高灰分印度煤的氧气鼓泡流化床气化：一项中试规模示范

印度高灰分煤富氧吹扫流化床气化技术研究，通过优化当量比0.40和蒸汽/煤比0.82，在936-987℃下获得合成气组成H?:CO:CH?:CO?=38.45%:23.99%:7.34%:30.22%，H?/CO=1.60，碳转化效率97.23%，冷气效率87.57%，低位热值9.03 MJ/Nm3，验证了该技术为印度 methanol economy 转型提供可行路径。

　　

Rupesh Kumar Singh | Nilesh D. Dhaigude | Arti Sahu | Gajanan Sahu | Vishal Chauhan | Sujan Saha | Shiva Kumar Saw | Prakash D. Chavan

气化技术，印度丹巴德中央矿业与燃料研究院（CSIR-Central Institute of Mining & Fuel Research），826015

摘要：

印度丰富的煤炭储备为通过气化途径实现清洁能源提供了战略选择；然而，本土煤炭的高灰分含量使得大多数全球气化装置在技术和经济上都不具备可行性。为了解决这一问题，CSIR-中央矿业与燃料研究院（CSIR-CIMFR）开发了一座自主设计的氧气鼓风式沸腾流化床气化（BFBG）中试工厂（TRL-6）。本研究评估了在常压下、温度介于936–987°C之间的条件下，使用蒸汽-氧气混合物对高灰分印度煤炭进行气化的性能。系统研究了当量比（ER）和蒸汽与煤炭比例（S/C）对关键气化性能指标的影响，包括合成气成分和产量、H?/CO比例、碳转化效率（CCE）、冷煤气效率（CGE）以及合成气的低位热值（LHV）。在优化条件下（ER：0.40；S/C：0.82），该工艺获得了H?:CO:CH?:CO?比例为38.45%:23.99%:7.34%:30.22%的合成气，H?/CO比为1.60。性能指标显示碳转化效率达到97.23%，冷煤气效率为87.57%，合成气的低位热值为9.03 MJ/Nm3。这些结果证明了生产富含氢的合成气的可行性，这种合成气适用于甲醇合成、直接还原铁（DRI）生产和化工原料。这些发现为在印度建设更大规模的示范设施奠定了基础。

引言

在现代社会，清洁能源是可持续发展的基本前提。虽然化石燃料，尤其是煤炭，满足了印度超过55%的能源需求[1]，[2]，但本土煤炭的高灰分含量带来了重大的技术和环境挑战[3]。传统的燃烧方法加剧了气候变化问题，促使全球转向清洁煤技术（CCT）。气化技术作为一种主要的CCT解决方案，为煤炭利用提供了更高效且环保的途径[4]，[5]。因此，NITI Aayog将开发本土气化系统作为优先事项，目标是到2030年处理1亿吨高灰分煤炭，支持印度向“甲醇和氢经济”转型[6]。 为应对这些本地能源挑战，位于丹巴德的CSIR-CIMFR启动了一座氧气鼓风式沸腾流化床气化（BFBG）中试工厂（TRL-6），旨在评估高灰分印度煤炭的气化动力学和潜力。该工厂的独特运营优势在于能够直接处理原矿高灰分煤炭，无需经过洗涤或混合等预处理。其设计通过减少常见的流化床故障模式（如床层团聚和结块）展现了显著的稳健性。此外，使用氧气鼓风介质确保了合成气流中不含稀释剂，从而优化了下游合成过程，包括合成气制化学品、直接还原铁（DRI）和化肥生产。相比之下，传统的商业气化技术（如湍流床和固定床系统）在应用于印度煤炭原料时存在显著的技术和经济障碍[7]。由于印度煤炭的灰熔化温度（AFT）通常超过1400°C，湍流床气化器必须运行在1600°C以上以确保渣料流动，这会导致大量的显热损失，从而降低整体冷煤气效率[8]。同样，固定床反应器也受到高矿物质含量的影响；灰分积累会破坏床层渗透性和反应物分布，产生焦油/液体，最终降低合成气质量和碳转化效率。因此，与传统的熔渣床或固定床技术相比，BFBG配置成为高灰分煤炭利用的更可行的技术经济选择。

以往关于高灰分印度煤炭气化的研究主要集中在空气鼓风式流化床系统上。Saurabh等人[9]表明，在800–900°C的温度、0.19–0.28的当量比和0.26的蒸汽与煤炭比例下，空气鼓风式沸腾流化床气化产生的合成气低位热值为3 MJ/Nm3，碳转化效率为85%，冷煤气效率为48%。K. Vijay Kumar等人[10]观察到，在实验室规模的流化床中，将蒸汽与煤炭比例从0.15增加到0.25后，合成气的热值从3.6 MJ/Nm3提高到4.8 MJ/Nm3，冷煤气效率从59%提高到66%。在气体成分控制方面，S. Karimipour等人[11]发现，将蒸汽与氧气比例从0.5提高到0.75后，H?/CO产量增加了25%，这是由于水煤气变换（WGS）反应的强化。尽管取得了这些进展，空气鼓风气化的一个显著局限性是产物流中氮气（N?）浓度较高，这稀释了合成气，使其主要适用于发电或热能应用。为了满足合成气制化学品、直接还原铁（DRI）和化肥等增值应用的需求，去除氮气需要巨大的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。这促使人们转向氧气鼓风气化技术，因为它产生的合成气浓度高且不含稀释剂。虽然De Diego小组[12]和Kuramoto等人[13]已经探讨了氧气鼓风气化的基本原理，但他们的研究主要集中在低灰分的欧洲煤炭或生物质残渣上，无法反映冈瓦纳地区印度煤炭的复杂矿物组成。此外，尽管中国的CFB团队[14]成功展示了工业规模的气化应用，但他们的设计通常针对循环床优化，而非沸腾床，而沸腾床在停留时间和温度控制方面具有明显优势。本研究观察到的高碳转化效率与Engelbrecht等人的研究结果一致，后者指出沸腾流化床（BFB）结构特别适合高灰分原料。他们对南非煤炭的研究强调，保持床层温度在950–1000°C之间（与CSIR-CIMFR设定的975–987°C范围相似）对于防止灰分团聚和促进炭-蒸汽气化动力学至关重要。然而，目前文献中关于高灰分印度煤炭在氧气鼓风条件下的中试研究仍然较少。

鉴于缺乏针对高矿物质含量原料的成熟商业化技术，本土化气化技术成为战略重点[15]。当前研究的空白在于缺乏专门针对印度煤炭高灰熔化温度（AFT > 1400°C）的TRL-6中试数据。现有关于印度煤炭的文献主要局限于空气鼓风系统，这些系统产生的合成气热值较低，不适合“甲醇经济”。本研究通过评估CSIR-CIMFR自主研发的TRL-6氧气鼓风式BFBG中试工厂的性能，填补了这一空白。在初步研究[15]的基础上，本文系统分析了在常压下（约936–987°C）稳态条件下的气化性能，特别是当量比和蒸汽与煤炭比例对合成气成分、H?/CO化学计量比、碳转化效率（CCE）和冷煤气效率（LHV）的影响。这项研究为将本土煤炭资源转化为高价值合成气提供了坚实的操作框架，直接支持印度向“甲醇和氢经济”转型。

原料准备及其气化前性质分析

实验在CSIR-CIMFR的BFBG中试工厂进行，使用的煤炭来自MCL矿山。原料准备遵循IS: 463（第一部分，1964年）标准，粒径分布小于2毫米。为了优化气化环境，分析了含有90%灰分和10%煤炭的床层的流体动力学行为，以确定最小流化速度（Umf）和有效床层尺寸。表1提供了相关数据。

结果与讨论

本研究通过展示一种可持续的高灰分原料气化途径，为清洁煤技术（CCT）的发展做出了贡献[14]，[15]。利用一种灰分含量高达36.30%的印度煤炭（表1），本研究评估了在沸腾流化床气化（BFBG）中试工厂中氧气鼓风气化的可行性。实验在图1所示的设施中进行。

结论

在CSIR-CIMFR位于丹巴德的自主研发的氧气鼓风式沸腾流化床气化（BFBG）中试工厂（TRL-6）中，成功验证了高灰分印度煤炭（MCL；灰分36.30%）在107–150 kWth规模下的气化性能。超过10小时的稳态运行表明，该工厂能够可靠地生产适用于高价值下游应用的合成气，包括化学合成、绿色钢铁直接还原铁（DRI）生产等。

CRediT作者贡献声明

Arti Sahu：验证、资源提供、调查、数据分析、数据整理。 Gajanan Sahu：验证、资源提供、方法论设计、调查、数据分析、数据整理。 Nilesh D. Dhaigude：验证、软件开发、资源提供、调查、数据分析、数据整理。 Rupesh Kumar Singh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、资源协调、项目管理、方法论设计、调查、资金筹集、数据分析、数据整理。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢印度贾坎德邦丹巴德的CSIR-中央矿业与燃料研究院（CSIR-CIMFR）提供的财政支持。