煤气化综述(95页)

煤气化技术简介 主要内容1 有关煤气化的概念2 壳牌 shell 气化3 德士古 texaco 气化4 多喷嘴气化技术5 GSP气化技术 煤炭的生成 煤炭是地球上迄今为止能得到的最丰富的化石燃料 煤的使用年限估计在几百年 它将是替代不断下降的石油资源的可靠能源 因此 煤化学工业的发展将替代石油化学工业 我国的能源结构特点 少油富煤贫气 煤炭的生成 煤炭是由古植物经过复杂的生物化学 物理化学和地球化学作用转变而成的固体有机可燃矿物 煤炭生成过程 植物 泥炭 腐泥 褐煤 烟煤 无烟煤 这一过程也称为煤化序列 由泥炭到无烟煤的演变过程统称为煤化作用 作用的程度称为煤化程度 煤气化概念 煤的气化是指煤与气化剂作用 进行各种化学反应 把煤炭转化为燃料煤气或合成气的过程 煤气化过程是一个热化学过程 它是以煤或煤焦为原料 以氧气 空气 富氧或纯氧 水蒸汽或氢气等作气化剂 或称气化介质 在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体 煤气化基本概念 由气化定义可以得出 1 气化剂 氧气 空气 富氧 蒸汽 2 产品气的组成 气化时所得的可然气称为气化煤气 其主要成分包括CO H2 CO2 CH4等 其中CO H2在化工原料气中也被称为有效气 气化煤气可用作城市煤气 工业燃气和化工原料气 3 产品气用途 用作化工原料气时是碳一化学的重要原料来源 下游可以生产的产品有合成氨 甲醇等 煤气化反应原理 煤气化反应主要指煤与气化剂反应生成气体产物 气体产物与原料及与气化剂 反应产物与反应产物之间的化学反应 反应机理非常复杂 一般来讲 煤气化主要反应有 C O2 CO QC O2 CO2 QCO O2 CO2 QC H2O CO H2 QC H2O CO2 H2 QCO H2O CO2 H2 Q 煤气化过程 干燥 湿煤加入气化炉后 煤与热气流之间进行热交换 煤中的水分蒸发 热解 受热后自身发生的一系列物理和化学变化的复杂过程 气化 气化炉中的气化反应是一个非常复杂体系 主要有碳与氧的反应 碳与水蒸气的反应 燃烧 反应产物与氧之间的反应 上述过程同时存在 同时进行 气化反应机理 煤气化反应必须经过7步1 反应气体从气相扩散到固体碳表面 2 反应气体再通过颗粒的孔道进入小孔的内表面 3 反应气体分子吸附在固体表面上 形成络合物 4 络合物之间 络合物与气体分子之间进行反应 5 吸附态的产物从固体表面脱附 6 产物分子从固体的内部孔道扩散出来 7 产物分子从颗粒表面扩散到气相中 煤的性质对气化反应的影响 反应活性反应活性是指在一定条件下 煤炭与不同的气体介质 CO2 O2 水蒸汽 H2 相互作用的反应能力 反应活性强的煤 在气化和燃烧过程中反应速度快 效率高 反应活性的强弱直接影响到产气率 耗氧量 灰渣含碳量和热效率 反应活性高的煤有利于各种气化工艺 年轻煤 褐煤 和焦炭反应活性高 年老煤 无烟煤 反应活性低 煤的性质对气化反应的影响 黏结性黏结性是指煤被加热到一定温度后 受热分解并产生胶质体 最后黏结成块状焦炭的能力 煤的黏结性不利于气化过程的进行 特别是移动床气化 对气流床气化影响不大 煤的性质对气化反应的影响 结渣性结渣性是指煤中的矿物质在高温和活性气体的作用下 转变为牢固的黏结物或熔融物的能力 对于移动床气化 大块的炉渣会破坏床内的透气性 从而影响生成气体的质量 严重时炉箅不能排渣 煤的性质对气化反应的影响 热稳定性热稳定性是指煤在高温燃下燃烧或气化过程中 对温度剧烈变化的稳定程度 也就是块煤在温度急剧变化时 保持原来力度的性能 对于移动床气化来说 热稳定性差的煤 将会增加炉内阻力 降低煤的气化效率 并使带出物增多 一般烟煤的热稳定性较好 褐煤 无烟煤 贫煤的热稳定性较差 煤的性质对气化反应的影响 机械强度煤的机械强度是指块煤的抗碎强度 耐磨强度和抗压强度等综合性物理和机械性能 机械强度高的煤在移动床气化炉的输送过程中容易保持其粒度 从而有利于气化过程均匀进行 减少带出物 机械强度低的煤宜采用流化床 气流床气化 无烟煤的机械强度较大 煤的性质对气化反应的影响 粒度分布移动床气化要求10 100mm的且较均匀的块煤流化床气化要求0 8mm的细粒煤气流床气化则要求 0 1mm的粉煤 煤气化的应用领域 煤气化 煤气化在煤化工领域的应用 煤气化在煤化工领域的应用重点体现在碳一化学及其下游产业中 煤气化在煤化工领域的应用 煤气化在煤化工领域的应用 煤气化技术分类 煤气化的分类方法有多种 按制取得煤气热值分类 分为 制取低热值煤气 中热值煤气 高热值煤气 按供热方式分为 自热式气化法间接供热气化法热载体供热煤的水蒸汽气化和加氢气化相结合法 按气化剂分类空气 蒸汽气化法氧气 蒸汽气化法氢气气化法 按固体燃料的运动状态分为 移动床 固定床 气化法流化床气化法气流床气化法 几种煤气化炉 移动床气化工艺介绍 移动床气化法也称为块煤气化 包括常压固定床和加压固定床气化 主要的炉型有UGI炉 鲁奇 lurgi 炉和液态排渣鲁奇 lurgi 炉 移动床气化工艺 常压 炉以块煤和焦炭为原料 以空气和水蒸汽为气化剂制取合成原料气和燃料气 国内现有 多台在运行 优点 设备制造容易 操作简单 投资少 缺点 原料单一 单炉能力小 气量 12000m3 h 操作和设备管理难度大 现场环境差 污水含有焦油酚及氢化物 污染环境 移动床气化 固定层造气 移动床气化工艺介绍 鲁奇 lurgi 加压气化炉 世纪联邦德国鲁奇公司开发的 属于第一代煤气化工艺 目前世界上有 多台 压力 P 反应温度 反应气适宜作城市煤气 优点 固定床气化 固态排渣 适宜弱黏结性碎煤单炉能力比 大 15300 38000m3 h 缺点 气化炉结构复杂 制造维修费用大原料煤必须是块煤 来源受限 煤气中含有焦油酚及氢化物 煤气净化和污水处理复杂 进料阀寿命短 最长 个月 依赖进口 移动床气化 鲁奇气化炉 移动床气化工艺介绍 液态排渣鲁奇炉 鲁奇公司与英国煤气公司联合开发 操作压力2 5 3 0 a 气化温度 液态排渣 与固态排渣比有以下优点 气化强度高 生产能力大 水蒸汽耗量低 水蒸汽分解率提高 煤气中的可燃组分增加 热值升高 煤种适应性增强 碳转化率气化效率和热效率均有提高 环境污染少 BGL气化 BGL气化 BGL气化IGCC流程 流化床气化 流化床气化指气化反应在以气化剂与煤形成的流化床内进行 通常用气化剂将煤流化 原料煤粒度 10mm 流化床的炉型有 美国 U GAS KRW HY GAS CO GAS CO2 Acceeptor Exxon德国 温克勒 Winkler 高温温克勒 HTW 鲁奇循环流化床气化炉 CFBG 中国 灰熔聚气化 双器流化床 分区流化床 循环制气流化床水煤气炉以及加压流化床 流化床气化工艺 流化床气化工艺特点 直接利用碎粉煤 不用加工 备煤费用低 床内物料均匀 便于操作 气化强度大 便于大规模建设 单炉产气量40000m3 h 炉内可添加固硫剂 脱硫效果更佳 炉温高 污水处理简化 污染少 炉温 1000 不需特殊耐火材料 适宜气化高灰劣质煤 温克勒 Winkle 气化 流化床炉的典型代表是德国的Winkle 最初用来利用廉价的细煤 后大量用于合成氨工业 U GAS气化 U Gas气化炉是美国燃气工艺研究院 IGT 从1974年开始研究的流化床气化技术 并于1994年在上海焦化总厂建成了世界上第一套U Gas气化工业装置 U GAS气化 高温温克勒 HTW 由于常压温克勒 Winkler 气化炉存在种种问题 至今运行的不多 针对这些问题 德国又开发了高温温克勒 HTW 即提高了温克勒 Winkler 法的压力和温度 生产合成气 另外 又以氢气为气化剂 取代氧气和蒸汽 生产代用天然气 即开发煤的加氢气化法 HKV 气流床气化 粉煤 水煤浆或干煤粉 由气化剂夹带入炉 进行并流式燃烧和气化反应 火焰反应 反应温度较高1300 1600 反应时间很短 1 10s 入炉煤粒度很细 0 1mm 主要技术特点 煤种适应性强 除褐煤外均可使用 高灰熔点及煤化程度较高的煤 需加入助熔剂 反应物在炉内停留时间短 常采用纯氧作气化剂 反应温度高 液态排渣 渣中含碳量低 煤气组分以CO H2 CO2 H2O为主 CH4量低 热值不高 为维持高炉温 氧气耗量较大 影响其经济性 出炉煤气温度较高 气流床气化工艺 已经工业化的气流床炉型有 常压气流床粉煤气化炉 简称K T炉 水煤浆加压气化德士古炉 TEXACO Destec 现E Gas 炉 水煤浆多喷嘴对置加压气化炉 粉煤加压气化即SCGP shell煤气化 加压气流床 Prenflo GSP气化炉 航天炉 几种气流床气化炉介绍 重点介绍几种气流床气化炉SHELLTEXACO多喷嘴对置气化炉GSP介绍SHELL与TEXACO的区别介绍TEXACO与多喷嘴的区别 K T气化炉 K T炉是最早工业化的常压气流床粉煤气化方法 又称GKT法 第一台工业化K T炉1949年在法国建成 至今已经建有近50台 K T气化炉 气化炉炉头有两个相邻的烧嘴 并与对面的炉头的烧嘴在同一条直线上 气化炉壳体设有水夹套 与汽包构成夹套锅炉 产生低压蒸汽 气化工艺分为5个部分 粉煤制备 破碎和干燥 粉煤给料 气化炉 废热回收 煤气除尘冷却系统 气化炉温度1500 1600 液态排渣 气化能力逐渐增大 早期230t d 现450t d 已经设计出600t d的气化炉 Shell气化 Shell气化法原名shell koppers法 它组合了shell国际石油公司在高压下油气化的经验和柯柏斯公司在气化方面的经验 试验室试验 1976年 在阿姆斯特丹的壳牌试验室建立了一个小型试验装置 壳牌气化工艺的开发正式开始 主要任务是通过对煤种的测试 验证壳牌气化理论 德国汉堡中试装置 1978年在德国汉堡的德国壳牌炼油厂设计 建设和投产了一套日处理150吨煤的中试装置 主要任务是根据阿姆斯特丹试验装置的试验结果验证煤气化数据与工艺模型 并进行有关方面的测试 包括对煤气化设备 气化器 合成气冷却器 烧嘴 高压阀门等 的设计 经过6000小时的试验 1983年结束 Shell气化 美国休斯敦工厂示范 1983年开始设计 1987年开始运转 日处理煤量250 400吨 装置的目的是 证明工艺的可靠性 提供设备寿命及环境方面额外的信息 并试烧不同的煤种 在运行15000小时 气化约18中煤 其中含褐煤和石油焦 后 示范装置于1991年关闭 荷兰布根伦工业化厂 1988年 荷兰发电局拟在荷兰布根伦建立一座250MW的整体煤气化联合循环发电 最终选用了壳牌气化工艺 1990年开工建设 1993年3月燃气轮机开始用天然气试运转 1993年12月气化炉首次运转 1994年首次用煤发电 Shell气化 荷兰布根伦工业化厂 Shell粉煤气化技术特点 气化炉结构较复杂 内部为膜式水冷壁 无任何耐火砖 烧嘴寿命长 所以气化炉坚固耐用 操作可靠 煤种适应性好 灰熔点高时只需加入助熔剂石灰石 干粉进料 气化效率高 氧耗低于Texaco工艺 约15 高效率 原料煤所含能量之中 大约80 83 以合成气形式回收 另外14 16 以蒸汽形式回收 Shell气化 Shell气化 对称式多烧嘴 混合效果好 碳转化率高 熔渣气化 熔渣可保护膜式水冷壁 并确保产生无毒废渣及灰 高温气化 碳转化率大于99 有效气体成份含量高 90 CO2含量低 几乎无CH4及酚类 焦油等生成 Shell粉煤气化工艺的优势 煤种适应范围较宽 能使用周边高灰熔点原料煤 工艺指标先进 煤耗 氧耗低 气化效率高 冷煤气效率可达80 83 操作和维护费用低 无耐火砖 炉子及烧嘴寿命较长 灰渣可直接利用 有利于环保 Shell气化 Shell气化 Shell气化 Shell气化 Shell气化 Shell气化 Shell气化炉内壁销钉和隔热层 Texaco气化是第二代气流床水煤浆气化技术的代表 以水煤浆单烧嘴顶喷进料 耐火砖热壁炉 激冷流程为主 德士古 Texaco 气化 德士古 Texaco 气化 1948年德士古发展公司首先创造了水煤浆气化工艺 Texacocoalgasificationprocess 并在加利福尼亚州洛杉矶近郊的Montebello建设了第一套日投煤量15t的中试装置 这在煤气化史上是一个重大的开端 1958年中断了试验 德士古 Texaco 气化 20世纪70年代初 出现了第一次石油危机 煤气化的发展出现了转机 德士古公司恢复了Montebello的试验装置 于1975年建造了一台压力为2 5MPa的低压气化炉 1978年和1981年分别再建两台压力为8 5MPa的高压气化炉 主要用于煤种的试烧评价和其他研究任务 其中就有我国鲁南化肥厂七五煤和首钢无烟煤 德士古 Texaco 气化 1973年德士古公司和联邦德国鲁尔公司开始合作 于1978年在联邦德国建成了一套德士古水煤浆气化工业试验装置 RCH RAG 装置 该装置是将德士古公司中试成果推向工业化的关键一步 1975在联邦德国奥伯豪森 Oberhausen 的鲁尔化学公司内开始建设一台压力为4 0MPa 投煤量为150t d的工业示范气化炉 废锅流程 20世纪80年代分别在美国 日本 联邦德国建设了伊斯曼化学工厂 美国冷水电厂 宇部氨厂 SAR工厂等气化装置 2002年初Texaco成为Chevron公司一部分 2004年5月被GE公司收购 德士古 Texaco 气化 Texaco气化炉由喷嘴 气化室 激冷室 或废热锅炉 组成 其中喷嘴为三通道 工艺氧走一 三通道 水煤浆走二通道 介于两股氧射流之间 水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题 主要是由于水煤浆在较高线速下 约30m s 对金属材质的冲刷腐蚀 喷嘴 气化炉 激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键 国外已于上世纪八十年代被成功用商业运行1983年美国EASTMAN生产甲醇 醋酐1984年日本UBE生产氨1984年 1996年美国在Cool water和Tampa建成IGCC装置 中国从上世纪80年代末开始引进多套德士古装置 技术成熟 德士古 Texaco 气化 我国鲁南化肥厂于1993年建成首套Texaco气化装置用于生产氨 甲醇 现有24台套气化炉投产运行 30多台套在建 全部用于化工生产 目前Texaco气化装置在第二代气流床技术中 建设装置最多 商业运行时间最长 用于化工生产技术成熟可靠 德士古 Texaco 气化 TEXACO技术特点 原料范围非常广 可以气化从褐煤到无烟煤的大多数煤种 水煤浆进料比干煤粉进料安全易于控制和测量 工艺技术成熟 流程简单 过程控制安全可靠 气化炉结构设计简单 炉内没有运转设备 操作弹性大 碳转化率高 负荷调整范围50 110 碳转化率95 99 TEXACO技术特点 粗煤气质量高 CO H2 可达到80 左右 气化压力范围广 2 5 8 5MPa 单台气化炉投煤量范围可从400t d 2000t d 污染少 废水不含苯 酚 焦油等 灰渣可以作建材 TEXACO气化炉示意图 TEXACO工艺流程 TEXACO工艺流程 工艺烧嘴结构 工艺烧嘴三流式喷头图 工艺烧嘴 三流式喷头 93年4月建成 94年通过生产考核与技术鉴定 95年运行328天 产氨8 21万吨 超过设计能力 而后生产负荷稳定在设计的130 以上运行 有备炉年运行可以达到330天以上2001年实现全年双炉无备车运行 平均单炉运行306 4天 气化炉不停车连续运行可达136天 烧嘴寿命可达197天获96年度国家科技进步一等奖 99年度德士古远东和亚洲优秀用户奖 鲁化对Texaco技术消化 吸收 鲁化工艺烧嘴的运行情况 一般能够运行80 100天使用耐磨材料后能运行150天以上第一个新型耐磨烧嘴运行151天最长运行197天 进料方式不同 shell采用干煤粉进料 用氮气输送 进料系统复杂 TEXACO 多喷嘴选用水煤浆进料 用泵输送 进料系统相对简单 气化炉结构的区别 德士古气化炉的喷嘴是设在炉体顶部下喷式单一喷嘴 其喷嘴中心线与渣口中心线重合 壳牌气化炉有4 8个对列式喷嘴 设在气化炉体下部炉壁上 德士古气化炉需耐火砖衬里 壳牌采用膜式水冷壁 Shell气化与Texaco气化区别 比水煤浆气化少气化30 40 的水分 可省煤 10 省氧气15 25 冷煤气效率比水煤浆高 6个百分点 达到80 83 有效气成分比水煤浆高7 10个百分点 达到90 93 碳转化率比水煤浆高1 4个百分点 达到99 用于IGCC可使热效率达到 43 水煤浆耐火砖1 2年 Shell水冷壁设计25年水煤浆喷嘴2 3个月 Shell喷嘴设计1年Shell气化炉及其部件 烧嘴等关键设备国内尚不能制作 完全依赖进口 texaco炉已经完全国产化 Shell气化与Texaco气化区别 Shell干煤粉和Texaco水煤浆气化技术对比 九五国家重点科技攻关项目 新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术 由华东理工大学 兖矿鲁南化肥厂 天辰化学工程公司共同承担 并于2000年10月通过国家石油和化学工业局考核和鉴定 十五国家 863 重大课题 新型水煤浆气化技术 在鲁南建成1150吨煤 日多喷嘴对置式气化炉 配套24万吨甲醇 年和71 8MW联合发电装置 由兖矿集团公司 华东理工大学共同承担 并于2005年12月 2006年1月通过国家石化协会考核和鉴定 多喷嘴对置式气化炉 多喷嘴对置式水煤浆气化工艺原理简图 多喷嘴对置式气化炉流场结构 单喷嘴水煤浆气化炉流场结构 射流区 撞击区 撞击流股 回流区 折返流区 管流区 多喷嘴对置式气化 多喷嘴对置式气化 多喷嘴气化技术特点气流床气化炉预膜式长寿命高效气化喷嘴交叉流式洗涤水分布器复合床高温煤气冷却洗涤设备分级净化的煤气初步净化工艺蒸发分离直接换热式含渣水处理及热回收工艺已获得一系列发明专利和实用新型专利 是具有完全自主知识产权的煤气化技术 多喷嘴气化与Texaco气化比较 多喷嘴气化与Texaco气化比较 单喷嘴受限射流单喷嘴工作 负荷受限雾化实现混合 混合效果受限存在短路物流 转化率受限平推流段短 气化反应进行程度受限 多喷嘴撞击流多喷嘴工作 处理负荷高雾化 撞击实现混合 混合效果好不存在短路物流 转化率高平推流长 气化反应进行完全 气化炉结构及流场 GE水煤浆气化 多喷嘴水煤浆气化 多喷嘴气化与Texaco气化比较 上升管 下降管激冷方式有腾涌现象带水带灰液位难控制文丘里 碳洗塔细灰颗粒在一个塔内洗涤洗涤效果差黑水含固量高 喷淋 鼓泡复合床无腾涌现象避免带水带灰液位容易控制混合器 旋风分离器 水洗塔分级净化 先粗分再精分洗涤效果好黑水水质好 气体初步净化系统 GE水煤浆气化 多喷嘴水煤浆气化 多喷嘴气化与Texaco气化比较 高压闪蒸 间接换热易结垢 堵灰换热效果差 蒸发热水塔 闪蒸 直接换热 无结垢 堵灰现象换热效果好 渣水处理系统系统 GE水煤浆气化 多喷嘴水煤浆气化 多喷嘴气化与Texaco气化比较 多喷嘴气化与TEXACO区别 动画 多喷嘴气化技术推广应用 E GAS气化 原Destec或DOW E GAS是在德士古基础上发展起来的二段式气化工艺 具有生产能力大 氧耗低及产率高等特点 而且已经经过较长时间的工业化运行 有发展前景 E GAS气化 原Destec或DOW 中试厂的开工和运行 1979 1983 用空气作气化剂时的处理能力为11t d 用氧气作气化剂时的处理能力为33t d 示范装置1983 1985先后进行了以空气 氧气作气化剂的运行试验 气化能力分别为500t d 干煤 和1090t d 干煤 均取得成功 E GAS气化 原Destec或DOW 商业化装置1987年4月在DOW化学公司路易斯安那煤气化工艺公司建成商业化