工业锅炉改造方案.doc

工业锅炉改造煤炭清洁利用方案浙江华尚新能源股份有限公司2014.3.26煤碳气化与气化新技术简介洁净燃气概述 节能减排是当前全世界都非常关注的议题，温家宝总理在哥本哈根向国际社会承诺到2120年中国要减排40%45%，要完成这一宏大目标任重道远。中国的能源以煤炭为主的局面在较长的时期内难以改变。因此研究和推广煤的洁净利用新技术意义十分重大。煤通过气化再燃烧，不但能提高煤的利用效率，更重要的是从源头解决了环境问题。然而人们一提起燃气，必然会联想到造价昂贵的煤化工用的喷流床气化炉制气设备和运行费用高得惊人的城市人工煤气的流化床气化炉制气设备。这些制气设备都不适用于一般的工业企业用气。还有就是历史悠久的单段炉、两段炉制气设备。这种制气方式非但不环保还对环境污染严重。制气过程中大量的污水和产生的酚、苯、萘等在很远的地方都能闻到刺鼻的味道。因此也被环保部门禁止或限制。我们经多年研究和实践，终于研制成功一种新型的洁净燃气制气设备。这种设备在制气过程中不产生污水，酚、苯、萘等都在炉内处理转化。这种设备还有占地少，安装简单，操作方便，维护容易等特点。该设备经省级法定部门检测节能和环保均已达标，符合国家有关空气污染治理设备目录的要求。并己获准国家发明专利。一. 煤的气化过程：煤的气化是将煤炭在高温下通过与气化剂（空气/氧气和蒸汽或CO2，H2）发生的一系列化学反应转化成煤气的过程。通过煤炭气化，将煤中的炭和氢转化成CO，H2，CO2和CH4等有效气体，即煤气再用做燃料，化工合成和发电等。不仅可以提高煤炭整体的转化效率，而且可大幅度减少对环境的污染。同时还可将煤转化加工成高附加值的产品。在实际气化过程中，同时还伴随着煤的部分燃烧过程。因此，在气化产物中也常会含有CO2和水蒸气等非可燃气体。煤的气化过程通常包括下列10种基本化学反应：C+O2CO2+94.1kcal/mol 2C+O22CO+26.4kcal/mol C+CO22CO-41.0kcal/mol C+H2OCO+H2-42.0kcal/mol C+2H2OCO+2H2-42.8kcal/mol CO+H2OCO2+H2+0.8kcal/mol C+2H2CH4+17.9kcal/mol CO+3H2CH4+H2O+59.8kcal/mol 2CO+2H2CH4+CO2+59.1kcal/mol CO2+4H2CH4+2H2O+60.6kcal/mol上述式和式是燃烧放热反应，式是CO2还原反应，式是水煤气反应，也是较大的吸热反应。式是伴随式而产生的副反应。式是变换反应，式是甲烷生成反应，其中式是主反应，式是催化合成甲烷的主要反应。二 煤的气化分类；目前煤的气化方法已达60多种，其分类方法也是多种多样的，常用的一些煤的气化分类方法分述如下：1. 按入炉煤粒度划分的有：粉煤（100200目）气化，小粒度煤（010mm气化），块煤（6100mm）气化。2.按煤在炉内状况划分的有：固定床（或移动床）气化，流化床（沸腾床）气化，气流床气化，熔渣（熔盐）床气化。3. 按气化介质划分的有：空气-水蒸气，富氧空气-水蒸气，蒸气和氧气等。4. 按煤气用途划分的有：燃料煤气，城市煤气，高热值煤气（代用天然气），还原气。5. 按煤气热值划分的有：低热值煤气10001500kcal/m3（标准下同），中热值煤气（28004000kcal/m3），高热值煤气（4000kcal/m3）以上。6. 按排灰方式划分，有：固态排渣，液态排渣，灰团聚排渣气化。7.按操作方式划分，有：常压气化，加压气化。目前较常用的分类方法是按煤在气化炉内状况划分，再配以排灰方式即可概括出各种气化方法。8. 以煤和气化介质的相对运动方向进行分类，可分为：并流气化，逆流气化。9. 以气化反应的类型为主进行分类，分为热力学过程和催化过程等气化。10. 以气化的阶段性为主进行分类，可分为单段气化，双段或多段气化等。11. 以气化的操作方法为主进行分类，有连续式，间歇式和循环式气化等。三以往常用的煤的固定床气化及其特点； 煤的固定床汽化是指在水煤气炉，发生炉煤气炉，两段气化炉和加压气化炉中对煤进行气化的方法。在这些煤气炉内煤块由上而下运动，而气化剂则由下而上，煤在炉内仅停留1h左右，排出炉外的煤气和炉渣经过热交换，可使其温度较其它方法低。他的优缺点如下： 优点； 工艺简单，操作方便：投资少，建设快：热效率高，炭转化率高：耗氧量低。 缺点； 对煤种有一定要求，煤的粘结性不能太强，要求使用块煤：复产焦油，酚水难于处理。造成污染。单炉产气量较低。四. 以往常用的煤的流化床气化和气流床气化及其特点；流化床又称沸腾床，运行过程中气化剂以一定的速度由下而上通过煤粒床层，使煤料浮动并互相分离。典型的流化床气化炉如温克勒Winkler炉，前苏联的盖依阿帕4，朝鲜的恩德炉等。气流床气化可比流化床更快、气化量更大。新型环保节能型煤碳气化炉及其特点； 它在技术上具有如下三个特点：a.以往的气化技术，炉内氧化层，干馏层无法人为地控制。排渣速度以及何时排渣都是无法做到精确控制的，所以对煤种的适应性也受到限制。本发明通过对炉内氧化层，干馏层，灰渣层进行精准的温度控制和物位控制，在通过变频调速的方式对加煤量，进热空气量，进蒸汽量，出渣量进行精准的检测计量和有效控制，从而使煤种的适应性大为放宽。能够适应几乎是任何的煤种。而且由于有了精准的检测和控制手段，除煤种适应性广外，(能气化烟煤、无烟煤、石煤、焦炭等。)更是效率得以提高，气化能力增强。b.以往的气化技术，要么用氧气作气化剂，要么用常温空气作气化剂。用氧气作气化剂虽然效率高但成本也高，用户一般很难接受。本发明采用气化时产生的高温燃气冷却余热，（因为这种余热有500以上）利用技术手段收集这类余热来加热常温空气，让作为气化剂的空气升温到350以上，这样做既节约了能源，又使气化速度加快，气化效率提高。采用这种方式的气化速率明显高于以往技术的固定床炉，效率介于固定床与流化床之间。造价大大低于流化床炉。c.由于加快了气化进程和让气化后的煤气穿过氧化层后再被吸出炉外，这样可以将荒煤气中的有害物质萘、酚、焦油类有机会让其通过氧化层时再裂解，而不是直接排出炉外。因为排出炉外就会导致环境的污染。进而实现了对有害物质的零排放，零污染。1. 工艺流程：块 煤气 化全 自 动可控排渣余 热煤气冷 却净 化气水分 离气量控制及 稳 压入锅炉燃烧器或燃气发电机组2.构造和原理： 新型环保节能型煤气发生炉是一种最新的、具有专利的炉型。该炉型集成了上述炉型的优点，克服（避开）了上述炉型的缺陷；该炉对煤种适应性强，经炉内气化生产的煤气中焦油含量低，气化效率高，灰渣含碳量少，操作安全和清洁卫生。除煤渣和灰之外，无其他任何排放。本炉采用固定床反火型煤气发生的工艺流程，运行时炉内所需要的空气（气化剂）是从设置在炉顶上部的可控炉口进入炉内，与炉内上层煤料发生剧烈的氧化反应生成高温二氧化碳CO2，再被吸入到下面的还原层中被还原成一氧化碳CO等可燃气体，从炉底部抽吸出炉外的反火气化生产煤气的工艺流程，在以上炉内反火气化过程中由于空气（气化剂）是从炉顶上部的炉口进入炉内与煤料发生剧烈的氧化反应，故使煤料中焦油受到氧化层产生1000左右的高温裂解，所以出炉煤气中的焦油含量较低，不但有利于煤气净化处理，而且又能提高和增加煤气中的发热量。该炉特点是在原固定床反火型煤气发生炉的底部增设正火气化煤气的生产工艺，炉内所生产的煤气从设置在炉中部煤气集气圈的外围，同时抽吸炉内上层反火气化煤气和炉内下层正火气化煤气，该炉运行时使炉内形成上、下两层共同气化的优势生产煤气，在气化运行时使炉内形成上、下热，中间冷的煤气生产工艺流程，用这种方法生产煤气的工艺是将进炉煤料首先经炉内上层反火气化时在氧化层产生1000左右的高温将煤料中的焦油先行裂解，同时对经炉内反火气化后且含碳量高达20%的煤渣，再经炉底部正火气化工艺进行氧化和还原生成一氧化碳CO等可燃气体，与从炉上部反火气化生产的煤气共同被抽吸出炉外的双层气化煤气发生炉生产煤气的工艺流程。这种新工艺流程可使能源的有效利用效率大为提高。3. 在工艺上有以下特点：炉内煤料经上部反火气化后，将使含碳量高的煤渣再次经炉底部正火气化工艺进行氧化和还原生成一氧化碳，将能有效地克服单一反火气化煤气工艺中存在煤渣含碳量高的缺陷，对充分利用和节约能源减少环境污染具有显著效果。经用新型环保节能型煤气发生炉生产的可燃气体中的焦油含量较低，有利于净化处理，经净化处理后的煤气中焦油含量可控制在10mg/m3以内为清洁气体能源，可供燃气内燃机作为动力气源发电，并能替代各种燃油工业所需烧用的油料，来减少我国对石油资源的消耗。将是我国现阶段以煤代油的重要技术措施。 新型环保节能型煤气发生炉采用反火气化原理，自上而下地进行连续气化反应。气化剂（高温空气和高温蒸气）在泵的作用下，由炉进入炉内，经干燥、干馏层进入氧化层，在剧烈的氧化反应下，生成大量的高温二氧化碳（CO2），进入还原层被还原为一氧化碳（CO），水蒸气被分解出氢（H2）等可燃气体，当进入下面灰渣层时，受灰渣层氧化物催化剂的影响，又促进一部分一氧化碳和氢气被聚合生成部分甲烷（CH4），煤气被送入净化塔，进行净化、干燥、稳压等，使煤气冷却和净化，实现了低碳模式。 独特的气化及净化原理，决定其工艺流程短，主体设备少的特性。现将两种炉型的煤气发生炉工艺流程相比较： 新型环保节能型煤气发生炉的工艺流程： 煤新型反火型煤气发生炉热管换热器1、热管换热器2带纳米滤网膜的净化塔精净化稳压器稳压控制柜用户。传统的气化和净化工艺至少比上述环节再多出1倍以上。远比上述过程复杂许多。 从两者比较可以看出新型环保节能型煤气发生炉制气工艺流程环节少，几乎完全省掉煤气净化及污水处理设施。故制气系统的设备大为减少，厂房面积相对缩减，因此工程造价低，占地面积小，操作简单，运行费用低。安全可靠。 新型环保节能型煤气发生炉在实际运行中的描述如下：气化过程中使用的原料可以是褐煤、烟煤、无烟煤和焦炭等，气化剂为氧气或富氧和空气、蒸汽。进行气化操作的设备叫双层气化煤气发生炉。其工艺流程如下： 在从炉下部进入气化剂（空气）时，首先进入炉底部的灰渣层，当它经过灼热的灰渣层时将被预热，以减少燃料的消耗，并且可以冷却灰渣使其安全排出。 在从炉上部进入气化剂（空气）时，首先进入炉内上部氧化层上的干燥干馏层而后再进入氧化层(燃烧层)和氧化层下面的还原层。进入炉内的气化剂中氧与高温的碳作用，进行如下反应：C+O2=CO2+408177 kJ2C+O2=2CO+246035 kJ2CO+O2=2CO2+57031 9 kJ在上述3个反应中，第一个反应是主反应。由于氧化过程中放出大量的热量，氧化层的温度可以高达1000以上。氧化反应的速度很快，气化剂中的氧很快消耗尽，因此氧化层很薄，一般为进入炉内煤料粒度的8至10倍。还原层 在氧化层生成的CO2、CO上升和下吸使它进一步的与上部和下部的碳及气化剂中的水蒸气作用，进行如下反应：CO2+C=2CO-1 62142 kJC+H2O=CO+H2-118628 kJC+2H2O=CO2+2H2-75115 kJCO+H2O=CO2+H2+43472kJ还原层中的反应为吸热反应，它们所需的热量是由氧化层上升或下降的气体带入的，随着反应的进行，还原层的温度逐渐降低，一般约为8001000。还原反应的速度也逐渐减慢，其温度将逐渐降低至600700因此还原层的厚度远远超过氧化层。干馏层 由炉上部氧化层生成的高温气体，使其氧化层上部煤料受热干馏，温度约为500700。干燥层 由氧化层、干馏层生成的温度上升，使上部的煤层干燥和预热，温度约为350400 ，生成的煤气被吸入氧化层下部的还原层由炉中部抽气管口抽吸出炉外。制造煤气的主要反应是在氧化层和还原层中进行，称这个区域为气化区，干燥层和干馏层称为预处理区域。在发生炉中上述区域并不是截然分开的，实际上各层会出现交错、局部渗透现象。本炉采用先进的控制手段进行实时控制和调整。煤气质量不同类型煤气发生炉生产的煤气质量都有所不同，作为燃料气应用，对煤气的组成也有相应的要求。煤气组成对燃烧速度有较大影响，因此保持煤气成分的相对稳定，对提高燃具的燃烧效率和安全具有重要的意义。 煤气组成主要与原料粒度、气化强度、饱和温度等因素有关。当使用煤料粒度增大时，碳反应表面积减少，炉内上升气流中二氧化碳、水蒸气与碳的接触面积减少，还原层中还原作用不能充分进行。此时，炉出煤气质量差。只有适当减小入炉煤粒度时，才能改善煤气质量。当气化炉气化强度增加时，由于炉体表面积固定不变，散热损失变化不大，因此使炉内气化温度增加，有利于水蒸气分解反应，增加水蒸气分解率，并能改善煤气质量。灰渣残碳量及气化效率煤气发生炉在气化过程中产生灰渣中的残碳量，炉出煤气的含尘量及计算所得气化效率既是主要工艺技术指标，也是重要的经济考核指标。炉内的排渣量与煤的灰分产率、气化强度及排灰速度等因素有关，而灰渣中残碳量则与原料粒度、灰分性质、操作工艺条件、气化强度及气化工艺方法等因素有关。气化效率是指原料煤在炉内气化后转化成气体燃料，该气体燃料的低热值与入炉煤的低热值之比的百分数。因此，加强操作工艺管理降低排出灰渣中残碳含量是提高发生炉气化效率有效的方法之一。附1 气化设备的具体技术参数见下表XR环保型煤气发生炉的产气量及气化强度参数表：名称单位XR-8XR -16XR -28XR -30XR -38炉膛直径mm23003300炉膛面积m34.58.6加煤量kg/h1200-15002500-3000气化强度kg/m3h300煤气产量Nm3/h3500-55007500-9800可配发电机kw2000-25004000-5000可配锅炉t1015碳转效率96% 煤气热值5.1 M J/ N m35.6 M J/ N m3（煤种不同热值有所差异）适用煤种无烟煤、焦炭、贫煤、弱粘结性烟煤、长焰煤，（有些煤种需特殊设计炉型）自耗电kw80160煤气成份及气质分折：新型煤气发生炉属于混合炉煤气。由于煤的产地不同，质量不同，所产煤所的成份百分比有高有低，下表列出综合检测结果的范围。煤气成份分析表：成份CO2CmHnO2COCH4H2N2%8.20.80.3182.51852.2煤气中有害物质检测结果比较： 气水分离冷却后的煤气中（mg/Nm3）有害物质焦油、灰尘含量硫化氢（H2S）氨萘国家规定（不大于）10205050-100传统炉（深净化）7-1215-30微量5-10新型炉（无烟煤）（但可适应任何煤种）2.6（不大于）5.052方案的技术经济分析一.技术的可行性： 1.本次改造的几个特点：a. 燃洁净燃气后，控温、启停都方便，操作更是简单。c. 燃洁净煤气比燃天然气的清洁、环保、效率都相差不大。d. 改为燃新型发生炉煤气后，提高稳定性和可靠性。2.目前国内外以往的煤气发生炉主要有两大类：一类是流化床炉、气流床炉、液态排碴炉，另一类是冶金企业用的一段炉或两段炉。前者工艺复杂造价又过高故无法普及，后者虽工艺简单和造价低廉，但制成的粗煤气，需要水洗净化，净化过程中大量的含酚、苯、萘的污水强力刺鼻，严重污染环境。对于这些问题本项目的解决方法是采用一种介于上述两种类型之间，又集上述两类炉型的优点的一种新型环保型煤气气化炉。3. 改为燃新型发生炉煤气后，以后国家提高环保指标，均己优于指标，一劳永逸。二. 经济的可行性：1.经济效益分析：按效率提高10%计算，现在每小时如果是1MW发电用0.5吨煤，年按8000小时计算，用煤4000吨，年节煤400吨，按650元一吨计，一年省煤费用26万元。因为本新技术的工艺是在源头解决脱硫，在煤气中脱硫化氢比在烟气中脱二氧化硫要简单得多、容易得多，所以运行成本也低得多。2. 一套气化装置，可发电3000KW。以后也不需要再费事了。XR新型的洁净燃气制气设备的环保指标简介1 . 煤气脱硫概论1.1.原煤中硫的来源煤中的矿物质可分为两大类，煤中固有的灰分和“外部的”或外来的灰分。固有灰分成为煤的原始植物生长所需的一些元素，其量很少超过2%，大约占总矿物质的3%20%。固有灰分可以是煤微观组织的一部分，按分子式形式在煤中散布。当进行物理选矿时，一般不能将其除去。固有灰分通常含铁，钙,镁,磷,钾和硫。外来灰分是砂子，淤泥或泥土作为外来物质的离散粒子沉积在不断积聚的植物残块中。外来灰分中含的铁，钙，镁和硫要大得多，其颗粒尺寸的变化范围很大，有时还存在于煤层的分界处，这部分可以用人工或洗选法除去一些。煤中的硫在气化过程中会以无机硫化物（H2S）或有机硫化物（COS）的形式转化到气相中。有机硫化物在较高温度下又几乎可以全部转化成硫化氢。因此，在通常情况下，粗煤气中绝大部分的硫以硫化氢的形式存在，煤气脱硫工艺的主要围绕硫化氢的脱除问题进行。硫化氢在常温下是一种带刺鼻臭味的无色气体，其密度为1.539kg/m。硫化氢及其燃烧产物二氧化硫会对空气造成污染，对人体有毒害性，空气中含有1硫化氢时就会危及人的生命。另外，硫化氢及其燃烧产物的危害性还在于对煤气管道、煤气相关设备有严重的腐蚀作用。煤气的脱硫工艺不仅可以提高煤气的质量，达到工艺的使用标准，而且，对加强人类的环境保护也具有积极的意义。1.2.气化时H2S的生成煤中的硫有：有机硫，黄铁矿硫（FeS2）和硫酸盐硫。煤中硫酸盐硫一般不会超过全硫的10%15%。低硫煤所含多半为有机硫，而高硫煤则主要是硫磺矿硫，在选煤时有可能去掉一部分。气化时，硫基本以H2S的形式和部分的有机硫化物的形式（COS,CS2）等转移到煤气中去。2 . 煤气化时的炉内脱硫工艺流程2.1.炉内制气过程中的脱硫本工艺与一般气化炉有本质区别的地方在于炉内有两级脱硫，一级脱硫直接是在炉内加料时添加脱硫剂，在制气过程中直接参与反应，将一部分硫脱除，这时的脱硫效率一般在65%80%之间。2.2.炉内煤气通过渣层时的脱硫 煤燃烧后的氧化物中成分比较杂，大多数煤的灰分中有七种主要的组成成分SiO2、AIl2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O以及K2O，其他还有P2O5,TiO2和SO3，而SO3数量范围可小于1%到大于20%。在煤气滤过渣层时实现即为二级脱硫，煤气中的硫化物与炉内渣中的氧化钙、氧化锌进行反应，脱硫后的产物随炉渣排出。煤在气化炉中首先经高温裂解生成CO2-H2-CH4,再还原成CO，然后经灰渣层，让灰渣中Cao,Mgo,Fe2o3等吸收了部分的H2S，这个过程中H2S的去除的比例会因煤炭本身所含成分不同而有所不同。一般在可在50%70%之间。在经过两次脱硫后煤气中的硫含量一般可达到国标范围内。2. 3.煤气脱硫净化系统示意图本系统脱硫过程如图1：图1 XR型制气炉煤气脱硫示意图3 . 煤气化的炉外脱硫介绍煤气化炉外的脱硫方法按物料形式可分成湿法脱硫工艺和干法脱硫工艺。湿法脱硫工艺中的脱硫剂呈液体状态，便于输送，易构成一个连续循环的脱硫工艺流程。因此，一般湿法脱硫工艺适用于高效大容量地对煤气进行脱硫处理。而干法脱硫则有硫容量高、反应速度快、可回收利用、价格低等优势，一般在精脱硫后做脱硫处理。3.1.脱硫塔湿法脱硫本工艺所采用的湿法（火碱）脱硫，属于化学脱硫，并在系统中加入了物理脱硫的方法，以达到最终以单质硫（硫磺）加以回收的目的。采用有机溶剂为吸收剂，加压吸收H2S，再减压将吸收的H2S释放出去，吸收剂进行循环使用，通过碱液的氧化使硫化氢氧化为单质硫。本工艺是用氢氧化钠（NaOH）溶液作为脱硫剂，具有脱硫产物易于回收，脱硫效率一般能达到90%95%之间等优点。烟气经除尘后，通过精脱硫塔入口从中部进入塔体，在塔内与溶液发生化学反应（2NaOH +H2S=Na2S+2H2O），需添加的氢氧化钠溶液由火碱泵输送至精脱硫塔，整个流程中脱硫效率高，能将气化炉中产生的大部分H2S脱离。3.1. 1.脱硫剂简介烧碱溶液是一种无色，氧化性强的透明液体，化学性质较活泼，有一定的腐蚀性。NaOH对、CO2、H2S等酸性气体都有较强的溶解能力，尤其是在低温下其溶解性更大，对H2、N2、CO、CH4和NO等气体在其中的溶解性甚微，且温度对她们的溶解度影响也不大。因此通过此法可以从粗煤气中有选择性地吸收H2S、COS和CO2等。在本项目的洁净燃气制气系统中的湿法脱硫技术中，采用了应用较为广泛的是栲胶脱硫法。它是以纯碱作为吸收剂，以栲胶为载氧体，以NaVO2为氧化剂。 3.1.2. 脱硫再生原理其脱硫及再生反应过程如下：(1)吸收： 在吸收塔内原料气与脱硫液逆流接触硫化氢与溶液中碱作用被吸收： H2S+Na2CO2=NaHS+NaHCO2 (2)析硫： 在反应槽内硫氢根被高价金属离子氧化生成单质硫： NaHS+NaHCO2+2NaVO2=S+Na2V2O2+Na2CO2+H2O 3)再生氧化 在喷射再生槽内空气将酚态物氧化为醌态： 2HQ+1/2O2=2Q+H2O 以上过程按顺序连续进行从而完成气体脱硫净化。另有资料和实验证实，在酚被氧化为醌的同时有双氧水生成，故再生氧化也可按下式表达： 2HQ+O2=2Q+H2O2生成双氧水 H2O2+V+4=V+5+H2O HS_+V+5=S0+V+43. 2 .脱硫塔干法脱硫本工艺采用的干法脱硫，用活性氧化铁（Fe2O3H2O）作脱硫剂。当含有硫化氢的煤气通过脱硫剂时，硫化氢与活性氧化铁接触生成硫化铁和硫化亚铁。含有这种铁的硫化物的脱硫剂与空气的氧接触，在水分存在的条件下，铁的硫化物又转化成为氧化铁和单体硫。工程设计中考虑了可以同时进行脱硫和再生的过程，并可循环进行多次。这种脱硫方法工艺简单，成熟可靠，脱硫效率达到95%98%之间。3. 2.1.脱硫剂的技术参数TC-10X型氧化铁常温高效脱硫剂是最新开发的一种适应性很强的新型高效氧化铁脱硫剂。该脱硫剂是以铁、锰盐及其氧化物为基本原料，经化学合成为活性氧化物，并添加助剂和粘结剂成型为条状脱硫剂。具有硫容大，阻力小，净化度高，耐水性好等特点，用于化肥、化工、石化、煤化工等工业原料及工艺气体中脱除硫化氢。如天然气、水煤气、半水煤气、碳化气、变换气、焦炉气、液化气、沼气、CO2以及城市煤气等含