亦称移动床）、流化床、气流床和熔融床. 按床层压力等级，可分为低压（ < 0.3MPa）、中压（0.3 MPa ～4.5 MPa）和高压（ > 4.5MPa）。按排渣状态，可分为干法（固态）、熔聚和熔渣（液态）。目前，应用较广泛的煤气化技术有如下几种：

1） 加压固定床气化技术

加压鲁奇炉是典型的加压固定床气化技术，技术成熟，能利用高灰分煤，并且能在2. 41 MPa 压力下运行，适合合成液体燃料合成所需要的操作压力，可节约投资和能耗，但过程中产生大量的焦油和酚。为克服上述缺点，又进行了新的开发，主要技术升级包括进一步提高压力、提高温度和两段引气。 2） 流化床气化技术

温克勒气化工艺是典型的流化床技术，最早用于工业生产，第一台工业生产装置于1926 年投入运行。这种炉型存在严重的缺陷，只能利用高活性褐煤，排灰含碳多，飞灰带出碳损失严重，致使碳利用率降低。针对这些问题开发了新的流化床技术，如高温温克勒（HTW）、灰熔聚气化（KRW ，U-gas）和循环流化床气化工艺。 3） 水煤浆气流床气化技术

水煤浆气流床气化又称湿法进料气流床气化，其中Texaco 炉是一种率先实现工业化的水煤浆气流床气化技术，其进料方式简单，工程问题较少，具有大的气化能力，可以实现高压力（8 MPa ～ 10MPa）操作。但冷煤气效率较低，氧耗较高。为了降低过程氧耗，提高冷煤气效率，在Texaco 气化技术基础上发展了两段进煤煤气化工艺。 4） 干粉进料气流床气化技术

干粉进料气流床气化技术相对湿法进料具有氧耗低，煤种适应广和冷煤气效率高等优点. 其代表技术有Shell，Prenflo 和日立气流床等。Shell SCGP 工艺是在K-T炉的基础上所开发的加压K-T气化炉。Prenflo 气化工艺与Shell SCGP 基本相同，只是炉体设计有所不同。

由上可知，煤气化技术中以煤气化流化床技术具有燃烧、气化温度低、碳转化率高、炉内固硫和生成氮化物少等优点而受到广泛的关注。流化床煤气化技术作为煤清洁利用技术的重要组成部分具有重要的研究意义。 ·工业应用流化床煤气化器的分类

煤气化流化床有多种分类。按操作压力可分为常压、增压流化床；按床内运行状况，可分为循环流化床、鼓泡流化床。各种类型的流化床简要介绍如下。 1） 鼓泡流化床BFB（bubbling fluidized bed）

鼓泡流化床结构见图1，通过床面气流的始升速度约1 m/ s～3 m/ s ，燃料有一清晰的起浮面，一般有70 cm～110 cm 厚，气体携带的固体颗粒旋风分离后再循环回床内。鼓泡流化床由于颗粒群和流体的返混以及速度分布的不均匀性，造成部分流体短路，床内存在大量气泡。碳颗粒在流化床稀相段的转化率低，设备利用率低。 2） 循环流化床CFB（circulating fluidized bed）

循环流化床原理：对垂直气、固流动系统，当表观气速由湍动流态化进一步提高时，颗粒夹带速率愈益增大，床层界面愈趋弥散。当达到一定气速时，颗粒夹带速率达到气体饱和携带能力，在没有颗粒补入的情况下，床层颗粒将被很快吹空。为维持系统稳定操作，必须以带出相同的速率向床中补入颗粒。若补入速率太小，则床层发生由湍动流化向稀相气力输送的直接过渡；若补入速率足够高，并将带出颗粒回收后返回床层底部，则可在高气速下形成一种不同于传统密相流化床的密相状态，即快速流态化。以这种形式运转的流化床称之为

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循环流化床. 典型的循环流化床结构见图2 ，主要由上升管（即反应器）、气固分离器、回料立管和返料机构等几大部分组成。吹入炉内空气流携带颗粒物充满整个燃烧空间而无确定的床面，高温的燃烧气体携带着颗粒物升到炉顶进入旋风器。粒子被旋转的气流分离沉降至炉底入口，再循环进入主燃烧室。

循环流化床气化炉操作气速范围在鼓泡流化床和气流床反应器之间，具有较大的滑移速度，使其气固之间的传热和传质速率提高。它综合了并流输送反应器和全混釜式鼓泡流化床反应器的优点。整个反应器系统的温度均匀，可使煤气化操作温度达到最大临界温度即灰熔点温度，从而有利于煤气化反应的快速进行。

循环流化床特点：1）操作温度高且均匀；2）床内气固接触良好；3）颗粒物料细；4）颗粒在床内的停留时间长，相应的反应时间增加；另外，CFB 高径比大（H ∶D > 10），有利于加压操作，处理量大，反应器放大容易，易于实现工业化。 3） 增压流化床

增压流化床是由常压流化床增压操作发展起来的。由于燃烧反应在增压燃烧室进行煤燃烧的化学反应速度大大加快。燃烧器被包围在压力壳内，燃料通过特殊的给料系统送入加压的燃烧器，整个燃烧气化过程发生在加压情况下，一般压力在1 MPa～3MPa。增压流化床可以是鼓泡床也可以是循环床。增压流化床主要有两大技术流派：一是以ABB carbon为代表，鼓泡型增压流化床；二是以Goster wheeler和Ahl strom 为代表，增压循环流化床. 增压流化床结构紧凑，成本低。增压流化床的体积比同等容量常压流化床的体积小得多，可减少使用土地面积。由于增压运行，炉内空气压力高和密度大使床的表观流速大大降低，约为1 m/ s ，减轻了床内磨损。可用的床层压降较高，允许深床运行。低流速和高床深使气体在床内的停留时间大大延长，从而提高了燃烧效率和脱硫剂的利用率。 ·典型的工业应用煤气化流化床工艺

工业上应用的流化床气化技术主要是常压、增压流化床，其中典型的有：高温温克勒（HTW）、灰熔聚气化（ KRW ，U2gas）和循环流化床气化工艺。 1） 高温温克勒（ HTW） 气化法

高温温克勒（H TW）气化法的基本开发思路：提高操作压力和温度，增加流化床带出细粉循环入炉系统，从而提高了气化炉的气化强度和碳转化率，煤气中CH4 含量亦降低。已运转的示范装置操作压力为1.0 MPa ，其生产能力为干褐煤720 t/ d。为应用于IGCC ，进一步提高压力至2.5 MPa 以上，气化炉直径3.7 m ，褐煤处理能力达到160 t/ h ，可满足36.7 万kW发电装置。HTW气化炉及其工艺见图3。

图3 高温温克勒( HTW) 气化工艺

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2） 灰熔聚气化法

灰熔聚气化法的基本原理是应用射流技术在流化床浓相床中央建立一局部高温区，中心温度达到1 200 ℃，炉壁温度1 000 ℃～1 100 ℃，不仅气化炉平均温度高，可气化烟煤，而且生成灰熔聚颗粒物，容易与半焦分离，从而使排灰碳含量降低。煤种适应性更广，碳转化率更高，排灰碳含量低，气化炉结构简单，气化温度适中，产品气中不含焦油，可进行炉内脱硫，带出的飞灰和排灰可利用等优点。

U-gas 气化炉是一个单段灰熔聚流化床，在床内完成4 个主要过程：煤的破黏、脱挥发分、煤的气化和灰的熔聚、分离。气化剂（氧/ 蒸汽） 分两路进入气化炉：含氧较低的一股气化剂，通过流化床分布板进入，使流化床温度均匀保持954 ℃～1 010 ℃；含氧较高的一股气化剂，以较高气速，通过特殊喷嘴喷入，目的是在喷嘴上方形成低泡相高温区（高出床层温度38 ℃），此高温区的温度控制在煤灰的软化温度，在此温度下，灰渣可熔聚成团粒。当其粒度和相对密度逐渐增大到一定程度，即能克服逆向而来的气流阻力，落入灰斗，用水冷却后即可排出炉外。煤气夹带的煤粉，经两个串联的旋风分离器分离出来。其中一个旋风分离器装在炉内，能使绝大多数的夹带物分离并返回流化床；另一个装在炉外，进一步分离煤气夹带物并返回喷嘴再进入床层燃烧. U-gas气化炉见图4。

图4 U2gas 气化炉

U-gas 气化炉由于采用了灰熔聚技术和内外两个旋风分离器，提高了碳的利用率。灰渣含碳量约5 %～10 %；对煤种适应较广，并能使用粉煤为原料；炉体结构简单，操作安全可靠，并易于实现自动化；煤气中无焦油和油类，便于气体的净化处理；无废气排空，对环保有利。

KRW 炉由美国Kellog rust synfuel s 及Westing House Company 合作开发， 起名为KRW 炉。KRW 炉是一种灰熔聚排灰的加压流化床气化炉。该炉为一圆筒形容器，由上大、下小直径不同的三段壳体组成。粉煤、输送气（循环煤气）和空气（或氧气）由炉底中心管

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喷入炉内，在喷管周围通入蒸汽，在喷咀处形成一股射流，向上运动，此即射流高温燃烧区，当含碳量降低了的颗粒变得越来越软，碰撞后互相黏结，增大而成团粒，当团粒增大至不再被流化时，落入扩底并从灰斗排出，在炉内的流化床中，煤与空气（或氧气）、蒸汽进行气化反应，生成煤气并由颈部排出，经旋风除尘器除下夹带的焦粉，此焦粉返回炉内，与入炉煤粉相混而参加气化反应。KRW炉流程图见图5。

图5 KRW炉

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