
苑衛(wèi)軍,張福亮,王輝,韓明汝
(唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063020)
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摘要:從制造業(yè)燃料煤氣需求規(guī)模、企業(yè)投資強(qiáng)度、煤氣化技術(shù)多元化要求,以及中國(guó)煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)的國(guó)際地位和國(guó)際市場(chǎng)需求的角度,闡述了煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)應(yīng)該繼續(xù)存在和發(fā)展的理由。同時(shí)就該氣化技術(shù)目前存在的一些環(huán)境和安全問(wèn)題,以及在系統(tǒng)自動(dòng)化程度和大規(guī)模供氣方面存在的不足進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并提出了解決問(wèn)題和克服不足的技術(shù)措施及建議,從而指出了常壓固定床煤氣發(fā)生爐技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:煤氣化技術(shù);煤氣發(fā)生爐;酚水處理;發(fā)展方向;環(huán)保;安全;自動(dòng)化程度;大規(guī)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(guó)的煤炭?jī)?chǔ)煤量占其化石能源儲(chǔ)量的92.94%,石油和天然氣儲(chǔ)量相對(duì)匱乏,2010年中國(guó)原煤、原油、天然氣和可再生能源的消費(fèi)比例分別為71.9%、20.0%、4.6%和3.5,煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位,到本世紀(jì)中葉,預(yù)計(jì)煤炭在中國(guó)能源消費(fèi)中的比重仍然需要保持在50%左右。煤炭作為消費(fèi)能源的應(yīng)用過(guò)程中,污染物的排放控制尤為重要,煤炭氣化技術(shù)屬于潔凈煤技術(shù)范疇,可以有效減少污染物的排放?!吨袊?guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012)數(shù)據(jù)顯示,2011年中國(guó)的煤炭消耗中,除電力耗煤占到了50%以外,制造業(yè)作為燃料等應(yīng)用的煤炭也接近了23%,大力發(fā)展為IGCC發(fā)電系統(tǒng)配套的煤氣化技術(shù),同時(shí)著力發(fā)展適合制造業(yè)用氣規(guī)模的煤氣化技術(shù),是解決能源多元化應(yīng)用和治理環(huán)境污染的有效途徑。
在眾多煤氣化技術(shù)中,作為工業(yè)企業(yè)燃料氣供氣單元的常壓固定床氣化技術(shù)的代表爐型煤氣發(fā)生爐,在諸多燃耗企業(yè)應(yīng)用極為廣泛,但由于諸多因素的影響,使其應(yīng)用日益受到制約和限制,有些專家甚至認(rèn)為常壓固定床氣化技術(shù)屬于瀕于淘汰的落后技術(shù)。本文僅就該氣化技術(shù)存在與發(fā)展的理由和目前存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行闡述和分析,旨在判斷該氣化技術(shù)是否應(yīng)該存在和發(fā)展,如何才能健康的發(fā)展。
2 煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)的發(fā)展理由
2.1 制造業(yè)燃料用氣需求規(guī)模的要求
制造業(yè)燃?xì)鈶?yīng)用較為廣泛的諸如建材、化工、冶金、機(jī)械等行業(yè),其用氣規(guī)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(shù)企業(yè)耗煤量集中在100-200t/d。煤氣發(fā)生爐規(guī)格較多,其單爐煤炭處理量小到10/d、大到70-80t/d,可以多臺(tái)套組合構(gòu)成單獨(dú)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(yè)燃料用氣規(guī)模的要求。

2. 2 加工制造企業(yè)投資強(qiáng)度的要求
就設(shè)備投資而言,以日處理煤炭300-400噸左右的同等規(guī)模煤氣站為例,國(guó)產(chǎn)粉煤氣化或加壓固定床氣化設(shè)備投資,通常是常壓固定床氣化設(shè)備投資的幾倍,一般設(shè)備投資都以億元為單位計(jì)算,以這樣的設(shè)備投資強(qiáng)度建設(shè)煤氣站,對(duì)于一般加工制造企業(yè)而言很難承受,表1所列的氣化技術(shù)通常用于IGCC聯(lián)合發(fā)電或合成氨、合成甲醇等大型煤化工行業(yè)。每小時(shí)生產(chǎn)100GJ熱量的煤氣,發(fā)生爐煤氣站設(shè)備投資約為500-550萬(wàn)元,適合一般加工制造企業(yè)的投資強(qiáng)度要求。
2.3 塊煤與粉煤氣化技術(shù)共存的要求
煤炭氣化技術(shù)種類很多,就應(yīng)用原料的粒度狀態(tài)而言,一般包括粉煤利用氣化技術(shù)(如粉煤氣化技術(shù)、水煤漿氣化技術(shù)和多元料漿氣化技術(shù)等)和塊煤利用氣化技術(shù)(如加壓固定床氣化技術(shù)和常壓固定床氣化技術(shù)等)。煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)屬于常壓固定床氣化技術(shù)范疇,需要以一定粒度的塊煤作為氣化原料。就煤炭供應(yīng)結(jié)構(gòu)而言,各煤礦由于采用機(jī)械化和深度開采技術(shù)等原因,煤礦粉煤產(chǎn)量較大,粉煤價(jià)格長(zhǎng)期低于塊煤價(jià)格,歷史數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)塊煤價(jià)格達(dá)到1000元/t左右時(shí),其與粉煤的差價(jià)約為200-300元/t左右。這主要是由于目前粉煤的用量與其產(chǎn)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(shù)的發(fā)展而言,保持煤炭氣化技術(shù)多元化發(fā)展,即在大力發(fā)展粉煤氣化技術(shù)的同時(shí),將塊煤氣化技術(shù)的發(fā)展維持在一定水平,是非常有必要的。
2.4 中國(guó)煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)的國(guó)際地位及國(guó)際市場(chǎng)的要求
中國(guó)自上世紀(jì)50年代開始,在美國(guó)WG型和前蘇聯(lián)Д型爐型基礎(chǔ)上研究開發(fā)一段式煤氣發(fā)生爐,上世紀(jì)80年代又開始從英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)和意大利等國(guó)家引進(jìn)兩段式煤氣發(fā)生爐技術(shù)進(jìn)行消化吸收。中國(guó)對(duì)煤氣發(fā)生爐技術(shù)及裝備的開發(fā)、研制和應(yīng)用延續(xù)了60多年,形成了一套完整的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用體系。上世紀(jì)60年代,隨著廉價(jià)石油和天然氣的開采,一些擁有煤氣發(fā)生爐先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家相繼放棄此技術(shù)的研發(fā),1972年石油危機(jī)時(shí),美國(guó)等國(guó)家也曾重新開發(fā)出FW-Stoic兩段式煤氣發(fā)生爐爐型,但隨著危機(jī)的緩解又重新放棄。而中國(guó)在歐美國(guó)家兩段式煤氣發(fā)生爐基礎(chǔ)上一直不斷的完善和創(chuàng)新,截至目前中國(guó)擁有世界上最完善的的常壓固定床氣化技術(shù),而且是中國(guó)為數(shù)不多的不涉及國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛的煤氣化技術(shù)。2000年左右,隨著國(guó)際石油及天然氣價(jià)格的不斷飚升,世界各國(guó)能源壓力日趨增大,越南、泰國(guó)、印尼、馬來(lái)西亞、印度、烏克蘭,以及澳大利亞、日本、韓國(guó)等國(guó)家,都來(lái)中國(guó)尋求煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)及設(shè)備。中國(guó)煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)的國(guó)際地位和國(guó)際市場(chǎng)的需求,需要我們進(jìn)一步對(duì)該技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和完善。
3. 目前煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向
3.1 環(huán)境問(wèn)題
3.1.1 含酚廢水問(wèn)題
含酚廢水一直是困擾發(fā)生爐氣化技術(shù)發(fā)展的環(huán)保難題,許多專家們經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的研究與探討,對(duì)蒸汽化學(xué)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(jìn)行了相當(dāng)時(shí)間的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),但最后均以失敗而告終。近年來(lái)發(fā)生爐煤氣站酚水治理也嘗試了許多新的技術(shù)方法,取得了一定的效果。許多陶瓷廠采用文獻(xiàn)【1】介紹的技術(shù),應(yīng)用煤氣站的酚水和粉煤制成水煤漿作為噴霧干燥塔燃料,該技術(shù)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(wèn)題,只能就地制漿就近應(yīng)用,限制了該技術(shù)的廣泛推廣。文獻(xiàn)【2】介紹的利用兩段式煤氣發(fā)生爐下段煤氣顯熱,將含酚廢水汽化后作為發(fā)生爐氣化劑的酚水處理技術(shù),在許多煤氣站也多有應(yīng)用,但由于兩段式煤氣發(fā)生爐上下段煤氣比例調(diào)節(jié)的要求,下段煤氣的顯熱往往不足以將煤氣站所產(chǎn)酚水全部處理,一般只能處理酚水總量的50-80%。文獻(xiàn)【3,4】介紹的含酚廢水處理技術(shù)利用煤氣發(fā)生爐所有煤氣的顯熱,將含酚廢水汽化后作為發(fā)生爐氣化劑應(yīng)用,可以將煤氣站低沸點(diǎn)含酚廢水全部處理,但高沸點(diǎn)的含酚廢水殘液無(wú)法在煤氣站內(nèi)徹底處理。
利用文獻(xiàn)【3】介紹的蒸發(fā)濃縮法治理含酚廢水的主體思路,結(jié)合煤氣站系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的自身特點(diǎn),進(jìn)一步開發(fā)完善設(shè)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(yè)采用干餾式煤氣發(fā)生爐冷煤氣工藝,利用KM5Q干餾式煤氣發(fā)生爐的氣化及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合文獻(xiàn)【3,4】介紹的蒸發(fā)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(duì)企業(yè)焦油加工過(guò)程中產(chǎn)生的部分焦化廢水進(jìn)行了有效處理,實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)煤氣站煤氣產(chǎn)量為6000-7000Nm3/h時(shí),煤氣站可額外處理焦化廢水約15t/d左右。
3.1.2 焦油問(wèn)題
目前發(fā)生爐煤氣站副產(chǎn)焦油存在的主要問(wèn)題是煤粉含量高、水分含量大,特別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(duì)池中的含水焦油進(jìn)行加熱蒸發(fā),致使煤氣站空氣環(huán)境嚴(yán)重污染。
提高爐出煤氣溫度至焦油冷凝溫度以上,在煤氣發(fā)生爐出口處設(shè)置除塵器,將煤氣中的煤粉捕除后,再對(duì)煤氣進(jìn)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(fā)生爐副產(chǎn)焦油的密度與水接近,采用重力分離技術(shù)很難進(jìn)行油水分離,可考慮設(shè)置專門的油水蒸發(fā)分離器,利用蒸汽對(duì)油水混合物進(jìn)行加熱蒸發(fā)分離,蒸發(fā)出的蒸汽輸送至發(fā)生爐爐底作為氣化劑應(yīng)用,如此可以將油水分離和酚水處理過(guò)程進(jìn)行有效的結(jié)合。
3.1.3 惡臭氣味問(wèn)題
惡臭污染是一種嚴(yán)重的感覺公害,發(fā)生爐煤氣站的惡臭污染物主要是揮發(fā)性的烴、烯、芳香烴類和苯、酚類等物質(zhì),目前絕大多數(shù)發(fā)生爐煤氣站對(duì)此沒有設(shè)置有效處理設(shè)施,對(duì)周邊環(huán)境形成了嚴(yán)重的污染。
文獻(xiàn)【5】介紹了焦化行業(yè)常用的幾種惡臭氣味的治理方法,如洗滌法、過(guò)濾法、吸附法、焚燒法和氮封法等。韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵某廠的發(fā)生爐煤氣站,采用對(duì)惡臭污染氣體集中收集后,輸送至爐底與氣化劑混合,在煤氣發(fā)生爐內(nèi)進(jìn)行焚燒處理的工藝方法,處理效果較為明顯。結(jié)合發(fā)生爐氣化工藝的自身特點(diǎn),借鑒焦化等相關(guān)行業(yè)的處理技術(shù),煤氣站惡臭可以得到有效控制。
3.1.4 CO2的減排問(wèn)題
文獻(xiàn)【6】綜合考慮煤氣燃燒CO2排放,以及煤氣生產(chǎn)、凈化、輸配過(guò)程和輔助燃燒系統(tǒng)耗電等產(chǎn)生的間接CO2排放,對(duì)常用工業(yè)燃料煤氣應(yīng)用過(guò)程中的CO2排放量列表對(duì)比(表2),指出發(fā)生爐煤氣應(yīng)用過(guò)程中CO2強(qiáng)度相對(duì)較大。

文獻(xiàn)【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(shù),利用窯爐反應(yīng)廢氣中的部分煙氣中的CO2參與煤氣化過(guò)程中的還原反應(yīng),與煤中的碳反應(yīng)生產(chǎn)CO可燃?xì)怏w,指出該技術(shù)特別適合于石灰煅燒等CO2排放強(qiáng)度較大的行業(yè)。煤氣發(fā)生爐利用該氣化技術(shù),既可以節(jié)約煤炭資源,又能夠有效降低CO2的周期排放量。
3.2 安全問(wèn)題
3.2.1 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的安全問(wèn)題
煤氣發(fā)生爐的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要指水夾套以及與其相連的集汽包,該系統(tǒng)出現(xiàn)的爆炸事故通常比低壓蒸汽鍋爐爆炸事故還要嚴(yán)重,往往伴隨著人員傷亡。目前許多煤氣站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的安全防范意識(shí)不強(qiáng),普遍存在水夾套用水不規(guī)范、集汽包加水無(wú)自動(dòng)設(shè)施等問(wèn)題,安全隱患極大。參照蒸汽鍋爐的設(shè)計(jì)、制造和管理的相關(guān)規(guī)范,對(duì)煤氣發(fā)生爐蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管,可以有效防止該系統(tǒng)安全事故的發(fā)生。
3.2.1 煤氣系統(tǒng)的安全問(wèn)題
煤氣發(fā)生爐的煤氣系統(tǒng)包括煤氣發(fā)生系統(tǒng)和煤氣凈化加壓系統(tǒng),煤氣系統(tǒng)的安全事故通常分為爆炸、燃燒和CO中毒,該系統(tǒng)安全事故的惡性程度通常小于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。國(guó)家對(duì)發(fā)生爐煤氣站及其安全設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范【8,9】,設(shè)備及工藝系統(tǒng)的規(guī)范性設(shè)計(jì),對(duì)煤氣系統(tǒng)的安全保障尤為重要。上世紀(jì)80-90年代,煤氣站設(shè)備及工藝的設(shè)計(jì)任務(wù)全部由幾大部屬設(shè)計(jì)院完成,嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求,有效減少了事故發(fā)生率,目前設(shè)備工藝的設(shè)計(jì)全部由設(shè)備供應(yīng)企業(yè)完成,設(shè)計(jì)隊(duì)伍素質(zhì)的參差不齊導(dǎo)致煤氣站安全系數(shù)較低。政府相關(guān)部門建立一套完善的項(xiàng)目設(shè)計(jì)審批驗(yàn)收制度進(jìn)行監(jiān)控,可以有效控制系統(tǒng)安全事故的發(fā)生。
3.3 自動(dòng)化程度問(wèn)題
與其他同類設(shè)備對(duì)比,目前煤氣發(fā)生爐煤氣站的自動(dòng)化程度相對(duì)較低,致使煤氣站占用人員較多,而且人為事故的發(fā)生頻率也無(wú)形中增大,隨著勞動(dòng)力成本增加、環(huán)保和安全壓力的增大,應(yīng)用企業(yè)對(duì)煤氣站自動(dòng)化程度的要求日趨提高。目前煤氣發(fā)生爐必須通過(guò)人工探火了解爐內(nèi)料層情況,進(jìn)而調(diào)整爐況的操作方式,限制了煤氣站自動(dòng)化程度的提升空間,這一直是制約發(fā)生爐煤氣站實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制的瓶頸節(jié)點(diǎn)。開發(fā)煤氣發(fā)生爐料層自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)整系統(tǒng),同時(shí)開發(fā)設(shè)計(jì)煤氣站故障專家診斷系統(tǒng)【10】,在此基礎(chǔ)上開發(fā)完善的DCS控制系統(tǒng),可以有效提升發(fā)生爐煤氣站的自動(dòng)化程度。
3.4 較大規(guī)模供氣問(wèn)題
目前中國(guó)加工企業(yè)應(yīng)用的發(fā)生爐煤氣站,多以單個(gè)企業(yè)為單位進(jìn)行建設(shè),規(guī)模一般不大,但鑒于環(huán)保、安全及效益化管理方面的要求,多個(gè)臨近企業(yè)或工業(yè)園區(qū)集中建站供氣,是將來(lái)工業(yè)企業(yè)燃料煤氣供氣形式的發(fā)展方向。但目前煤氣發(fā)生爐單爐生產(chǎn)能力較小,以內(nèi)徑3.6m煤氣發(fā)生爐為例,其正常最大產(chǎn)氣量為11000Nm3/h(煤氣熱值為6270-6688KJ/Nm3),折合熱量供應(yīng)約為68.97-73.57GJ/h,大規(guī)模供氣煤氣站需要十幾臺(tái)甚至二十幾臺(tái)以上發(fā)生爐并聯(lián)供氣,占地面積較大,而且不便于管理,為了適應(yīng)大規(guī)模供氣的要求,必須提高發(fā)生爐單爐產(chǎn)能。
提高發(fā)生爐單爐產(chǎn)能的問(wèn)題,可以從兩方面著手解決,第一,增大發(fā)生爐爐膛直徑以提高煤氣產(chǎn)量;第二,采取相應(yīng)措施,提高煤氣發(fā)生爐氣化強(qiáng)度和煤氣熱值。發(fā)生爐的產(chǎn)氣量一般與爐膛截面積成正比,爐膛直徑的增大,對(duì)提高發(fā)生爐產(chǎn)能貢獻(xiàn)有限,而且受到設(shè)備運(yùn)輸問(wèn)題的限制,所以該方法只能作為提高單爐產(chǎn)能的輔助措施。文獻(xiàn)【11】介紹在煤氣發(fā)生爐內(nèi)以“富氧空氣+水蒸氣”替代“空氣+水蒸氣”作為氣化劑生產(chǎn)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(shí)加劇了煤的氧化反應(yīng)程度,氣化效率和氣化強(qiáng)度也得到了提高。表3為在Φ3m常壓固定床煤氣發(fā)生爐中對(duì)焦炭進(jìn)行空氣氣化和富氧氣化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)度提高了83%,綜合考量富氧氣化爐的單爐產(chǎn)能提高了139%,即利用富氧氣化技術(shù),富氧程度在50%時(shí),一臺(tái)爐的產(chǎn)能相當(dāng)于原來(lái)的2.4臺(tái)發(fā)生爐。綜上所述,以富氧氣化技術(shù)為基礎(chǔ),適當(dāng)增大爐膛直徑,是煤氣發(fā)生爐適應(yīng)大規(guī)模供氣要求的發(fā)展方向。

4. 結(jié)語(yǔ)
在中國(guó)常壓固定床煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)發(fā)展了幾十年,就制造業(yè)燃料煤氣需求規(guī)模、企業(yè)投資強(qiáng)度、煤氣化技術(shù)多元化要求,以及中國(guó)煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)的國(guó)際地位和國(guó)際市場(chǎng)需求的角度而言,該氣化技術(shù)都有其繼續(xù)存在和發(fā)展的理由。但我們也必須正視常壓固定床發(fā)生爐氣化技術(shù)目前存在的一些環(huán)境和安全問(wèn)題,以及在系統(tǒng)自動(dòng)化程度和大規(guī)模供氣方面存在的不足,在此基礎(chǔ)上我們應(yīng)該深入研究,解決問(wèn)題、克服不足,如此常壓固定床發(fā)生爐氣化技術(shù)才能步入健康發(fā)展的軌道。
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第一作者
姓名:苑衛(wèi)軍(1968-),男,河北省霸州市,高級(jí)工程師,工程碩士,本科畢業(yè)于河北理工大學(xué),從事工作內(nèi)容:煤炭氣化行業(yè),研究方向:煤氣化工藝及設(shè)備,聯(lián)系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com。
聯(lián)系人:苑衛(wèi)軍
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