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摘要：介绍了国内应用的典型煤气化技术；无论哪种煤气化工艺，元素平衡始终不变；分析了煤气化工艺过程中元素平衡及来源。
关键词：煤气化技术；元素；来源
煤气化工艺是传统和现代煤化工的龙头和基础。煤气化工艺是指把经过适当处理的煤送入反应器如气化炉内,在一定的温度和压力下,通过氧化剂(空气或氧气和蒸气)以一定的流动方式(移动床、流化床或气流床等)转化成气体，得到粗制水煤气，通过后续脱硫脱碳等工艺可以得到精制水煤气的过程[1]。
随着近几年煤气化工艺的不断发展，特别是国内开发出了多种能适应不同煤种的煤气化工艺。但无论哪种煤气化工艺，元素平衡始终不能改变[2]。因此，本文以某种长焰煤为例，分析了煤气化工艺过程中元素平衡及来源。
1煤气化技术
大型工业化运行的煤气化技术，可分为固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术。
1.1 固定床气化技术
在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。
1.2 流化床气化技术
以恩德炉、灰熔聚为代表的气化技术。它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。流化床气化技术是在温克勒粉煤流化床气化炉的基础上，经长期的生产实践，逐步改进和完善的一种煤气化工艺。
灰融聚流化床粉煤气化技术根据射流原理，在流化床底部设计了灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰熔聚气化反应装置灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，在非结渣情况下，连续有选择地排出低碳量的灰渣。
1.3 气流床气化技术
目前的主流技术，以GE水煤浆气化技术、四喷嘴水煤浆气化技术、壳牌干煤粉气化、GSP气化技术和航天炉气化技术等为代表。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为0.1mm以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。
2典型煤气化技术
2.1 鲁奇固定床煤加压气化技术
鲁奇固定床煤加压气化技术主要用于褐煤、不粘结性或弱粘结性的煤，要求原料煤热稳定性高、化学活性好、灰熔点高、机械强度高、不粘结性或弱粘结性，适用于生产城市煤气和燃料气。其产生的煤气中焦油、碳氢化合物含量约1%左右，甲烷含量约10%左右。焦油分离、含酚污水处理复杂。
2.2 GE水煤浆气化技术
该技术为美国德士古公司开发后转为美国GE公司所有。它是在煤中加入添加剂、助熔剂和水，用磨煤机磨成水煤浆，加压后和氧气一同喷入气化炉进行部分氧化燃烧反应，气化温度1300-1450℃，高温的热气体，用水激冷，除尘后送出。气化压力4.0-8.7Mpa，液态渣激冷破碎后排出。它的主要特点是：简单，可靠，投资低，在有备用炉的情况下，年开工率可达95-98%，有效气(CO+H2)≈80-82%,缺点是氧耗较高。
2.3 多元料浆加压气化技术
西北化工研究院开发的具有自主知识产权的煤气化技术，为单烧嘴下行制气。属湿法气流床加压气化技术，是指对固体或液体含碳物质(包括煤/石油焦/沥青/油/煤液化残渣)与流动相(水、废液、废水)通过添加助剂(分散剂、稳定剂、PH值调节剂、湿润剂、乳化剂)所制备的料浆，与氧气进行部分氧化反应，生产CO+H2为主的合成气。典型的多元料浆组成为含煤60%～65%，油料10%～15%，水20%～30%。
2.4 荷兰壳牌（SHELL）气化技术
气化炉为立式圆筒形，炉膛周围安装有沸水冷却管组成的膜式水冷壁，内壁衬有耐热涂层。气化熔渣在水冷壁涂层上形成液膜，沿壁顺流而下进行分离采用以渣抗渣的防腐办法。炉体内设有四组粉煤烧嘴，使用寿命一年以上。气化温度1400-1560℃，碳转化率高达99%，CO+H2可达90%。
该气化技术是干粉和氧，蒸汽在气化炉内进行部分燃烧反应，由于采用干粉气化，氧耗较少，但干粉加压输送用高压N2气或CO2气流输送。气化后的粗合成气，含尘量大，须激冷后用特殊的过滤器过滤灰尘，再用水洗涤。
2.5 HT-L粉煤气化技术
HT-L粉煤气化炉为航天粉煤加压气化。粉煤、氧气、蒸汽按一定比例通过燃烧器进入气化炉，在气化室中进行燃烧气化反应，生成的含有高温熔渣的粗合成气，一部分高温熔渣挂在水冷壁上，形成稳定的抵抗高温的渣层，其余熔渣和粗合成气进入激冷室。粗合成气在激冷室中被激冷水激冷降温，并蒸发水蒸气到饱和，同时熔渣迅速固化，通过分离装置实现合成气、液态水、固渣的分离。合成气通过管口输出进入后续工段，主要成分为一氧化碳和氢气。固渣通过排渣口进入破渣机中，并断续排出。含有细灰的黑水通过管口进入渣水处理系统。
2.6 西门子（GSP）气化技术
西门子（GSP）气化技术是采用干粉进料、纯氧气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程的气流床气化技术。该流程包括干粉煤的加压计量输送系统(即输煤系统)、气化与激冷、气体除尘冷却(即气体净化系统)、黑水处理等单元。
2.7 四喷嘴水煤浆气化技术
四喷嘴气化技术是我国具有自主知识产权的气化技术，由华东理工大学和兖矿集团联合研发。是将原料煤制成可以流动的水煤浆，用泵加压后喷入气化炉内，在高温下与氧气进行气化反应，生成氢气和一氧化碳的水煤气。高温煤气与熔融态煤渣，由气化炉下部排出，降温后煤气与灰渣分离，煤气经过经进一步除尘后，送到后工序。该法的优点是原料煤种适应性强，能耗低，生产强度大，污染少，排渣方便。
3 气化技术工艺工程中进出物料
气化工艺的主要原料为煤、水和氧气，水主要由煤中含水分和蒸汽提供，氧气有纯氧、富氧空气和空气提供；产物主要有二氧化碳、一氧化碳、氢气和甲等气体。气化工艺反应过程进出物料主要成分如下图1。
图1 进出物料平衡图
4 元素平衡分析
本文以合成气的有效组份为依据，通过物料平衡计算煤浆的最高浓度。
从上表2可以看出，产物中的碳元素全部来自干煤中的碳元素，干煤中的氢元素并不能完全提供产物所需，需要一部分水；产物中的氧元素来自干煤、氧气和水中，绝大部分的氧元素来自氧气。
3、小结
本文介绍了国内工业化运行的典型煤气化技术；分析了工艺过程中元素平衡和来源情况：碳元素全部来至干煤中的碳元素，氢元素由干煤和水提供，氧元素来自干煤、氧气和水中，绝大部分的氧元素来自氧气。
参考文献
[1]唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京.化学工业出版社.2009,45-56.
[2]石永胜, 张相端.煤液化消耗水量计算[J].内蒙古石油化工.2011.(19): 94-95.
论文作者:于乐1,王向龙2
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/1
标签：技术论文; 合成气论文; 元素论文; 氧气论文; 工艺论文; 粉煤论文; 气化炉论文; 《防护工程》2019年12期论文;