基于低碳经济的煤气发生炉的技术发展方向

　　我国的能源供应和消费结构, 决定了我国的经济发展应该结合低碳经济的要求, 合理科学地利用煤炭资源, 大力开发应用洁净煤技术。常压固定床煤气发生炉气化作为在中国应用较早洁净煤技术, 多年来得到了广泛的应用, 今后仍然是工业燃料气化的主要煤炭气化供气技术。通过技术创新, 对发生炉煤气站在余热利用、煤炭和电力节约、提高气化效率、减少事故放散排放等方面强化技术进步, 同时采取有效措施, 强化发生炉水煤气反应, 生产低碳煤气, 使发生炉煤气站符合中国能源结构和低碳经济的要求, 可以有效延长其市场的生命周期。

　　近年来, 随着我国经济的快速发展, 能源消耗迅速增长, CO2 排放量急剧攀升, 荷兰研究机构􀀂荷兰环境评估局 ( MNP) 公布的数据显示, 2007 年中国的CO2 排放量为67. 2 亿t, 约占世界总排放量的1􀀁4。哥本哈根会议前夕, 国务院作出决定, 到2020 年我国单位GDP的CO2 排放比2005 年下降40%- 45% , 作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划, 随之低碳经济的概念开始引起人们的广泛关注。我国是世界上煤炭资源较为丰富的国家之一, 煤炭在我国能源结构中占有举足轻重的地位, 我国的能源状况决定了其经济发展离不开煤。基于低碳经济的要求, 对现有的煤炭利用技术进行全生命周期和能源利用效率的评价和测定, 以技术创新为手段, 以节能减排为突破口, 重新规划其发展方向, 符合中国现行的产业发展要求。

　　1、我国的能源供应及消费状况

　　能源一般分为一次能源和可再生能源, 其中一次能源主要是化石能源( 煤炭、石油和天然气) 。综观世界化石能源储量, 煤炭在化石能源中占首位, 占世界化石能源储量的60. 31%; 而我国又是煤储量最多的国家, 占其化石能源储量的92. 94%。以2009 年为例, 我国原油产量约为1. 895 亿t, 天然气产量约为830 亿, 煤炭总产量约为30 亿t, 根据专家预测, 我国以煤为主的格局在相当长时期内难以改变, 到本世纪中叶,煤炭在我国能源消费中的比例仍然保持在50% 左右。目前, 我国大力发展风力、水力、太阳能和核能发电, 以求尽量改善能源构成格局, 但从其目前在能源构架中所占比例和发展势态看, 在相当长的时间内, 无法以此从根本上改变我国能源供应的结构。

　　就能源消费状况而言, 2006 年煤炭、石油、天然气在我国整个能源消费构架中所占比例分别为: 69. 7%、21. 1% 和3. 0%。2006 年世界前三位煤炭消费量国家分别为中国、美国和印度, 中国煤炭消费11. 988 亿t 油当量, 占世界38. 8%, 比美国高出20. 4 个百分点, 比印度高出31. 1 个百分点[1] 。由此可见, 无论从能源供应构架, 还是从目前的能源消费结构角度去审视, 我国的经济发展都不能远离煤炭资源, 低碳经济并非无碳经济, 合理科学地利用煤炭资源, 大力开发洁净煤应用技术符合中国能源安全战略。

　　2 、基于低碳经济的煤气发生炉的应用前景及发展方向

　　2. 1、 煤气发生炉的应用前景

　　煤炭气化是煤炭洁净利用技术的一种, 按照煤在气化炉内的运动方式, 气化方式可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化; 按照气化炉内操作压力又可将气化方式分为加压气化和常压气化两种。煤炭气化技术应用的领域较多, 如化工合成原料气、工业燃气、民用煤气、冶金还原气、联合循环发电燃气、燃料油合成原料气、煤炭气化制氢等, 不同的气化方式适合于不同的应用领域, 例如Lurgi 加压固定床气化炉、Texaco加压流化床气化炉和Shell 加压气流床气化炉多用于生产化工合成气和联合循环发电( IGCC) 燃气; 鲁奇炉多用于民用煤气生产; 常压固定床煤气发生炉多用于工业燃气的供应[ 2- 3] 。常压固定床发生炉煤气的主要可燃成分中含碳化合物为CO27% - 30%、CH4 及CmHn2%-4%, 另外不可燃成分中还含有4% - 6%CO2。工业燃料煤气在加工和使用过程中, 煤气燃烧产生的CO2 最多, 约占总排放量的94%, 其次是煤气生产、净化和输配过程耗电产生的间接CO2 排放, 约占总排放量的5%, 燃烧辅助系统耗电产生的间接CO2排放量最少[ 4] 。发生炉煤气生产工艺简单、气化剂供应及煤炭预处理等工序能耗较小, 其系统能量利用效率较高[ 5] 。就作为工业燃料气的CO2 排放量和系统能量利用效率而言, 并不逊于其他气化工艺。

　　常压固定床煤气发生炉气化技术在我国应用较早, 就其生产规模、投资成本、建设周期而言, 符合多数冶金、化工、建材和机械等行业的用气要求, 多年来得到了较为广泛的应用, 目前国内正在使用的煤气发生炉达数千台。从目前煤气发生炉的应用领域和推广范围, 以及作为工业燃料气的CO2 排放量和系统能量利用效率角度综合分析可以看出, 今后常压固定床发生炉气化仍然是工业燃料气的主要煤炭气化供气技术。

　　2. 2 、基于低碳经济的发生炉煤气站的技术发展方向

　　2. 2. 1、低碳经济对发生炉煤气站的要求

　　低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式, 是含碳燃料所排放的CO2 显著降低的经济。与传统的经济增长模式相比, 低碳经济的实质是能源高效利用, 清洁能源开发、追求绿色GDP, 核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展概念的根本转变, 最终目的是实现世界经济的可持续发展[6] 。对发生炉煤气站而言, 低碳经济首先要求其煤气生产系统自身具有低能耗、低污染和低排放的特点, 其次要保证所提供的煤气燃烧后产生尽量少的CO2 排放。

　　2. 2. 2、煤气生产系统的低能耗、低污染和低排放

　　1) 余热的利用。发生炉煤气站系统余热资源, 主要集中在煤气显热方面, 一段炉其煤气出口温度达500-600 ∀ , 两段炉下段煤气出口温度一般为450-550 ∀ , 这部分煤气显热的回收利用可以大大提高煤气站的系统热效率。文献[ 7] 介绍了煤气显热的两种利用方式, 其一, 利用煤气显热蒸发汽化含酚废水后,将酚水蒸汽作为炉底气化剂应用; 其二, 利用煤气显热生产水蒸汽, 供设备及管道保温加热应用。但显热利用后的煤气温度仍然在200 ∀ 左右, 这部分显热仍然存在再利用空间。另外, 目前常压固定床煤气发生炉多为湿式出灰, 从氧化层下来的高温灰渣, 直接落入灰盘水中, 造成灰渣显热的无谓浪费, 改变发生炉出灰方式, 可以有效收集并利用这部分余热资源。

　　2) 煤炭资源的节约。发生炉煤气站煤炭资源的节约利用, 首先应采取有效措施降低灰渣含碳量, 因为对于煤气发生炉而言, 灰渣含碳量的高低对煤炭气化利用率的影响最大; 其次是减少炉出煤气携灰, 因为煤气流携带的灰尘多为未气化的煤粉。现阶段煤气发生炉灰渣含碳量多数维持在10% - 15% , 而有些煤气发生炉由于设备工艺落后, 其灰渣含碳量有时高于20%。改进煤气发生炉结构及气化工艺, 优化操作指标, 降低灰渣含碳量, 是提高气化效率、减少煤气发生炉能耗的有效途径。

　　一段式煤气发生炉操作时, 空层高、料层薄, 加煤、插钎和煤料热爆产生大量煤粉, 被煤气携出, 从而造成资源浪费。两段式煤气发生炉在插钎、煤料热爆时, 其下段煤气仍有许多飞灰携出, 与一段炉比较煤粉携出量要少许多, 但煤炭资源的浪费同样严重。文献[ 8] 介绍的干馏式煤气发生炉, 在煤气减少携灰方面大大优于一段炉和两段炉, 在气化段煤料热爆产生的煤灰和探火打钎时搅起的煤灰, 随煤气进入干馏段, 经过厚厚的料层过滤后, 基本全部沉积下来, 到气化段后又重新进行氧化还原反应, 煤炭资源利用较为充分。

　　3) 电力资源的节约。发生炉煤气站生产系统中,电力消耗仅次于煤炭消耗, 系统装机容量几百甚至几千千瓦, 其电力消耗最大的是空气鼓风机和煤气加压机, 文献[ 9] 介绍了基于电机变频技术的用气点煤气流量变化与煤气加压机、空气鼓风机和饱和温度的联动调节方案, 方案中采用变频器控制煤气加压机和空气鼓风机两个煤气站电耗最大的设备, 在保证发生炉煤气站自动恒压供气同时, 有效节约了系统的电力消耗。但发生炉煤气站除了空气鼓风机和煤气加压机的耗电外, 还有诸如水泵、清灰机、加煤机电机, 以及静电除焦油( 尘) 器等的电力消耗, 节电空间仍然较大。

　　4) 气化效率的提高。通过优化发生炉结构, 强化炉底均匀布风, 改善发生炉清灰状况, 可以使发生炉气化效率得以有效提高; 利用富氧气化等工艺在提高发生炉气化强度的基础上, 还可以使煤气热值得以提高,使同热值煤气的体积得以降低, 从而降低煤气净化、冷却及加压输送的能耗。

　　5) 减少事故放散排放。煤气发生炉烘炉、点炉送气或事故热备时需向外排放废气。其中烘炉时废气以CO2 为主, 点炉送气前期排放废气以CO2 为主, 随CO浓度增加达到送气标准, 则停止排放, 这些都属于正常设备操作。当设备或系统出现故障进行维修时, 需要将煤气发生炉转入热备状态, 此时放散气体为CO 和CO2 , 热备时间越长, 放散气体越多, 污染越严重。利用事故树分析法分析煤气站可能发生的各种故障, 建立故障库和专家信息库, 结合模糊理论等技术手段, 最终确立发生炉煤气站专家诊断系统, 随时观察记录系统操作数据, 将操作数据整理分析, 通过科学的方法找出不正常现象的症结所在, 将可能发生的事故消灭于萌芽状态, 降低设备系统故障率, 可以有效减少事故放散次数及总排放量。

　　2. 2. 3、低碳煤气的生产

　　发生炉气化反应是以煤炭为气化原料, 以空气及水蒸气为气化剂, 煤气生产过程可以分两步理解: 首先是空气通过燃料层, C 与O2 发生放热反应, 为下一步反应提供热量和反应物CO2 ; 随后是蒸汽和空气混合通过燃料层, C 与H2O、O2 和CO2 发生吸热和放热的混合反应, 生成发生炉煤气, 其反应方程式分别为以下( 1) 、( 2) 、( 3) 式, 其中( 3) 式为水煤气反应, 采取有效措施, 强化方程式( 3) 的反应, 提高煤气可燃成分中H2 的比例, 可以有效降低煤气燃烧过程中的CO2 排放。氧化层反应􀀁 C+ O2 CO2 ;△H= - 409 kJ/mol ( 1)还原层反应CO2+ C 2CO; △H= 162 kJ/mol ( 2)C+ H2O CO+ H2 ; △H= 119 kJ/mol ( 3)

　　3、 结论

　　1) 无论从我国的能源供应构架, 还是从能源消费结构角度去审视, 我国的经济发展都离不开煤炭资源,结合低碳经济的要求, 合理科学地利用煤炭资源, 大力开发洁净煤应用技术符合我国能源安全战略。

　　2) 常压固定床煤气发生炉气化, 作为在我国应用较早洁净煤技术, 多年来得到了较为广泛的应用, 今后常压固定床发生炉气化仍然是工业燃料气的主要煤炭气化供气技术。

　　3) 通过技术创新, 对发生炉煤气站在余热的利用、煤炭和电力资源的节约、提高气化效率、减少事故放散排放等方面强化技术进步, 同时采取有效措施, 强化发生炉水煤气反应, 提高煤气可燃成分中H2 的比例, 生产低碳煤气, 使发生炉煤气站符合我国能源结构和低碳经济的要求。