分级气流床煤气化技术的实验室研究.doc

分级气流床煤气化技术的实验室研究张建胜1，岳光溪1，顾大地2，李思斌2，韩喜民3，王中刚3（1. 清华大学热能工程系，北京 100084；2. 北京达立科科技有限公司，北京 100088；3. 山西丰喜肥业集团股份有限公司临猗分公司，山西 临猗 044100） 2007-02-14摘 要 介绍了一种具有自主知识产权的分级气流床气化工艺，并进行了冷热态实验研究。研究结果表明，在同样运行条件下，分级气化的有效气体成分要高于连续气化。关键词 气化；分级；有效气体 煤气化是洁净煤技术的重要组成部分，它以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸气等气体为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，得到不同组分不同热值的煤气。将廉价的煤炭转化成为清洁煤气，既可用于生产化工产品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电（IGCC）和以煤气化为基础的多联产等领域1，2。以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统，可同时获得多种高附加值的化工产品和多种洁净的二次能源。可以相信，以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统将是中国煤化工今后的发展方向。煤化工的发展必须以煤气化为“龙头”，因此煤气化技术是煤化工的关键。 煤气化技术的发展表明，气流床煤气化炉具有很好的煤种适应性和优良的技术性能，是煤气化的首选技术，其中最具代表性的是德士古（Texaco）水煤浆气化技术、Destec水煤浆气化技术和谢尔（Shell）干煤粉气化技术3,4。近几十年来在原国家科委、计委、教委和各工业部门的支持下，我国在煤气化的研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作，开发了多喷嘴对置式水煤浆气化技术5、灰熔聚煤气化技术6等。清华大学、北京达立科科技有限公司也提出了一种新的高温纯氧气流床煤气化技术，即分级气流床煤气化技术。下面介绍这一技术的实验室研究情况。1 工艺介绍 针对目前商业运行的水煤浆气化炉存在的问题和缺点，清华大学和北京达立科科技有限公司提出了将水煤浆的连续气化过程进行分级，形成一种新的煤气化工艺分级气流床煤气化工艺。采用分级气化工艺，可以进行水煤浆、干煤粉及其他含碳物质的气化，其工艺过程如图1所示。 原料（水煤浆、干煤粉或者其他含碳物质）通过给料机构进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，其他气体，如CO2、N2、水蒸气等作为喷嘴雾化介质。在第一段控制氧气加入的比例，保持第一段的温度在合适的水平，不至于太高。在第一段中生成的气体以及未反应的固体混合物进入第二段，在第二段再补充部分氧气，使气化炉内的温度达到煤的灰熔点以上，在第二段完成全部的气化过程。图1 分级气流床煤气化工艺示意图 在国家863和973计划的支持下，清华大学对分级气流床气化技术进行了冷态实验研究、热态实验研究和模型研究。2 冷态流场研究 在实验室建立分级气流床气化炉的冷态模拟实验台，采用三维激光颗粒动态分析仪（Particle Dynamic Analyzer, PDA）对气化炉内的三维流场进行测量，包括气化炉内的三维速度、雾化后的颗粒粒径、浓度分布等，重点研究了分级后二次射流对气化炉内流场的影响。 为了使测量结果具有指导意义，实验台尺寸是根据相似准则设计的。实验台设计的关键是水煤浆喷嘴，相似参数主要是几何相似和雷诺数相似，它们决定了流动模型和流动特征。对于像气化炉这样的同轴射流系统还要保证Thring-Newby准则数相同，这样就可以保证两系统相似。根据这些准则设计的实验台如图2所示。为便于加工和观察，喷嘴和炉体都采用有机玻璃制造。炉体直筒段高度为1300mm，直径为500mm。在离开炉体直筒段上沿250mm、450mm、650mm、850mm和1050mm的高度上分别设置了5个测量用的观察窗，从上到下依次编号为I、II、III、IV、V。同时在侧面距离直筒段上沿250mm、350mm和450mm的位置设有三层二次射流口，即图中的T、M、B位置，每层布置4个。二次气流经过这几个二次射流口由特殊的二次喷嘴进入炉内。为了比较二次气流的影响，同时测量了不加二次气流工况下的炉内速度分布情况。在加入二次射流的情况下，测量了不同二次射流流量和二次气流分别从上、中、下三层进入炉体时气化炉内的流场情况。图2 冷态实验台观察窗和二次射流口位置示意图 图3和4给出了二次射流的流量和位置对气化炉内截面I处轴向和切向速度的影响。从图3(a)的轴向速度分布来看，二次气流加入后，从壁面开始到炉膛中心，在相当的距离范围内存在一个轴向速度接近0的区域，说明壁面附近的二次气流对主气流有一个截断作用。而在靠近炉膛中心处，轴向速度则比不加二次气流时有所增加，这主要是因为到达炉膛中心后，二次气流方向已经由横向转为和主气流方向一致，并混入到主气流中，由于总流量的增加使中心处的轴向速度增加。从图3(b)可以看出，二次气流加入后，气化炉内出现了反方向的切向速度。这意味这二次射流加强了炉内的混和，对应到气化炉上就是气化炉内的物料混和得到加强，这对于气化反应的充分进行是有利的。截面I上二次射流大小对炉内流场的影响图3截面I上二次射流位置对炉内流场的影响图4 从图4的轴向速度和切向速度分布来看，二次射流分别由上层、中层、下层二次射流口加入时，三条速度曲线基本重合在一起，意味着气化炉内的流场对二次射流开口的位置并不敏感。这对于气化炉的加工和运行非常有利，可以降低对二次射流口加工位置精度的要求。3 热态实验 一种新的气化工艺，从设想到工业应用必须要经过热态测试才行。为此清华大学建立了钢壳直径1m的分级气化炉实验台，在此实验台上进行了连续气化（类似Texaco工艺）和分级气化的热态对比实验。图5是热态模拟实验台的外形图。 在气化炉燃烧室的壁面衬有耐火砖，耐火砖外面是保温层，使气化炉钢壳外的温度保持在150左右。热态实验采用水煤浆进料，在气化炉的燃烧室内水煤浆与氧气混合经过雾化后开始发生部分燃烧反应。由于采用CO2作为雾化剂，水煤浆先发生不完全燃烧反应。通过控制氧气和CO2的量，使喷嘴附近的温度保持在较低的水平。图5 分级气化炉热态实验台外形图 图6给出了连续气化和分级气化时气化炉内的温度分布情况。从图中可以看出采用分级气化，在以CO2作为雾化剂的情况下，喷嘴附近的温度比连续气化降低200左右，从而有效延长了喷嘴的使用寿命。从图6还可以看出，分级气化气化炉下部温度要高于连续气化，从而使整个气化炉从上到下的平均温度得到提高，有利于气化反应的充分进行，因此分级气化的有效气体成分要高于连续气化。气化室内温度分布比较图64 结论 为了对连续气化和分级气化进行更全面的比较，对气化炉进行了模拟计算，如表1所示。在其他运行参数相同的情况下，分级气化的合成气中有效气含量比连续气化要高2个百分点左右，冷煤气效率也得到提高，碳转化率提高2个百分点左右。在达到同样碳转化率的条件下，采用分级气化较小的氧煤比就可以提高合成气中有效气体的含量。这对于工业生产具有非常重要的意义，因为较低的氧煤比意味着氧气消耗量减少，从而可以减少空分的负荷，降低生产成本。这是因为分级气化，在气化炉的第一段采用CO2代替部分O2，而CO2本身是一种氧化剂，并且一个CO2分子还含有一个碳原子，这两方面的优势使得分级气化的氧煤比降低，同时有效气体中CO的含量增加。 从以上研究结果可以看出，分级气化比传统的连续气化方法具有明显的优势，该工艺技术具有如下优点： （1）喷嘴气体可以采用CO2、N2、水蒸气等其他气体，结合氧气的分级给入，可以降低喷嘴附近的温度，延长喷嘴的使用寿命； （2）二次氧气的加入加强了气化炉内的混和，减少了第二段的回流区，气化炉的有效气化空间增大，气化反应得到加强； （3）二次氧气提高了气化炉下部的温度，整个气化炉的平均温度得到提高，有利于气化反应充分进行； （4）物料混和的加强，延长了物料的停留时间，气化反应进行得更加彻底； （5）气化炉从上到下平均温度得到提高，提高了煤种的适应性，适合我国煤资源国情，可以降低生产成本。表1 连续气化和分级气化的比较参考文献1 Chris Higman, Maarten van der Burgt. Gasification M. Elsevier Science, USA. 20032 徐振刚. 多联产是煤化工的发展方向J. 洁净煤技术, 2002,8（2）：57.3 武利军, 周静, 刘璐, 等. 煤气化技术进展J. 洁净煤技术, 2002, 8（1）：3134.4 黄戒介, 房倚天, 王洋. 现代煤气化技术的开发与进展J. 燃料化学学报, 2002, 30（5）： 385391.5 龚欣, 刘海峰, 王辅臣, 等. 新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化炉J. 节能与环保, 2001，（11）：1517.6 徐奕丰, 陈寒石, 黄戒介, 等.灰熔聚流化床粉煤气化技术 J. 化肥工业, 1997, 24（5） 2729.高压煤浆泵隔膜破裂的原因分析及维修改造王建军(兖矿鲁南化工科技发展有限公司 滕州 277527)；郭良军 (兖矿鲁南化肥厂 滕州 277527) 2007-01-25 德土古气化装置使用6368的水煤浆，是用高压隔膜煤浆泵送至气化炉与纯氧在1270左右发生剧烈的氧化反应，生成合成气。 鲁南化肥厂使用的进口高压隔膜煤浆泵性能参数如下： 型号：TZPM7 3412150； 泵号：88400021和2； 制造商：HOLTHUISBV-GEHO PUMPSPOBOX249； 5900AE Venlothe Netherland； 泵送介质：水煤浆； 泵送能力：9.423.3 m3h； 冲程速率：15.739.0行程min(可调)； 排出压力：5.5736.285 MPa； 吸人压力：0.0920.133 MPa； 水煤浆的温度：3860； 活塞行程：12(304.8 mm)。 本型号高压隔膜煤浆泵属于往复式活塞正位移泵，主要用来输送象渣、沙和泥浆等固体颗粒的固液混合物，特别适合于有腐蚀性颗粒固体物质的固液混合物。 该泵的设计优点在于：泵送介质不直接和运动部件接触，输送介质是用橡胶隔膜来实现的。橡胶隔膜把泵送介质和洁净的驱动液隔离开，这样，运动部件就可以在洁净的驱动液(润滑油)内运行，免除了固体颗粒对泵造成的严重磨损，从而使泵的性能稳定性及可靠性大幅度提高，确保了这些重要运动零部件的使用寿命。1 橡胶隔膜破裂的危害 由于化工生产是连续不问断的，高压隔膜煤浆泵又是整个德士古气化装置运行的关键设备，只要不是该泵PLC系统自锁联动跳车，一般出现一些小故障都要坚持运行一段时间，以便让整个系统安全停车，退出生产。这就使得该泵不得不处于带故障运行的状态，而故障一旦是隔膜破裂，那么煤浆就会进入到活塞缸内与纯净的驱动液混合，并磨损活塞体和活塞缸。由于此时该泵并未停车，该泵液压油高压补给系统将会自动往活塞缸内强行补油，导致液压油损失。在这种故障运行中，整个活塞缸内有大量的煤浆参与到活塞的往复运动，轻者导致活塞环组件的磨损，严重时将活塞缸拉毛导致液压油泄漏，泄漏出的液压油中带有大量煤浆又会使该泵的自冲洗油泵系统污染，造成维修工作量的加大。2 隔膜的工作原理及隔膜破裂原因分析2.1 隔膜工作原理 隔膜泵是通过与隔膜连成一体、由金属和非金属构成的控制杆来控制隔膜变形。当挠曲过大，隔膜偏离中间平衡位置以及向前或向后并超过设计允许值时，通过电磁阀把多余的驱动液压油排出去或把缺少的油补充进来，由此来保证隔膜两侧的压力平衡和隔膜的挠曲不超过设计允许值。该产品有多个电磁阀和1套油路系统，对电器元件的灵敏度和操作技能要求较高。2.2 隔膜容易破裂原因分析 虽然隔膜泵排出压力低于高压往复泵，其实隔膜两侧的作用力是很大的(压力为1.6 MPa，有效尺寸为400 mm的隔膜两侧的作用力约为20 t)，也就是说必须保持隔膜两侧(一侧是驱动液体，另一侧是输送液体)的压差很小或近似于零，使压力基本平衡。如果压力不平衡，隔膜在瞬间就会破坏。 由于活塞杆密封处泄漏、气体的吸入或因补偿系统补偿不足或过量，以及第一次注油过多或过少，活塞缸内的油量总是在不断地变化，这都将破坏隔膜两侧的压力平衡，造成隔膜破裂。3 进口高压煤浆泵隔膜破裂的原因及修复 近期高压隔膜煤浆泵在停车检修活门后试运行时出现隔膜异常破裂现象，困扰着安全生产。高压隔膜煤浆泵的隔膜的使用寿命一般在60008000h，隔膜主要是依赖进口荷兰GEHO公司产品，而且价格昂贵。高压隔膜煤浆泵工作原理详见图1。 高压隔膜煤浆泵出现隔膜异常破裂后，有关人员进入现场检查，仔细检查各自分管的设备。检查驱动液压油油箱时发现油位偏低，而且油质发黑，证明液压油混有煤浆。根据工作经验判断，隔膜已经破裂并且煤浆已经进入驱动液压油箱，随即由维修人员清洗油箱，拆检隔膜。在拆检隔膜的过程中发现1号缸隔膜破裂，破裂口呈三角状而且断口处齐茬，不像以往隔膜磨损减薄后出现一字形裂口，并且隔膜是新近更换的。带着这个疑惑工程技术人员及分管领导讨论分析了隔膜破裂的原因，提出在原因没有查明的情况下，不更换新的隔膜，找一片使用寿命到期但没有破裂的隔膜装上做清水试车，以查找出隔膜破裂的原因。换上旧隔膜后，清水试车运行，刚启动该泵就发现在PLC显示板上1号缸高压补油显示灯间断闪亮，指示1号缸高压驱动液在间断补给，立即打开活塞缸上部的盖板，发现该泵自冲洗系统已启动，指挥操作工手动将冲洗油泵停车后，观察到从1号活塞缸有向外泄漏驱动液压油的现象，而且泄漏量不小。此时现场操作工发现PLC显示板上1号缸高压补油灯长亮，即刻停车处理后，打开该泵 1号隔膜室压盖检查发现在同样的位置出现了同样的断口。据此结果并根据工作经验判断隔膜破裂的原因是高压驱动液补给造成的，PLC控制系统是根据驱动液压油的压力急剧降低而启动的高压驱动液泵，造成驱动液压油压力急剧降低的原因是活塞缸拉毛、活塞环组件严重磨损等原因。事故原因查明后，立刻带领机组人员对该泵1号缸缸套进行了研磨和更换活塞环处理，并且对其它两缸也做了相应的处理。1号缸换上新隔膜后一次试车合格，投入系统运行。4 国产泵的改造 通过对这台进口高压隔膜煤浆泵出现的故障分析及维修认识到：延长泵的运行周期的关键是如何确保隔膜有较长的使用寿命。并根据多年对GEHO进口泵维修、保养经验，对国产高压隔膜煤浆泵进行了一些力所能及的改造。 (1)采用“液压隔膜泵用隔膜最大挠曲机械式自控机构”专利技术和1套完善的补偿系统。不论驱动液体如何变化，系统都能自动补偿，从而始终保证了隔膜两侧的动态压力平衡，并确保隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲位移时，隔膜的最大挠曲值不超过设计允许值。 (2)采用预变形隔膜使挠曲变形所产生的内应力最小。隔膜是采用了预变形橡胶双层复合隔膜。所谓预变形隔膜是将隔膜形状预先制成曲面，设计采用了耐油、耐磨又具有良好弹性的橡胶，经模具压制成设计给定的曲面，并使2层隔膜曲面能很好地吻合在一起，构成了一块完整的隔膜，且具有一定的厚度以保证有足够的磨损周期，使得隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲变形到最大允许挠度时，正好是隔膜