德士古水煤浆加压气化技术.doc

德士古水煤浆加压气化技术精品 德士古水煤浆加压气化技术目 录第一章德士古水煤浆加压气化技术概况第一节概述第二节国外发展情况第三节 国内发展情况第四节德士古水煤浆加压气化技术有待改进第二章煤及水煤浆的性质第一节煤的工业分析和元素分析第二节煤的工艺性试验第三节德士古对水煤浆性质的要求第三章气化原理及操作条件的选择第一节德士古水煤浆加压气化原理第二节气化反应条件的选择第四章德士古水煤浆加压气化工艺流程及主要设备第一节工艺流程叙述第二节主要设备介绍第五章开停车方法第一节原始开车前的检查准备工作第二节气化炉的烘炉第三节正常开车第四节正常停车第五节紧急停车第六章正常操作要点第七章PLC和DCS简介第一节联锁和可编程控制器PLC第二节集中分散控制系统DCS第八章一般故障及处理第九章安全生产第一节概述第二节装置设计中的防范措施第三节安全生产管理第一章 德士古水煤浆加压气化技术概况 第一节概述化学工业有限公司20万吨年甲醇项目是新建一套利用神木本地所产烟煤作为原料经空分气化净化合成等几个化工工序年产20万吨甲醇的生产装置其中气化装置是采用德士古水煤浆加压气化工艺向甲醇生产制备合格水煤气煤气化已有一百多年的发展历史先后开发了一百多种气化工艺和气化炉型有工业应用前景的十余种煤气化分类无统一规定最常用的是按原料在气化炉内的移动方式分为固定床流化床和气流床三种固定床气化是块煤从炉顶加入自上而下经历干燥干馏还原氧化和灰渣层灰渣最终经灰箱排出炉外气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层生成的煤气显热用于煤的干馏和干燥固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求很高要求入炉煤要有一定的粒块度及均匀性对煤的机械强度热稳定性含碳量灰熔点粘结性结渣性等指标都有比较严格的限制流化床气化是气化剂由炉下部吹入使细粒煤6mm在炉内呈并逆流反应为了维持炉内的沸腾状态并保证不结疤气化温度应控制在灰软化温度T2以下要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化显然不能使用粘结性煤由于炉温低停留时间短流化床气化最大的缺陷就是碳转化率低飞灰多残碳高且灰渣分离困难其次是操作弹性小控制炉温不易气流床是原料煤粉煤或水煤浆由气化剂夹带入炉进行并流式燃烧和气化反应受气化空间的限制反应时间很短110秒为了弥补反应时间短的缺陷要求入炉煤粒度很细以保证有足够的反应面积并流气化气固相相对速度低气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行为增大反应推动力提高反应速度必须提高反应温度火焰中心温度在2000以上和反应压力所以采用液态排渣是并流气化的必然结果采用廉价的普通煤做气化原料是气化工艺的发展方向1993年5月18日鲁南化肥厂水煤浆加压气化装置试车成功为我国煤化工拓宽原料路线提供了宝贵经验其后十年我国又先后在上海焦化厂渭河化肥厂安徽淮南化工集团引进建成四套水煤浆气化工业装置均已稳定运行我公司经过多次调研反复论证决定采用大使馆福州公司专利由国内自行设计开发的煤的第二代气化技术水煤浆加压气化工艺该技术有以下特点1煤种适应范围广可以利用次烟煤烟煤焦石油焦煤加氢液化残渣等不受灰熔点限制灰熔点高可加助熔剂不受煤的块度大小限制因最终要经湿磨制成水煤浆使用不受煤的灰分高低限制仅经济性有差异2连续生产强加工后的原料煤浆氧气可以连续不断地入炉排渣也不需要停车气化开停车少系统操作稳定3气化压力高气化压力高单炉产量高目前在美国已建成日处理煤量为2000吨台压力为67Mpa的生产装置我公司首期建2756mm气化炉三台两开一备气化压力高产品气具有高压这就节省了煤气压缩所需要的能耗和费用同时也实现了甲醇的等压合成4合成气质量好一般情况下产品煤气中有效成分COH280 我公司采用神榆路煤和捣老鸟素煤COH281887 煤气中CH401可作为生产氨甲醇OXO产品的原料气也可用于联合循环发电5气化温度高气化炉在1400左右操作煤在熔融后呈液态排出燃烧室碳转化率高达96以上生产的高温煤气我公司采用直接冷激回收热能产生的蒸汽用于加热灰水6有利于环境保护由于气化温度高煤中的挥发份直接燃烧所以不生成焦油酚等污染环境的副产物废水主要成分是含氰化合物远比炼焦产生的废水易于处理同时气化系统的水在本系统内循环使用外排废水很少远比其它气化方法产生的废水量少而且还可在配置水煤浆时利用甲醇合成排出的残液从而减轻对环境的污染对于固体排放物在气化中没有飞灰等带出生成的熔渣不污染环境而且是良好的建筑材料总之我公司的气化装置是当今世界最先进的生产工艺之一设备精良操作方便生产线连续全部机械化工艺生产装置采用先进的DCS控制系统对全装置的过程参数进行集中数据采集过程监视和实行控制第二节国外发展情况水煤浆气化工艺国外称作德士古煤气化工艺TCGP至今已有50多年的历史1948年美国德士古石油公司受重油气化的启发首先创造了水煤浆气化工艺并在加州洛杉矶近郊蒙特贝洛建设第一套中试装置规模约15td这在煤气化发展史上是个重大的开端但由于当时煤无法与天然气和石油相竞争没有得道认可直至第一次世界性石油危机1973年煤气化又被提到议事日程上来其中包括德士古于1975年重建MRL的实验装置1978年1981年又分别建成两套中试装置鉴于在加压下连续输送煤粉难度大德士古公司提出水煤浆的概念即将煤粉和水混配成可用泵输送的水煤浆经过多年的研究和发展目前国外已有的中试装置工作性示范装置和工业化装置如表所示表见合成甲醇工艺学P28蒙特贝洛试验中心是德士古总公司的一个试验基地主要从事用石油煤石油焦为原料制备合成气技术研究建有中试炉最高压力为85Mpa已对多种煤进行了试烧美国TVA是以煤制氨的样板装置该装置建在国家肥料发展中心的一个以天然气为原料的合成氨厂内气化使用的伊利若斯6烟煤低灰份含硫1530经盘式磨煤机研磨后送往混合槽调配成浓度为55的水煤浆气化压力为345Mpa在美国加州的冷水工程建在冷水发电厂内是德士古煤气化联合循环发电的示范厂气化炉与前西德样板装置相同附设辐射锅炉和对流锅炉日处理煤量910吨气化压力为40Mpa 气化温度11001500煤气经冷却除尘然后脱硫用作气体透平的燃料从气体透平出来的气体通过废热锅炉温度降至130放至大气豪佰荷森示范装置是前西德鲁尔煤鲁尔化学公司对德士古煤气合法开展研究而建立的样板装置它取得了如下改进1由干磨改为湿法磨煤有以下两个优点可省去煤干燥的步骤煤干燥的加工和输送成本太高且粉尘大不安全易泵送水煤浆粘度小泵送容易2水煤浆浓度提高到70为了得到尽可能高浓度的煤浆需使磨出的煤粒度有一定的级配同时加入适当的添加剂来降低煤浆粘度有利于泵送3提供了热回收流程提高了热效率由于气化炉温度高达13001500离开气化炉的气体携带熔渣进入设在气化炉下部的辐射锅炉气体被冷却熔渣被分离后落入辐射锅炉的下部水池中并粒化排出气体再经过对流式锅炉被进一步冷却可以说水煤浆气化是德士古的技术而湿磨煤热回收则是鲁尔煤鲁尔化学公司开发的结果但这些技术统归德士古开发公司所有第三节 国内发展情况由上海化工研究院负责仿制早期的德士古气化工艺设计的我国第一套水煤浆气化装置 07thr 于1969年在浙江省巨州化工厂投运因碰到煤浆蒸发等技术问题 蒸发器易结垢堵塞管道磨损大 气化炉不能连续运行于1971年中止1971年化工部化肥研究所即现在的西北化工研究院建成一套模试装置规模为10kghr气化压力为10Mpa1984年底建成另一套模试炉20kghr气化压力为20Mpa为了进行中试化工部一院和化肥所共同协作设计了一套双废锅流程的中试装置规模为1015td压力为20Mpa并于85年建成先后共试烧了十几种煤其中为鲁南化肥厂试烧了山东七五煤为上海焦化厂试烧了陕西神府煤为渭河化肥厂试烧了陕西黄陵煤为淮南化肥厂试烧了河南义马煤神化20万吨年甲醇项目采用三台激冷式气化炉二开一备以神府煤为原料湿法棒磨制浆二级闪蒸灰水处理的气化工艺流程我公司的主要气化指标如下气化温度气化压力煤浆浓度煤浆粘度比氧耗碳转化率淮南化肥厂于1996年建成三台激冷式气化炉二开一备采用河南义马煤做原料湿法棒磨制浆冷激回收热量二级闪蒸灰水处理流程该厂设计的主要工艺指标如下添加剂及加量05SJG或10FNA粒度分布0043mm 3035气化温度 1400气化压力 40MPa煤浆浓度 61 COH2 7631碳转化率978冷煤气效率69比氧耗423Nm31000Nm3 COH2 比煤耗703kg1000Nm3 COH2 山东鲁南化肥厂兴建二台激冷式气化炉一开一备采用山东七五煤做原料湿法球磨制浆冷激回收热量二级闪蒸灰水流程于1993年正式开车该厂设计的主要工艺参数如下合成气产气量 COH2 525600 Nm3d原料消耗煤318thr干基 石灰石纯95 181td 干基 氧气996 9200 Nm3hr 气化工艺煤浆浓度63 煤浆及氧气入炉压力369MPa 气化压力27MPa 气化温度1400煤浆粘度 1400CP比氧耗 400 Nm3 1000Nm3 COH2 冷煤气效率 69 上海焦化厂先期兴建德士古水煤浆气化炉三台二开一备用陕西神府煤湿法球磨制浆激冷回收热量二级闪蒸灰水流程年产甲醇20万吨94年底建成95年时试车投产96年已上第四台气化炉三开一备上海焦化厂气化工艺指标如下煤浆浓度601煤浆粘度 1200CPPH值 7590比氧耗 400 Nm31000Nm3 COH2 气化温度 138020气化压力 40MPa陕西渭河化肥厂年产30万吨合成氨52万吨尿素工程采用三台气化炉二开一备以黄陵煤为原料投煤量1300td湿法棒磨制浆激冷回收热量灰水四级闪蒸循环使用96年投运该厂主要化工工艺指标如下煤浆浓度 6366wtPH值9煤浆粘度1000CP气化炉压力 65MPa气化炉温度 1400氧气炉前压力 811MPa氧气流量单炉 17420 Nm3h煤浆流量单炉 346 m3h洗涤塔出口合成气流量 131540 Nm3h 干基 洗涤塔出口合成气压力 624MPa第四节德士古水煤浆加压气化技术有待改进德士古煤浆气化有很多先进的方面但在工业化生产实践中仍暴露出一些急待解决的问题希望我公司从事这方面工作的技术人员和工人为解决这些问题尽自己微薄的一份力量提高公司的气化技术争取走到同行的最前面一水煤浆气化氧耗高比氧耗一般都在400 Nm31000Nm3 COH2 以上为了降低氧耗应尽量选择灰份低灰熔点低的煤成浆性要好以便可制得高浓度的煤浆减少气化炉内大量水蒸发而消耗的氧二需热备用炉气化炉一般能开二个月左右就要单炉停车检修或出现故障须有计划的停车而备用炉必须在1000以上才可投料若临时把冷备用炉升温至1000以上势必影响全系统生产所以有备用炉应处于热备用状态的要求而维持热备用炉耗能较大需煤气1501500 Nm3h空气1501500 Nm3h及部分抽引蒸汽冷却水若能通过强化管理优化操作确保单炉长周期运转做到计划停车检修前将备用炉温升上来就可不需热备用炉三气化炉耐火材料寿命短耐火材料中的向火面砖时气化炉能否长期运转降低生产成本的关键材料之一目前世界上使用最多的是法国砖奥地利砖美国砖法国砖的特点是在操作温度低的条件下性能比较好适应操作温度变化大而奥地利砖美国砖操作温度高时性能好但操作温度变化大时易变脆我国选用了法国砖沙佛埃耐火材料公司其寿命为115年其中渭河化肥厂开车一年三台气化炉向火面砖全改换过一炉砖需75万美元而且换一炉砖周期长影响生产二个月目前我们国内正研制价廉耐高温侵蚀而且使用寿命长的耐火材料同时我们在安装时要保证筑炉质量操作上加强管理减少炉温波动来人为地延长向火面砖的寿命四气化炉炉膛热电偶寿命短由于气化炉外壳与耐火砖的受热后膨胀系数不同而发生相互剪切进而热电偶每次开停车炉温改变我们尽量控制好外壳与炉膛温度来保证热电偶不坏来指导我们后续工作如果在热电偶坏时我们可根据合成气中CH4含量的变化及炉子排出渣的颜色颗粒的大小及形状来判断炉温这就要求我们要有过硬的业务水平积累经验可看系统其它工艺参数来控制炉温维持系统正常生产五工艺烧嘴寿命短烧嘴的稳定运行时操作好气化炉的另一个重要因素烧嘴的寿命短15个月左右而且昂贵8万美元个根据日本宇部资料统计烧嘴是引起气化炉停车次数最多的原因所以操作过程中必须会烧嘴的运行情况严密监视我俄每年可从烧嘴冷却水系统气化炉压差气体成分等来判断烧嘴运行情况我们还专门对烧嘴系统设置了联锁如运行情况恶化气化炉停车否则轻者烧嘴偏喷冲刷侵蚀耐火砖重者烧坏烧嘴六气化装置投资大我们采用德士古气化工艺不仅要付给德士古发展公司专利费用而且不少特别材料设备阀门仪表等需从国外进口价格一般为国内价格好几倍之多关于设计问题国内大多数人认为随着鲁南上海渭化淮化的相继投产我们已获得了丰富的设计经验和生产技术国内设计院承担工程涉及是完全可信赖的七激冷环寿命短激冷环使用寿命短1年左右需广大的有志之士研究改进第二章 煤及水煤浆的性质第一节 煤的工业分析和元素分析一煤的概念及分类煤是由一定地质年代生长的繁茂植物在适宜的地质环境里经漫长的地质年代的天然煤化作用而成的根据成煤植物和生成条件的不同世界上煤可分为腐植煤残植煤和腐泥煤三大类其中腐植煤是由高等植物形成的储量最大分布最广如泥炭褐煤烟煤无烟煤残植煤是由高等植物中稳定组分角质树皮树脂等富集而成的储量少如云南角质残植煤浙江长广的树皮残植煤腐泥煤有水肿藻类等浮游生物在还原环境下腐解形成的其储量也很少如藻煤油页岩等因煤种不同产地不同所以成分也不同煤质分析中最基本的就是工业分析和元素分析二工业分析煤的工业分析也称实用分析其分析项目包括煤的水份灰份挥发份及固定碳1水份Mad煤中水份按其存在形态不同分为三种 外在水也称游离水是在开采运输贮存洗煤是机械附着或润湿混合在煤颗粒表面和大毛细孔直径大于10-5cm中的水份因为外在水份只与外在条件有关而与煤质本身无关将煤置于空气中外在水可自然风干风干后的煤称为风干煤 内在水也称吸附水市吸附或凝聚在煤颗粒内部表面较小的毛细孔直径小于10-5cm中的水一般在稍高于100下恒温即可除掉内在水份的含量和煤质有关是影响成浆性的重要因素 结晶水也称化合水是煤的无机水化合物中所含的水一般在200以上恒温才可除去煤中的结晶水化合物有硫酸钙CaSO42H2O高岭土Al2O32SiO22H2O等此结晶水与外在水和内在水相比含量少的多故工业分析中不测结晶水煤的水份高易粘结在一起易发生煤仓棚仓和堵塞煤溜管影响下料2灰份Aad煤的灰份是煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在高温下85010产生一系列分解化合等复杂反应后残留物它们是金属与非金属的氧化物及盐类其主要组成是SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SO3等灰份在气化炉中是无用而有害的物质无用是说它不参与气化反应有害是因为它在炉内被熔融时要消耗热能这样就增加了比氧耗和比煤耗产生的CO2也会增多而且熔渣对向火面砖的冲刷侵蚀是不可避免的加之熔渣激冷后形成的碎渣再后系统中对设备管线阀门的腐蚀也会随灰份增加而增加所以在选气化用煤时煤灰份低好一般在1015wt我公司目前选用三一煤矿煤或大窑煤的灰份为1011wt和964wt另外煤灰熔性与煤化学组成密切相关也是气化用煤的一个重要指标灰熔性可用灰熔点来表示如果灰份中酸性物质 SiO2Al2O3 占比例大则灰熔点高如果碱性物质Fe2O3CaOMgO占的比例大则灰熔点低测定方法有熔点法角锥法高温热显微镜法和熔融曲线法我们选用常用的角锥法来测即将煤灰和糊精混合俗称一定大小的三角锥体放入测定炉内以一定的升温速度加热观察并记录灰锥变形情况以确定灰熔点见附图1图一灰锥熔特征图图中T3温度是灰份流动温度可根据它可确定气化炉的操作温度一般情况为T350100采用灰熔点高的煤将加剧对气化炉耐火砖的损坏这时应在煤中加入助溶剂CaO或CaCO3来增加碱性物质在灰份中的比例以降低灰熔点所以我们选择气化用煤时尽量选用灰熔点低的煤我公司目前选用气化煤灰熔点T3在1170左右所以不需设计添加助溶剂的设施但要对气化煤要严格监测其灰熔点淮南化肥厂选用的气化煤灰熔点T3在1350左右设置了添加助溶剂石灰粉的设施但目前由于气化煤的灰熔点低于设计值现已停用助溶剂3挥发份Vad挥发份是煤样在90010下隔绝空气加热7分钟煤分散所溢出的气体和蒸汽的百分数减去分析煤样的水份百分含量即为挥发份含量煤的挥发份与煤的变质程度有关年轻的煤挥发份含量高反映活性好由此可看出挥发份主要是有机物分解产物也含有矿物质分解产物但在合成气中不会存在由挥发份形成的有机烃类我公司设计用煤挥发份含量为 4固定碳FCad煤的固定碳是从煤中除去水份灰份和挥发份后的残留物煤中的固定碳和挥发份含量高对气化有利我公司设计用煤固定碳含量为 三元素分析煤的元素分析用来大致估算煤的发热量计算煤的燃烧热理论燃烧温度和燃烧产物组成并能指导后续煤气工序的设计和操作一般元素分析主要分析CHNSO这五种元素含量对于实际生产我们还需分析ClAs这两种元素1碳C碳是煤中主要可燃物但碳本身在比较高的温度下才能燃烧纯碳是很难燃烧的所以含碳量越高的煤越不易燃烧一般含碳量在4095我公司设计用煤含碳量为7142wt和6979wt2氢H氢是煤中第二个重要组成也是一种可燃物灰煤中它与碳生成化合物存在氢含量随着煤龄增加而减少一般在28我公司设计用煤含氢量438wt和452wt3氮N煤中氮含量不高约12一般为有机氮它的含量决定了煤气中的氮含量和煤气冷凝水的PH值如PH值高可减轻设备的酸性腐蚀我公司设计用煤含氮量为081wt和101wt4硫S煤中含有机硫和无机硫是一种有害元素经高温气化后生成H2S和COS这两种产物不仅腐蚀管道和设备而且也可使变换工序的触煤中毒因此我们寻用气化煤时硫含量尽可能的低我公司设计用煤的硫含量为027wt和041wt5氧O煤中氧含量变化很大随着煤龄的增大而减少一般在230煤中氧含量和水份含量是衡量煤变质程度的重要指标也是衡量成浆性的重要指标二者含量越高煤成浆性越差我公司设计用煤氧含量为969wt和1055wt6氯Cl一般煤中的氯有8090会进入气相会对设备和管道严重腐蚀尤其是对不锈钢材之的腐蚀如煤中氯含量大于05wt时不宜选用我公司设计用煤氯含量为 7砷As煤中的砷有20进入气相如含量大于006将会使变化工序钴钼系催化剂产生砷中毒我公司设计用煤砷含量为 利用元素分析结果可以计算煤碳发热量 计算无烟煤贫煤和低灰份石煤QGW半经验公式QGW 80781C320H22SO8A10在式中C95或H15的老年无烟煤C前面系数采用781其余采用80 计算各种风化煤QGW的半经验公式QGW 79C290H22S2705A10煤的发热量是计算煤质的一项重要指标一般用测定法计算出的发热量只做为参考煤的发热量越高越好我公司设计用煤发热量为 第二节煤的工艺性试验根据煤的不同用途需做不同的工艺性试验与我公司水煤浆加压气化有关的工艺试验有以下几种一煤的粘温性煤的粘温性是指煤灰份在不同温度下熔融时液态灰所表现的流动特性一般用粘度来描述为保证气化炉排渣顺利熔融态的灰渣流动粘度要小正常操作中灰的粘度不宜超过25PaS这须通过试烧才可了解到熔渣的粘度随温度的升高而降低当气化炉排不畅时可适当地提高操作温度使其排放正常因此有人把可确保气化炉排渣正常的最低温度称为最佳操作温度我公司设计用煤的灰粘度为 二煤的可磨性煤的可磨性表示煤的易碎程度它直接影响煤的破碎工艺及设备的确定我们通常用哈氏可磨指数表示HGI它是以美国一矿区易碎的烟煤作为标准煤其可磨性定为100测定时使煤样在规定的条件下在小磨机中经受一定的磨碎功用筛分方法测出新增的表面积由此算出可磨性指数HGI 13693D74D74通过孔径为74m的筛 的煤样量我公司设计用煤可磨指数为三化学活性化学活性也称反应活性它是指在一定温度下以一定流速通入CO2用CO2还原率来表示化学活性高的煤在气化过程中反应速度快气化效率高这样在水煤浆的制备过程中适当的可放粗煤粉的粒度有利于提高煤浆的浓度和降低电耗也有利于煤浆的泵送由此可看出化学活性也是影响水煤浆气化的主要指标之一我公司设计用煤的化学活性为 四煤的成浆性影响煤的成浆因素有粒度分布煤的内在水份含量添加剂还有一些外在因素下面我们对这些影响因素作个简单的了解1粒度分布在制浆过程中如果粗颗粒多则流动性好但易分层沉降稳定性差如果细颗粒多则稳定性有所提高但流动性变差就单对煤粉燃烧而言粒径约小燃烧越充分可我们必须同时兼顾煤浆的稳定性和流动性所以制浆时要选择适宜的粒度分布2煤的内在水份内在水份越低制成的煤浆粘度就越小流动性就好所以就可造出高浓度的水煤浆但稳定性相对差一些如内在水含量高则与上述相反我们一般说成浆性较差3添加剂对于水煤浆气化而言我们一般选用反应活性好的年轻烟煤我们在制浆时加入适量含有憎水基团的添加剂可制出合格的水煤浆如选用亲水性较差的煤种我们应加入含有亲水性基团的添加剂来提高煤浆稳定性制出合格煤浆4另外还有一些外在因素如煤浆制备过程中有无外力干扰添加剂在碱性环境中效果最好等等我们在此不做详细介绍了总之我们在制浆试验过程中要全方位的衡量力争做到减小各种因素的干扰做出高质量的水煤浆第三节德士古对水煤浆性质的要求德士古气化对原料要求高相应地对水煤浆的性质也要有很高的要求我们就从以下五个方面介绍一下一较高的浓度水煤浆的浓度就是指物质中的含固量若水煤浆的浓度低它的粘度也相对的低虽然有利于泵送但它的气化效率就会降低进入气化炉水份大大量水蒸发使炉温下降为维持炉温就须增加氧气用量从而使比氧耗增高而且每期质量也有所下降一般气化用水煤浆浓度在6070wt之间我公司水煤浆浓度在 二较好的流动性水煤浆的流动性我们用其表观粘度来表示如粘度大流动性就差不易泵送雾化效果也差实验表明如果煤浆浓度超过50wt时粘度会突然增大以致不能流动这时我们加入表面活性剂即加入合适的添加剂来降低粘度这样我们就可得到高浓度低粘度的水煤浆我公司粘度设计值为 三较好的稳定性水煤浆的稳定性是指煤粒在水中的悬浮能力水煤浆是一种分散的悬浮体系它存在着因煤粒重力作用引起的沉降问题特别是在水煤浆静止和低速下会发生分层沉降影响装置的稳定运行水煤浆的稳定性与煤粒粒度分布和煤的亲水性有关煤粉粒度小煤粒的表面亲水性越强其稳定性就越好但粘度会增大流动性差就单对水煤浆稳定性而言我们应选用年轻的亲水性好的煤四适宜的粒度分布水煤浆中粒度分布是成浆的关键因素若水煤浆中粗颗粒多表观粘度下降流动性好但易分层沉降较细颗粒多稳定性就好但流动性变差对气化反应而言颗粒越小反应越安全效果越好所以合格的水煤浆中大小颗粒互相填充大小比例要协调这就要求水煤浆要有适宜的粒度分布我公司水煤浆的粒度分布如下2380m8目 1001410m14目 98100420m40目 909544m325目 2535五适宜的PH值如水煤浆呈酸性会对管道设备等产生腐蚀如呈强碱性会在管道中结垢引起堵塞另外添加剂在碱性环境里使用效果好所以我们把水煤浆PH值控制在79之间第三章气化原理及操作条件的选择第一节德士古水煤浆加压气化原理德士古水煤浆加压气化属气流床氧气和水煤浆通过德士古烧嘴混合后喷射时立即雾化进入气化炉在01秒内煤浆中水被气化煤粒子被气体隔开各煤粒独立的进行反应气化炉在煤灰熔点以上温度发生反应固体在气化炉内停留35秒钟反应生成的粗合成气甲烷含量减少一般仅为01以下碳转化率高达98由于反应温度高不生成渣油酚及高级烃等可凝聚的付产物一炉内流动过程德士古水煤浆气化过程从流动特征上讲属受限对流反应过程按流动过程可将炉内分为三个流动区域即对流区回流区和管流区每个区域的流动特征各异在对流区中物流流动速度大不断地与回流区进行物质交换喷口附近回流区中的高温气体大量地被卷吸到对流区而远离喷口区域却有大量流体离开对流区进入回流区未离开部分流体则进入到管流区二气化过程的化学反应气化炉内发生的化学反应是很多的在火焰中可能同时进行以下化学反应CmHn mn4 O2 mCO2n2H2O 2CO2 2CO 2466KJ CO2 CO2 4091KJ 2COO2 2CO2 5732KJ H212O2 H2O CH2O COH2 1227KJ CO2H2 COH2O 423KJ CH4H2O CO3H2 4128KJ CCO2 2CO 1650KJ CH4 C2H2 此时还可能发生如下付反应COSH2O H2SCO2 CO2H2 HCOOH N23H2 2NH3 N2H22C 2HCN 1对流区反应及特征进入对流区的介质有水煤浆和来自回流区的高温烟气发生的过程是雾化后的水煤浆接受炉膛辐射热并与来自回流区的高温烟气迅速混合升温水份蒸发挥发份逐渐放出来在气化温度下01秒左右释放出的挥发份与来自回流区COH2等于CO2相遇达到着火条件即发生燃烧温度持续升高煤中难以挥发的碳氢化合物也开始裂解脱挥发份的过程结束后形成的残碳呈多孔的疏松状若此时氧未消耗完则残碳将进行燃烧反应由于此区中含大量水份及氧气等究竟发生的部分氧化反应还是燃烧反应依据动力学研究确定在对流区中氧气消耗完之前的区域以生成CO2的完全燃烧反应为主CO2 CO2定义为一次反应区在氧气消耗完之后的区域碳的各种转化反应速率相当即过程进入到气化反应阶段此区域与管流区一并称为二次反应区气化反应区2管流区反应及特征进入管流区的介质为来自一次反应区的燃烧产物及CH4残碳水蒸气及惰性气体等此区中进行的反应主要是碳的非均相气化反应甲烷水蒸气转化反应逆变换反应等对比二次反应区的反应进行方向研究结果在1350下有下列特点 反应和反应反应尚未到达平衡反映将沿着生成CO和H2的方向进行 反应沿着生成CO的方向进行即逆变换反应生成CO和H2O CH4转化反应沿着生成COH2的方向进行说明气化产品气中CH4存在是由于其与水蒸气转化反应警醒的不够完全的原因而不是进行了甲烷化反应不难发现随着温度的升高甲烷转化反应平衡常数升高转性故有提高气化温度出口气体中CH4含量降低的说法3回流区反应及特征回流区中的介质为在对流卷吸作用下来自对流区的燃烧产物残碳水蒸汽和少量氧气等因而其反应包括一次反应和二次反应此区为一二次反应共存区第二节气化反应条件的选择一水煤浆浓度随着煤浆进入气化炉的水一部分参与化学反应一部分蒸发所需要的热量由氧化燃烧热提供水煤比对合成气组分和冷煤气效率起着决定性作用提高水煤浆浓度冷煤气效率上升这是由于减少了过量的水份带入气化炉使氧煤燃烧作用于气化反应的比例增加故气化效率和有效气COH2也相应提高但煤浆浓度的提高又引起了其粘度升高不利于贮运且多耗电虽然向水煤浆中添加活化剂可降低煤浆粘度改善其流动性但会使生产成本上升综合各方面要求我公司水煤浆浓度控制在6065添加剂为二氧煤比所谓氧煤比就是指进入气化炉的氧气和煤的比例更确切地说应是氧碳原子比氧煤比对碳转化率冷煤气效率煤气中CO2含量产气率均有影响从上图可以看出随着氧煤比增加碳转化率显著上升这是因为燃烧反应所产生的热量成为吸热反应所必需的热量当氧煤比增加到一定值后曲线趋于平缓冷煤气效率是指煤气化后煤气中可燃烧的含碳气体中的碳与煤气中总碳量之比从图可以看出氧煤比增加冷煤气效率增加但当高到一定值时冷煤气效率反而下降那是因为氧煤比过高一部分碳完全氧化生成CO2使煤气有效成份降低而降低了气化效率从图可见产气率随氧煤比增加而增加到一定值开始下降那是因为此时煤气中H2被燃烧成水的缘故从图看氧煤比提高是因为氧化剧烈放出大量热使气化温度升高煤气中CO2含量随氧煤比增加而降低到一定值开始上升原因和冷煤气效率一致从图可以看出比氧耗和比煤耗都有一格最佳点先降后升这是因为氧煤比越大产生有效气就越多但到一定值后反而将有效气氧化成无用的组分因此需要用来生成有效气的氧气和原料煤就越多于是比氧耗和比煤耗增加综上所述氧碳比对各气化指标的影响各有不同其最佳值也有所不同加之实际生产中还存在着其它反应的相互影响及热量损失等原因氧碳比应高于理论值一般控制在096102为宜三煤粉粒度煤粉粒度对碳的转化率有很大影响因为煤粒在反应区停留时间和固气反应的接触面积与煤粒尺寸关系密切相关对大颗粒的煤粒离开喷嘴所具有较大的动能在气化炉停留时间比小颗粒短另一方面比表面积也小必然导致小颗粒煤转化率大于大颗粒细颗粒200目含量多对齐华有利但细颗粒多得使水煤浆的表观粘度增大不利于制备及贮运高浓度的水煤浆所以一般控制在细颗粒含量为50左右四气化压力水煤浆气化反应是体积增大的反应提高压力对化学反应的平衡不利但是目前工业上普遍采用加压操作其原因是1提高压力可以增加反应物浓度加快反应速度从而降低生成气中甲烷的含量提高气化效率2采用加压气化喷嘴雾化效果好不利于降低气体中甲烷的含量和提高碳的转化率提高有效气产率3加压气化气体体积缩小气化炉容积不变时气化炉生产强度高也减少了热损失4加压气化生产出的煤气压力高大大减小压缩煤气时动力消耗5对碳与水蒸汽碳与CO2甲烷水蒸汽转化等体积增大的反应化学平衡不利但对气化影响最大的逆变换反应则无影响但气化压力提高对设备的材料及制造要求更严格因此选择气化压力需从系统的技术经济效果来考虑目前世界上气化压力有四个等级鲁南化肥厂27MPa日本宇都上海焦化厂40MPa渭河化肥厂65MPa最高是85MPa本公司因与等压合成甲醇相配故采用374MPa五气化温度气化温度是水煤浆部分氧化过程十分重要的控制指标水煤浆与氧的反应其画反应是朝着反应物浓度降低的方向进行为增加反应推动力提高反应温度必须提高反应温度而且为了保证灰渣呈熔融状态便于液态排渣气化温度必须在灰熔点T3以上但温度太高会1产品气中有效成分降低CO2含量上升2比氧耗增加反应温度降低100氧耗可降低103熔渣粘度过低对耐火砖冲刷侵蚀添加剂使其寿命缩短当气化温度超过1400时耐火砖会出现裂纹剥落甚至爆炸综上所述一般气化炉操作温度控制在13501400由于我厂采用的原料煤灰熔点较高1380故我厂采用的温度是14001450第四章 德士古水煤浆加压气化工艺流程及主要设备第一节工艺流程一水煤浆气化工艺流程的选择目前水煤浆气化工艺流程按热回收方式不同可分成急冷流程和废热锅炉废锅流程急冷流程系将高温煤气在气化炉底部的急冷室内用热水急冷至露点饱和了水蒸汽的煤气再经洗涤后送到下一工序这种流程多用于CO须全部变换如制氨制氢的场合流程相对简单但能耗略高废热锅炉流程多用于CO不须变换的场合如制CO气或OXO合成气IGCC先用废热锅炉辐射式和对流式二台串联回收煤气显热产生高达105MPa高参数蒸汽以做到能量综合利用有人推荐甲醇CO部分变换用只有辐射段的半废锅流程这样做法虽技术合理但在实际应用上大多宁愿选用比较简便的急冷流程二我公司所选用的气化装置工艺流程简述由煤贮运系统来的小于100mm的碎煤进入煤贮斗V1001后经煤称重给料机W1001计量进入煤磨机M1001与由研磨水泵P1003AB送来的一定量的甲醇残液灰水低温变换冷凝液新鲜水混合在棒磨机种磨成一定粒度分布的约6165浓度的水煤浆出棒磨机的煤浆经煤浆滚筒筛S1001以除掉大颗粒煤杂物合格的煤浆自流至棒磨机出料槽V1003由磨机出料槽泵P1001经煤浆分流器V1104松枝煤浆槽V1101AB再由煤浆给料泵P1101ABC经煤浆切断阀XV1202进入德士古烧嘴X1202的内环隙投料前煤浆经煤浆循环阀XV1203循环回煤浆槽V1101空分装置来的纯度为996的氧气 经氧气缓冲罐V1201氧气流量调节阀FV1205氧气切断阀XV1205XV1206进入德士古烧嘴的中心管和外环隙氧气的流量有压力和温度PT1232TIA1202进行补偿在投料前氧气经FV1214和XV1207放空水煤浆和氧气在德士古烧嘴X1202中充分混合雾化后进入气化炉R1201的燃烧室中在40MPaA约1350条件下进行部分氧化反应生成以CO和H2为有效成分的粗煤气粗煤气和熔融态灰渣一起向下经过均布激冷水的激冷环沿下降管进入激冷室的水浴中大部分熔渣经冷却同化后落入激冷室底部粗煤气沿下降管和导气管的环隙上升出激冷室去洗涤塔T1301在激冷室粗煤气出口处设有高温变换冷凝液冲洗水阀FV1211以防止固体在出口管累积堵塞激冷水 经激冷水过滤器V1204滤去可能堵塞激冷环的大颗粒送入位于下降管上方的激冷环沿下降管壁流入激冷室激冷室底部黑水含固量小于1经FV1212送入汇水处理系统6142段激冷室液位控制在63在开车期间黑水可以经过气化炉水封槽V1205排入渣沟或经LV1201排入真空闪蒸罐V1305激冷室底部的粗渣自流排入锁斗V1207然后定期排放至渣斗V1208然后用冲洗水经渣沟冲至渣水沉降系统处理在气化炉预热期间激冷室出口气体经开工抽引器X1206排入大气开工抽引器底部通入经HV1206来自管网的低压蒸汽10MPa通过调节预热烧嘴风门和抽引蒸汽量控制气化炉的真空度在610mmH2O2合成气洗涤系统从激冷室出来的饱和了水汽的合成气 进入文丘里洗涤器X1301在这里与激冷水泵P1301来的洗涤塔黑水混合使合成气中夹带的固体颗粒完全湿润以便在洗涤塔内能快速除去水粗煤气的混合物进入洗涤塔T1301沿下降管进入塔底部的水浴中煤气向上穿过水层大部分固体颗粒沉降到塔底部与煤气分离上升的煤气沿下降管和导气管的环隙向上穿过四块冲击式塔板由冷凝液泵P1302来的洁净的变换冷凝液 喷淋洗涤剩余的固体颗粒合成气在洗涤塔顶部经过一个折流式除沫器除去夹带在气体中的雾沫然后离开洗涤塔T1301煤气水汽比控制在 之间含尘量小于1mgNm3在洗涤塔T1301出口管线上设有在线分析仪一个连续分析CH4O2含量另一个分析煤气中的H2COCO2H2SCOS的组成干净的煤气 经气动阀HV1301送往下游变换工序在开车期间煤气经气缸阀PV1302-1和气膜阀PV1302-2串联控制压力排至开工火炬火炬管线连续通入低压氮气使火炬管线保持微正压第二节主要设备介绍气化装置有种设备共计台套其中国外进口台其中有些设备的制造必须经德士古发展公司认可后方可制造这里我们仅对一些主要设备的结构工作原理操作和维护要点做简单说明详细情况请查阅设备及维护说明一棒磨机棒磨机是用来制备水煤浆粒度10mm的原料煤与甲醇残液添加剂变换冷凝液按一定比例加入棒磨机研磨后水煤浆给滚筒筛分成符合工艺要求的粒度浓度为6265的水煤浆送入贮槽贮存供气化用滚筒筛筛出的大颗粒煤返回原料场棒磨机技术性能参数设备形式 湿式溢流式棒磨机筒体内径 3800mm筒体工作长度 5800mm筒体有效容积 65m3最大装载量 煤炭干 126 t 钢棒 90 t入料粒度 15mm筒体工作转速 1384 rmin电机功率 1120kw转速 742 rmin电压 1000V进料速率 煤干 48021 Th 磨机给水 16590 th棒磨机主轴承采用动静压润滑轴承一般地静压即高压油启动和停机时使用动压即低压油在磨机工作时既起润滑作用又起冷却作用高压启动磨机可大大降低启动负荷并可避免擦伤轴瓦提高磨机的运转效率高压启动磨机正常工作后停止供给高压油靠低压润滑油工作在磨机停止运转前又向轴承供高压油将轴颈完全浮起墨迹停止运转后当筒体冷却至室温之后再关掉高压油使轴瓦不因筒体冷收缩而被擦伤延长轴瓦的使用寿命一个主轴承上装有两个端面热电阻测量中空轴的温度柱轴承温度与主电机联锁其报警值设定可根据现场使用情况调节轴承工作表面上铸有轴承合金层合金层下面埋设有蛇形冷却水管能有效冷却合金层主轴承长期工作后轴瓦产生磨损正常磨损平均每年013mm致使中空轴下沉可将密封支架向下调整以保证橡胶密封圈和中空轴良好接触定期从密封支架上注入2号钠基润滑脂起密封作用工作原理棒磨机主要工作部件筒体部里面装有粉磨介质棒当物料由给料部从进料中空轴颈送入磨机筒体内电动机带动装有介质棒的筒体旋转物料受到介质棒的撞击以及棒之间和棒与筒体衬板之间的粉磨被粉磨后的物料从排料中空轴中流出主要部件1主机 包括给料部动静压轴承筒体大小齿轮减速器电动机部分组成筒体内衬橡胶板以降低噪音有利职工身心健康2慢速驱动装置 用于磨机检修及更换衬板时用停车超过4小时启动主电机前用慢驱盘车以达到松动物料之目的启动慢驱前必须先启动高压润滑油泵防止擦伤轴瓦电气保护实现与主电机互锁3顶起装置 在筒体下部设有一套顶起装置用电动油压将筒体托起来便于主轴承等的检修4高低压润滑油站 向磨机供高低压油高压油用于磨机的启动和停车低压油用于轴承润滑5喷雾润滑油站 向大小齿轮喷油润滑6减速器润滑油站 向减速箱提供润滑油7滚筒筛 将水煤浆分成符合工艺要求的粒度分布8加棒机 磨机人工加棒劳动强度大设置加棒机以减轻工人劳动强度润滑油站内设有加热和冷却装置当油温降低时自动开启电加热器达到油温设定值时停止加热当夏季油温超高时自动启动冷却水阀油温降到设定值时自动停止冷却二煤浆泵输送煤浆的泵油两种磨机出料槽泵P1001俗称低压煤浆泵向气化炉送煤浆的泵P1101称高压煤浆泵因高压煤浆泵要求高故这里主要叙述高压煤浆泵低压煤浆泵与此相似由于煤浆的粘度大磨损率高大都选用了隔膜泵我厂进口德国制造的弗鲁瓦FELUWA软管隔膜活塞泵其技术特性如下煤浆浓度65 最大颗粒8mm H值中性粘度 7003000 CP 流量12365m3h工作压力 72 MPa进口压力 0001 MPa轴功率 76 kw电机转速 7501500 rmin泵速 1753行程长度 200mm泵头 4隔膜泵是在原有的活塞泵的基础上增加隔膜腔用隔膜将料浆与活塞缸衬里等隔开把泵的磨损件减少到最低限度这是双缸双作用的活塞隔膜泵的工作原理图当活塞运动时活塞推动力作用在隔膜上继而传送到料浆上当活塞向右方推动时右上方的阀芯抬起右方料浆排出同时左下方阀芯也拉起左方料浆被吸入当活塞向左方推动时则右方吸料左方排料图见医药技校教材P44由上可见泵的进料排料是间歇地煤浆流量是波动的为了减少波动可增加缸的数量淮化是三缸单作用我公司高压泵为双缸双作用出口设有缓冲罐罐内充N2其压力是泵出口压力的70泵的进出口单向阀及阀座是唯一受煤浆磨损的部件阀和阀座的寿命可达5000 h隔膜寿命是出厂后1年半应定期更换不能等发生问题时更换高低压煤浆泵使用变频调速电机可做到无级调速设有隔膜行程控制系统以便严格控制隔膜的行程以保证隔膜的运行寿命三气化炉气化炉是水煤浆加压气化制合成气装置的核心设备之一本工程根据工艺要求配置三台275614729mm急冷式气化炉两开一备气化炉上部为具有特殊耐火衬里的气化室下部为急冷室开工时经过预热烧嘴预热将气化炉预热至要求的温度水煤浆和氧气通过工艺烧嘴喷入气化室内迅速燃烧并发生部分氧化反应放出大量热生成以COH2为主的高温煤气经水激冷降温和初步除尘后的煤气与被汽化的水蒸汽一起离开气化炉1气化炉技术特性 工作压力 40MPa 燃烧室工作温度14001450 燃烧室容积 127m3 燃烧室 27564826mm 激冷室 27566210mm 总高 14729mm 燃烧室主材为 114Cr 12Mo 激冷室主材为 9A387GR11 激冷室内件主材 lncoloy 825lncoloy 8002气化炉结构 见附图 急冷型德士古气化炉燃烧室和激冷室是连成一体的上部燃烧室是一个衬有耐火材料的钢质容器它用来通过非催化的燃烧反应来产生煤气顶部烧嘴口供设置工艺烧嘴用下部为激冷室激冷室内紧接上部气体出口设有激冷环喷出的水沿下降管流下形成一个下降的水膜这层水膜可避免由燃烧室带来的高温气体中夹带的熔融渣粒附着在下降管壁上激冷室内保持相当高的液位夹带着大量融渣的高温气体通过下降管直接与水接触气体得到冷却并为水汽所饱和熔渣淬冷成粒化渣从气体中分离出来被收集到激冷室下部由锁斗定期排出气体沿上升管到激冷室上部经挡板除沫后由侧面气体出口管去洗涤塔进一步除尘结构特点 反应区实为一空间无任何机械部分只要反应中氧的配比得当反映瞬间即可获得合格产品如果反应物料配比或进料顺序不当不是超温就是有爆炸的危险 由于反应温度约1400左右为保护炉壳体免受高温的损坏和减少反应区的热量损失炉壳内设有三层耐火材料参见图最内层砖称向火面砖因直接与高温气体接触故采用高铬砖砖层厚度230mm高铬牌号分60砖80砖90砖牌号越多其Cr2O3含量越高耐高温效果越好但价格