煤气化技术简介.doc

煤气化技术煤气化已有100多年的发展历史，先后开发了200多种气化工艺或气化炉型，有工业化应用前景的十余种。煤气化可分为完全气化和不完全气化两大类：完全气化是指煤及其它固体原料与气化剂进行一步法化学反应，生成可燃气或合成气；不完全气化是指固体原料进行热加工时，除生成可燃气外还有含碳固体产物（如煤炼焦过程）。这些产物又可进行加工利用。国外为了提高燃煤电厂热效率，减少环境污染，对煤气化联合循环发电技术作了大量工作，促进了煤气化技术的开发。目前已成功开发出了对煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、污染少的新一代煤气化工艺，主要有荷兰壳牌（Shell）的粉煤气化工艺、德国克鲁伯考柏斯（KruppKoppers）的Prenflo工艺，美国德士古（Texaco）和Destec的水煤浆气化工艺以及德国黑水泵的GSP工艺等。本章着重介绍我厂油改煤改造工程所引进的Shell粉煤气化工艺技术。第一节 煤气化技术分类及其发展一、煤气化技术分类最常用的气化分类方法是按煤和气化剂在气化炉内的相对运动来划分，大体可分成三种：逆流：固定床、移动床。煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外；气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层（两者合称气化层）。代表炉型为常压UGI炉和加压Lurgi炉，主要用于制取城市煤气。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限制。并逆流或返混流：流化床、沸腾床。气化剂由炉底部吹入，使细粒煤（6mm）在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化或沸腾床气化。煤粒( 粉煤 )和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上筒体部分呈并流和逆流运动。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（ST）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。由于炉内反应温度低( 与气流床相比)，煤的停留时间短( 与固定床相比 )，并逆流气化对入炉煤的活性要求很高，只有高活性褐煤才适应。而炉温低、停留时间短带来的最大问题是碳转化率低，飞灰多，残碳高，且灰渣分离因难。其次是操作弹性小(控制炉温不易)。代表炉型为常压Winkler炉和加压HTW炉，此外还有U-Gas、KRW等流化床气化炉也逐步走向工业化。并流或活塞流：气流床、夹带床。粉煤由气化剂夹带入炉并进行燃烧和气化，受反应空间的限制，气化反应必须在瞬间完成，为弥补停留时间短的缺陷，必须严格控制入炉煤的粒度（0.1mm），以保证有足够的反应面积。在并流气化反应中，煤和气化剂的相对速度很低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行，碳的损失不可避免，为增加反应推动力，必须提高反应温度即反应速度，火焰中心温度在2000以上，采用液态排渣是并流气化的必然结果。代表炉型为常压气流床粉煤气化K-T炉，水煤浆加压气化Texaco炉，处于工业示范阶段的加压粉煤气化炉如SCGP、Prenflo等。各类气化方法主要特点见下表。表2-1-1 各类气化方法主要特点气化方法固定床流化床气流床典型工业炉UGILurgiWinklerHTWKTTexaco灰排出状态干灰干灰熔渣原料煤特性对小颗粒煤对粘结性煤对煤的变质程度对灰熔点要求受限好受限褐煤高不受限不受限任何煤低受限无烟煤需搅拌褐煤高操作特性气化压力/MPa(a)气化温度(出口)/炉内最高温度/耗氧量耗蒸汽煤在炉内停留时间常压23常压1.085090011008509001100低高15min常压46.513501600 2000高低 无400 ST无低高90min1S5S煤气成分H2COH2COCO2CH4N240327080.8203739202360273010120.5343630406575131512315890103545801520 90m 10 (max.) % 5.0m 90 %含水量 2%根据煤气化炉生产能力和设计煤种，以及可能的煤质变化情况，煤的研磨及干燥系统设置2台磨煤机，即2条煤的研磨及干燥（CMD）生产线，正常生产时两条线同时运行。当一条线停运时，另一条线按设计能力运行，以满足下游配套部分的生产要求。（一）原煤与石灰石粉贮存系统1. 原煤原煤贮存在原煤仓(V-1101A/B)内。来自V-1101A/B的原煤经重力式给煤机(X-1101A/B)计量称重后通过落煤管进入磨煤机，为保证系统的安全，重力式给煤机始终保持在连续的氮净化状态。V1101A/B含尘气体通过原煤仓放空过滤器(S-1101A/B)除尘后，由原煤仓排风机(K-1104A/B)排入大气。为了监控原煤的自燃，S-1101A/B出口设有一氧化碳含量在线分析报警（2个煤仓合用一个）。 V-1101A/B内装有一个氮气分配环。2. 石灰石粉石灰石粉贮存在石灰石粉仓(V-1102)内。80160目的石灰石粉由密封罐车卸至一中间粉仓，再经空气提升机送入石灰石粉仓(V-1102)。V1102内的石灰石粉依靠重力进入石灰石粉配料箱后，通过改变配料箱出口旋转给料机转速使石灰石粉按照与煤一定的重量比依次通过旋转给料机和石灰石粉喷射器进入磨煤机。V1102上部含尘气体通过石灰石粉仓放空过滤器(S-1104)除尘后排入大气。（二）研磨及干燥系统根据煤质特点，采用性能优越的MPS中速磨，集研磨、干燥与动态分离于一体。中速磨煤机在研磨过程中，将连续对物料进行干燥。满足细度要求的煤粉和气体混合物经出粉管道进入粉煤过滤器S-1103A/B进行气粉分离。煤粉的细度取决于循环气速率、滚筒在磨盘上的压力和S-1102A/B的可调速率。分离后的煤粉储存在粉斗内，通过螺旋送入下游装置粉煤储罐V1201A/B。分离后的气体（含尘量小于10 mg/Nm3）被循环风机K1102A/B抽走，一部分进入惰性气体发生器F1101A/B循环使用，另一部分排入大气。石子煤和其它不合格原料自动落入石子煤箱中（磨盘下的一个气密阀系统）排出。为防止煤粉的侵入，通过密封风机(K-1103A/B)提供的空气对磨煤机轴封和轴承进行密封。为避免煤粉自燃和粉尘爆炸，磨煤机在微负压条件和低氧的惰性气体环境下操作，通常控制氧气浓度在8 vol%以下，当S-1103A/B出口或磨煤机入口氧含量过高时，向循环回路中补充低压氮气。（三）惰性气体发生器磨煤采用热惰性气体干燥，热惰性气体由惰性气体发生器(F-1101A/B)经燃料气（油）燃烧加热产生，燃料量由研磨煤机出口温度进行控制。燃料气（油）燃烧所需空气量由燃烧空气鼓风机按比例提供。为了满足低能耗的要求，K1102A/B出口大约80%的热惰性气体需循环回到F1101A/B。正常运行时F-1101A/B采用炼厂干气和合成弛放气的混合气作为燃料，由燃烧空气鼓风机(K-1101A/B)提供助燃空气，柴油备作为备用燃料。开车期间（点火）采用液化石油气作为燃料，助燃空气为压缩空气。循环风机为系统的惰性气体流动提供动力。二、加压进煤来自CMD的粉煤和粉煤过滤器(S-1201A/B)过滤下的煤粉进入粉煤储罐(V-1201A/B)，若粉煤储罐达到允许的最高料位时，CMD将停止运行。煤气化炉开停车期间，粉煤也将通过粉煤烧嘴前的循环线返回到V1201中。低压氮气连续通入粉煤储罐以保证系统在惰性气氛下操作。粉煤储罐的操作压力为0.02MPa(g)，操作温度为80。粉煤依靠重力由V1201流入粉煤放料罐(V-1204A/B),V1201达到设定料位后即与所有低压设备隔离开，然后加压直至与粉煤给料罐(V-1205A/B)的压力相同，此时打开这两个罐间的压力平衡阀。V1204是用高压氮气来加压的，氮气通过罐底部的通气锥直接进入罐中，为保护通气锥中的通气板，氮气加压管线上设置了压差控制阀以控制进入通气锥的氮气流量。粉煤靠重力由V1204流入V1205，当V1204达到设定的低料位后，关闭V1204底部的切断阀，与高压系统隔离，V1204开始卸压。V1204卸压分为三步，前两步均通过限流孔板和切断阀将氮气经S1201排放到大气中，第三步则通过V1204和S1201间的压力平衡线来保证两台设备间的压力平衡。V1204操作压力为4.70.02MPa(g)，操作温度为80。V1205内的粉煤从底部送往粉煤烧嘴。为维持V1205与气化炉间的压差，稳定气化炉的运行，V1205内不断通入氮气，并通过S1201排入大气。同样，为了保护罐底的通气锥，氮气管线上设置了压差控制阀。V1205操作压力为4.7MPa(G)，操作温度为80。三、煤气化及合成气冷却来自空分装置的纯氧经高温锅炉水预热到180，与300的过热工艺蒸汽充分混合后，和来自V-1205A/B的粉煤一起通过水平对称布置的四个粉煤烧嘴喷入气化炉(V-1301)内，在4.0MPa(G)的压力下进行部分氧化反应。气化炉内温度高达1400-1700，在此高温下，合成气中基本不含C1以上的有机成分。同时由于气化炉中部分固化的煤渣层形成的隔热壁最大限度地阻止了热量的流失，从而获得较高的冷煤气效率。反应后的高温合成气在气化炉顶部出口被来自循环气压缩机(K-1301)的冷合成气激冷至约900，然后经合成气冷却器冷却至340后进入干法除灰单元。激冷循环气压缩机设计由调频电机驱动。正常操作时，四个粉煤烧嘴同时运行。烧嘴负荷通过气化炉的负荷调节器来调节，其入口的氧气蒸汽比通常保持恒定不变。为了保证烧嘴的稳定运行，延长烧嘴的使用寿命，本单元设置了烧嘴冷却水（锅炉水）系统。气化炉还设置了点火烧嘴和开工烧嘴系统。粉煤气化反应过程中所产生的大量高位能显热在气化炉及合成气冷却器（SGC）中被回收以产生中压过热蒸气。SGC是水管型废锅，特殊的设计使之能够处理带有不粘性粉煤灰的气流。从气化炉中压汽包(V-1304)出来的271循环锅炉水由中压循环泵(P-1301A/B/C)分别送入气化炉中压蒸汽发生器(E-1320)即气化炉水冷壁，激冷段中压蒸汽发生器(E-1301)、传导段中压蒸汽发生器(E-1302)和SGC中压蒸汽发生器(E-1303)，以产生5.5MPa(G)的中压蒸汽，产生的汽水混合物在汽包中分离后，蒸汽送入SGC中压蒸汽过热器(E-1306)过热至400。中压过热蒸汽除少部分送入公用工程系统供气化装置自用外，其余送往界区管网。汽包内部隔成两个室，一个室与气化炉水冷壁相连，另一个室则与气化炉内其它的蒸汽发生器相连。采用这种设计可以通过监测气化炉不同部位的产汽量以评估气化炉的运行状况。气化炉和SGC设置了清洁系统，主要设备是激冷段吹灰器、位于SGC内过热器入口处的飞灰鼓风机和敲击锤，清洁系统在PLC控制下按设定的程序进行工作。 四、除渣除渣系统负责对熔融煤渣进行冷却、粒化和排放处理。1700左右的熔融炉渣向下流入气化炉底部的灰渣激冷罐(V-1401)，迅速分解成灰渣小颗粒，灰渣颗粒向下流入收集罐(V-1402)中。为防止较大的煤渣颗粒被夹带进水循环系统，90的灰水由循环泵(P-1401A/B)从收集罐顶部抽出，经水力旋流器(S-1403A/B)和循环灰水冷却器(E-1401A/B)循环回到灰渣激冷罐。水力旋流器的目的是将激冷水中的固体颗粒含量控制在11.5wt%，而循环灰水冷却器则利用循环冷却水将灰水冷却至50。渣由收集罐进入渣放料罐(V-1403)，在此过程中，灰水通过灰水泵(P-1402A/B)循环回到收集罐中，同时系统中补入高压新鲜水以补充由水力旋流器底部排到废水汽提及澄清单元的水。当所有的渣进入放料罐后，放料罐即与收集罐隔绝并开始卸压，然后将渣全部排入炉渣脱水仓(T-1401)。由排放水罐(T-3302)来的40低压新鲜/循环水通过排放水循环泵(P-3306A/B)送到放料罐中，冲洗和重新注水完成后，用高压氮气加压至4.0MPa(G)，然后与收集罐重新连通。炉渣脱水仓中的渣由捞渣机(X-1402)捞出，并经送渣皮带(X-1403)送往中间渣场。炉渣脱水仓中含细微颗粒的灰水通过灰渣水排放泵(P-1403A/B)输送至澄清槽(S-1701)中。五、干法除灰干法除灰单元核心设备是带有程序反吹系统的高温高压陶瓷过滤器S1501。来自合成气冷却器(V-1302)340合成气送入S-1501过滤除灰后直接送往洗涤单元，过滤后的合成气中灰尘含量约12(最大20)mg/Nm3。高温高压过滤器设置了反吹系统，利用7.8MPa(g)、225的高压合成气对滤芯进行反吹。高温高压过滤器过滤下来的飞灰通过飞灰收集罐(V-1501)落入飞灰放料罐(V-1502)，飞灰放料罐持续用5.2MPa(G)、225的高压氮气进行气提。当飞灰放料罐中的飞灰量达到高料位时，高温高压过滤器与放料罐之间的阀门关闭，然后将放料罐中的氮气粗合成气混合气通过放料罐过滤器(S-1502)送入火炬，直至将飞灰放料罐卸压至大气压。放料罐过滤器的压差利用5.2MPa(G)、225的高压反吹气来维持。卸压完成后，飞灰放料罐与飞灰卸料冷却罐(V-1504A/B)中的其中1个连通，飞灰落入飞灰卸料冷却罐中。当飞灰放料罐中的飞灰达到低料位时，关闭二者之间的阀门，然后用高压氮气对飞灰放料罐加压至与高温高压过滤器的压力达到平衡，并重新连通飞灰放料罐和高温高压过滤器。在飞灰放料罐的卸压及放料过程中，高温高压过滤器过滤下的飞灰落入其下部的飞灰收集罐(V-1501)中。在飞灰卸料冷却罐中利用0.7MPa(G)、80的低压氮气对飞灰进行加压气提吹扫，以保证有毒合成气不泄漏到大气中并将飞灰温度降至约250以下。气提冷却的气体通过气提罐过滤器(S-1503A/B)送入火炬。为防止火炬气倒窜入飞灰卸料冷却罐中，在火炬与飞灰卸料冷却罐间设置了压差开关。中间储罐(V-1505)的作用仅仅是作为飞灰中间储存用，缓冲时间为3个小时。飞灰由飞灰卸料冷却罐进入中间储罐，然后通过飞灰充气仓(V-1508)送往灰仓(V-1507)并最终输出到界区外。在该系统内，飞灰的输送均是利用0.7MPa(G)、80的低压氮气。六、湿法洗涤来自高温高压过滤器(S-1501) 335的粗合成气与来自洗涤塔(C-1601)底部的167洗涤水在文丘里洗涤器(J-1602)中充分混合后送入洗涤塔底部，气/水混合物在此初步分离，气体沿填料层上升，与从塔顶下来的洗涤水在填料层中充分接触传质传热，以除去粗合成气中的HCl、HF和微量的固体颗粒。洗涤后离开塔顶的160被水饱和的粗合成气分为三股，一股作为产品气送往配套部分；一股作为激冷气送循环气压缩机(K-1301)压缩后循环到气化炉顶部出口；还有一股送入反吹气洗涤塔（C-1602）中用40的循环洗涤水进一步洗涤，离开洗涤塔顶的反吹气温度为42，压力为3.80MPa(G)，送往反吹气压缩机（K-3001）。洗涤塔底出来的循环洗涤水经洗涤塔循环水泵(P-1601A/B)加压后分为三部分，一部分与来自反吹气洗涤塔的洗涤水混合，经洗涤塔循环水空冷器(E-1601)冷却后送入洗涤塔顶部；一部分循环水进入文丘里洗涤器；另一部分则送往废水汽提及澄清单元，以防止腐蚀性成份、盐和固体悬浮物在系统中累积。为提高粗合成气中酸性成份的脱除效率，少量20wt%浓度的NaOH碱液加到文丘里洗涤器前，循环回路的PH值控制在7.58.0之间。本单元内设置了供气化装置开工用的蒸汽喷射器(J-1601)。七、废水汽提及澄清送往该单元进行汽提处理的污水主要包括下列几股物流，来自洗涤单元(1600)的酸性排放水，来自除渣单元(1400)的激冷排放水，来自密闭倒净系统的排放液。这几股废水首先汇入汽