关于U-Gas气化技术的认识

    国内煤气化技术的运用是百家争鸣、百花齐放。移动床气化技术的典型运用有鲁奇炉和传统固定床技术，气流床气化技术的典型运用有常压恩德炉和U-Gas气化技术，流化床气化技术的典型运用有水煤浆气化技术（GE、西北院、清华炉、华东理工大学的四喷嘴）和粉煤气化技术（GSP、Shell、航天炉、西安热工院的二段炉），同时，国内多家单位还在继续开发新的气化技术。各种气化技术都有自己的特点，但没有一种气化技术能适应所有的煤种。本文主要对U-Gas气化技术作一介绍，以利于大家更全面地了解U-Gas气化技术。
1  U-Gas气化技术简介
    U-Gas气化技术起源于美国气体技术研究院，目前和张家港化工机械股份有限公司合资，
在国内已经有空气气化、纯氧气化的工业装置运行。
    U-Gas气化工艺流程如下。煤由输煤系统（煤用C02气体输送，煤气中C02含量高）送入气化炉，气化剂分中心管、分布板、文丘里管3路进入气化炉。在气化炉内，煤与气化剂发生反应，所产生的灰渣由出渣机排出炉外；气化产生的粗煤气夹带飞灰进入第一旋风分离器，大颗粒飞灰被分离后返回气化炉继续反应；带有飞灰的煤气进入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽一部分作为气化剂参加气化反应，其余送入工厂使用。初步降温后煤气进入低温旋风分离器和除尘器，进一步除去飞灰，收集的飞灰送入灰仓并返回气化炉继续反应。除尘后的煤气进入水洗塔进一步降温，达到变换工序需要的温度后送出界区。
    U-Gas气化装置的主要设备有气化炉、第一旋风分离器、余热锅炉、汽包、低温旋风分离器、除尘器、仓泵、水洗塔等。
2  U-Gas气化技术具有的独特优势
2.1  煤气化的原理
    煤气化是煤与气化剂在气化炉内进行高温反应产出煤气的过程，煤气化可以简单地看成2个阶段——煤与氧的燃烧和燃烧产物与气化剂、剩余炭的继续反应。
    第一阶段主要反应：
    CmHnO（复杂有机物）+（m-1/2+n/4）02→02+n/2H20 +Q1
    C +02 ==CO2+O2
    第二阶段主要反应：
    C02 +C =2CO - Q3
    C+H20 (g) =CO+H2 -Q4
    CO +H20(g)=C02 +H2 +Q5
    CH4 +H20(g)=C0 +3H2 - Q6
    CH4 +C02 =2CO +2H2 - Q7
    煤气化反应的完成，其基础是第一阶段煤和氧化剂的燃烧反应。看一个气化技术是否合理、经济，首先要看气化炉燃烧场所的情况。移动床、气流床、流化床气化技术的气化温度和煤在炉内的停留时间统计如表1。
 
    从表l可知，煤的气化首先取决于温度，特别是燃烧区的温度，然后煤的粒度和气化炉的类型决定煤在气化炉内的停留时间，从而完成煤的气化。
2.2  U-Gas气化技术是一般流化床气化技术的升级
    U-Gas气化技术汲取固定床、流化床、气流床气化技术的优点，尽可能形成明显的高温区，并增加煤在炉内的停留时间，从而拓宽气化的煤种，提高碳转化率，其碳转化率可以和Shell气化炉相当。
    U-Gas气化炉为圆形流化床（见图1），上部设置了一扩大段自由层，其作用是增加反应时间，使煤停留时间达到15 min以上，提高碳转化率，同时减少煤气带出的飞灰。
 
    气化炉底邵设置有分布板、中心管和文丘里管。中心管上部形成一个很明显的特有的高温区，高温区温度在气化低活性煤时仅比气流床的气化温度低100℃，在这里，煤在气化剂的作用下很快完成反应。分布板的气化剂不断使气化炉内降落的煤颗粒吹人高温区，煤颗粒继续反应。文丘里管中的气化剂使密度较小的煤再次吹入高温区，炭再次实现气化，且炭在这里也发生反应；同时文丘里管似一个阀门，控制炉渣的排放。正是U-Gas气化炉结构形成的高温区，使得煤的气化进行得更完全，煤气和污水中几乎不含焦油、酚等有机物，比移动床气化更环保；也正是由于高温区的形成，拓宽了煤种的适应性。
    在气化过程中，根据不同的煤种，调节分布板、中心管和文丘里管的气化剂量，以实现最大的碳转化率，提高煤气中有效气含量，降低灰渣中的碳含量。
    气化系统的除尘设备捕获的飞灰，通过返粉系统送入气化炉高温区，使飞灰继续燃烧反应，进一步提高碳转化率。
2.3   U-Gas气化技术对煤种适应性广
    由于U-Gas气化炉的特有构造，拓宽了该气化技术对煤种的适应性。

    在美国和中国枣庄的U-Gas气化装置上，成功试烧了烟煤、褐煤、次烟煤、长烟煤、不粘煤、弱粘煤、无烟煤等60余种煤，包括西肯塔基9#/11#烟煤和洗中煤、Bayswater 2#煤、匹斯堡6#/8#煤、西里西亚烟煤、Merlebach烟煤、犹他州烟煤、哥伦比亚烟煤、印度North Karanpura烟煤和洗煤、神府次烟煤、山东烟煤/混煤/洗中煤、义马次烟煤、North Dakota褐煤、Saskatche-wan褐煤、白音华褐煤、芬兰泥煤、Savaloneva泥煤、西肯塔基9#煤焦、木屑、树皮、稻草、麦秆等。

    根据成功试烧的煤种统计，U-Gas气化技术可气化高灰分（最高30%）、低热值(最低3500kcal/kg)、高硫和高灰熔点煤。试烧煤种指标：水分1%-41%，挥发分3%-69%，固定碳6%—83%，硫0.2%-4.6%，灰分1%-55%，灰熔点（Ti）1040—1460℃，高位热值3050～7700 kcal/kg.
2.4U-Gas气化技术用富氧空气即可气化低活性煤
    移动床和气流床气化技术可以气化低活性煤，如无烟煤、焦炭，而一般流化床气化技术不能，关键因素仍然是气化温度和煤在气化炉内的停留时间。一般的流化床气化技术，气化温度不如气流床气化技术高，而煤在炉内的停留时间没有移动床气化技术长。 U-Gas气化技术很好地解决了这2个问题，因此该气化技术可以气化低活性煤。
    提高富氧空气中的氧浓度，单位体积内氧分子和煤接触的机会增加，可以提高气化炉的燃烧区温度。根据U-Gas气化炉的操作经验，用空气气化，中心温度可达l200℃；如果提高空气中的氧浓度，中心温度会进一步提高，趋近于Shell纯氧气化的温度（1350℃左右），从而加快气化反应速度。对于Shell气化炉来说：即使活性很低的无烟煤，其对C02的反应性在1300℃也可达到90%以上，这就是Shell气化炉在短时间内快速气化低活性煤的原因。由于U-Gas气化炉的结构特点，有明显的高温区（也即燃烧区，是为整个气化反应提供热量的区域），低活性煤输送到接近高温区的地方，使煤在短时间内发生反应；而高活性煤则可以降低气化温度，或使煤输送到远离高温区的地方，保证煤的整体转化率。
    移动床气化技术因煤在炉内的停留时间长，即使是空气气化，其氧化层的温度仍然可达1200℃左右，可以气化无烟煤、焦炭等低活性煤。U-Gas气化炉在上部设置了扩大段，解决了煤在气化炉内停留时间短的问题，使煤在炉内的停留时间比一般流化床气化炉增加5 min左右，这样的停留时间在进煤粒径≤13 mm的情况下是合适的，并采用飞灰返粉技术，使飞灰在气化炉内的停留时间也有所增加。
    同时，U-Gas气化是加压的。煤颗粒是固体，提高压力，包围炭的气体浓度增加，氧气、水蒸气和反应物气体的浓度也提高，气化炉表面积一定，热损失减少，从而更有利于提高气化的反应速度，提高碳转化率，提高气化强度，从而提高整个气化效率。
    U-Gas气化炉可以根据后续工序的要求，调节不同的富氧浓度，实现煤气的不同组分和煤气的最低制造成本。
3  关于煤气中CH4含量的认识及设计建议
    煤气中的CH4，并不是C、CO、C02和H2、H20反应合成的，而是煤分解生成的CH4气体逃逸到煤气中。煤的挥发分越高，加之煤中的碳、氢元素含量高，氧元素含量低，则煤气中的CH4含量越高；气化温度越低，煤气中的CH4含量越高。气流床的气化温度在1350℃左右，而且气化炉内温度均匀分布，煤分解生成的CH4不存在逃逸的问题，因为CH4很快分解为H2和CO。恩德炉气化温度在1000℃左右，而且气化炉内温度均匀分布，煤分解生成的CH4也不可能过多地分解为H2和CO，因为CH4转化的温度高于1 000℃。移动床气化是阶梯式进行反应，从氧化层到干燥层，温度越来越低，煤分解生成的CH4不可能再进一步转化为H2和CO，这就是为什么移动床气化的煤气中焦油、CH4等含量高的原因。
    压力提高，气化炉单位面积内的产气量增加，而高温区是基本恒定的，增加了CH4逃逸
的机会，使得加压流化床和加压移动床气化的煤气中CH4含量比常压气化的CH4含量高。
    那么如何调节U-Gas气化的煤气中的CH4含量呢？
    由于U-Gas气化炉的结构特点，高温区所占的空间很小，不可能把煤气的CH4含量降低到气流床气化的水平，也不可能把煤气的CH4含量提高到鲁奇炉气化的水平。
    表2是对几种典型气化技术气化不同煤种煤气中CH4含量的统计。
    从表2可以看出：U-Gas气化技术煤气中的CH4含量比恩德炉、水煤浆炉高，比鲁奇炉低；如果计算1m³(CO+H2 +CH4)的消耗，U-Gas气化技术是优于水煤浆气化技术的。
    从上述的分析可知，对于U-Gas气化炉而言，在进行设计时要注意以下两点。

    (1)要降低煤气中的CH4含量，把煤输送到接近最高温度的区域，减少CH4气体逃逸的
机会；要提高煤气中的CH4含量（用于煤制天然气），则把煤输送到远离最高温度的区域，增加CH4气体逃逸的机会。
    (2)根据后工序工艺的要求，确定适当的气化压力，以小幅度地调节煤气中的CH4含量。
4  总结
    (1) U-Gas气化技术是常规流化床气化技术的发展，结合了气流床、移动床的一些特点，是一种先进的气化技术，碳转化率高，可以气化多种煤，特别是高灰分、高硫、高灰熔点、低发热量的煤。如果选用U-Gas气化技术，应特别注意的是，煤的灰熔点要高于气化温度200℃。
    (2) U-Gas气化粗煤气中含有一定量的CH4，对于大规模的气化装置而言，可以副产LNG，将不利因素化为效益较好的产品。
    (3) U-Gas气化技术操作简单，投资低，适用于大、中、小型气化装置。