（化学工程专业论文）恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 煤气化是煤炭洁净利用技术的重要组成部分，在我国能源战略中占有举足轻重的作 用。本文综述了煤气化技术的现状及发展趋势，对煤气化技术的原理进行了阐述，概括 介绍了固定床、流化床和气流床三种不同煤气化技术的特点，并对鲁奇炉、德士古炉、 壳牌炉、恩德炉等几种常用气化炉的性能做了比较，重点介绍了恩德粉煤气化炉的发展 历史、特点及应用现状，认为恩德粉煤气化技术具有自己独特的优势，是国内实力比较 薄弱的合成氨企业进行技术改造的适宜技术。 恩德粉煤气化技术因其具有投资省，建设周期短，能使用低价褐煤、运行费用低、 可操作弹性大等优点，被国内中型合成氨企业广泛采用。本文对该技术在国内合成氨企 业应用过程中存在的不足进行了分析，对已将该技术应用于合成氨生产的企业遇到的问 题及改进情况进行了介绍。但该技术存在的甲烷含量偏高、有效气含量偏低、操作不慎 易造成结疤等问题，仍困扰着应用它的企业，给生产造成瓶颈。 黑化集团有限公司的恩德粉煤气化炉，是为了解决用原有的固定床富氧气化炉生产 煤气时成本高、产量低的问题，于2 0 0 3 年1 1 月建成投产，现已运行4 年多。因其生产 的半水煤气中有效气组分含量偏低，造成后续合成氨生产系统一直不能够达产。本文通 过对黑化恩德粉煤气化炉实际运行中历史数据的分析，找出对有效气含量造成影响的各 种因素及影响规律，通过系统考察恩德炉的气化温度、压力、氧煤比、气汽比及气化 剂组成等因素对有效气含量的影响，提出采用纯氧气化是提高恩德炉半水煤气中有效气 ( c o + h 2 ) 含量的有效方法；通过理论分析找出恩德炉纯氧气化生产半水煤气对恩德炉 本体及后续合成氨生产的影响因素，经过衡算，确定对后续合成氨系统进行针对性改造 的方案；通过对纯氧气化实际运行数据的分析，找出恩德炉纯氧气化生产半水煤气的最 佳操作参数为：操作温度9 6 0 9 9 0 、操作压力l o k p a 1 5 k p a 、氧煤比0 4 4 ，气 汽比1 0 4 ，为实际操作提供依据和指导。 黑化采用恩德粉煤气化炉以纯氧气化生产半水煤气应用于合成氨生产，取得了良好 的运行效果和经济效益，可以为相关领域提供借鉴。 关键词：恩德炉；粉煤气化；有效气含量；优化操作 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 d i s c u s sio no np u r eo x y g e ng a s i f i c a t i o np r o c e s so f e n d ep u l v e r i z e dc o a lg a s i f i e r a b s t r a c t c o a lg a s i f i c a t i o ni sak e yi s s u eo fc l e a nc o a lt e c h n o l o g y i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n o u rc o u n t r y se n e r g ys t r a t e g y i nt h i sp a p e r , p r e s e n ts t a t u sa n df u t u r ed e v e l o p m e n to fc o a l g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sr e v i e w e d t h ep r i n c i p l eo fc o a lg a s i f i c a t i o ni sd e s c r i b e d m a k i n ga s u m m a r yo ft h et e c h n i c a lf e a t u r e so ft h r e eg a s i f c a t i o nt e c h n o l o g y ，f i x e db e d ，f l u i d i z e db e d a n de n t r a i n e d - f l o wb e d ac o m p a r a t i o no fg a s i f i e rf e a t u r e sa b o u tl u r g i ，t e x a c o ，s h e l la n d e n d ei sg i v e n d e v e l o p i n gh i s t o r y , c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o ns t a t u so fe n d ep u l v e r i z e dc o a l g a s i f i c a t i o na r em a i n l yi n t r o d u c e d e n d ep u l v e r i z e dc o a lg a s i f i c a t i o nh a st h eu n i q u ea d v a n t a g e ，i ti s t h ee f f e c t i v em e t h o df o rd o m e s t i ca m m o n i as y n t h e t i cp l a n tt or e f o r mt h eo l dt e c h n o l o g y e n d ep u l v e r i z e dc o a l g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sw i d e l ya d o p t e db yt h ea m m o n i a s y n t h e t i cp l a n ti no u rc o u n t r y ，d u et oi t ss h o r tc o n s t r u c t i o nt i m ea n dl o wp r i c ec o a l ss u c ha s l i g n i t ec a l lb eu s e d i nt h i sa r t i c l e ，t h ep r o b l e m st h e ym e e t sw h e nt h e yu s et h i st e c h n o l o g yi s a n a l y s i s e d ，a n dt h ei m p r o v e m e n tc a r r i e do nb yt h ea m m o n i as y n t h e t i ce n t e r p r i s ei si n t r o d u c e d b u ts t i l lt h e r ea r es o m eq u e s t i o n ，s u c ha sh i g hm e t h a n ec o n t e n t ，l o we f f e c t i v eg a sc o n t e n ta n d e a s yt os e a l w h e no p e r a t i o ni si n c o r r e c t t h i sp r o b l e m sa r et h eb o t t l e n e c kt ot h ep r o d u c t i o n ， a n dp u z z l e dt h ee n t e r p r i s ew h ou s ei t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fh i g hc o s ta n dl o wp r o d u c t i o n ，h e i l o n g j i a n gh e i h u a g r o u pc o l t d b u i l tt h ee n d ep u l v e r i z e dc o a lg a s i f i e rt oi n s t e a do ft h ef i x e db e do x y g e n - r i c h g a s i f i e r t h en e wd e v i c ep u ti n t oo p e r a t i o ni nn o v e m b e r2 0 0 3 m o r et h a n4y e a r s ，b e c a u s eo f t h ee f f e c t i v ec o m p o n e n ti ns e m i h y d r o - c o a lg a si s l o w ，t h ef o l l o w i n ga m m o n i as y n t h e t i c s y s t e mc a l ln o tr e a c hs t a n d a r i nt h i sp a p e r ，t h eh i s t o r i c a lo p e r a t i o nd a t ao ft h ee n d ep u l v e r i z e d c o a lg a s i f i e ri sa n a l y s i s e dt oi d e n t i f ya l lf a c t o r sa f f e c t i n ge f f e c t i v eg a sc o n t e n ta n df i n dt h e r u l et og u i d et h es y s t e mo p e r a t i o n b yi n s p e c t i n gt h ef a c t o r s ，s u c ha so p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ， p r e s s u r e ，o x y g e n c o a lr a t i o ，0 2 h 2 0r a t i oa n dt h ec o m p o s i t i o no fg a s i f y i n ga g e n t ，e c t ，t h a t i n f l u e n te f f e c t i v eg a sc o n t e n t ，p r o p o s a lt h a tt h eg o o dw a yt oi n c r e a s et h ee f f e c t i v eg a s ( c o + h 2 ) c o n t e n ti ns e m i - h y d r o - c o a lg a si st ou s i n gp u r e o x y g e ng a s i f i c a t i o n t of i n do u tt h e f a c t o r s i n f l u e n c i n gt h eg a s i f i e rm a i nb o d ya n dt h ef o l l o w i n ga m m o n i as y n t h e t i cs y s t e mw h e ne n d e r p u l v e r i z e dc o a lg a s i f i c a t i o nw o r ki np u r eo x y g e ng a s i f i c a t i o n ，c a l c u l a t i o ni sm a d et od e t e r m i n eh o wt o r e f o r mt h ef o l l o w i n ga m m o n i as y n t h e t i cs y s t e m ；d a t ao fe n d ep u l v e r i z e dc o a lg a s i f i e ri np u r e o x y g e ng a s i f i c a t i o ni sa n a l y s i s e d ，g i v i n gt h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e t e ri s ：o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei s9 6 0 c i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 9 9 0 c ，p r e s s u r ei sl o k p a - 1 5 k p a , o x y g e n c o a lr a t i oi s0 4 4 ，0 2 h 2 0r a t i oi s 1 0 4 t h er e s u l t p r o v i d e st h eb a s i sa n dt h ed i r e c t i o nf o rt h ea c t u a lo p e r a t i o n i nu s eo ft h i sk i n do fc o a lg a s i f i e rt op r o d u c es e m i - h y d r o c o a lg a sb yp u r e o x y g e n g a s i f i c a t i o na n da p p l yf e e dg a st oa m m o n i as y n t h e t i c ，h e i l o n g j i a n gh e i h u ag r o u pc o l t d h a sm a d eag o o dp r o g r e s sa n de c o n o m i cb e n e f i t s ，m a yp r o v i d ear e f e r e n c ef o rr e l a t e d f i e l d s k e yw o r d s ：e n d eg a s i f i e r ；p u l v e r i z e dc o a lg a s i f i c a t i o n ：e f f e c t i v ec o m p o n e n t ：o p t i m a l o p e r a t e - i i i 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：兰翌! 壁年且月宝乏一日 日期：圭箜! 堑年旦月二三互日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 煤炭在世界能源储量中约占7 9 ，石油与天然气占1 2 。因此，煤炭利用技术的研 究是未来能源战略的技术储备。在众多的煤炭利用技术中，研究煤炭气化技术，对于 促进能源的综合利用、改善当前资源紧缺状况并减少煤炭燃烧带来的环境污染具有重 要意义n3 ，可以说煤气化是实现煤清洁利用的最有效途径北3 ，也是煤化工发展的重 要工艺过程。2 0 世纪中叶，发达国家花费了大量的人力物力进行煤气化技术的研究、 开发与应用，主要应用领域包括发电、燃料气、合成气等。 我国合成氨与甲醇工业经历多年的发展，目前采用的原料有煤、天然气、重油等 多种。我国是一个资源和能源相对匮乏的国家，与石油和天然气相比，煤炭资源相对 丰富( 地质储量估计达3 2 0 0 0 多亿吨，几乎可占世界总量的五分之一) ，煤炭在我国 一次能源消费中占7 5 左右，这就决定了我国的能源结构是以煤炭为主，从而也决定 了煤在国内合成氨和甲醇工业原料中占据主导地位。这其中褐煤占我国煤炭总储量的 1 7 口1 ，因此开发、引进和应用适用的煤气化技术，特别是如何充分、有效、合理地 利用低阶煤显得尤为重要。国家发改委、科技部已将“发展褐煤气化技术，利用褐煤 生产甲醇等化工产品”列为2 0 0 7 年颁布的中国节能技术政策大纲。 张东亮h 1 周夏嗨3 等认为我国煤气化工艺的发展方向应根据具体煤种特征、煤气 用途、资金状况和建设规模以及环保要求等方面进行细致分析和综合考虑来选择适宜 的气化工艺，并遵循如下选择原则： 煤适应性要宽，对粒度、灰熔融性温度等限制不应太严； 气化效率( 含碳转化率、有效气含量、冷煤气效率) 要高，氧煤单耗要低； 零污染或低污染： 气化强度要高，能达到装置大型化、过程自动化的要求。 随着全球石油资源的短缺和油价的攀升，以油为原料生产合成氨的企业纷纷考虑 新的原料路线，出现了油改煤的热潮。许多合成氨企业在综合考虑设备投资、原料来 源、成本、气化效率以及环保、煤气后处理等多种因素后，选择和应用了恩德粉煤气 化技术印7 】。该技术是在温克勒气化炉的基础上改进形成的新型粉煤气化技术，其优 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 势是投资低、能使用褐煤、长焰煤等低价煤制气口3 。 黑龙江黑化集团有限公司生产1 5 万吨合成氨、联产3 万吨甲醇，2 8 万吨尿素系 统，原设计采用以焦炭为原料的固定床富氧连续气化工艺。因原料消耗高、能源利用 率低等缺点，加之原料焦炭价格大幅上扬，致使尿素成本居高不下而被迫停产。为此 公司决定改焦炭造气为煤造气，选用的恩德炉粉煤气化装置于2 0 0 3 年1 2 月建成投产。 经过近五年的生产运行和技术改造，目前运行良好，并积累了较丰富的实际操作经验。 黑化集团地处嫩江平原，西部有内蒙的大雁，免渡河、伊敏等煤矿。用恩德炉粉 煤气化技术生产合成氨原料气，可以充分利用原料优势，以降低成本，是国内以低价 褐煤为原料生产合成氨的一个范例。 本文通过对恩德粉煤气化炉在黑化的运行情况进行分析，总结运行规律，为相关 领域提供借鉴和参考。通过分析气化温度、压力对煤气组成的影响，0 2 煤比、蒸汽 煤比、气汽比对有效气含量的影响，得出提高入炉富氧空气中氧浓度，是提高恩德炉 运行效率的最佳手段；就恩德炉采用纯氧气化后，半水煤气组分含量的变化对后续合 成氨系统运行的影响进行分析与衡算，验证恩德炉采用纯氧气化生产合成氨原料气的 可行性，并找出最佳操作参数，为实际操作提供依据和指导。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 恩德粉煤气化技术发展现状 1 1煤气化技术的现状及发展 1 1 1 煤气化的基本概念和气化原理 煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与碳同气化 剂( 如水蒸汽、空气、氧气等) 发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有c 0 、h z 、 c h 4 等可燃气体和c 0 ：、n ：等非可燃气体的过程。 气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变 为气、固、液三相产物的过程，热解析出的挥发分包括煤焦油、油、酚和某些气相碳 氢化合物：析出挥发分后的固定碳与气化剂发生反应生成c o 、c 0 ：和c h 。等气体；同时， 挥发分与氧之间还会发生反应，最终形成粗煤气。 煤的气化和燃烧反应包括两种反应类型，即非均相气一固反应和均相的气相反 应。主要反应方程式如下睁1 2 ，： ( 1 ) 非均相反应( 气固) c + 1 2 0 2 = c o( 部分燃烧) c + 0 2 = c 0 2( 完全燃烧) c + c 0 2 = 2 c o( 还原反应) c + h 2 0 = c o + h 2 ( 水煤气反应) c + 2 h 2 0 = c 0 2 + 2 i - 1 2 c + 2 h 2 = c h 4 ( 甲烷化反应) ( 2 ) 均相反应( 气气) c o + h 2 0 = c 0 2 斗h 2( 氢化反应) c o + 3 h 2 = c h 4 + h 2 0 ( 甲烷化反应) h 2 + 1 2 0 2 _ h 2 0( 气相燃烧反应) a h = 一1 2 3 1 k j m o l ah = 一4 0 8 6 k j m o l a h = 1 6 2 k j m o l a h = 1 1 8 7 k j m o l h = 一8 9 8 k j m o l ah = 一8 6 3k j m o l h = 一4 1 2k j m o l a h = 一2 0 5 0k j m o l ah = 一2 4 1 2k j m o l ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 以上反应中，式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 为碳的不完全燃烧和完全燃烧反应，其作用是 为式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 这两个主要的气化反应提供热量，其中( 1 3 ) 为c 0 2 的还原反 应，产物为c o ；( 1 4 ) 为水煤气反应，产物为c o 和h 2 。这两个反应是可逆的吸热反 应，提高温度可加快反应速度，并提高反应平衡转化率。式( 1 6 ) 、( 1 8 ) 为两个 甲烷化反应，( 1 7 ) 为氢化反应，这三个反应虽不主要，但会对最后的煤气成分产 生影响。 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气化用 煤的特性及其影响极为重要。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、 热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。 1 1 2 煤气化技术的分类和衡量气化炉的性能指标 ( 1 ) 煤气化技术的分类 煤炭气化是在气化炉内进行，气化工艺可按压力、气化剂、气化过程、供热方式 等进行分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，目前技术相对成熟、 已经被广泛采用的煤气化工艺主要有固定床、流化床和气流床三种h 1 3 q 朝： 固定床( 移动床) - 煤与气化剂逆流接触煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化 炉底部加入，相对于气体的上升速度而言，煤的下降速度很慢，甚至可视为固定不动， 故称之为固定床，但实际上，煤在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，故称其为 移动床气化。常见有间歇式气化( u g i ) 和连续式气化( 鲁奇l u r g i ) 2 种。 流化床( 沸腾床) 一煤与气化剂并逆流接触它是以粒度为o r n m l o r n r n 的小颗 粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气 化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。常见有温克勒 ( w i n k l e r ) 、灰熔聚( u g a s 、a f b ) 、循环流化床( c f b ) 等。 气流床一并流气化用气化剂将粒度为l o o u m 以下的煤粉带入气化炉内，也 可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气 化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。典型工艺有t e x a c o 水 煤浆气化n 阳、s h e ll 干粉煤气化n 7 1 和g s p 加压气流床n 羽气化。 ( 2 ) 衡量气化炉性能的指标 衡量气化炉性能的技术指标包括煤种适应性、负荷适应性、单台炉的容量( 日处 理量或年处理量) 、煤气含尘量、煤气中有害物质的可去除性、气化炉关键部件寿命 等等。此外，能量指标也是衡量气化炉性能的重要指标，主要包括： 碳转化率表示煤中所含的碳元素在气化炉中转化为煤气成分的百分数。其 定义为：碳转化率= 转化成煤气成分的碳量煤中的碳量。目前性能良好的气化炉的 碳转化率可达9 9 以上。 冷煤气效率冷煤气效率= 所生成煤气的化学能气化用煤的化学能 若按低位发热量为依据进行计算，目前性能良好的气化炉的冷煤气效率已达到8 0 以上。对于c - h ：0 - 0 ：、c c 0 2 一o 。、c - h 。o 一空气这三个体系，其冷煤气效率呈依次降低 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的趋势，因此，纯氧蒸汽气化是煤气化未来发展方向。冷煤气效率还随蒸汽过剩系数 与煤气出口温度的提高而降低n 射。 热煤气效率热煤气效率= ( 所生成煤气的化学能+ 在气化炉产生蒸汽时所利 用的热能) 气化用煤的化学能 目前性能良好的气化炉的热煤气效率可达9 1 - 9 5 。 能量转化效率能量转化效率= ( 所生成煤气的化学能+ 煤气燃烧前的物理 焓+ 在气化炉产生蒸汽时所利用的热能) 一( 气化用煤的物理焓+ 供气化炉的气化剂的 物理焓+ 供煤气净化系统用的蒸汽和水的焓) 气化用煤的化学能 1 1 3 几种常用典型气化炉及其在合成氨生产中应用情况介绍 ( 1 ) 固定床间歇式气化炉( u g i ) 该技术是上世纪3 0 年代引进我国的，以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水 蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术虽然投资少，容易操作， 但其气化率低，原料单一，能耗高，间歇生产过程中，大量吹风气排空( 每吨合成氨 吹风气放空多达5 0 0 0 m 3 ) ，放空气体中含c o 、c 0 2 、h 2 、h 2 s 、s 0 2 、n o x 及粉灰， 煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。该技术目前已 属落后的技术，但在我国的合成氨及工业煤气行业中仍普遍应用，随着能源政策和环 境的要求越来越高，会逐步为新的煤气化技术所取代。 ( 2 ) 加压鲁奇炉 该技术是典型的加压固定床气化技术，上世纪3 0 年代德国鲁奇( l u r g i ) 公司开 发成功此后在世界各国得到广泛应用。技术成熟，能利用高灰分煤和一定粘性的煤， 在2 4 1 m p a 压力下运行，单台生产能力达日处理上千吨煤。缺点是气化炉结构复杂、 炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；出炉煤气中甲烷含 量高( 8 1 0 ) ，且含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多。 加压鲁奇炉主要用于生产城市煤气，用于生产合成气的较少，如山东鲁南化肥厂、渭 河化肥厂、上海焦化厂n 们等。 ( 3 ) 温克勒气化炉 是典型的流化床技术，其优点是生产能力大，结构简单，可用小颗粒煤，煤气中 无焦油等，其缺点是只能利用高活性褐煤，排灰含碳多，飞灰带出碳损失严重，致使 碳转化率低，而且设备庞大。造成本工艺主要缺点的原因是操作温度和压力偏低，为 此开发了新的流化床技术高温温克勒( h t w ) 及灰熔聚气化( u - g a s 和k r w ) 及恩德粉煤 气化工艺等。 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 ( 4 ) 灰熔聚流化床( u - g a s 、k r w 、a f b ) 粉煤气化技术 该技术是常规流化床的一种改进。它的基本原理是应用射流技术在流化床浓相 段中央建立一局部高温区，中心温度达至u 1 2 0 0 左右，炉壁温度1 0 0 0 1 1 0 0 ，不仅 气化炉平均温度高，可气化烟煤，而且生成灰熔聚颗粒物，容易与半焦分离，从而使排 灰碳含量降低，目前仅用于2 0 0 0 0 t y 以下小氮肥厂。 ( 5 ) t e x a c o 水煤浆气化工艺 是具有代表性的第二代煤气化工艺。t e x a c o 气化炉采用氧气作气化剂，炉膛中心 部位的火焰温度很高，离开气化炉的热煤气的温度高达1 0 0 0 以上。这种气化炉的优 点是：反应速率高，单炉容量大，煤种适应性广，碳的转化率高，煤气有效成分高， 特别适合用作合成气；水煤浆制备输送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率 高，投资省；三废排放有害物质少。缺点是：热回收系统复杂、负荷适应性差、控制 技术要求高；因汽化煤浆中的水量要耗去入炉煤热值的8 ，比干煤粉为原料氧耗高 1 2 - - 一2 0 ，所以效率比较低，且对煤灰熔融性要求高，我国大多数煤不适合，需加助 熔剂；气化炉内衬耐火砖、喷嘴使用寿命短，需要备炉，不适宜长时间在低负荷下运 行1 钔。 为了降低氧耗，提高冷煤气效率，在t e x a c o 气化技术基础上发展起来的d e s t c c 气 化法，增加二段水煤浆进料，气化炉出e l 温度降到1 0 3 8 - - - 1 0 5 0 n 6 捌，次烟煤气化 冷煤气效率达到7 7 。但这种炉型适合于生产燃料气而不适合于生产合成气。 ( 6 ) s h e l l 气化炉 采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低1 5 ；碳转化率高，可达9 9 ，煤耗比水煤浆 低8 ：调解负荷方便；炉衬为水冷壁，据称其寿命为2 0 年，喷嘴寿命为1 年。单台 炉能力大；环境友好。主要缺点：气化炉及废热回收锅炉结构过于复杂，加工难度加 大，尚未国产化，设备投资大于水煤浆气化技术。仅有废锅流程，使所产煤气中氢碳 比约0 5 ，氢碳比太低。而生产甲醇所需氢碳比应超过2 ，生产合成氨要求全部c 0 进 行变换，因此从气体成分角度考虑，该技术不适合生产甲醇和合成氨等化工产品，因 此普遍用于整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电。 ( 7 ) g s p 加压气流床气化技术盟1 1 属于干湿两栖气流床气化技术，它融合了t e x a c o 。和s h e l l 技术优点，代表着未 来气流床加压气化技术的发展方向。但该技术加料过程复杂，环节多，输送过程易发 生堵塞，影响装置运行，且投资较高；灰水处理没有独立完整的技术体系支撑；气化 压力低，浮动范围小，与湿法技术相差大；工业化运行装置太少，实际经验浅薄。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 各种气化工艺对煤质的要求，见表1 1 。 表1 1 各种气化工艺对煤质的要求 t a b 1 1c o a lq u a l i t yd e m o n do fv a r i o u sg a s i f i c a t i o np r o c e s s 几种气化工艺的技术指标比较，见表1 2 表1 2 几种气化工艺的技术指标比较 t a b i 2d i f f i r c n tt e c h n o l o g yi t e mo fv a r i o u sg a s i f i c a t i o np r o c e s s 几种气化工艺的操作特性比较，见表1 3 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 表1 3 几种气化工艺的操作特性比较 t a b 1 3d i f f e r e n tf e a t u r e so fv a r i o u sg a s i f i c a t i o np r o c e s s 几种气化炉的投资比较，见表1 4 。 表1 4 几种气化种气化炉的投资比较 t a b 1 4i n v e s t e r m e n to fv a r i o u sg a s i f i c a t i o np r o c e s s 几种气化技术吨氨能源消耗比较，见表1 5 。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 5 几种气化技术吨氨能源消耗比较 t a b 1 5d i f f e r e n te n e r g yc o n s u m p t i o no f v a r i o u sg a s i f i c a t i o np r o c e s s 1 1 4 流化床煤气化过程及特点 ( 1 ) 流化床煤气化过程 在流化床( 沸腾床) 粉煤气化过程中，气体以某种速度通过颗粒床层，使颗粒物 料悬浮起来，并保持连续的运动状态，便出现了颗粒床层的流化。 流化床与移动床不同，但仍有氧化层和还原层，氧化层高度约为8 0 m m - 、一1 0 0 m m ， 还原层在氧化层的上面且一直延伸到全料层的上部界限。在流化床内，由于颗粒呈沸 腾状的上下运动，使整个床层的温度较为均匀。对大部分煤来说，灰分开始软化的温 度为1 0 5 0 1 1 5 0 ，为了避免结渣，流化床的操作温度经常维持在8 5 0 - - - 9 0 0 。 在这个温度下，只能用反应性好的褐煤为气化原料，才能获得质量较好的煤气。流化 床由于颗粒混和充分，灰分难以分离，排出物中不可避免地含有可燃组分。另外送入 流化床的煤粒，迅速地分布于炽热颗粒之间而受到突然的加热。燃料的干燥和干馏是 在反应层中进行的，因而燃料受到充分均匀的加热，挥发分的分解完全，使煤气中甲 烷和酚类很少，不含焦油。入炉燃料中有一部分细小颗粒以及气化过程中颗粒不断缩 小的煤粒会以飞灰的形式被带出燃料床，这些未气化的燃料损失相对量较大，所以有 必要在流化床上部空间引入二次风，使它们燃烧气化。 许多新开发的气化方法都是采用加压流化床的形式。单从平衡角度考虑，加压有 利于甲烷化反应的发生，所以会增加甲烷含量，但在加压下，可大大减少后续合成氨 或甲醇的压缩动力和费用，并减小了设备尺寸，有利于煤气化装置的大型化。加压下 床层带出物量也大为减少。加压气化，代表了煤气化的一种发展方向，但对气化炉的 材质与机械问题也提出了更高要求，意味着投资费用的提高。 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 ( 2 ) 流化床粉煤气化的特点 流化床粉煤气化的工艺普遍具有如下特点口幻： 原料利用率高可充分利用机械化采煤得到的直径小于8 m m 的细颗粒粉煤。 所采用的煤种宽焦粉、无烟煤、贫煤、瘦煤、褐煤、洗中煤、焦煤等，基 本涵盖我国各地的煤种。 床内气固接触良好，气化反应强度高气化炉内气化剂与固体原料接触迅速、 充分，促进气化床温度分布均匀、传热反应强烈，使热效率和气化反应强度提高。 碳转化率高由于采用粉煤为原料，颗粒物料细，比表面积增大，利于气化 反应进行；原料循环利用，提高了原料的转化率。 环保效果好，污水易于处理因操作温度高，煤气中基本不含焦油、酚、氰 化物，没有废气排出。 气化剂可用纯氧或富氧空气，纯氧时生成煤气中c o + h ：含量高。 煤气中粉尘含量偏大，给后系统除尘增加难度。 煤气中甲烷含量相对固定床气化技术偏高，如果用于合成氨，需进一步降低 甲烷含量。 1 2 恩德粉煤气化炉的基本情况眨3 吨铂 1 2 1恩德粉煤气化炉的发展历程 上世纪初叶，德国温克勒式气化炉得到世界范围内较普遍的应用，5 0 年代初我国 和朝鲜同时引进温克勒炉，我国由于变换气源改变工艺路线而弃置，而朝鲜一直延用 至今。温克勒气化炉有两个突出的问题，一个是炉底设置的用于分布气化剂和排渣的 炉篦在生产过程中经常会出现局部高温、结渣、偏炉，造成停车处理，减少运行时间， 同时不敢提高炉温也限制了炉子的生产能力；另一个问题是炉上气道带出物过多，原 料中碳的利用率过低。 恩德粉煤气化技术是朝鲜恩德“七七联合企业对原温克勒炉作了多项改造形 成的具有自己特点的实用新型粉煤气化技术，已有3 0 多年使用历史。该技术成熟可 靠，产品已系列化，单炉生产能力可达4 0 0 0 0 m 3 h ，设备已完全实现了国产化。 与温克勒炉相比，恩德粉煤气化炉主要做了以下三点改进： 喷嘴布风将温克勒炉的底部改为锥体结构，一次风喷嘴代替原有的布风炉 篦，解决了底部结渣、偏流问题，使煤粉均匀沸腾，从而提高了气化炉运行的稳定性， 使炉的运转率可达9 0 以上。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 煤气带出物循环回炉在炉体中上部增设二次风喷嘴，使从床层下部夹带的 细粒粉煤进一步气化，并使原料在炉底下部产生的挥发分，进一步裂解成甲烷等煤气 组分；在煤气出口增加了旋风分离器和返料装置，将煤气中的粗颗粒飞灰返回炉内参 加反应，减少了煤气中粉尘带出，降低了残渣含碳量( 降低到2 0 以下) ，提高了煤的 利用率和气化过程的整体碳转化率。 将废热锅炉位置移到旋风除尘器后，减轻了炉内带出物对废热锅炉炉管的磨 l 口 狈。 1 2 2 恩德粉煤气化炉的技术特点 ( 1 ) 恩德粉煤气化炉的主要技术特点 单炉气化强度大于固定层煤气发生炉由于流化床的气固相接触好，加强了 热传导和热交换，强化了传热过程，使气化强度变大。一台中5 m 的炉子煤气产量可达 4 0 0 0 0 m 3 h 以上( 折合成标准状态合成气，相当于9 万t a 合成氨) 。 原料煤来源丰富，价格低廉恩德炉适用煤种丰富，主要有长焰煤、褐煤、 不粘或弱粘煤，原料价格相对低廉，与固定层煤气发生炉使用的焦炭或块煤相比，使 煤气制造成本显著降低。 净化系统工艺简单恩德炉气化过程中，床层温度约为9 0 0 - - - 1 0 5 0 ，且 温度分布均匀。因此，气化过程中因煤炭热解而产生的焦油及其他重质碳氢化合物的 裂解比较完全，使得出炉粗煤气中焦油、酚类等物质含量相当低，从而简化了煤气净 化系统，同时也减少对环境的污染。 操作弹性大，运行可靠气化炉生产负荷可在设计负荷的4 0 - 一11 0 范围内调 节，开、停机操作方便。如需停炉，可停供氧气、煤和蒸汽，在几分钟内即可停炉。 维修工作量少气化炉由内衬耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成，因此不 需太多的维修保养，可获得较高连续运转率。废热锅炉在旋风分离器之后，减少了煤 气中夹带的粉尘对炉管的磨损，延长了废热锅炉的寿命和检修周期。 自产蒸气量大由于粗煤气温度很高，因此，利用废热锅炉回收煤气中的余 热，提高了气化过程的整体热效率。 煤气生产成本低，气化效率高可使用o m m 一- l o m m 褐煤、长焰煤、不粘煤或弱 粘煤，原料来源丰富，成本较低，所以制气成本明显降低。气化炉的气化效率可达6 5 ， 介于固定床煤气化工艺和德士古水煤浆气化工艺之间，与加压鲁奇炉相当。有效气含 量高，c o + h 。达6 5 - - 一7 0 ，甲烷含量 1 2 5 0 ) 。由于炉内停留时间较固定床短，要求煤的低温反应活性好，对原料煤的 粘性等指标要求也较严格。目前满足要求的煤种主要分布在吉林、内蒙古、广西、云 南、河南义马等地，因此该造气方式由于原料的限制在较大程度上影响了它的推广， 是该炉型一个较主要缺陷。另外为防止堵塞，入炉煤水份含量应小于8 ，对水含量较 高的原料煤要设计粉煤干燥系统。 目前单炉最大产气能力为4 0 0 0 0 m 3 h ，为常压气化方式，在取代国内普遍应 用的固定床间歇气化造气炉方面有较大优势，但该炉型在装置的大型化方面受到一 定限制。 1 2 3 恩德粉煤气化技术在我国的应用情况伍阳 我国多数中型氮肥厂是以煤和无烟煤焦为原料，采用固定床常压间歇气化或固定 床富氧连续气化技术，装备落后。随着煤炭资源的极度紧张，焦炭价格持续飙升，使 众多中氮企业的生产成本直线上升，面临巨大的生存压力。而德士古水煤浆加压气化 和壳牌粉煤气化工艺其技术虽先进，但装置一次性投资很大，需要达到一定规模和经 济实力雄厚的企业才能承受。恩德粉煤气化技术具有的独特性和投资省、建设周期短、 能使用价格相对低廉的褐煤等特征，很好地填补了固定床气化工艺和德士古、壳牌气 化工艺之间的空间，被国内一些企业看中。该项煤气化技术由抚顺恩德机械有限公司 于上世纪9 0 年代引进中国，并于2 0 0 1 年在江西景德镇建成投产，规模为1 0 0 0 0 m 3 1 1 的制空气煤气代替部分焦炉回炉煤气的生产装置，随后又有黑龙江黑化集团有限公 司、吉林长山化肥集团有限公司、安徽淮化集团有限公司的恩德炉煤气化装置相继建 成投产，用于生产合成氨原料气。目前已在国内应用的有1 8 套装置，其中有7 套以 上用于生产合成氨，且已有较丰富的使用和运行经验。 恩德粉煤气化炉在我国的应用情况，如表1 6 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 6 恩德粉煤气化炉在我国的应用情况 t a b 1 6d o m e f i ca p l i c a t i o no fe n d cp u l v 池dc o a lg a s i f i e r 1 2 4 恩德炉粉煤气化原理及工艺流程瞻7 3 卜矧 煤的气化是用空气、氧气、水蒸汽和二氧化碳等气化剂与煤中的可燃物在高温下 反应，生成可燃气体的过程。该过程伴随着煤的快速热解释放出挥发分，得到固体产 物半焦，随后发生煤焦和气化剂的反应等。 在恩德炉中发生的主要化学反应为碳的不完全燃烧和完全燃烧反应、c 0 2 的还原 反应及水煤气反应，反应式即： c + 1 2 0 2 = c o a h = 一1 2 3 1 l ( j m o l ( 1 1 0 ) c + 0 2 = c 0 2 a h = 一4 0 8 6 1 【j m o l ( 1 1 1 ) c + c 0 2 = 2 c o a h = 1 5 9 9 k j m o l ( 1 1 2 ) c + h 2 0 = c o + h 2 a h 1 1 8 7 l ( j m o l( 1 1 3 ) 恩德炉是以富氧空气+ 水蒸汽做为气化剂，由设在加煤口下部的喷嘴向炉内喷入， 实现了粉煤的充分流化，并呈沸腾状。在气化炉下部为氧化层，主要发生挥发分的逸 出、燃烧及c 、h 2 的氧化反应，中部是混合反应区，中部以上为还原区，主要是水蒸 汽的还原反应。 燃烧反应所放出的热量积蓄于炉内，当积蓄的热量达到制造半水煤气所需的温度 时，蒸汽与炽热的碳进行反应而生成c o 矛h h 2 。c o 与h 2 作为有效气是合成氨的原料气。 但是恩德炉内的反应界区并不明显，沸腾使气化剂与煤粉充分接触，气一固之间的传 热速率和传质速率较高，因而固体在床层中的混合接近于理想混合反应器中的状态， 气化在没有显著的温度梯度条件下进行，燃料中水分的蒸发、碳的燃烧与气化、挥发 分的分解以及焦油的裂解几乎是同时进行的。 用恩德气做为合成氨的原料气，目标就是要尽量增加有效气( c o + h 2 ) 含量，尽量 减少c h 4 的含量。 恩德粉煤气化炉的全氧气化工艺探讨 4 0 0 0 0 m 3 h 的恩德粉煤气化工艺流程，如图1 1 所示。 a 、粉煤入口b 、蒸汽入口c 、空气( 氧气) 入口d 、软水入口e 、过热蒸汽出口 f 、煤气出口g 、循环水入口h 、出灰口j 、循环水出口k 、冷凝水出口 卜粉煤漏斗2 一螺旋输送机3 一贮煤槽4 一螺旋供煤机5 一恩德炉6 一旋风分离器7 一废热锅炉8 一排灰机9 一贮灰槽 1 0 、1 1 - 喷嘴1 2 - 软水预热器1 3 - 蒸汽过热器1 4 - 水封槽1 5 一排灰管1 6 - 废热锅炉壳体1 7 - 蒸汽发生器 2 0 - 回流管2 1 - 混合器2 2