（化学工艺专业论文）流化床煤气化技术工业化过程的优化与模拟.pdf

摘要 煤气化不仅为中国未来能源产业提供了重要出路，而且也是当前减少大气污 染的重要途径。然而，目前所广泛采用的流化床气化炉普遍存在碳转化率低、有 效气的产气量低、能损耗大的问题。本论文针对此问题，一方面，通过研究氧气 煤比、蒸汽煤比、气化炉负荷对气化结果的影响，得出了煤气化炉的最优操作条 件；另一方面，通过对流化床煤气化过程简化和生产数据的分析，构建了可靠的 工艺模型，预测了未知的灰熔聚粉煤气化过程，为气化设备的设计改进提供了理 论指导。 本文对灰熔聚循环流化床的工业化运行进行了试验。主要考察了流化床煤气 化技术过程中氧煤比、汽煤比、气化炉负荷等操作条件对气化结果的影响。结果 表明，随着氧气煤比的增加，气化反应温度上升，煤气产率增加，碳转化率增加； 在蒸汽煤比为1 ，加煤量8 吨小时，最佳氧煤比为0 4 0 n m 3 k g 时，有效气产气 量最大8 1 0 0 n m 3 h 。氧煤比为仅3 9 n m 3 k g 时煤气热值出现最大值，最大热值为 7 9 0 0 k j n m 3 。在氧煤比保持不变的条件下，随着蒸汽煤比增加，气化反应温度降 低，煤气中二氧化碳浓度增高，一氧化碳浓度降低，氢气浓度降低，煤气有效成 分逐渐降低。在蒸汽煤比为l ，气化温度为1 0 0 0 。c 时，最佳负荷范围为8 - 9 t 粉 煤h ，最高的有效气产气率为1 0 1 n m 3 k g 。 本文基于国内外研究者对循环流化床气化炉的模拟方法，根据试验结果拟合 了碳转化率动力学经验关系式，结合物料平衡，能量平衡建立了动力学修正的循 环流化床煤气化平衡模型。结果表明，在与试验相同的条件下，进行的循环流化 床煤气化模拟计算结果和试验结果吻合较好。本文建立的数学模型是适宜的。在 此基础上，通过改变气化过程的操作参数，对气化炉的性能进行了预测，分析预 测了氧煤比、蒸汽煤比对煤气组成、有效气产气量等指标的影响。根据模拟预测 的结果可得出，在蒸汽煤比为1 时，随着氧煤比的增加，有效气产气量先增加后 减少，当氧煤比值为0 4 2 n m 3 k g 时，有效气产气量存在最大值。氧煤比在 0 3 9 n m 3 k g 时，煤气热值存在最大值。 关键词：流化床煤气化优化模拟 a b s t r a c t c o a lg a s i f i c a t i o np r o v i d e dt h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n to r i e n t a t i o nf o rf u t u r e e n e r g ya sw e l la st h em e t h o do fd e c r e a s i n gi na i rp o l l u t i o na tp r e s e n t h o w e v e r , t h e f l u i d i z e db e dg a s i f i c a t i o nf u r n a c eu s e dw i d e l yh a st h ep r o b l e m so fl o wc o a l c o n v e r s i o n ，e f f e c t i v eg a sy i e l da n dh i g hl o s so fe n e r g y i nt h et h e s i s ，s t u d yo nt w o a s p e c t sw a sc a r r i e do u t o no n eh a n d ，e f f e c t so fi n l e tc o m p o s i t i o na n dg a s i f i c a t i o n l o a do ng a s i f i c a t i o nr e s u l t sw e r ed i s c u s s e d c o n s e q u e n t l y , t h eo p t i m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o nw a so b t a i n e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e a s o n a b l em o d e lf o rc o a lg a s i f i c a t i o n w a sf o r m e d ，b a s e do ns i m p l i f y i n gt h et e c h n o l o g yo fg a s i f i c a t i o no ft h ef l u i d i z e db e d a n da n a l y z i n go fe x p e r i m e n td a t a p r e d i c t i o no ft h eu n k n o w i n gt e c h n o l o g yo ft h ea s h b o n d i n gc o a lg a s i f i c a t i o np r o v i d e dt h et h e o r e t i c a ld i r e c t i o no fg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n t i n t h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ng a s i f i c a t i o nr e s u l t sw e r e i n v e s t i g a t e df o a s hb o n d i n gf l u i d i z e db e dg a s i f i c a t i o nf u m a c ei ni n d u s t r i a lp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c o a lg a sy i e l da n dc o a l c o n v e r s a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gi no x y g e na n dc o a lr a t i o u n d e rc o n d i t i o n s o fs t e a ma n dc o a lr a t i o1 ，i n l e tc o a l8 t ha n dt h eo p t i m a lo x y g e na n dc o a lr a t i o o 4 0 n m k ga n d0 3 9 n m 3 k g t h em a x i m u mv a l u e so fe f f e c t i v eg a sy i e l da n dh e a t v a l u ef o rc o a lg a so c c u r r e d 。t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a t g a s i f i c a t i o nr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，h 2a n dc oc o n t e n t sd e c r e a s e da n dc 0 2c o n t e n t si n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n gi ns t e a ma n dc o a lr a t i o u n d e rc o n d i t i o n so fs t e a ma n dc o a lr a t i o1a n d g a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r e10 0 0 0 c ，t h eo p t i m a lc o a ll o a da n dt h em a x i m u mv a l u e so f e f f e c t i v eg a sy i e l da r e8 - 9 t ( f i n ec o a l ) ha n d1 0 1 n m k gr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h em o d e lf o rc y c l ef i u i d i z e db e dg a s i f i c a t i o nf u r n a c e sr e p o r t e d ，k i n e t i c e m p i r i c a lr e l a t i o n a le x p r e s s i o nw a sf i t t e df o rc o a lc o n v e r s i o na n dak i n e t i cm o d i f i e d e q u i l i b r i u mm o d e lo fc o a lg a s i f i c a t i o ni nt h ec i r c u l a t i n gf h i d i z e db e di sp r o p o s e d t h em o d e li sc o m p o s e do fm a s sa n dh e a tb a l a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h e s a m ea se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fc y c l ef l u i d i z e db e dg a s i f i c a t i o n f u r n a c e sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n td a t aa n dm o d e l sa r er e a s o n a b l e a n dr e l i a b l e e f f e c t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so np e r f o r m a n c eo fg a s i f i c a t i o nf u r n a c e w e r ep r e d i c t e d ，b a s e do nt h i sm o d e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta ts t e a ma n dc o a lr a t i o1 ， e f f e c t i v eg a sy i e l di n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gi no x y g e na n d c o a lr a t i o ，t h a ti s ，t h e r ei sam a x i m u mv a l u eo fe f f e c t i v eg a sy i e l da to x y g e na n dc o a l r a t i o o 4 2 n m k g am a x i m u mv a l u eo fh e a tv a l u ef o rc o a lg a sa l s oo c c u r r e da t o x y g e na n dc o a lr a t i o0 3 9 n m 3 k g k e yw o r d s ：f l u i d i z e db e d , c o a lg a s i f i c a t i o n , o p t i m i z a t i o n , s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天鲞大堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 予太南，签字r 期：2 0 0 9 年6 月5 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘鲎一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 予夭南歹翩签名：李黝 签字日期：2 0 0 9 年6 月5 日签字日期：2 0 0 9 年6 月5 日 第一章绪论 1 1 煤气化技术发展概况 第一章绪论 煤炭气化技术是洁净、高效利用煤炭的重要技术之一【1 1 。它是煤炭化工合成、 煤炭直接、间接液化、1 6 c c 技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导性技术 和核心技术【2 l 。以煤气化为基础的能源及化工系统已成为世界范围内高效、清洁、 经济地利用煤炭资源的热点技术【3 j 。煤气化是用气化剂将煤中的可燃物最大限度 地转变为气体产物，同传统的直接燃烧相比，煤气化提高了煤的利用率，降低了 污染物的排放。煤气化工艺的发展迄今已有一百多年的历史，它的发展经历了曲 折的过程，并和世界上能源构成有着密切关系。在十九世纪三十年代以前，世界 上使用的能源以煤为主，煤气化的发展速度较快。到十九世纪四十年代以后，随 着石油和天然气的大量开发，石油在市场上占垄断地位。天然气、液化石油气和 油制气成为工业用燃料气及民用煤气的主要来源。因此，在这段时间内煤气化技 术的发展也就变得缓慢了。 由于1 9 7 3 年1 9 7 4 年的石油禁运和一些产油国家的新立场，发生了石油危机， 原油及天然气的价格迅速上涨，这些事件广泛地激起了人们对煤的利用( 主要是 气化和液化领域) 的兴趣。能源紧缺迫使世界各国寻找新的能源，除煤、石油和 天然气外，兴起了太阳能、核能和生物能等新的能源利用研究。因此，八十年代 以后，世界能源开始向“多级”化方向发展。但是，由于这些新能源的利用尚处 于研究开发阶段，短期内其使用量还不可能与矿物质能源相比。能源专家估计， 二十世纪末至二十一世纪，煤在所有能源中的比例将占第一位。 七十年代末以来，各国对煤的气化工艺又进行了大量的研究工作，产生了第 一代至第三代的煤气化工艺，从而使煤气化技术升到了相当重要的地位。时至今 日，国际原油价格的大幅度提升，使人们对煤气化技术的推广达到了新的发展阶 断。 从当前国外煤气化技术发展趋势看【4 】，大型化、加压、适应多种粉煤、低污 染、易净化是煤气化的发展方向。国外新开发的气化炉都采用加压气化工艺，这 可提高气化强度，增加单炉的产量，节约压缩能耗，减少带出物损失。 1 2 煤气化过程原理 煤的气化是用气化剂与煤中的可燃物( 其中主要是炭) 在高温下起反应，生 第一章绪论 成可燃气体的过程。气化剂通常是空气、氧气、水蒸汽、二氧化碳。在传统的煤 燃烧技术中，通常加入过量的空气以便能够将煤比较完全地燃烧。而在煤气化技 术中，通入的空气量通常只是理论完成燃烧空气量的1 5 至1 j l 3 。在产品气中以一 氧化碳和氢气为主要目的产物，只有一小部分煤炭参与了完全氧化燃烧反应。 煤气化是一个热化学过程。在气化反应过程中，煤经历一系列复杂的物理和 化学变化，包括：干燥、热裂解、剩余的焦在氧、水蒸汽、氢、甲烷、一氧化碳 等气氛下气化和燃烧。其变化程度和速率取决于煤种、温度、压力，也受到由气 化炉型决定的停留时间、传质传热条件和温度历程的影响。 气化过程发生的主要反应如下： 放热反应： c + 0 2 = ：c 0 2 吸热反应： c 0 + c = 2 c o h 2 0 + c = c o + h 2 2 h 2 0 + g = 0 2 + 2 h 2 变换反应： c o + h 2 0 = c 0 2 + h 2 1 3 煤气化技术的分类 煤炭气化技术分地面和地下气化技术两种。地面煤气化技术有固定床、流化 床与气流床三种主要形式。气化工艺开发集中于提高气化压力、提高气化炉容量、 扩大煤种适应性、环境友好、提高碳转化率和提高气化效率和液态排渣等。其主 要应用于化工合成、城市煤气生产及联合循环发电。 煤炭地下气化是将地下煤炭有控制燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源 与化工原料的新技术。只提取煤中含能组分，而将灰渣等污染物滞留在井下。这 种新技术集建井、采煤、转化工艺为一体，大大减少了煤炭生产和使用过程中所 造成的环境破坏，并可大大提高煤炭资源的利用率，因此深受世界各国重视。 对于煤炭地下气化技术，在国外主要是俄罗斯在应用，欧美等国在开发。美 国的经验指出，地下气化与地面气化生产相同下游产品相比，合成气的成本可下 降4 3 ，天然气代用品的成本可下降1 0 - 1 8 ，发电成本可下降2 7 ；前苏联列宁 格勒火力发电设计院公布的资料表明，地下气化热力电厂与燃煤电厂相比，厂房 空间可减少5 0 ，锅炉金属耗量可降低3 0 ，运行人数可减少3 7 【绷。地下气化技 术是十分具有诱惑力的。但由于其工业化还不是很成熟，而且需要有适宜地下煤 气化技术的煤矿，所以在应用上受到定的限制。 第一章绪论 通常我们所说的煤气化技术一般都是指地上煤气化技术。地面煤气化技术有 多种分类法，按煤的进料状态可分为干块进料、干粉进料和煤浆进料。按煤层中 燃料运动状态，可分为固定床( 亦称移动床) 、流化床、气流床。按床层压力等级， 可分为低压( 4 5m p a ) 。按排渣状 态，可分为干法( 固态) 、熔聚和熔渣( 液态) 。 现已工业应用的气化炉按床层特点主要分为三类【6 】，即固定床气化炉、流化 床气化炉和气流床气化炉。其分类及应用详见图1 1 。 气化炉 l 固定床u g i ( 1 9 1 3 年) w g ( 1 8 8 0 年) m 型、d 型 常压 流化床w i n k l e r ( 1 9 2 6 年) a f b ( 2 0 0 1 年) l 气流床k - t ( 1 9 5 2 年 i 固定床州( 1 9 3 9 生w ) 加压 流化床h 1 【w ( 1 9 8 5 1 e ) k r w ( 1 9 7 5 年) a f b ( 1 9 9 6 铆 l 气流床t c x 曩( 19 7 8 年) s h e l l ( 19 8 3 年) 脚( 19 9 3 年)g s p ( 1 9 8 3 年) 图1 - 1 气化炉的分类嗍 f i g u r ei - 1t h es o r to f g a s i f i c a t i o np r o c e s s 4 1 1 3 1 固定床气化技术 固定床气化工艺以鲁奇移动床加压气化为代表，其主要优点包括【6 】：可以使 用劣质煤气化；加压气化生产能力高；氧耗量低，是目前三类气化方法中氧耗量 最低的方法；鲁奇炉是逆向气化，煤在炉内停留时间长达lh ，反应炉的操作温 度和气化炉出口煤气温度低，碳效率高、气化效率高。虽然鲁奇气化工艺优点很 多，但由于固定床气化只能以不粘块煤为原料，不仅原料昂贵，气化强度低，要 求用块煤为原料，由于炉出口温度低，煤中挥发物质不易分解，甲烷含量高，煤 气中含有焦油、酚类。要求设置焦油、酚水处理系统，环保费用高。而且气体净 化流程加长，增加了投资和成本。 1 3 2 流化床气化技术 为加快煤气化反应速度，提高气化炉生产能力并适应大量碎煤利用的要求， 德国科学家温克勒发明了流化床气化炉( 1 9 2 6 年) ，并大量用于工业生产f 2 】。 煤的流化床气化就是指气化反应在以气化剂与煤形成的流化态形式气化【刀。 煤的粒度不能过大，大粒度煤不易流化，粒度过小又常易被气流带出。流化床气 化用煤的粒度是0 6 m m 或0 一l o t m 。流化床内有较高的气固之间的传热和传质速率 第一章绪论 i s ，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，过程容易控制， 有利于大规模生产。 流化床技术【9 】具有气化炉结构简单，操作温度适中，操作方便，处理能力高， 产品气不含焦油、酚类、适用煤种广，可使用碎煤为原料等优点。随着采煤机械 化程度的提高，粉煤日渐增多。流化床这种方法由于可直接利用煤矿生产的1 0 衄 以下碎煤，因而受到各国的重视，并得到较快发展。 德国发挥了其既有传统，开发出高温温克勒气化炉【1 0 】| 1 1 】，美国正努力发展以 流化床气化和燃烧相结合的高效工艺( 如h y b r i d 工艺) ，预期可获得最良好的系 统效率。流化床气化以空气或氧气或富氧和蒸汽为气化剂，在适当的煤粒度和气 速下，使床层中粉煤沸腾，气固两相充分混合接触，在部分燃烧产生的高温下进 行煤的气化。其工艺流程包括备煤、迸料、供气、气化、除尘、废热回收等系统， 将原煤破碎、烘干后进人进煤系统，再经螺旋加料器加人气化炉内，在炉内与经 过预热的气化剂( 氧气蒸汽或空气蒸汽) 发生气化反应，携带细颗粒的粗煤气 由气化炉逸出，在旋风分离器中分离出较粗的颗粒并返回气化炉，除去粉尘的煤 气经废热回收系统进人水洗塔使煤气最终冷却和除尘。 温克勒气化工艺是典型的流化床技术，最早用于工业生产，第一台工业生产 装置于1 9 2 6 年投入运行。这种炉型存在严重的缺陷，只能利用高活性褐煤，排 灰含碳多，飞灰带出碳损失严重，致使碳利用率降低。针对这些问题开发了新的 流化床技术，如高温温克勒( h t w ) 、灰熔聚气化( k r w ，u g a s ) 和循环流化床 气化工艺。 但由于流化床存在稀相段，所以该工艺过程按单位容积计的气化强度不高； 由于气泡的存在，导致气固接触不良；煤气中粉尘含量高；碳转化率比固定床和 气流床气化炉低l i2 | 。 1 3 3 水煤浆气流床气化技术和干粉进料气流床气化技术 水煤浆气流床气化【1 3 】又称湿法进料气流床气化，其中t e x a c o 炉【1 4 】是一种率先 实现工业化的水煤浆气流床气化技术，优点是进料方式简单，工程问题较少，运 行可靠，气化温度高，煤气有效成分高，可以实现高压力( 8 m p a 10 m p a ) 操作。 常用的急冷型操作直接用水冷却气化产物和固化熔渣，所蒸发水汽直接用于c 0 变换，特别适于制氢或富氢合成气但冷煤气效率较低，但其缺点是 6 1 氧耗较高。 煤浆水蒸发和升温热损失大( 达到煤热值的1 0 1 2 ) ，煤耗、氧耗高；气化 炉的耐火砖结构和灰渣腐蚀使其操作温度不能太高( 通常1 3 5 0 ) ，限制了高灰熔 点煤的使用( 加助熔剂可以降低灰熔点但以增加实际灰分为代价) 。 干粉进料气流床气化技术相对湿法进料具有氧耗低【1 5 】，煤种适应广和冷煤气 第一章绪论 效率高等优点。其代表技术有s h e l l 、p r e n f l o 、g s p 气流床等。s h e l ls c g p 工艺是 在k t 炉的基础上所开发的加压k t 气化炉。p r e n f l o 气化工艺与s h e l l 、s c g p 基 本相同，只是炉体设计有所不同。 气流床气化工艺的优点包括：煤种适应范围较宽，气化工艺灵活，合成气质 量高，产品气可适用于化工合成，制氢和联合循环发电等。气化压力高，生产能 力高，不污染环境，三废处理较方便。该工艺缺点是，高温气化为使灰渣易于排 出，要求所用煤灰熔点低( 小于1 3 0 0 ) ，煤的含灰量低( 低于l o 1 5 ) ， 否则需加人助熔剂( c a o 或f e 2 0 3 ) 增加运行成本。这一点特别不利于我国煤种 的使用。此外，由于操作温度较高，因而氧耗较高；大量煤转化为热能，而不是 化学能，其冷煤气效率低。除尘系统庞大，废热回收系统昂贵，备煤系统复杂， 项目投资大。高温气化炉耐火材料和喷嘴均在高温下工作，寿命短、价格昂贵、 投资高，气化炉在高温运行，氧耗高，也提高了煤气生产成本。 从以上分析可以看出，传统的固定床煤气化方法需要采用优质块煤，而天然 煤矿开采出来的煤不仅有块煤，粉煤的产量也占有很大的比重。特别是采煤机械 化程度越来越高，粉煤所占比例增大。流化床的一个优点就是能够很好的利用劣 质煤，因而，发展劣质煤和粉煤的气化和液化具有很好的经济效益。 各种气化工艺都存在着固有优缺点，因此都有其存在和发展的空间，即各种 气化方法在特定的条件下都有适宜的应用领域。流化床煤气化技术作为一种清洁 煤气化技术更受国内外的普遍重视。 从当前煤气化技术发展方向看，大型化、加压、适应多煤种、低污染、易净 化是煤气化发展的方向【1 6 】- 1 8 】。具体表现为：( 1 ) 倾向煤粉或水煤浆为原料、以 高温、高压进行气化；( 2 ) 环保问题少、污染小。对煤种的适应性广；( 3 ) 与 其它技术联合应用【l9 1 。如与发电或与先进的化学品合成工艺技术联合。( 4 ) 与 当今高速发展的现代化的控制技术相结合，实现自动控制和优化操作。 1 4 循环流化床煤气化技术 循环流化床技术的发展已有几十年的历史，目前已被广泛应用于石油、化工、 能源、环保等工业领域的气相加工和固相加工，在煤燃烧方面万其显示出其优越 的性能，因此近年在我国得到了大规模商业应用。表1 1 列出了部分应用循环流 化床反应器的主要工艺过程。 第一章绪论 表1 - 1 应用流化床反应器的主要工艺过程【2 0 】 t a b l e1 - 1m a i np r o c e s sa p p l i c a t i o no ff l u i d i z c db e dr e a c t o r 2 0 】 1 4 1 循环流化床原理 对垂直气、固流动系统，当表观气速由湍动流态化进一步提高时，颗粒夹带 速率愈大，床层界面愈趋弥散。当达到一定气速时，颗粒夹带速率达到气体饱和 携带能力，在没有颗粒补入的情况下，床层颗粒将被很快吹空。为维持系统稳定 操作，必须以带出相同的速率向床中补入颗粒若补入速率太小，则床层发生由 湍动流化向稀相气力输送的直接过渡：若补入速率足够高，并将带出颗粒回收后 返回床层底部，则可在高气速下形成一种不同于传统密相流化床的密相状态，即 快速流态化以这种形式运转的流化床称之为循环流化床。 1 4 2 循环流化床工艺技术 循环流化床是指炉膛内物料飞出又返回炉膛的物料流化燃烧( 气化) 方式1 2 1 1 。 它和加压流化床一样属于第二代流化床燃烧技术。循环流化床物料的流化速度比 常规流化床的流化速度高，因此，循环流化床内物料的速度大大低于气体的速度。 气体、固体之间的流动速度很高，对质量和热量的交换极为有利，燃料在系统内 不断循环，实现均匀稳定的燃烧和气化。循环流化床处于鼓泡流化床和气流输送 床之间，具有对煤种适应性强、燃烧效率高、操作灵活，有利于环保( 炉内脱硫 和减少氮氧化物的生成) ，燃料制备和给煤系统简单等优点。自2 0 世纪7 0 年代 以来，循环流化床煤气化技术得到了快速发展。 图1 2 表示出了不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态。随着气流速度的增 加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输 送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速流态化流体动 力特性的形成对循环流化床是至关重要的。此时，固体物料被速度大于物料颗粒 终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向 各个方向运动，而且不断形成和解体。 生堕也一 u 匾斟凰圈匦匾 目g t t t m r t 自$* t t m 目 k * 圈卜2 气同流态化中再种流体力学流型的特征示意图 f i g u m l - 2g a s - s o l i dh y d r o d y n m i c ss k e t c h m a p b 2 】 噌蜒 圈卜3 定性的细颗粒流态化拼c 型图b f i g u m l 3q l i t a t i v e a l y s i ss l e n d e r g r a n u l e f l u i d i z e ds k e l c h m a p 4 3 流化床粉煤气化技术的特点 流化床粉煤气化技术的优点包括以下几点： f i ) 直接利用碎粉煤，各煤加工费用低，正适台煤炭机械化开采水平提高后粉煤 辜增加的特点。 r 2 ) 气化强度太，便于大规模设各的建设。 f 3 ) 炉内温度足以裂解煤热解中产牛的高烃类物质，简化了煤气净化及污水处 理。 第一章绪论 ( 4 ) 炉内没有机械运动金属部件，维修工作量小。 ( 5 ) 炉内反应温度一般不大于i 1 0 0 c ，只需一般耐火材料就可以长期运行。 ( 6 ) 对煤的灰含量的敏感性不大，在几种气化方法中，最适合于高灰劣质煤的利 用。 ( 7 ) 气化时氧耗量比气流床低，蒸汽消耗比干式排灰的移动床低。 煤气化流化床也存在一些固有的不足，它们是： ( 1 ) 排灰含碳高。 ( 2 ) 煤气夹带细灰含碳高造成损失高。 1 5 典型的流化床煤气化工艺 流化床煤气化有多种分类。按操作压力可分为常压、增压流化床；按床内运 行状况，可分为循环流化床、鼓泡流化床。下面就各种类型的流化床简要介绍如 下。 1 5 1 循环流化床c f b ( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ) 气化反应炉 鲁奇公司开发c f b 技术已有二十多年的历史，从冷模试验到小型热试、中试、 工业性示范装置有八套。进行了大最的实验研究，从煤的燃烧到煤的气化，并获 得了工业应用，主要用于燃料气及联合循环发电，其气化炉结构如图1 - 4 。该气 化炉可气化各种煤【2 4 1 ，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，c f b 气化炉基本是常压操作，以水蒸汽和氧气作气化剂，固态排碴。煤气成分 c o + h 2 7 5 。 图1 - 4c f b 气化炉【l o 】 f i g u r e1 - 4c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d 【1 o 】 第一章绪论 戴维电力煤气公司开发了温克勒( w i n k l e r ) 气化炉，该气化炉结构如图1 5 ，该 炉使用9 5 r a m 以下的煤为原料、干法排灰，用氧气蒸汽或空气蒸汽作气化剂， 操作压力0 2 0 3 9 5 m p a ，根据煤的灰熔点和煤的反应活性，该气化炉的气化温度 在8 1 5 11 0 0 之间选择。单炉最大日处理煤量11 0 0 吨( 用氧气蒸汽作气化剂) ， 用空气蒸汽作气化剂为7 0 0 t 煤，煤气中c o + h 2 含量约为8 3 ，煤产气率为1 5 5 m 3 他。 一9 r a m 广嫫粉 n 爱 煤锁发磐 一毳， 氯，空气 水蒸气 矽出口 至另一个 蒸汽汽包 来自蒸 ：汽汽翟 至燕汽汽包 锝炉绦水 草骺笔 糊枞口瓣触渣 螺旋撵料0 皮带机2 - 图卜5 温克勒流化床气化炉【1 0 】 f i g u r e1 - 5w i n k l e rg a s i f i c a t i o np r o c e s s 【1 0 】 恩德粉煤气化技术是在温克勒气化技术基础上，经改进后形成的新型的粉煤 气化技术，在朝鲜已安全运行3 0 多年，技术成熟可靠。其主要优点有煤源丰富、 价廉、气化强度高、运行稳定可靠、不产生焦油及酚类、煤气净化工艺简单、不 污染环境、投资省和操作成本低。操作温度为9 5 0 。压力控制在2 5 3 k p a 。其工 艺流程见图1 - 6 。 第一章绪论 图卜6 恩德粉煤气化炉【2 5 】 f i g u r e1 - 6u n d o kg a s i f i c a t i o np r o c e s s 2 5 】 1 5 2 催化流化床煤气化反应炉 艳 埃克森( e x x o n ) 研究和工程公司开发的煤催化气化工艺该工艺利用碱的弱酸 盐对煤与水蒸气气化反应的催化作用，达到在较低温度下获得较高反应速率的目 的。其工艺流程如图1 7 。 图1 7e x x o n 催化气化工艺过程【1 0 】 f i g u r el 一7e x x o ng a s i f i c a t i o np r o c e s s 【1 o 】 1 5 3 增压流化床气化反应炉 增压流化床是由常压流化床增压操作发展起来的。由于燃烧反应在增压燃烧 室进行煤燃烧的化学反应速度大大加快。燃烧器被包围在压力壳内，燃料通过特 第$ 绪论 殊的蛤料系统送入加压的燃烧器，整个燃烧气化过程发生在加压情况下，一般压 力在i m p a 3 m p a 。增压流化床可以是鼓泡床也可以是循环床。增压流化床主要 有两大技术流派：一是鼓泡型增压流化床：二是增压循环流化床。增压流化床结 构紧凑、成本低。增压流化床的体积比同等容量常压流化床的体积小得多，可减 少使用土地面积。由于增压运行，炉内空气压力高和密度大使床的表观流速大大 降低，约为1 m s ，减轻了床内磨损。 高温温克勒f h t w l 气化炉是增压循环流化床的代表，已运转的示范装置操作 压力为10 m p a ，其生产能力为干褐煤7 2 0 t d 。为应用于i g c c ，进一步提高压力 至25 m p a 以上，气化炉直径37 m ，褐煤处理能力达到1 6 0 t h ，可满足3 67 万k w 发电装置。h t w 气化炉及其工艺见图1 - 8 ， q ； 罔卜8 高温温克勒( h 丌) 气化上艺 f i g u r ei - 8h t w g l n c a t i 明p r o c e s s 5 灰熔聚循环流化床气化炉 灰熔聚气化法瞄】的基本原理是应用射流技术在流化床浓相床中央建立局部 高温区，中心温度达到1 2 0 0 t 3 ，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，煤种适应性更广，碳转化率更高，排灰碳含量低，气化炉结构简单，气化 温度适中，产品气中不含焦油，带出的飞灰和排灰可利用等优点。 u 鼬s 气化炉1 2 7 1 是一个单段灰熔聚流化床的代表炉型之。煤在床内完成4 个 主要过程：煤的破黏、脱挥发分、煤的气化和灰的熔聚、分离。气化剂( 氧蒸 汽) 分两路进入气化炉：含氧较低的一股气化剂，通过流化床分布板进八使流 化床温度均匀保持9 5 4 c 1 0 1 0 c ：含氧较高的股气化剂，以较高气速，通过 第一$ 绪沦 特殊喷嘴喷入目的是在喷嘴上方形成低泡相高温区( 高出床层温度3 8 c ) ，此商 温区的温度控制在煤灰的软化温度，在此温度下，灰渣可熔聚成团粒。当其粒度 和相对密度逐渐增大到一定程度即能克服逆向而来的气流阻力落入灰斗，用水 冷却后即可排出炉外。煤气灾带的煤粉，经两个串联的旋风分离器分离出来。其 中一个旋风分离器装在炉内，能使绝大多数的夹带物分离并返回流化床，另一个 装在炉外，进一步分离煤气夹带物并返回喷嘴再进入床层燃烧。 0 柚 图1 9u g a s 气化过程 f i g u r e - 9 u - g a s g a s i f i c a t l o “p r o c e s s 【 k r w 炉由美国k o l l o gr u s ts y n f u e l s 及v e s t i n gh o u s ec o m p a n y 合作开发， 起名为k r w 炉。k r w 炉是一种扶熔聚捧灰的加压流化床气化炉。该炉为一圆筒 形容器，由上人、下小直径不同的三段壳体组成。粉煤、输送气( 循环煤气) 和窄 气( 或氧气) 由炉底中心管喷入炉内在喷管周围通入蒸汽，在喷嘴处形成一股射 流，向上运动此即射流高温燃烧区，当含碳量降低了的颗粒变得越来越敦，碰 撞后互相黏鲒，增大而成团粒，当团粒增大至不再被流化时落入扩底井从灰斗排 出，在炉内的流化床中，煤与空气( 或氧气) 、蒸汽进行气化反应，生成煤气并由颈 部排出，经旋风除尘器除下夹带的焦粉，此焦粉返回炉内，与 炉煤粉相混而参 加气化反应k r w 炉原理图见】1 0 。 第一 镕 图l - 1 0k r w 炉 图】一1 0k r w 炉工艺过程 f i g u m1 - 1 0 k r wg a s i f i c a t i o n p r o c e s s 我国自主研发的灰熔聚粉煤气化流程( i c c ) 工艺，详见圈1 - 1 1 。其气化原 理与u g a s 相同。在炉内气化剂主要从三部分进入一是位于炉内底部气体分布 板。二是位于炉底中部的中心管。三是用于排碴的环管部分，还有少部分蒸汽来 自循环物料的吹送。操作温度在9 0 0 ( 2 1 1 0 0 c 。 图1 】l 灰熔聚气化炉 f i g u r e1 - 1 1 i c cg a s i f i c r 熟弛罂妒 ，队瀑 第一章绪论 1 5 5 灰熔聚流化床特点 灰熔聚粉煤气化工艺是在1 0 1 8 k p ( 表压) 操作压力下，粉煤借助于吹入炉 内的气化剂( 富氧、水蒸气) 使其沸腾气化，气化反应9 9 5 c i o i o c ，气化剂与 原料煤两相充分混合接触，发生煤的热解和氧化还原反应，使煤达到完全气化。 其特点如下： 气化炉为单级流化床，无转动部件，气化剂的分布板处于相对的低温区使物 料充分流化，保证了气化炉的长周期稳定运行。 气化炉内中心高温区使灰渣粘聚成球状，有选择性的排渣，提高了碳的转化 率，降低了灰渣中的含碳量。 煤气中夹带的细煤粉经第一旋风除尘器分离回收后可直接返回炉内，提高了 碳的转化率，降低了煤耗，余热回收系统充分回收煤气的显热，提高了制气 过程中的热效率，副产蒸汽可自给有余。 煤气中不含焦油，酚类含量低，污水易处理。 从以上可以看出灰熔聚粉煤气化技术相对于常规流化床相比具有气化强度 高，排灰碳含量低，产品无焦油，酚含量低，容易净化；反应温度适中，反应器 结构简单，开停车容易，可靠性高，环境效益好，基本无污染。 1 6 灰熔聚粉煤气化炉在我国的应用前景 我国是一个煤资源丰富、石油天然气资源相对缺乏的国家，循环流化床煤气 化技术的发展在民用燃料、工业燃料、化肥、化工等行业有着广阔的应用前景。 我们应吸收国外的先进技术和经验，结合我国的具体情况，加强对煤气化技术的 基础研究，特别是各种煤的燃烧、气化性能、适用工艺条件的试验研究，同时抓 紧对大型低能耗制氧设备、高效换热等配套设备的开发，科研院所、工厂、高校 之间加强合作，国家给予适当的扶持，使这一技术不断发展、完善，在我国的经 济建设中发挥良好的效益。 常规的流化床为降低排渣的含碳量、维持稳定的不结渣操作，必须保持床层 低碳灰比和低操作温度；而灰熔聚流化床气化技术是在非结渣情况下，连续有选 择地排出低含碳量的灰渣。因此，灰熔聚流化床粉煤气化技术的特点包括床内碳 含量高，床温高，使用煤种宽，煤种适应性强。此外还有，气化强度高，排灰碳 含量低，产品气无焦油，酚含量低，容易净化；改变气化模式可生产低、中热值 煤气或合成气；反应温度适中，无特殊材料要求，反应器结构简单，开停车容易， 可靠性高，环境效益好，无污染。 国外新开发的气化炉都采用加压气化工艺，其优点是提高气化强度，增加单 第一章绪论 炉的产量，节约压缩能耗，减少带出物损失。国外现有加压气化炉型主要分为三 类：加压固定床气化炉( l u r g i 炉) 、加压流化床气化炉( h t w ，k r w ) 和加压气 流床气化炉( t e x a c o ，s h e l l ) 。这些气化炉技术各有优点，产业化程度以鲁奇 ( l u r g i ) 、德士古( t e x a c o ) 最为成熟，已达到单台炉日处理量4 0 0 t 2 0 0 0 t 的量 级，这些气化炉都是以服务于化工产业为先导而发展的。鲁奇炉以弱粘结块煤为 原料，冷煤气效率最高，但净化系统复杂( 甲烷及焦油处理) ；德士古气化炉需以 低灰、低灰熔点煤为原料，高温操作，虽气化强度和气体品质较高，但氧耗高、 设备投资高；高温温克勒炉操作温度相对较低，尚只适用于年青烟煤或褐煤。目 前几乎所有重要的煤气化工艺都在开拓联合循环发电方面的应用，并取得了重要 的进展。 我国当前煤气主要用于合成氨、甲醇等化学品( 合成气) 和冶金、机械、陶瓷、 玻璃等行业( 工业燃料气) 及民用( 焦炉气) 。气流床气化炉无论气化强度还是煤种 适应性、煤气组成均较优良，特别适合化学合成，并已有国外i g c c 应用的范例， 但液态排渣炉气化温度高、氧耗量高、设备和技术费用高，因而煤气成本较高， 难于推广( 特别是难于在我国中小化肥、中小电厂推广) 。而“灰熔聚流化床气化 技术”是_ 二项具有中国特色的、产权自主的粉煤气化技术，投资少、成本低、污 染低，与国外技术相比是经济合理的【2 训。 1 7 课题的提出及本文的主要工作 1 7 1 论文选题的目的和意义 煤气化在高效、清洁利用煤炭能源方面有重要作用，因此得到了迅速的发展。 流化床煤气化技术具有床层操作温度适中，对煤的适应性强，生成甲烷少，产品 气中无焦油和酚类等优点。如何提高碳转化率，减少能损耗，找到稳定最优的操 作条件成为流化床煤气化技术的关键问题。本论文旨在研究灰熔聚流化床工业化 装置的操作参数的优化，提高有效气的产气量和冷煤气效率，降低系统能耗及原 燃料消耗。 1 7 2 本课题研究的主要内容 本研究目的在于从理论和实践的基础上，找到灰熔聚循环流化床煤炭气化技 术的特性，以及各操作参数对气化反应的影响。并且确定工业化生产设备的优化 操作方法，确定最佳操作技术指标和设备生产负荷。达到设备稳定运行、降低原 燃材料消耗的目地。并加深对