灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理.doc

灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理一、灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理 气固流态化 适当气速使煤流化 传热传质速率高 气化强度高 可用碎煤为原料! Y . X! - y! 5 S$ y/ _, h+ O5 Y 中心射流形成局部高温区 提高气化强度 促使灰渣团聚9 y u, y/ 1 a 灰渣团聚重力分离 选择性排出低炭含量灰渣 炉料炭含量高结渣风险小 炉温提高煤种适应性拓宽 飞灰可控循环 提高碳转化率 ( m% H* _- J4 h二、灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点： 1) 煤种适应性宽，可实现气化原料本地化。 2) 操作温度适中，氧耗低、干法排渣。无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高。: O+ ?, ?1 $ ?$ F) V) ) d 3) 工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低。! Z# 4 |$ E2 , W2 w6 _ 4) 灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效分离，排灰碳含量低(10%)。% t6 g* P5 G8 s* , t6 K Q/ w m! B 5) 炉内形成一局部高温区（12001300），可处理高灰、高灰熔点煤、气化强度高。 6) 飞灰经旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高。$ W% B f# m8 n/ v3 l, q* # j 7) 产品气中不含焦油，洗涤废水含酚量低，净化简单。: k; U1 A+ x+ C/ f Q 8) 设备投资低，气化条件温和，消耗指标低，煤气成本低。 9) 中国自主专利,同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。8 3 z K5 n, w5 U( t y三、灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程1 皮带输送机 2 破碎机 3 埋刮板输送机 4 筛分机 5 烘干机 6 输送 7 受煤斗8 斗式升机 9 进煤斗 10 进煤平衡斗A 11 进煤平衡斗B 12 螺旋给料机A/B 13 气化炉 14 上排灰斗 15 下排灰斗 16 高温返料阀 17 一级旋风分离器18 二级旋风分离器 19 二旋排灰斗 20汽包 21 废热锅炉 22 蒸汽过热器23 脱氧水预热器 24 水封 25 粗煤气水洗塔 26 气体分气缸 ICC灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置工艺流程简图 1) 备煤系统- h. f( i. W p: i$ M 粒径为030mm的原料煤(焦)，先筛分、破碎到08mm粒度，回转干燥器烘干(烟煤水分5%，褐煤12% ) 待用。# K( U0 l. 7 2) 进料系统 备好的入炉煤经斗式提升机进入煤锁斗系统，由螺旋给料器计量，气力输送进入气化炉下部。3 v) j R. H4 w; A: X 3) 供气系统 7 D( k! E; b/ / % V$ & z8 气化剂(空气/蒸汽、氧气/蒸汽)分三路计量调节，由分布板、环形管、中心射流管进入气化炉。 0 _5 j4 L8 J: Q9 ?4) 气化系统 .* S% L9 q/ v9 r( t( q 煤在气化炉中部分燃烧产生的高温（9501100）下与气化剂（氧气、蒸汽）进行反应，一次实现破粘、脱挥发份、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程，生成煤气。 3 c9 r; Q; H3 L. U8 x* _! z0 c, 5) 除尘系统 ) P8 _! _7 H( W% I- M& z8 V 高温煤气带出的飞灰，大部分经一级旋风分离器捕集，返回气化炉进一步 气化，二级旋风分离器捕集的少量飞灰排出系统。 O G: n+ q, $ o 6) 废热回收系统及煤气净化系统 除尘后的热煤气依次进入废热锅炉、蒸汽过热器和脱氧水预热器回收热量，再经洗涤塔净化冷却，送至下一工序。 7) 操作控制系统, H% Y( Y. n4 / K6 采用集散型控制系统（DCS）实现控制室集中对整个气化生产过程主要工艺参数进行自动监测和控制，由DCS系统完成实时监测指示、自动调节、顺序控制、安全连锁、报警、趋势记录和报表生成。0 F( Y% f/ E0 I9 o1 P6 k% z% O: * J p* b l1 h三、灰熔聚流化床典型煤种试验结果 : q7 z0 C5 C& V6 E3 L+ q C 在1000mm（0.10.5 MPa ，24吨煤/天）灰熔聚流化床中间试验装置上已进行过冶金焦、太原东山瘦煤、太原西山焦煤、太原王封贫瘦煤、陕西神木弱粘结性长焰烟煤、焦煤洗中煤、陕西彬县烟煤、埃塞俄比亚褐煤、山西晋城无烟煤、山西阳泉无烟煤及石油焦的气化试验，累积试验时间达5000多小时。试验煤样基本代表了我国绝大多数煤种，范围从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦，煤质分析数据：灰含量1%41.36%，灰熔点DT 11601500以上，挥发份6.15%32.15%。热值15.2436.15 MJ/kg，焦渣特性26。 % H7 . r0 k; |6 M3 k u % D1 j* V% 8 C8 e+ A2 c1 H; 试验结果表明： 所有试验煤种在灰熔聚流化床气化炉中都能够连续稳定操作，并得到合理的气化结果。.2 c! l) W7 0 D& _/ d1 k% s0 T 气化强度随着煤阶程度增高(由褐煤到无烟煤)而降低；产气率随原料热值增高而增加。可通过温度和床高调节以适合不同活性的煤种。2 I4 q F( |+ w R5 y% I 多数煤种(无论灰熔点高低)，灰熔聚操作均可在1050左右实现。( 2 . r5 |* / S) 1 F$ O 高灰煤气化能够稳定操作，但灰含量在25以下更经济。% X, _! q7 m$ h; N# R 不同煤质的气化技术经济指标和操作特性不同，气化系统需按具体煤种参数确定。$ P$ k x! j* k2 t2 v3 . |四、灰熔聚流化床粉煤气化工艺的适用范围 灰熔聚流化床粉煤气化技术的煤种适应性宽，产品气洁净、环境友好和设备投资及运行成本低，并已实现工业运行。这一技术目前已可用于中型化工厂生产合成气或为电厂、冶金等企业生产燃料气。 继一年前国内第一套加压灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置（0.6MPa）在石家庄金石化肥有限公司试车成功之后，日前该技术在晋煤集团10万吨/年合成油示范工程项目中再获成功应用。装置各项技术指标达到设计要求，并成功实现甲醇生产全流程贯通，实现了高灰、高灰熔点、高硫“三高”无烟煤的连续稳定气化。该项目配备了6台灰熔聚气化炉（5开1备），气化炉操作压力为0.6MPa，日处理晋城无烟煤1600吨，干煤气产量为125000Nm3/h（配套30万吨/年合成甲醇）。8月16日起，多台气化炉并气，进入净化和合成车间并生产出合格甲醇，目前已完成从备煤、造气到MTG（甲醇制汽油）合成油全流程贯通，进入生产阶段。 D2 L; M% v6 q灰熔聚流化床粉煤气化技术是中科院山西煤化所发明的专利技术。晋煤集团天溪煤制油分公司10万吨/年煤基MTG合成油示范工程项目被列入山西省“十一五”重点工程。其主要产品为汽油、液化石油气（或精甲醇）及少量硫黄，所产出的油品是目前世界最洁净的液体燃料之一。加压灰熔聚气化工业装置由中科院山西煤化所山西省粉煤气化工程研究中心提供工艺设计软件包和操作包，化工部第二设计院承担工程设计和总包。该项目的成功实施不仅首次实现了加压灰熔聚流化床煤气化技术规模化和商业化应用，而且为我国大量“三高煤”合理利用提供了先进可靠的工业气化技术。 灰熔聚流化床粉煤气化技术原理 f/ S7 R: M% ! c: l, : O6 q6 G7 R: 摘要：煤气化是将固态煤转化为气态燃料或化工合成原料（CO+H2）的过程，由于煤炭的储量丰富，特别是我国等一些国家富煤少油贫气，煤气化技术就变的更加重要。 E4 O0 s6 * z: v2 u, v d+ y7 E( x* h$ + M/ Z K) A J m2 一、灰熔聚流化床粉煤气化技术的开发历程 & d0 j& L G) P M: W& D 针对我国能源以煤为主、煤种多、烟煤多、粉煤多、煤灰份高、灰熔点高的特点,国家从“六五”计划开始投入大量人力、物力，研制开发先进煤气化技术（包括固定床、流化床、气流床）。中科院山西煤化所积极地进行了灰熔聚流化床粉煤气化技术的研发。 / k/ K8 X1 Y& e: r. t 八十年代，在中国科学院（重点科技攻关项目专项）、国家科委(75-10-05)攻关计划支持下，在原有煤气化和流化床技术的基础上，先后建立了300mm（1吨煤/天）气化试验装置、1000mm冷态试验装置、1000mm（0.10.5 MPa ，24吨煤/天）中间试验装置、145mm实验室煤种评价试验装置。在理论研究、冷态模试、实验室小试和中试试验基础上，系统地研究了灰熔聚流化床粉煤气化过程中的理论和工程放大特性；通过对气化过程中煤化学、灰化学与气固流体力学的研究，研制了特殊结构的射流分布器，创造性地解决了强烈混合状态下煤灰团聚物与半焦选择性分离等重大技术难题；设计了独特的“飞灰”可控循环新工艺，实现了多种煤的高效流化床气化。通过对工艺过程的系统集成和优化，在大量的实验验证基础上，取得了完整的工业放大数据和丰富的运行经验，成功开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术。 九十年代，在中国科学院（重点科研项目）、国家计委(85-207)攻关计划支持下，建立了200mm（1.01.5MPa）加压试验装置和2400mm常压工业示范装置。氧/蒸汽鼓风制化工合成气的中试研究，为工业示范装置提供了准确的工程设计方法和依据；2001年单炉配套2万吨合成氨/年规模工业示范装置成功运行，实现了该技术的工业化应用，为我国中小化肥厂改变原料路线提供了具有自主知识产权的先进煤气化技术，现已能设计单台处理量100300吨煤/日的气化炉(0.030.5MPa，2.4米，配套26万吨合成氨/年)。加压试验研究获得了煤在灰熔聚流化床中的加压气化特性，为大型化工程开发奠定了坚实的基础，预计加压（1.02.5MPa）后单台气化炉（2400mm）处理量可达5001000吨煤/日，将达到国际先进水平，可用于大型化工合成和先进煤基发电系统。 : x, |5 S+ e3 _9 L9 C, 近年来，与企业结合进行了大量的煤种试验研究，试验煤样从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦，灰含量1%37.88%，灰熔点11601500以上，挥发份6.15%32.15%，热值15.2436.15MJ/kg，焦渣特性26，取得了不同煤种的气化特性和操作特性以及煤质对气化技术经济指标的影响规律，大大拓宽了煤种适用范围。尤其是无烟煤、石油焦气化试验取得了突破性的进展，表明灰熔聚流化床粉煤气化技术以低活性煤种为原料时，也能够达到合理的气化指标。 二、灰熔聚流化床粉煤气化技术的基本原理及工艺特点 & Z! S; t/ ?3 T3 _ 灰熔聚流化床粉煤气化以碎煤为原料(68mm)，以空气或富氧或氧气为氧化剂，水蒸气或二氧化碳为气化剂,在适当的煤粒度和气速下，使床层中粉煤沸腾，床中物料强烈返混，气固两相充分混合，温度到处均一，在部分燃烧产生的高温（9501100）下进行煤的气化。煤在床内一次实现破粘、脱挥发份、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程。 ) b J; z% o; A3 m 流化床反应器的混合特性有利于传热、传质及粉状原料的使用，但当应用于煤的气化过程时，受煤的气化反应速率和宽筛分物料气固流态化特性等因素影响，炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰（上吐）和炉底排渣（下泻）中的碳损失较高的缺点。常规流化床为降低排渣的碳含量，必须保持床层物料的低碳灰比；而在这种高灰床料工况下，为维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度(950)，这又决定了传统流化床气化炉只适用于高活性的褐煤或次烟煤。灰熔聚流化床粉煤气化工艺根据射流原理，设计了独特的气体分布器和灰团聚分离装置，中心射流形成床内局部高温区（12001300），促使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，在非结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内碳含量和操作温度（达1100）,从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟煤。 ; 8 i! |3 e6 . O0 灰熔聚流化床粉煤气化技术的基本原理 气固流态化 ! c) ?# z: L, V5 z% Q g 适当气速使煤沸腾流化 传热传质性能好 气化强度高 . k$ K8 ?2 s9 ? 可用碎煤为原料 中心射流形成局部高温区 提高气化强度 促使灰渣团聚 % S% N6 i* ( d7 b( _ 灰渣团聚重力分离 & Q0 l2 D3 U3 x# V A n0 L% _ 选择性排出低炭含量灰渣 & c( : 7 |; Z; p7 l8 G+ E/ 炉料炭含量高结渣风险小 K, l F; 3 g E( x 炉温提高煤种适应性宽 ; D g, C5 e# 1 f 飞灰可控循环 提高碳转化率 灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点： 1) 煤种适应性广，可实现气化原料本地化。 2) 操作温度适中，无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高。 3) 工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低。 4) 灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效分离，排灰碳含量低(10%)。 ( % x3 I, n- 3 z! k 5) 炉内形成一局部高温区（12001300），气化强度高。 6) 飞灰经旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高。 # C& x% J; R * v7 Q5 p 7) 产品气中不含焦油，洗涤废水含酚量低，净化简单。 Q! z% i1 E! r F: P 8) 设备投资低，气化条件温和，消耗指标低，煤气成本低。 0 9 Q% H; w- M1 R, a+ p1 9) 中国自主专利,同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。 B- l U1 T/ f _. O P三、灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程（图略） ) a/ O3 Y7 e4 D( p 1) 备煤系统 粒径为030mm的原料煤(焦)，先筛分、破碎到08mm粒度，回转干燥器烘干(烟煤水分5%，褐煤1500）在1050左右都能顺利实现灰熔聚成球和选择性排灰。 ( c. N, X# i2 b4 高灰煤气化能够稳定操作，但合成气比消耗指标随灰含量增高而增高。 不同煤种的气化技术经济指标和操作特性存在着显著的差异，需要根据具体煤种特点进行针对性设计。换言之，煤种适应性宽，并不是指同一套气化炉系统对不同原料煤都能适应，而是可以针对某一类特定煤种设计适合其特性的气化炉和配套设备。 五、灰熔聚流化床粉煤气化技术工业示范情况 9 $ c9 Q) a$ - N z 1、概况 工业示范装置建在陕西城化股份有限公司，设计指标为：进煤量100t/日，压力 0.03MPa，粗煤气产量9000Nm3/小时，CO+H2含量68%，生产合成氨2.8t/小时(按年操作300天计,合成氨2万吨/年)。单系列配置，气化炉内径下部2.4m，上部3.6m，高15m，配套深冷空分装置能力2065Nm3/ h（氧浓度92%），气化和空分系统全部采用DCS集中控制，总投资2370万元。2000年4月开工，2001年3月建成，4月开始单体、联动试车，6月中旬一次投料试车成功，合成气并入生产系统。2001年10月第二次投料试车，连续稳定运行120小时，达到设计指标。2002年2月投入商业运行，取得了工业化示范成功。 5 * e7 q6 w A 2、前期煤种试验和工程设计 中科院山西煤化所煤气化工程研究中心在其太原中试基地的1000mm（0.10.5 MPa ，24吨煤/天）灰熔聚流化床粉煤气化中间试验装置上用陕西彬县烟煤进行了煤种试验，取得了完整的工艺参数、操作条件和运行经验，提供了准确的设计数据。在此基础上成功地完成了工程放大设计、工业示范装置的基础设计、气化炉、飞灰循环系统等核心设备的施工图设计以及DCS控制系统的软件设计。中国华陆工程公司承担并完成了全部配套工程设计。 4 N1 K# 6 Z$ w; b( d$ v n 3、化工投料试车 ! X4 J4 ?$ h8 u3 ) Q 2001年6月19日6月22日第一次投料试车成功，气化装置平稳运转51个小时（因空分故障停车），煤气组成和产量符合设计要求，实现了灰熔聚、分离，煤气和副产蒸汽并入生产系统。 2001年10月17日10月27日第二次投料试车，在原料未经干燥处理，进煤不畅等困难条件下，试车242小时,其中连续稳定运行120小时，达到设计指标，煤气并入生产系统，取得了适宜的操作条件和完整的工业运行数据。此间还完成了对城化操作人员的培训，实现了从理论知识、观摩操作、指导操作到独立操作的过渡。 $ s & M4 r$ o/ K9 9 H+ U7 o0 t4、运行及考核 ! y- I7 r+ M5 c8 m. s 2002年3 月通过72小时考核，各项生产指标均达到设计指标。 1 ?2 e- X8 z i b 根据城化厂实际生产数据，与该厂固定床造气进行了对比经济分析，灰熔聚流化床粉煤气化示范装置投产，停运两台2.4米固定床气化炉，每天节省无烟块煤80吨，燃料烟煤20吨，对该厂当时情况，吨氨可降低成本172.55元，经济效益显著。由于没有吹风气排放，煤气中不含焦油和挥发酚，洗涤水易处理，因而环境效益也是好的。 六、灰熔聚流化床粉煤气化工艺的工程化开发与验证 7 S: C3 _( x$ 2 y L/ l9 L* A4 h$ R 灰熔聚流化床粉煤气化技术研发过程中始终非常重视关键设备和特殊材料的工程化研发与验证，“七五”、“八五”攻关计划中都安排了相关的研究课题，联合国内强势科研单位和设备制造厂较好地完成了攻关任务。1990年，在国家“七五”攻关计划支持下建成的1000mm（0.10.5 MPa ，24吨煤/天）灰熔聚流化床中间试验装置为这些攻关课题提供了良好的工程化验证环境。中间试验在与工业规模生产完全一致的真实工况下运行，从而用最少的代价（资金、人力、时间等）解决了工业规模生产中可能遇到的问题，包括气化炉主体和备煤、进料、排灰、热回收、煤气净化、过程自动控制系统等全部关键、配套设备的结构设计和材质选择；完成了工程化验证；取得了全流程工艺运行数据、环保数据和安全性数据；建立了过程放大的数学模型；掌握了工艺操作经验；为工业示范装置的成套设计提供了准确的基础数据；并成功实现了工业化放大。在长达14年的开发研究中，中试装置累计试验时间已超过5000小时，经历了数百次冷启动开车和停车过程，最高正常操作温度曾达到1200。至今气化炉主体耐火衬里和轻质隔热浇注材料基本完好无损；气化炉底部耐高温金属材料未发现明显烧蚀；高温旋风除尘器、废热锅炉、高温粉体阀门、螺旋给料器等关键设备工作状态良好；DCS控制系统运行稳定可靠。该中试装置现仍在进行着大量试验，为拓宽本技术的煤种适应范围和优化运行继续作出贡献。 长期的实践证明，灰熔聚流化床粉煤气化技术基础研究扎实，工程化开发完善，工艺和关键设备结构合理。由于操作条件温和，对设备材质没有苛刻的要求，转动设备少，几乎不存在易损部件；自动化程度高，操作强度低，在正常维护和操作条件下完全能够满足工业生产装置长周期连续稳定运转的可靠性要求。 七、灰熔聚流化床粉煤气化工艺的适用范围 占我国化肥总产量6070%的中小化肥企业正面临着巨大的市场竞争压力，特别是由于沿用间歇式固定床气化技术，原料局限于优质无烟块煤，价格昂贵且供不应求，使合成氨的生产成本居高不下，对环境还易造成污染，已不能适应当前经济和社会发展的需要。我国大中型氮肥厂已从国外引进的大型煤气化技术有德士古（Texaco）水煤浆加压气化、鲁奇（Lurgi）固定床加压气化和谢尔（Shell）干粉煤气流床加压气化（建设中）等，技术先进但设备投资昂贵，运行维护成本高，多数企业难以承受如此巨大的改造投资。此外，我国相当部分地区煤种因灰含量高、灰熔点高，难以满足其原料要求。 0 R9 K1 W/ B “灰熔聚流化床粉煤气化技术”工业示范成功标志着我国煤气化技术完全依赖进口的时代即将结束，中国科学院山西煤炭化学研究所目前已有能力设计单台处理量100300吨煤/日的气化炉(0.030.5MPa，2.4m，配套26万吨合成氨/年)。经大量煤种试验证明对绝大多数煤种的适应性，使得实现原料本地化成为可能，对我国中小氮肥厂改变原料路线，降低生产成本，提供了高效、先进、经济、适用的国产煤气化技术。通过