基于低碳经济的煤气发生炉的技术发展方向

中国的能源供应及消费状况： 我们使用的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％，而中国又是储煤量最多的国家，占其化石能源储量的92.94％。以2009年为例，中国累计原油产量约为1.895亿吨，天然气产量约为830亿立方米，煤炭总产量约为30亿吨，根据专家预测，中国一次能源以煤为主的格局在相当长时期内难以改变，到本世纪中叶，煤炭在中国能源消费中的比重仍然保持在50％左右。目前，中国大力发展风力、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重和发展势态看，在相当长的一段时间内，无法靠此从根本上改变中国能源供应的主要结构。 就能源消费状况而言，2006年煤炭、石油、天然气在中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11.988亿吨油当量，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，中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，合理科学的利用煤炭资源，大力开发洁净煤应用技术符合中国能源安全战略。 3 基于低碳经济的煤气发生炉的应用前景及发展方向 3.1 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，气化方法可分为固定床气化、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法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，包括化工合成原料气、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的含碳化合物为CO27-30%、CH4及CmHn2-4%，另外不可燃成分中还含有4-6%CO2，作为工业燃料煤气的过程CO2排放中，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，在中国应用较早，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，目前国内应用的煤气发生炉数量达到了数千台。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，在今后相当长一段时间内，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，煤气发生炉应该还有很长的生命周期。 3.2 基于低碳经济的发生炉煤气站的技术发展方向 3.2.1 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，尽量保证所提供的煤气燃烧后产生尽量少的CO2排放。 3.2.2煤气生产系统的低能耗、低污染和低排放 （1）余热资源的利用 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到500-600℃，两段炉下段煤气出口温度一般在450-550℃左右，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，首先是采取有效措施，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，煤气携灰严重影响。 现阶段煤气发生炉灰渣含炭量多数维持在10－15％左右，而有些煤气发生炉由于设备工艺落后，其灰渣含炭量有时高于20％。改进煤气发生炉结构及气化工艺，优化操作指标，降低灰渣含炭量，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操作、煤料热爆时，其下段煤气仍有许多飞灰携出，但和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尘和探火打钎时搅起的煤尘，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。