基于低碳經濟的煤氣發生爐的技術發展方向

　　我國的能源供應和消費結構, 決定了我國的經濟發展應該結合低碳經濟的要求, 合理科學地利用煤炭資源, 大力開發應用潔凈煤技術。常壓固定床煤氣發生爐氣化作為在中國應用較早潔凈煤技術, 多年來得到了廣泛的應用, 今后仍然是工業燃料氣化的主要煤炭氣化供氣技術。通過技術創新, 對發生爐煤氣站在余熱利用、煤炭和電力節約、提高氣化效率、減少事故放散排放等方面強化技術進步, 同時采取有效措施, 強化發生爐水煤氣反應, 生產低碳煤氣, 使發生爐煤氣站符合中國能源結構和低碳經濟的要求, 可以有效延長其市場的生命周期。

　　近年來, 隨著我國經濟的快速發展, 能源消耗迅速增長, CO2 排放量急劇攀升, 荷蘭研究機構􀀂荷蘭環境評估局 ( MNP) 公布的數據顯示, 2007 年中國的CO2 排放量為67. 2 億t, 約占世界總排放量的1􀀁4。哥本哈根會議前夕, 國務院作出決定, 到2020 年我國單位GDP的CO2 排放比2005 年下降40%- 45% , 作為約束性指標納入國民經濟和社會發展中長期規劃, 隨之低碳經濟的概念開始引起人們的廣泛關注。我國是世界上煤炭資源較為豐富的國家之一, 煤炭在我國能源結構中占有舉足輕重的地位, 我國的能源狀況決定了其經濟發展離不開煤�；�于低碳經濟的要求, 對現有的煤炭利用技術進行全生命周期和能源利用效率的評價和測定, 以技術創新為手段, 以節能減排為突破口, 重新規劃其發展方向, 符合中國現行的產業發展要求。

　　1、我國的能源供應及消費狀況

　　能源一般分為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、石油和天然氣) 。綜觀世界化石能源儲量, 煤炭在化石能源中占首位, 占世界化石能源儲量的60. 31%; 而我國又是煤儲量最多的國家, 占其化石能源儲量的92. 94%。以2009 年為例, 我國原油產量約為1. 895 億t, 天然氣產量約為830 億, 煤炭總產量約為30 億t, 根據專家預測, 我國以煤為主的格局在相當長時期內難以改變, 到本世紀中葉,煤炭在我國能源消費中的比例仍然保持在50% 左右。目前, 我國大力發展風力、水力、太陽能和核能發電, 以求盡量改善能源構成格局, 但從其目前在能源構架中所占比例和發展勢態看, 在相當長的時間內, 無法以此從根本上改變我國能源供應的結構。

　　就能源消費狀況而言, 2006 年煤炭、石油、天然氣在我國整個能源消費構架中所占比例分別為: 69. 7%、21. 1% 和3. 0%。2006 年世界前三位煤炭消費量國家分別為中國、美國和印度, 中國煤炭消費11. 988 億t 油當量, 占世界38. 8%, 比美國高出20. 4 個百分點, 比印度高出31. 1 個百分點[1] 。由此可見, 無論從能源供應構架, 還是從目前的能源消費結構角度去審視, 我國的經濟發展都不能遠離煤炭資源, 低碳經濟并非無碳經濟, 合理科學地利用煤炭資源, 大力開發潔凈煤應用技術符合中國能源安全戰略。

　　2 、基于低碳經濟的煤氣發生爐的應用前景及發展方向

　　2. 1、 煤氣發生爐的應用前景

　　煤炭氣化是煤炭潔凈利用技術的一種, 按照煤在氣化爐內的運動方式, 氣化方式可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化; 按照氣化爐內操作壓力又可將氣化方式分為加壓氣化和常壓氣化兩種。煤炭氣化技術應用的領域較多, 如化工合成原料氣、工業燃氣、民用煤氣、冶金還原氣、聯合循環發電燃氣、燃料油合成原料氣、煤炭氣化制氫等, 不同的氣化方式適合于不同的應用領域, 例如Lurgi 加壓固定床氣化爐、Texaco加壓流化床氣化爐和Shell 加壓氣流床氣化爐多用于生產化工合成氣和聯合循環發電( IGCC) 燃氣; 魯奇爐多用于民用煤氣生產; 常壓固定床煤氣發生爐多用于工業燃氣的供應[ 2- 3] 。常壓固定床發生爐煤氣的主要可燃成分中含碳化合物為CO27% - 30%、CH4 及CmHn2%-4%, 另外不可燃成分中還含有4% - 6%CO2。工業燃料煤氣在加工和使用過程中, 煤氣燃燒產生的CO2 最多, 約占總排放量的94%, 其次是煤氣生產、凈化和輸配過程耗電產生的間接CO2 排放, 約占總排放量的5%, 燃燒輔助系統耗電產生的間接CO2排放量最少[ 4] 。發生爐煤氣生產工藝簡單、氣化劑供應及煤炭預處理等工序能耗較小, 其系統能量利用效率較高[ 5] 。就作為工業燃料氣的CO2 排放量和系統能量利用效率而言, 并不遜于其他氣化工藝。

　　常壓固定床煤氣發生爐氣化技術在我國應用較早, 就其生產規模、投資成本、建設周期而言, 符合多數冶金、化工、建材和機械等行業的用氣要求, 多年來得到了較為廣泛的應用, 目前國內正在使用的煤氣發生爐達數千臺。從目前煤氣發生爐的應用領域和推廣范圍, 以及作為工業燃料氣的CO2 排放量和系統能量利用效率角度綜合分析可以看出, 今后常壓固定床發生爐氣化仍然是工業燃料氣的主要煤炭氣化供氣技術。

　　2. 2 、基于低碳經濟的發生爐煤氣站的技術發展方向

　　2. 2. 1、低碳經濟對發生爐煤氣站的要求

　　低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式, 是含碳燃料所排放的CO2 顯著降低的經濟。與傳統的經濟增長模式相比, 低碳經濟的實質是能源高效利用, 清潔能源開發、追求綠色GDP, 核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新以及人類生存發展概念的根本轉變, 最終目的是實現世界經濟的可持續發展[6] 。對發生爐煤氣站而言, 低碳經濟首先要求其煤氣生產系統自身具有低能耗、低污染和低排放的特點, 其次要保證所提供的煤氣燃燒后產生盡量少的CO2 排放。

　　2. 2. 2、煤氣生產系統的低能耗、低污染和低排放

　　1) 余熱的利用。發生爐煤氣站系統余熱資源, 主要集中在煤氣顯熱方面, 一段爐其煤氣出口溫度達500-600 ∀ , 兩段爐下段煤氣出口溫度一般為450-550 ∀ , 這部分煤氣顯熱的回收利用可以大大提高煤氣站的系統熱效率。文獻[ 7] 介紹了煤氣顯熱的兩種利用方式, 其一, 利用煤氣顯熱蒸發汽化含酚廢水后,將酚水蒸汽作為爐底氣化劑應用; 其二, 利用煤氣顯熱生產水蒸汽, 供設備及管道保溫加熱應用。但顯熱利用后的煤氣溫度仍然在200 ∀ 左右, 這部分顯熱仍然存在再利用空間。另外, 目前常壓固定床煤氣發生爐多為濕式出灰, 從氧化層下來的高溫灰渣, 直接落入灰盤水中, 造成灰渣顯熱的無謂浪費, 改變發生爐出灰方式, 可以有效收集并利用這部分余熱資源。

　　2) 煤炭資源的節約。發生爐煤氣站煤炭資源的節約利用, 首先應采取有效措施降低灰渣含碳量, 因為對于煤氣發生爐而言, 灰渣含碳量的高低對煤炭氣化利用率的影響最大; 其次是減少爐出煤氣攜灰, 因為煤氣流攜帶的灰塵多為未氣化的煤粉�，F階段煤氣發生爐灰渣含碳量多數維持在10% - 15% , 而有些煤氣發生爐由于設備工藝落后, 其灰渣含碳量有時高于20%。改進煤氣發生爐結構及氣化工藝, 優化操作指標, 降低灰渣含碳量, 是提高氣化效率、減少煤氣發生爐能耗的有效途徑。

　　一段式煤氣發生爐操作時, 空層高、料層薄, 加煤、插釬和煤料熱爆產生大量煤粉, 被煤氣攜出, 從而造成資源浪費。兩段式煤氣發生爐在插釬、煤料熱爆時, 其下段煤氣仍有許多飛灰攜出, 與一段爐比較煤粉攜出量要少許多, 但煤炭資源的浪費同樣嚴重。文獻[ 8] 介紹的干餾式煤氣發生爐, 在煤氣減少攜灰方面大大優于一段爐和兩段爐, 在氣化段煤料熱爆產生的煤灰和探火打釬時攪起的煤灰, 隨煤氣進入干餾段, 經過厚厚的料層過濾后, 基本全部沉積下來, 到氣化段后又重新進行氧化還原反應, 煤炭資源利用較為充分。

　　3) 電力資源的節約。發生爐煤氣站生產系統中,電力消耗僅次于煤炭消耗, 系統裝機容量幾百甚至幾千千瓦, 其電力消耗最大的是空氣鼓風機和煤氣加壓機, 文獻[ 9] 介紹了基于電機變頻技術的用氣點煤氣流量變化與煤氣加壓機、空氣鼓風機和飽和溫度的聯動調節方案, 方案中采用變頻器控制煤氣加壓機和空氣鼓風機兩個煤氣站電耗最大的設備, 在保證發生爐煤氣站自動恒壓供氣同時, 有效節約了系統的電力消耗。但發生爐煤氣站除了空氣鼓風機和煤氣加壓機的耗電外, 還有諸如水泵、清灰機、加煤機電機, 以及靜電除焦油( 塵) 器等的電力消耗, 節電空間仍然較大。

　　4) 氣化效率的提高。通過優化發生爐結構, 強化爐底均勻布風, 改善發生爐清灰狀況, 可以使發生爐氣化效率得以有效提高; 利用富氧氣化等工藝在提高發生爐氣化強度的基礎上, 還可以使煤氣熱值得以提高,使同熱值煤氣的體積得以降低, 從而降低煤氣凈化、冷卻及加壓輸送的能耗。

　　5) 減少事故放散排放。煤氣發生爐烘爐、點爐送氣或事故熱備時需向外排放廢氣。其中烘爐時廢氣以CO2 為主, 點爐送氣前期排放廢氣以CO2 為主, 隨CO濃度增加達到送氣標準, 則停止排放, 這些都屬于正常設備操作。當設備或系統出現故障進行維修時, 需要將煤氣發生爐轉入熱備狀態, 此時放散氣體為CO 和CO2 , 熱備時間越長, 放散氣體越多, 污染越嚴重。利用事故樹分析法分析煤氣站可能發生的各種故障, 建立故障庫和專家信息庫, 結合模糊理論等技術手段, 最終確立發生爐煤氣站專家診斷系統, 隨時觀察記錄系統操作數據, 將操作數據整理分析, 通過科學的方法找出不正�，F象的癥結所在, 將可能發生的事故消滅于萌芽狀態, 降低設備系統故障率, 可以有效減少事故放散次數及總排放量。

　　2. 2. 3、低碳煤氣的生產

　　發生爐氣化反應是以煤炭為氣化原料, 以空氣及水蒸氣為氣化劑, 煤氣生產過程可以分兩步理解: 首先是空氣通過燃料層, C 與O2 發生放熱反應, 為下一步反應提供熱量和反應物CO2 ; 隨后是蒸汽和空氣混合通過燃料層, C 與H2O、O2 和CO2 發生吸熱和放熱的混合反應, 生成發生爐煤氣, 其反應方程式分別為以下( 1) 、( 2) 、( 3) 式, 其中( 3) 式為水煤氣反應, 采取有效措施, 強化方程式( 3) 的反應, 提高煤氣可燃成分中H2 的比例, 可以有效降低煤氣燃燒過程中的CO2 排放。氧化層反應􀀁 C+ O2 CO2 ;△H= - 409 kJ/mol ( 1)還原層反應CO2+ C 2CO; △H= 162 kJ/mol ( 2)C+ H2O CO+ H2 ; △H= 119 kJ/mol ( 3)

　　3、 結論

　　1) 無論從我國的能源供應構架, 還是從能源消費結構角度去審視, 我國的經濟發展都離不開煤炭資源,結合低碳經濟的要求, 合理科學地利用煤炭資源, 大力開發潔凈煤應用技術符合我國能源安全戰略。

　　2) 常壓固定床煤氣發生爐氣化, 作為在我國應用較早潔凈煤技術, 多年來得到了較為廣泛的應用, 今后常壓固定床發生爐氣化仍然是工業燃料氣的主要煤炭氣化供氣技術。

　　3) 通過技術創新, 對發生爐煤氣站在余熱的利用、煤炭和電力資源的節約、提高氣化效率、減少事故放散排放等方面強化技術進步, 同時采取有效措施, 強化發生爐水煤氣反應, 提高煤氣可燃成分中H2 的比例, 生產低碳煤氣, 使發生爐煤氣站符合我國能源結構和低碳經濟的要求。