基于竖炉直接还原的主流煤气化工艺综合评价

2019-03-18   作者：佚名   网友评论 0 条

　　根据第三次全国煤田预测资料，除台湾外，我国垂深2000米以内的煤炭资源总量为55697.49亿t，其中已探明保有资源量达10176.45亿t。从地域分布来看，我国煤炭资源呈现北多南少、西多东少的特点。从煤种分布来看，我国煤炭资源的煤类齐全，包括了从褐煤到无烟煤各种不同煤化阶段的煤，但是其数量和分布极不均衡。其中，中高变质烟煤相对较少，分别占总量的27.59%、17.26%，且存在硫分高、灰分高、可选性差等缺点，导致优质炼焦用煤资源缺乏，严重制约了钢铁行业的大力发展；而作为动力燃料和生产煤气的褐煤和低变质烟煤资源量较为丰富，共占总量的55%以上，且大多低变质烟煤的煤质极其优良，灰分低于15%，硫分小于1%，可选性也较好[3]。因此，发展以褐煤和低变质烟煤为主要原料的煤气化工艺，为竖炉直接还原提供还原煤气，在煤资源供应方面是可行的。

　　本文在系统掌握现有煤气化工艺特征的基础上，结合竖炉还原工艺的需求，首先从煤资源限制、煤气品质、生产能力、能耗及成本等多方面对四种主流煤气化工艺进行单指标横向对比，分析其应用于气基竖炉直接还原的优劣势。而后以优化理论为依据，以评分值越小越好为准则，建立综合权重评价模型，兼顾主客观赋权的偏好，综合投资成本、氧耗、煤耗、冷煤气转化效率、煤气中CO/H2、煤气氧化度、煤气中有效还原气含量、净热效率、碳转化率、单炉产能等指标对四种主流煤气化工艺进行综合定量评价。

　　1 现有主流煤气化工艺特征

　　以煤为原料制备还原性气体在技术上是成熟的，煤制气技术在化肥、化工、发电等多种行业中得到了广泛应用。目前，世界上技术成熟的煤气化工艺主要有：固定床法（UGI，Lurgi）、流化床法（灰熔聚、Ende）、气流床法（Texaco，Shell）等[3-10]。四种主要煤气化工艺的各项技术指标如表1所示。　　

　　表1 四种主要煤气化工艺的技术指标

　　Table 1 Technical indexes of four main kinds of coal gasification process
 

　　2 竖炉直接还原对还原煤气的基本要求

　　为了保证竖炉产品直接还原铁的金属化率和含硫量符合电炉炼钢生产要求，要求煤气中还原性气体成分（H2+CO+CnHm）高，通常（H2+CO/H2O+CO2）应大于10，惰性成分N2含量低于5%，还原气含硫低。

　　竖炉工艺不同，要求的还原气压力也不同，MIDREX工艺入炉压力为0.2-0.3 MPa，HYL工艺入炉压力约为0.5-0.8 MPa。直接还原竖炉吨产品的一次能源消耗约为18-20 GJ，折算煤气的消耗量为1350-1600 m3。对应于50-200×104 t/a产能竖炉，单位时间煤气的需求量约为8-36×104 m3/h。

　　3 主流煤气化工艺单指标横向评价

　　从煤资源限制出发，Lurgi炉和Ende炉主要用于气化具有良好热稳定性和化学活性的高灰熔点和高灰含量的劣质褐煤、不黏煤、弱黏煤和长焰煤，Texaco炉以煤灰量低于20%，灰熔点低于1400℃，具有较好黏结性和流动性的水煤浆为原料，而Shell炉对煤种无硬性限制，只需水分低于2%便可。

　　从煤气品质角度出发，Ende和Lurgi法净煤气中H2/CO高于1.0，只要对煤气进行脱碳处理后就可满足于两大气基竖炉直接还原技术MIDREX法和HYL法对煤气成分的要求，是最适合直接还原气源选择的方案。而Texaco与Shel法除了要对煤气进行脱碳处理外还需对煤气中的CO进行变换以增加还原气中的H2含量。

　　从生产能力、能耗及成本等方面来看，Lurgi炉气化温度、热效率、气化强度均较低，能耗较高，且焦油的分离以及含酚污水处理程序较为复杂。Ende炉是常压操作，运转稳定可靠，气化温度、碳转化率和冷煤气效率均较低，能耗较高，且飞灰量对环境污染的困扰仍有待解决。但Lurgi和Ende气化技术设备已基本实现国产化，投资费用大幅下降，若就地取材，依赖当地煤资源，牺牲部分气化效率，仍可取得较好的综合经济效益。Texaco炉气化温度和碳转化率高，无需外供蒸气，煤气除尘系统简单，但冷煤气效率较低，氧耗和投资成本较高。Shell法相对先进，但系统较为复杂，过高的投资成本极大限制了它的广泛应用。

　　4 主流煤气化工艺综合加权评价

　　以优化理论为依据，建立指标综合权重评价模型，使对指标的赋权达到主观与客观的统一，进而对不同的煤气化工艺进行综合定量评价。

　　4.1 确定标准化评价矩阵

　　将所要评价的四种主要煤气化工艺记为，评价的主要指标包括投资成本、氧耗、煤耗、冷煤气转化效率、煤气中CO/H2、煤气氧化度、煤气中有效还原气含量、净热效率、碳转化率、单炉产能等，记为。研究对象在指标下所对应的值记为，由表1可得评价矩阵为：

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