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
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。《中國(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(zhuān)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?lài)嵣踔辽锨崳环现圃鞓I(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?xún)|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(lèi)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(kāi)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(kāi)始，在美國(guó)WG型和前蘇聯(lián)Д型爐型基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)一段式煤氣發(fā)生爐，上世紀(jì)80年代又開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(zhuān)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(shù)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(kāi)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(zhuān)門(mén)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(jué)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(lèi)和苯、酚類(lèi)等物質(zhì)，目前絕大多數(shù)發(fā)生爐煤氣站對(duì)此沒(méi)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(mén)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(lèi)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(kāi)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)煤氣站故障專(zhuān)家診斷系統(tǒng)【10】，在此基礎(chǔ)上開(kāi)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?xún)?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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