气流床气化技术研究现状

气流床气化技术研究现状气流床气化技术研究现状 刘庆旺 煤炭是我国的基础能源和重要原料 在国民经济和社会发展中具有重要的 战略地位 将长期是我国的主要能源 煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术 之一 是发展煤基化学品 氨 甲醇 二甲醚等 煤基液体燃料 先进的lGCC 发电 多联产系统 制氢 燃料电池等过程工业的基础 是这些行业的共性技 术 关键技术和龙头技术 估计 我国 十一五 末期年气化用煤约1亿t 以煤 间接液化为例 规模为500万t a的生产装置 气化用煤在2200 2500万t a 国内 在建的甲醇装置 合成氨装置 煤制油装置和处于筹建中的煤制烯烃装置 煤 制油装置 甲醇装置等 已展现了对煤气化技术的强劲需求 在流派众多的煤气化技术中 气流床气化技术因煤种适应范围比较广 气 化温度 压力高 易于大型化 成为煤气化技术发展的主流方向 国际上有代 表性的气流床气化技术主要有GE Texaco 气化技术 Global E Gas气化技术 以干粉煤为原料的Shell气化技术 Prenflo气化技术及GSP气化技术 气流床气化法是20世纪50年代初发展起来的新一代煤气化技术 最初代表 炉型为K T炉 其后随着Texaco Shell等一批新型工艺的开发 气流床气化技术 因其出色的生产能力和气化效率 在世界范围内得到了迅速推广和广泛的应用 尤其是在燃气联合循环中 目前绝大多数1GCC电站所选择的均为气流床气化炉 主要炉型有Texaco Shell E Gas 原Destec 以及Prenflo等 气流床气化法使用极细的粉煤为原料 在气化炉内细颗粒粉煤分散悬浮于 高速气流中 并随之并行流动 这种状态即称气流床 气流床气化法属于高温 气化技术 原料煤具有很大的比表面积 又处于加压条件下 因此气化反应速 度极快 气化强度和单炉气化能力比前两类气化技术都高 目前己经商业化的 气化炉 每天可气化约2000 2600t煤 在气流床的高温下 粉煤的干馏产物全 部分解 粗煤气中不含焦油 酚及烃类液体等 有利于简化后续净化系统 对 环境污染少 根据给料方式的不同分为两类 一类为干法供料 将煤粉直接气力 输送至喷嘴 代表炉型为Shell 另一类称为湿法水煤浆供料 是先将煤粉和水混 合成为水煤浆 泵送至喷嘴 代表炉型为Texaco 水煤浆形式容易加压泵送 但会影响气化炉的总体热效率和气化强度 干粉供料具有较好的气化表现 气 流床气化均采用高温液态排渣方式 根据炉内温度 对煤灰熔点有一定要求 姚 强等编著 洁净煤技术 M 北京 化学工业出版社 2005 气化温度高于煤灰熔融温度 38 100 气流床气化炉的共同特点是加压 3 6 5MPa 高温 细粒度 但在煤处理 进料形态与方式 实现混合 炉壳内衬 排渣 余热回收等技术单元上对策迥 异 从而形成了不同风格的技术流派 下面分别对Texaco Shell Prenflo等气化 炉的技术特色加以说明 1水煤浆气化技术研究现状水煤浆气化技术研究现状 1 1国外水煤浆气化技术研究概况国外水煤浆气化技术研究概况 黎军 Texaco德士古水煤浆气化工艺概况 安徽化工 2001 1 水煤浆气化是在重油气化基础上发展起来的第二代煤气化技术 属于加压 气流床 又称喷流床 气化工艺 火焰型部分氧化反应 液态排渣 水煤浆气化 是一个很复杂的物理一化学反应过程 水煤浆和氧气喷入气化炉后经历煤浆预 热 水蒸发 煤热解 挥发物燃烧和气化 残C气化和水煤气平衡等化学反应 最终生成以CO和H2为主要组分的合成气 基本不含烃类和凝聚物 水煤浆加压气化工艺是当前世界上发展较快的第二代煤气化方法 其特点 岑可法 姚强 曹欣玉等 煤浆燃烧 流动 传热与气化的理论与应用技术 杭州 浙江大学 出版社 1997 为 1 煤种的适应范围较宽 2 颗粒粉煤制成水煤浆造气 3 用湿式磨煤机制备水煤浆 工艺安全可靠 噪声低 在加压下气化 单 台气化炉的产量大 同时还可以节省气体压缩动力 4 气化操作温度高 碳转化率可以高达96 98 以上 气化效率高 5 煤气中甲烷含量低 有效气成份 CO H2 高达80 左右 可以作为生产 合成氨 甲醇 UXO产品的原料气 也可以与联合循环发电系统联合生产电力 和供热 6 煤气中不含焦油 蔡 酚等杂质 所以不产生含酚污水 排出的废水处 理简单 气化炉排出的煤灰渣可以作水泥或建筑材料的原料 7 对环境不产生污染 8 用于生产合成氨 可采用激冷式气化炉系统 装置产出的煤气中含有饱 和水蒸汽 可以直接送CO变换工序 无需补加蒸汽 水煤浆气化的主要缺点有 氧耗较高 冷煤气效率较低 对设备材料 如耐 火砖 要求较严等 1 1 1 Texaco 煤气化技术煤气化技术 于海龙 新型水煤浆气化喷嘴和气化炉的开发以及气化过程数 值模拟 浙江大学博士学位论文 2004 1 10 国外将水煤浆气化工艺称作德士古煤气化工艺 TCGP 至今己有59年历 史 1946年美国德士古石油公司受重油气化的启发 首先创建了水煤浆气化工 艺 采用将入炉前的水煤浆预热 375 5400C 气化 75 蒸汽分离的方法 先 后进行了扩大试验和中间试验 70t d 并在加州洛杉矶近郊的蒙蒂贝洛 Montebello 建设第一套中试装置 15t d 这在煤气化发展史上是一个重大的 开端 早期的德士古气化工艺存在以下明显的缺点 1 由于当时技术水平较低 在配制煤浆时还不会应用水煤浆添加剂和不 掌握粒级配比技术 煤浆浓度低 一般只有50 左右 2 水煤浆制备采用干磨湿配 操作复杂 环境较差 3 煤在蒸发过程中易结垢堵塞和磨损 4 分离出去的部分蒸汽 50 夹带少量煤粉 无法利用 且在排入空气 中时造成污染 德士古公司在Montebello中试基础上 于1956年在西弗吉尼亚州的 Morgantown建造了规模100t d的原型气化炉 断断续续开车两年后于1958年停 运 停炉的主要原因是当时油价低 煤无法与之竞争 另外技术上也有问题 水煤浆气化技术由于受到当时油价的冲击和一些其他的客观原因 停顿了十多 年 直到70年代后才出现了新的转机 由于70年代初期发生了第一次世界性能 源危机 石油危机 一些工业发达国家 如美国 前西德 英国等 重新开发所谓 第二代煤气化技术 如Texaco 德士古 HTW 高温温克勒 Saarberg oTTo Shell Koppers 和BGL等相继问世 并在某些气化工艺开发方面 如德士古炉 取 得突破性进展 70年代初期 德士古公司重新恢复Montebell 试验装置 于1975年建设一 台低压气化炉 LP 规模15t d 气化压力2AMpa 反应器内径4英尺 1978年再 建两台高压气化炉 HP 1 HP 2 规模30t d 气化压力8 OMpa 反应器内径也 为4英尺 三台气化炉都是急冷流程 在水煤浆进料方面 由水煤浆蒸发改成直 接入炉方案 简化了工艺 确保操作稳定性 中试主要任务是进行煤种评价试 验及其他研究开发 共试验了20多个煤种 其中有中国的七五煤 鲁南化肥厂 和大台无烟煤 首都钢铁公司 1978年 德士古公司和前西德鲁尔化学公司 RCH 以及鲁尔煤公司 RAG 合 作 在前西德奥伯豪森 Oberhausen 的鲁尔化学厂内建设一台德士古示范炉 R CH RAG 规模150t d 气化压力4 0MPa 废锅流程 示范装置是将美国中试成 果推向工业化的关键一步 共气化了二十余种固体燃料 包括12种煤 石油焦和 煤的液化残渣等 取得了大量的实验数据 这些数据己用于在特定条件下选择 最为经济的原料 指导数学模型的开发 试验期间 安装了改进后的气化炉 评价了煤浆粗固粒相对含量以及煤浆浓度 60 70 气化压力4 0 Mpa时碳转 化率已达97 1979年 又一个用空气作氧化剂的煤气化工厂在路易斯安娜州的道化学公 司投产 该厂的目标是论证向燃气轮机供给煤气发电的可行性 设计参数为总 煤耗360t d 发电能力1 5万千瓦 气化压力3 2Mpa 随后 美国 日本 瑞典 意大利等先后投入雄厚力量 致力于水煤浆气化技术的开发 并取得了优异的 成绩 RCH RAG示范装置研究开发了以下工业化技术 1 煤的研磨技术 开发了球磨 棒磨 齿圈磨等多种研磨设备 2 水煤 浆喷嘴的结构研究 进行了三流式和可调式喷嘴的开发研究 3 水冷壁法间接测温技术的研究 4 耐火材料的实验研究 含实验室耐火材料腐蚀机理的研究 5 余热回收研究 6 渣水和灰水处理研究 7 数学模型和其它工程研究 表1 1世界各地的主要示范厂 1982年美国TVA投运一套德士古气化装置 急冷流程 规模180t d 气化 压力3 6 MPa 用于部分改造一座以天然气为燃料的氨厂 RCH RAG的实验成 果给工程公司提供了全套的工程放大技术 美国的Bechtel工程公司首次设计并 承包了所有工程 于1988年建设并投运一套田纳西一依斯特曼 TEC 煤气化工厂 规模820t d 操作压力6 5 MPa 急冷流程 用于等压合成甲醇 气化工艺选用废 锅流程 回收的高参数蒸汽和洗涤冷却后的合成气用于联合发电 输出功率 lOO MW 总发电效率34 另备用一台急冷式气化炉 1984年日本宇部氨厂 投运一套气化装置 急冷流程 规模1500t d NH31000t d 操作压力3 6 MPa 气化炉三开一备 同年美国CoolW ater电站投运一套大型气化装置 规模910t d 压力4 0 MPa 用于IGCC 1986年前西德投运一套气化装置 SAR 废锅流程 规 模800t d 操作压力4 0 MPa 用于OXO合成 国外已建大型水煤浆气化装置见表 1 1 在美国佛罗里达建成的这套德士古气化装置为废锅流程 规模2400t d 气化 压力2 8 MPa 用于IGCC 输出功率250MW 据称由于提高了燃气轮机入口温 度 总的发电效率高于40 与早期的Cool Water IGCC 项目相比有较大的改 进 其中90 是冷法净化 10 是热净化 除尘和脱硫 如果全部改为热净化 发电效率将提高到42 43 但是热净化是国际公认的难题 尚在开发之中 要 实现工业化尚需时日 Texaco气化炉示意图如图1 1 图 1 1 Texaco 气化炉示意图 1 1 1 1 Texaco水煤浆气化工艺流程水煤浆气化工艺流程 1 激冷流程 该流程主要用于制取H2 将生成的粗煤气中所含有的CO经变换后转化为 H2 H2可以用来制造合成氨或用于炼油厂加氢精制 通过激冷产生的蒸汽可以 用来满足CO变换H2的需要 该工艺流程最主要的特点是 工艺流程简单 设备 投资少 热能利用合理 可实现等压合成 特别是用于合成氨生产 目前世界 上在运行的Texaco水煤浆气化炉除用于IGCC的之外 基本都采用此工艺流程 其流程如下图所示 图 1 2激冷流程 2 废锅流程 这个流程主要用于制造含氧化合物 如碳基化合物或燃料气用于循环发电 由于这种流程增加了辐射式锅炉和对流式废热锅炉 设备极其复杂 初期投资 很大 前述己建的几个IGCC联合循环发电装置都采用的这个流程 其流程示意 图如图1 2所示 图 1 3 废锅流程 3 废锅 激冷流程 这个流程主要用于制造CO H2的混合气体 此时需要调整煤气中所含的 CO H2比 以一部分气体加水蒸气送变换系统将CO转化为H2 该流程适合于生 产甲醇 它只设置了辐射式锅炉 因此投资介于上述两种流程之间 1 1 1 2 Texaco水煤浆气化工艺特点水煤浆气化工艺特点 Texaco 水煤浆气化技术属气流床气化技术 是将粗煤磨碎 加入水 添加 剂 助熔剂制成水煤浆 煤浆浓度一般为 60 70 经煤浆加压泵喷入气化炉 与纯氧进行燃烧和部分氧化反应 气化温度 1350 14500C 气化压力为 2 6 8 0MPa 液态排渣 该工艺流程具有以下特点 1 原料适应性强 对烟煤 劣质煤 粘结性煤和高硫煤等均能气化 灰熔 点低于 1350 最理想 高于 1350 时需要添加助熔剂 对采煤粒度无特殊要求 机械化采煤时 30 的粉煤都可以利用 另外还可以气化焦炭 石油焦等 还可 以掺烧垃圾 2 工艺路线多样化 可以根据不同的产品和下游工序的要求选用不同的流 程 充分利用反应余热 3 合成气中 H2 CO 比值在较大范围内可调 适合于合成氨 甲醇 醋酸和 气油等化工产品 也可用于生产城市煤气 或者辅助发电 4 气化工艺参数高 气化压力最大可达到 12Mpa 并可在较大范围内调整 有利于实现等压合成氨和甲醇 气化温度一般在 13500C 1500 之间 碳转化率 高达 98 以上 合成气有效成份高 干基 H2 CO 可达 80 甲烷含量低于 0 1 5 生成煤气中氰 蔡 酚等有毒物质极少 几乎无废气产生 废水排放量 少 三废处理简单 6 热利用效率高 产生的高温合成气可利用直接或间接法回收热能 用来 产生高温高压蒸汽 供后续工序使用或用来驱动汽轮压缩机组 7 气化的操作 配氧以及排渣等均可采用 DCS 计算机自动控制 安全可 靠性高 8 合成气成本低 与天然气以及渣油相比 其比例关系为 2 5 4 3 2 其中建 设费用的比例为 1 3 0 8 1 2 运转费用的比例为 1 2 3 2 2 煤制合成气综合价格 最低 Texaco气化炉内无转动部件 为热壁炉 有多层耐火砖组成的耐火衬里 寿命在1年左右 一年以后必须停炉更换耐火砖 水煤浆喷嘴寿命较短 一般在 2 3个月 这两个问题目前成为Texaco水煤浆气化技术的瓶颈 另外气化炉激冷环 堵塞问题也较普遍 热煤气和液态排渣用水激冷 煤气冷却并被水蒸气饱和 经洗涤除尘后送出 渣可间歇排出 该技术由于是水煤浆进料 大部分水分要 汽化 因而煤耗和氧耗均较高 冷煤气效率较低 碳的转化率为96 98 另 外 此技术还存在一些缺点和不足 1 投资高 气化装置 空分装置投资都较高 加上软件费用 总投资很高 影响到企业效益 2 氧耗高 合成氨能耗高 操作 费用高 3 从国内己建成的装置看 操作故障多 尤其是初期开车时 开停车频 繁 4 喷嘴雾化效果相对较差 雾化角过小 射流比较集中 另外 喷嘴对负荷 调整的适应性相对较差 负荷低于60 时喷嘴雾化效果己经很差 5 采用炉顶单 喷的结构形式所形成的雾化流场不尽合理 受气化炉高径比的限制 很难形成更 加理想的雾化流场 炉内湍流混合程度较低 Texaco水煤浆气化技术 理论上 适合各种烟煤 适于新建大型合成氨厂 煤气中有效气可达80 CO和H2的比 例调节度比较高 不排出污染物 三废处理简单 激冷流程较适合于合成氨工 艺 可实现等压合成 但该装置在我国渭河运行中发现 在煤的成浆性 添加 剂和助熔剂的加入量 氧耗等方面存在极大的局限性 综合考虑运输 供应 质量和煤价等因素 运行了半年后由原设计的山西黄陵煤改为甘肃华亭煤 Texaco气化炉气化工艺的主要参数如表1 2 表 1 2 Texaco 气化炉气化工艺的主要参数 1 1 2道水煤浆气化技术道水煤浆气化技术 Dow水煤浆加压气化是在Texaco水煤浆气化方法基础上开发出来的新工艺 道水煤浆气化技术又称作Destec气化工艺 是由美国Dow化学公司开发的两段 式水煤浆进料的气流床气化炉 Dow化学公司于1975年开始水煤浆气化方面的 研究工作 1976年开始进行水煤浆气化的小型实验 1979年建成日处理38t水煤 浆的氧气气化中试装置 1982年建成发电能力16万KW的气化装置 1983年建成 日处理1088t煤的氧气气化工业试验装置 1984年开始处理次烟煤1480t d的气化 炉实验装置建设 1987年投运 商业化装置同时在1987年也投入运行 建于美国 路易斯安纳州的伯克明市 气化炉一开一备 每日处理美国西部煤2400t 处理 得克萨斯州褐煤2900t 产量315 353 104m3 d 煤气的发热量为8959 75 10048 32KJ m3 1995年在Indiana的Wabish Rive 建成以Destec气化工艺为气头的 IGCC发电装置 Dow化学公司的煤气炉是当今世界上规模最大的商业气化炉 属第三代炉 型 它主要用于蒸汽燃气联合循环发电 IGCC 但该公司有意将该工艺用于化 工生产 例如 我国在引进渭河化肥装置时曾经参与投标 但是由于该公司缺乏 在化工生产方面的经验等一些客观原因而未能竞标成功 道化学公司水煤浆气 化技术是美国道化学公司开发出来的两段气化工艺 主要用于循环联合发电 IGCC 上 其气化系统见图1 3 它具有以下三个显著特点 I 采用两段 两室喷流床气化 在下部高温气流床 燃烧室 中进行的气化 反应为 CWS 02 CO CO2 H2 H2S 熔渣 H 取得煤浆的高碳转化率 同时 消除有害熔渣的形成 2 在上部气流床 气化室 的气化反应为 CWS 热的粗煤气 C CO Cq H2 H2S 灰分 H 利用下部第一段气流床产生的粗煤气的显热 再在上部第二段气化室入口处喷入水煤浆进行气化反应 节省了氧气 降低了 单位产气所需氧气量 制氧装置可以小一些 降低了煤气的出口温度 一般在 1100 左右 去掉了投资较大的辐射式废热锅炉 上部气化室产生的高热能转 化为化学能 降低了CO的含量 提高了H2含量 降低了单位产气的投资 3 采用连续排渣的方式 省去了容积很大的锁斗 气化炉结构更加紧凑 道化学公司气化炉分成两段 下部一段为卧式炉 水煤将预热后与氧气由两端 喷入炉内 部分燃烧反应后 约1400 的高温气体进入第二段上部立式炉 在 二段炉入口处喷入水煤浆 利用煤气显热 产生额外的合成气 煤气的温度降 至1000 以下 煤气经高温除尘后去洗涤系统 含未反应碳的粉尘返回气化 从而提高碳转化率 与Texaco相比 道化学公司两段气化炉有以下优点 1 氧耗约低20 煤耗约低10 吨氨能耗约低10 2 气化条件相对温和 二段炉可用普通耐火砖 3 投资低 原料适应性广 能用褐煤 长焰煤等煤种 Dow 气化系统示意图 1 3 如下 图 1 4 Dow 气化系统示意图 1 2 国内水煤浆气化技术研究概况国内水煤浆气化技术研究概况 马会华 王凤敏 浅析我国煤气化技术引进 研发及 自主创新中存在的问题和鼓励措施 J 煤炭加工与综合利用 2006 3 煤化工是以煤为原料 经过化学反应 生成各种化学品 煤炭气化是在一 定温度 压力条件下将气化剂 H2O H2O或CO2 与煤炭反应 生成洁净的合成 气CO和H2 该法是对煤炭进行化学加工的一个重要方法 是实现煤炭洁净利 用的关键技术之一 煤气化工艺至今已有100多年历史 煤气化技术的先进性在相当程度上影响 煤化工的效率 成本和发展 气化炉的开发需要煤炭 金属材料 化工流体力 学 传质传热 耐火材料 自动控制等技术相互结合 但在我国由于许多领域 分割过细 如煤质研究 气化技术开发和应用单位分属于不同的主管部门 力 量较分散 影响了煤炭气化技术的开发 因此 我国煤气化技术总体水平落后 与世界先进技术相比差距甚远 到目前为止 我国几乎开发过所有的气化方法 但往往开发到中试甚至只有实验室规模就停止了 如流化床工艺 气流床工艺 等 导致真正拥有知识产权的大容量先进气化技术至今几乎仍是空白 在基础 研究方面 我国对煤炭热解 气化动力学 气化过程传质及传热 气化过程污 染物迁移规律等都进行过研究 但不够系统 也没有总结出可以应用的规律 20世纪80年代末以前 我国的煤气化完全依赖常压固定床技术 这种气化 技术的缺点是原料适应性差 规模小 环境污染严重 目前我国有800多家中小 型化肥厂仍采用水煤气工艺 约4000台气化炉 每年消费无烟块煤 或焦炭 4000多万吨 随着石油资源的日益紧缺和油价的持续攀升 我国的煤化工工业 步人了快速发展的新时期 并成为当今能源化工发展的热点 从中央到地方都 在研究和部署今后5 10年煤化工发展方向 战略重点和重大项目 特别是产煤 地区已将发展煤炭深加工 构建煤化工基地或园区 延伸传统煤炭产业链 作 为振兴地方经济的重大举措 有专家指出 煤炭能源化工工业是今后20年的重 要发展方向 我国将成为世界最大的煤化工工业国家 虽然煤炭资源在我国仍 处于能源的主体地位 但长期以来 我国并没有将煤转化技术的开发放在重要 地位 20世纪70年代 由于当时发生石油危机 促进了替代能源和洁净煤技术 的开发 国外许多大型公司抓住机遇 开发出煤化工新技术作为战略技术贮备 由于我们没有自主知识产权的新技术 致使在发展煤化工产业时需要付出高昂 的代价来引进这些技术 因此 国家从 六五 至 九五 期间投人大量人力 物力 引进 研制 和开发先进的煤气化技术 在水煤浆气化技术领域 我国科技人员成功地开发了具有自主知识产权的 新技术 在 九五 期间华东理工大学等单位联合承担完成了国家重点科技攻 关项目 新型多喷嘴对置水煤浆气化炉技术 此技术不久前在山东鲁南 化肥厂通过了国家有关部门主持的现场考核和技术鉴定 鉴定意见认为此项成 果填补了国内空白 是一项能与国际先进技术竞争的煤气化技术 据报道 鲁 南新型煤气化炉采用了与 Texaco 炉完全不同的结构 系我国独创的新技术 20世纪60年代末期 化工部上海化工研究院就开始了水煤浆气化工艺的开 发 中试装置于1969年建于浙江巨州化工厂 现巨化集团 合成氨分厂造气车间 规模0 7t d 气化压力0 2Mpa 由上海化工研究院技术总负责 当时用的水煤浆 蒸发方案基本上是仿制早期的德士古气化工艺 煤和水在球磨机中研磨成50 56 的水煤浆 因当时技术水平有限 没有应用表面活性剂 煤粉粒度的级配也 不十分合理 因此浓度较低 煤浆经柱塞泵送入外热式蒸发器 用中压 约 4 0M Pa 过热蒸汽加热 煤浆在盘管内生成汽 煤悬浮物 在旋风分离器分离 出约50 的蒸汽后 蒸汽 煤粉以0 5 1的比例通过喷嘴中心管送入气化炉 氧 气由喷嘴外环送入炉内 该气化炉由一 二段两个反应器构成一个直立的圆筒 位于炉下部的两只喷嘴将反应物对喷入炉 液渣从一段反应器 冷壁 排出 C H20 CO2在上部二段反应器 热壁 继续反应 生成CO和H2为主的合成气 并 被急冷至露点 此中试装置断断续续运转了2年 于1971年停运 试验期间气化 炉运转正常 但是蒸汽器结垢 主要是CaS04 堵塞和磨损 造成气化炉不能长期 运转 最长不超过24小时 60年代末 70年代初 化工部决定把煤气化研究由 上海院转到西北化工研究院 参加该院煤气化开发的大多数技术人员也同时调 入西北院 从2002年开始 先后又在山东华鲁恒升化工有限公司和充矿集团国泰化工 有限公司建设了2套多喷嘴对置商业性示范装置 示范装置的建设得到了国家 863计划和其它科技计划的支持 建设了2台气化压力6 5 M Pa 单炉日处理煤 量1000 t 配套生产24万t a甲醇 80 MW IGCC发电的气化装置 1 2 1西北化工研究院中试西北化工研究院中试 1978年12月国家科委主持召开了全国第一次煤的气化液化会议 决定在煤 的气化方面开发两项科技攻关项目 一是液态排渣加压碎煤气化 由煤炭部主管 另一项是水煤浆加压气化 相当于Texaco炉 由化工部负责 西北院接受 任务后立即开展水煤浆气化模型试验 煤浆直接入炉 规模20k妙 气化压力 2 0MPa 模试任务是对关键技术如煤浆制备 喷嘴 耐火材料 测温等进行探 索性研究 为开展中试做好技术准备 模试于1984年完成攻关任务后结束 1985年西北院承担国家六五科技攻关任务 建成一套水煤浆气化中试装置 规 模1 1 5t h 采用煤湿磨制浆 水煤浆直接入炉技术方案 用辐射式和对流式废 锅回收合成气显热 生产4 OMPa 实际操作1 6MPa 的饱和蒸汽 由于投资费用 所限 中试未建酸气脱除装置 合成气未加利用 而送入锅炉房燃烧 中试装 置共完成了以下试验内容 1 煤种评价 试烧 试验 到1991年共评价试烧以下10种煤 陕西铜川煤 陈家山煤 仓村煤 田庄煤 于元煤 黄陵煤 神府煤 山东七五煤 充州煤泥 黑龙 江鹤岗煤 2 开发高灰熔点 高灰粘度煤的气化技术 通过添加钙系 CaC03 或铁 系 Fe203 助熔剂可以降低煤灰熔点 以满足气化工艺的需要 3 开发高性能水煤浆喷嘴 通过试验开发出三流式及双级内混式两种结 构形 式的喷嘴 满足工艺试验及煤种评价的要求 喷嘴研究的质量和深度达到 德 士古公司的水平 4 通过实验室及中试的试验研究 解决了水煤浆制备技术关键 包括煤 的粒级配比 水煤浆添加剂 球磨机工程放大 煤浆输送 水煤浆流体力学等 水煤浆研究达到国际水平 并为鲁南化肥厂提供煤浆制备技术 5 气化炉直接和间接测温研究 6 向火面耐火材料试验研究 包括铬铝砖 炉内捣打成型 冷壁气化炉 和铬镁砖 热壁炉 的应用研究 耐火材料研究由冶金部洛阳耐火材料研究院负 责 西北院配合 7 灰水沉降絮凝剂的应用研究 己应用于鲁南化肥厂水煤浆气化装置 8 高压和低压煤浆泵的试验研究 9 气化废水微量组分 五十多种 分析方法的研究 1990年美国德士古公司与西北院合作评价试烧与德士古公司有许可证关系 的中国煤种 西北院主持评价试烧工作和编制试烧报告 德士古公司派专家在 现场观察试烧和采集数据 审核并批准报告作为编制工艺设计包 PDP 的依据 1991年双方成功地合作评价陕西黄陵煤和神府煤 作为编制渭河化肥厂和上海 焦化厂PDP的依据 利用几种方法处理数据结果基本一致 气化炉C H O物料 平衡精度在97 100 基本符合德士古公司要求 因此认为试烧有效 其数据 可以应用于PDP设计 1 2 2鲁南化肥厂工业示范装置鲁南化肥厂工业示范装置 山东鲁南化肥厂引进Texaco技术 在与国内开发相结合的基础上 于1993 年建成并投运一套德士古水煤浆气化示范装置 规模400t d 折合氨为8万t a 操作压力2 6 Mpa 气化炉一开一备 参加工业示范装置技术开发及攻关的有鲁 南化肥厂 化工部第一设计院 工程设计 化工部西北化工研究院 水煤浆气化 和南京化工集团公司研究院 NHD净化 等 鲁南煤气化示范装置对喷嘴 耐火 砖 渣水处理和NHD脱酸气等进行工业化试验 获得化工部科技进步一等奖 国内已建大型水煤浆气化装置见表1 4 国内大型水煤浆气化装置运行情况见表1 5 表1 4 国内已建大型水煤浆气化装置 表 1 5 国内大型水煤浆气化装置运行情况 在 九五 期间华东理工大学等单位联合承担完成了国家重点科技攻关项 目 新型多喷嘴对置水煤浆气化炉技术 此技术不久前在山东鲁南化肥 厂通过了国家有关部门主持的现场考核和技术鉴定 鉴定意见认为此项成果填 补了国内空白 是一项能与国际先进技术竞争的煤气化技术 该装置于2000年7 月开始试运转 累计运转700多小时 2000年10月通过中国石油化工协会组织的 72h工艺考核 中试水煤浆来自鲁南化肥厂Texaco水煤浆气化工业装置 采用落 陵煤 井亭煤 级索烟煤混合制浆 各煤种的分析结果见表1 气化操作条件为 气 化压力4 0MPa 气化温度1200 13500C 煤浆浓度61 氧煤比约为 0 691Nm3 kg 1 2 3 华鲁恒升公司示范装置华鲁恒升公司示范装置 山东华鲁恒升化工有限公司示范装置气化压力6 5MPa 单炉日处理煤量 750t a 配套生产30万t a合成氨的气化装置 气化装置由中国华陆工程公司设 计 装置于2004年底建成 于2004年12月1日一次投料成功 经过调整和优化 多喷嘴对置式水煤浆气化炉于2005年6月初正式投入运行 截至2006年7月31日 装置已累计运行约6000h 1 2 4国泰化工有限公司示范装置国泰化工有限公司示范装置 充矿集团国泰化工有限公司示范装置包括2台气化压力4 0 M Pa 单炉日处 理煤量1000t 的气化装置 配套生产24万t a甲醇 由燃气轮机和蒸汽轮机联合 生产80 MW电力 该气化装置于2005年10月16日一次投料成功 10月17日打通 全部工艺流程 生产出合格甲醇 至今气化装置累计运行约6000 h 运转率 90 工业运行证实 多喷嘴对置式水煤浆气化装置具有如下优点 开车方便 操作灵活 负荷增减自如 操作的方便程度优于引进的水煤 浆气化装置 自动化程度高 全部采用集散控制系统 DCS 控制 特别是氧煤比投自 动串级控制 气化炉操作简单方便 整个气化系统运行状况稳定 工艺技术指标极为先进 洗涤冷却室液位可控 无带水带灰现象发生 合成气中细灰含量低 含渣水系统回收效率高 灰水温度得到最大程度提高 1 2 5多喷嘴对置式水煤浆气化技术多喷嘴对置式水煤浆气化技术 龚欣 刘海峰 王辅臣等 新型水煤浆气化炉 节能 与环保 2001 11 30 15 17 华东理工大学等单位联合完成了多喷嘴对置式水煤浆气化炉的开发 其具 体技术指标是 煤气中有效气 CO H2 含量达到83 此相同条件下Texaco气 化技术的指标高1 5 20 煤中碳的转化率大于98 而Texaco技术为95 与Texaco气化技术相比 比煤耗和比氧耗都有较大幅度的降低 多喷嘴对置式水煤浆气化炉应用撞击流原理 期望通过射流撞击 形成具 有高度湍动的撞击区 使水煤浆与氧气实现良好混合 撞击流的基本原理是两 股等量的气固两相流沿同轴相向流动 并在中点处撞击 相向流体碰撞的结果 产生一个高度湍动区 在惯性力作用下 固相颗粒穿过撞击面渗入反向流 并 如此反复进行 气化炉采用四喷嘴对置式气流床结构 氧气与水煤浆经过气化 喷嘴以高速射流进入气化炉 在喷嘴和撞击流特殊流场结构的作用下 物料在 气化炉内进行部分氧化反应 气化炉出口位于气化炉底部 高温合成气与熔融 灰渣一起离开气化室进入激冷室进行降温和分离 根据气化炉内流体流动特征 的差异 将气化炉划分为六个区域 射流区 撞击区 撞击流股 回流区 折返流区 管流区 各区的位置和流动状况如下 射流区射流区 流体从喷嘴高速喷出后 射流将周围流体卷吸带向下游流动形成 射流区 由于受撞击的反向作用 射流扩张角增大 射流速度的衰减也随之加 快 撞击区撞击区 当四个对置的喷嘴射流边界交汇后 在交汇中心区域形成相向射流 的剧烈碰撞运动 这一区域流体间的剪切作用力大 速度脉冲强烈 湍流强度 大 撞击流股撞击流股 经过撞击混合后具有较高静压的流体迅速改变流动方向 沿着气 化炉的轴线方向运动 形成向上和向下的两股流动 称为撞击流股 由于这两 股流体相对速度较高 具有射流性质 对周边流体仍有卷吸作用 使得该区域 的宽度沿径向逐渐扩展 轴向速度沿径向逐渐减小 沿轴向达到一个最大值后 也逐渐衰减 回流区回流区 回流是受限射流产生流体间相互混合的流动特征之一 出喷嘴的 四股射流与两股撞击流股周边均出现回流 起到强化混合的作用 折返流区折返流区 沿着气化炉轴线向上流动的撞击流股 遇到气化炉顶部拱顶后 沿炉壁折返向下流动 最终汇集到主流之中 管流区 在气化室下部 流体的轴 向速度沿径向分布基本保持不变的区域称为管流区 上述六区中 撞击区是气 化炉内物流间混合最为剧烈的区域 在撞击区内相向运动产生剪切应力 促使 煤浆液滴进一步破碎 改善了雾化过程 撞击流股轴向速度衰减速度加快 炉内 流体的停留时间有所改善 即 短路 现象受到抑制 撞击区内速度脉动剧烈 湍 流强度大 混合效果相对较好 多喷嘴对置式水煤浆气化炉与Texaco气化炉相 比 炉内流场分布更为合理 湍流混合强度有所增加 混合效果变好 中试试 验结果证明 多喷嘴对置式水煤浆气化炉与Texaco气化炉相比 有效气 CO H2 成 分高2 3 碳转化率高3 以上 比氧耗低30Nm302 1000Nm3 CO H2 干气产率 高0 13 Nm3干气 kg煤 左右 1 2 5 1工艺流程与技术特点工艺流程与技术特点 与Texaco水煤浆气化技术相比 多喷嘴对置水煤浆气化技术具有显著的工 艺特点 下面分别加以叙述 一 基本流程 多喷嘴对置水煤浆气化技术由磨煤制浆 多喷嘴对置气化 煤气初步净化 及含渣黑水处理4个工段组成 包括磨煤机 煤浆槽 气化炉 喷嘴 洗涤冷却 室 锁斗 混合器 旋风分离器 水洗塔 蒸发热水塔 闪蒸器 澄清槽 灰 水槽等关键设备组成 工艺流程简图1 5如下 图1 5 多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺流程 1 磨煤机 2 煤浆槽 3 煤浆泵 4 多喷嘴对置式气化炉 5 喷嘴 6 洗涤冷却室 7 锁斗 8 混合器 9 旋风分离器 10 水洗塔 11 蒸发热水塔 12 闪蒸器 13 澄清槽 14 灰水槽 二 技术特点 多喷嘴对置式气化炉水煤浆通过4个对称布置在气化炉中上部同一水平面的 预膜式喷嘴 与氧气一起对喷进人气化炉 在炉内形成撞击流 在完成煤浆雾 化的同时 强化热质传递 促进气化反应的进行 总之 多喷嘴对置水煤浆气化技术具有以下特点 1 多喷嘴对置水煤浆气化技术采用新的喷嘴组合型式 有利于强化混合 冷模实验表明 其流场结构合理 停留时间分布得到优化 有利于提高碳的转 化率 2 多喷嘴对置水煤浆气化技术在合成气洗涤冷却 初步净化 含渣黑水热 量回收等方面有创新性的技术方案 避免了目前Texaco技术在工业操作中出现 的诸多问题 有利于气化装置的长周期 稳定运行 3 工业装置的运行结果表明 多喷嘴对置气化炉工艺指标先进 同样采用 北宿精煤的国泰化工有限公司多喷嘴对置气化炉与鲁南化肥厂Texaco气化炉相 比 碳转化率提高3个百分点以上 比氧耗降低8 比煤耗降低2 3 同样采 用神府煤的华鲁恒升化工有限公司多喷嘴对置气化炉与上海焦化厂Texaco气化 炉相比 碳转化率提高3个百分点以上 比氧耗降低2 比煤耗降低8 左右 4 工业运行结果还表明 该装置的优点是 开车方便 操作灵活 负荷增减自如 操作的方便程度优于引进的水煤 浆气化装置 自动化程度高 全部采用集散控制系统 DCS 控制 特别是氧煤比投自 动串级控制 气化炉操作简单方便 整个气化系统运行状况稳定 洗涤冷却室液位可控 无带水带灰现象发生 合成气中细灰含量低 含渣水系统热回收效率高 灰水温度得到最大程度提高 1 2 6 新型水煤浆气化技术新型水煤浆气化技术 浙江大学 于海龙 设计了一个新型水煤浆气化炉 该气化炉采用炉顶单喷和 炉侧多喷嘴同时喷射入炉的进料形式 炉顶喷嘴布置于气化炉轴线上 炉侧对 称布置四个小型喷嘴 在气化炉一定高度处以一定角度喷射入炉 五股射流在 气化炉内相碰撞 形成强烈的湍流搅混 混合效果达到最佳 炉侧四股斜向上 的射流在射流下方气化炉轴线四周形成较大的低压回流区 对气化炉下部的高 温气体具有强烈的湍流卷吸作用 大大增强了炉侧喷嘴射流的着火性能 缩短 了着火时间 改善了着火稳定性 其结构形式与多喷嘴对置式气化炉相近 却 又弥补了喷嘴对置式气化炉的缺点 炉顶喷嘴射流形式与Texaco气化炉类似 炉 侧喷嘴射流对炉顶喷嘴射流具有一定的冲击阻挡作用 使得其形成的高速射流 不能直接到达炉底出日 大大抑制了 短路 现象的发生 炉侧四喷嘴射流不象 多喷嘴对置式水煤浆气化炉 它没有形成向下的撞击流股 相反却形成了负压 回流区 更加抑制了撞击流股直接冲向炉底出口的可能性 整个气化炉内颗粒 停留时间长 湍流搅混剧烈 混合程度好 流场分布合理 为燃烧和气化反应 的进行提供了优良的条件 该新型水煤浆气化炉的结构形式见图1 6 由于采用了炉顶和炉侧多喷嘴入 口的形式 气化炉对负荷调节的适应性大大提高 在小负荷内变化时 只需调 节炉顶喷嘴负荷既可满足气化炉负荷变化的需要 而不致影响气化炉内整个流 场的分布 在较大负荷变化时 可同时调节5个喷嘴的负荷 以满足负荷变化的 需要 各喷嘴负荷调节可按比例进行 仍然可保证整个气化炉内流场的稳定性 从而增强了气化炉对负荷调节的适应性 灵活性和稳定性 单台气化炉气化容 量明显增大 仅炉顶一个喷嘴就可与Texaco气化炉相当 炉侧四个喷嘴总负荷 又有较大的调解范围 使得整台气化炉容量受喷嘴负荷的影响减弱 气化炉大 型化发展的前景十分乐观 由于炉侧喷嘴以一定角度喷入气化炉 避免了多喷 嘴对置式水煤浆气化炉喷嘴射流直接对冲产生的不良后果 有利于保护喷嘴不 受射流冲击的直接影响 炉侧四支喷嘴射流仍然具有互相冲击破碎的作用 从 喷嘴出口到撞击区的距离增大 减弱了由于射流撞击空间狭窄而导致射流未能 充分发展就直接冲向撞击区的缺点 更能充分发挥喷嘴高效雾化的优势 由于 整个气化室内湍流混合剧烈 没有射流直接冲向炉底出口 雾化颗粒在炉内停 留时间长 炉侧喷嘴下部管流区缩短 因此气化炉的高径比可适当减小 使气 化炉整体结构更加紧凑 气化炉炉侧喷嘴入口位置 入口角度通过实验或数值模 拟的手段来确定 以保证能形成湍流混合强度高 回流区较大 射流不直接冲 刷墙壁 能充分抑制 短路 现象的适合气化反应的流场为宜 气化炉容积根据 气化炉设计负荷和选定的气化压力 高径比确定 以保证颗粒在炉内具有充分 的反应停留时间为宜 一般合适的颗粒停留时间为6 8秒 图1 6气化炉本体结构示意图 概而言之 目前水煤浆气化需解决的关键技术有以下几个方面 1 进一步 延长 喷嘴的寿命 目前进口喷嘴可使用约 60d 25 万美元 台 国产喷嘴可使 用约 52d 2 进一步延长急冷环的使用寿命 目前的急冷环只能使用一年 3 进一步降低耗氧量同时提高煤气中有效成分 CO H2 的含量 2 干煤粉气化技术研究现状干煤粉气化技术研究现状 郭文元 大型干煤粉气化炉的技术特点 J 石油化 工设备技术 2005 26 5 19 目前煤气化技术已趋于成熟 比较著名的Shell Prenflo气化炉的单炉生产能 力都达到了2000 2500t d等级 并都建立了250 300 MW等级的lGCC示范电厂 第一代干法粉煤气化技术的核心是K T炉 由于存在冷煤气效率低 能耗高和 环保方面的问题 进人20世纪80年代后 除南非和印度等国仍有部分装置在运 行外 K T炉已基本停止发展 第二代煤气化技术核心是干粉煤的连续气化和 加压进料 早在20世纪50年代初期就有人探索粉煤加压连续输送技术 但未取 得实质性进展 Texaco公司放弃了干法加料这一传统做法 成功开发了水煤浆 湿法气化工艺 最先实现了加压非固定床连续气化装置的工业化 在80年代即 开始推广 1978年 Shell和Krupp Koppers 公司联合开发出一种粉煤间断升压和 加压下连续进料的半连续加煤工艺 从此干法粉煤气化技术重现生机 目前煤气化技术主要有水煤浆气化 干煤粉气化 煤气化等 其中水煤浆 和干煤粉气化工艺最具有发展前途 而干煤粉气化更具有对煤种适应性广 气 化温度高 耗氧量少 单台设备 气化炉 能力大 有效气产量高 环保效果好 等特点 2000t d 投煤量的干煤粉气化炉 以固态干煤粉为原料 采用 非催化 部分氧化 法制合成气 国内在建的装置有5套以上 中国石化集团宁波工程有 限公司承建了其中3套 用于合成氨 煤代油 技术改造的气化装置干煤粉 氧 气及蒸汽的混合物流经粉煤燃烧器喷人气化炉反应器内 在4 2MPa的操作压力 1500 1700 的操作温度范围内发生非催化部分氧化化学反应 产生粗合成气 CO H2 出气化炉反应器的粗合成气温度约为1500 用进人气化炉顶部的 循环气体激冷冷却至900 后 经导管进人废热锅炉 合成气冷却器 进一步换热 冷却 并过热中压蒸汽及产生饱和中压蒸汽干煤粉气化炉包括气化反应器 导 管及废热锅炉 即合成气冷却器 在总体结构上主要由内件和炉体承压外壳组 成 如图2 1所示 图2 1气化炉总体结构示意图 在干煤粉气化装置中 气化炉的气化反应器和废热锅炉通过导管 气体返 向室连接在一起成为整体 全炉由气化炉反应器 激冷管 导管 气体返向室 及废热锅炉组成 气化炉的支承方式为气化反应器底部座落在35m混凝土框架 上 由于气化炉系统整体的 柔性 要求 在废热锅炉侧采用恒力弹簧吊架吊挂 支承 气化反应器主要由受热面 膜式水冷壁 环形空间及承压外壳组成 反应 器内件的总体结构为水冷壁形式 用沸水冷却的膜式水冷壁安装在承压外壳内 气化过程实际发生在膜式水冷壁围成的腔内 气化压力由承压外壳承受 在膜 式水冷壁与承压外壳之间的是环形空间 主要用于放置水 蒸汽的输出 输人 管线及集箱管 分配管 另外 环形空间也便于膜式水冷壁与承压外壳的连接 安装及其 以后的检查与检修 气化反应器膜式水冷壁的结构为管子一翅片管子的圆 筒结构 该结构通过上部锥体通往激冷区 其下部也连着一个锥体作为燃烧室 的底部 锥体中心开孔 供液态熔渣下落通过 筒体下半部均匀分布4个烧嘴口 并带有冷却器 气化炉按流态排渣炉的原理进行操作 为了确保流态排渣 气 化室内腔采用耐热锚固钉加强的陶瓷纤维耐火材料内衬 在气化炉操作过程中 由于陶瓷材料良好的耐温性及冷却膜壁的作用 会形成一定厚度的渣层 渣层 覆盖内腔的内表面并且变得坚硬 渣层形成的膜将保护内腔壁免受熔渣的影响 熔渣在气化过程中形成 沿着内壁往下走 最后通过底部的开孔排出 2 1国外干粉煤气化技术研究概况国外干粉煤气化技术研究概况 2 1 1常压常压K T气化炉气化炉 20世纪40 年代开发了常压煤粉气流床气化炉 简K T炉称 它是第一代干 法粉煤气化技术的核心 最早得到商业应用的气流床气化炉 自1950年在芬兰 建成第一座商业化工厂生产合成氨以来 该工艺得到了广泛的商业应用 有一 段时间 在国外的煤基合成氨生产中 90 以上气化工艺采用了K T炉技术 世 界上计有18个国家的20家工厂先后使用了77 台K T气化炉 Krupp koppers公司 煤的 气化科学报告会 技术介绍 C 北京 1987 主要用于工业合成氨 甲醇 制氢或做 燃料气 K T炉的数据表明 沙兴中 杨南星 煤的气化及应用 M 上海 华东理工 大学出版社 1995 253 254 其气化效率较高 CO H2产率高达90 但因常压操 作 其经济性和操作方面尚存在一些不足 由于存在冷煤气效率低 能耗高和 环保方面的问题 进人20世纪80年代后 除南非和印度等国仍有部分装置在运 行外 K T炉已基本停止发展 2 1 2 Shell煤粉气化技术煤粉气化技术 刘其林 李超 黄培林 粉煤气化技术浅析 J 燃烧与化工 2006 3 72 Shell 气化炉是第二代煤气化工艺的典型代表 其结构简图如图 2 2 Shell 公司在其渣油气化技术工业化经验的基础上 于 1972 年开始从事煤气化研究 1987 年 Shell 单独在美国休斯顿建成的加工量 250 400t d 的示范厂 其后 1994 年在荷兰的 Buggenutn 建成了以 Shell 煤气化技术为核心的 IGCC 电站 日耗煤 量高达 2000t 以上 净发电能力为 253MW 经过 3 年的示范运行已正式交付用 户 充分表明 Shell 技术的先进性和成熟性 Shell 气化法采用干法供料 高压 N2 输送 气化炉炉壁冷却采用水冷壁结构 并采用挂渣措施保护气化炉壁 实 现以渣抗渣 气化炉顶约 1500 的高温煤气出炉后由除尘冷却后的冷煤气激冷 至 900 左右进入合成气冷却器经回收热量后的合成气进入干法除尘和湿法洗 涤系统 其中合成气冷却器产生的高 中 压蒸汽配入粗合成气中 气化炉水冷 壁副产的中压蒸汽可供压缩机透平使用 从工业运行的表现来看 Shell 气化炉具有如下特点 姚强等编著 洁净煤技术 M 北京 化学工业出版社 2005 1