碎煤加压气化炉的气化过程

碎煤加压气化炉的气化过程

煤炭气体的消耗是合理使用煤炭的有效途径之一，也是煤矿净化技术的重要组成部分。其主要设备是气化机。当前,综合效率高、工艺成熟、推广应用广泛且不断向前发展的炉型应首推碎煤加压气化炉,习惯上称鲁奇炉。自1936年第一台鲁奇炉问世以来,碎煤加压气化技术得到了长足发展。以鲁奇公司为准,现已发展到第五代气化炉,并开发出了先进的液态排渣鲁奇炉。1碎煤加压气化炉碎煤加压气化炉的气化过程是一个自热、逆流移动床工艺过程。入炉煤依靠重力自上而下移动,气化剂则从下逆流而上穿过床层,两者通过接触发生反应。整个床层大体分为五层。一般控制在300mm左右。进入该层的灰渣温度1200～1550℃,气化剂温度大约340℃,通过两者间的换热,气化剂被加热到1100℃以上,灰渣则被冷却到450～500℃后排入灰锁。主要进行如下碳的燃烧反应:C+O2=CO2+406418(J/mol)C+12O2=CO+123218(J/mol)C+12Ο2=CΟ+123218(J/mol)第一个反应是主要反应,放出的热使上升气流温度提高到1100～1450℃,为气化反应提供了热量。这时主要进行如下反应:C+H2O=CO+H2-118821(J/mol)C+2H2O=CO2+2H2-76841(J/mol)C+CO2=2CO-162400(J/mol)CO+H2O=H2+CO2+41980(J/mol)C+2H2=CH4+87362(J/mol)CO+3H2=CH4+H2O+206161(J/mol)该层内随着水蒸气分解和CO2还原反应的进行,H2和CO生成量不断增加,水蒸气和CO2不断减少。气化层平均反应温度为850℃,以吸热反应为主。进入该层的煤气温度约为800～900℃。煤被上升煤气加热至300～600℃时开始软化,其中的焦油以及挥发物CH4和C+2以上的烃类逸出。碳化反应过程是吸热的。常温的煤经上升煤气预热、脱水,可升温到200℃左右,同时上升煤气温度降至650～700℃。煤在炉中的气化受气化温度、气化压力、气化剂组成及煤的活性等因素影响。与其它炉型相比,碎煤加压气化炉具有以下特点:1)由床层温度分布可知,整个气化炉类似一个良好的气固热交换器,且进出口介质温度适宜(煤气:650～700℃,灰渣:450～500℃,气化剂:～340℃,煤:常温),从热力学角度及后续处理设备讲,这是非常有利的。2)煤种适用范围宽。碎煤加压气化炉几乎适用于所有煤种,不与冶金及其它工业争原料,有利于能源合理利用。3)气化剂、气化压力选择范围大,如能节省空器分离器的投资或选择到合理的气化剂,对进一步开发城市煤气和热、煤气联合循环发电将大有潜力。4)由于是逆流气化床,生成的煤气组成比较复杂,除CO、H2、CH4、CO2和H2O等主要成分外,还有N2、CnHm、H2S、油、石脑油、焦油、酚、脂肪酸和NH3等,这给后续过程的净化和分离增加了难度和投资,只有整个装置达到一定规模才能体现出优越性。2碎煤加压气化我国对碎煤加压气化技术的研究始于50年代,当时在中科院山西煤化所和锦州的石油工业部六厂研究所分别建立了两台内径为Φ80mm和Φ150mm的实验装置,用于不同煤种的试验。1963年沈阳煤气化研究所建立了第一台内径Φ1.2m的中试炉装置,用于褐煤气化试验;1985年在煤炭科学院北京煤炭研究所又建立了一台内径Φ650mm的中试炉。这些小试和中试装置为国家开展碎煤加压气化的研究奠定了理论基础并积累了丰富的数据和经验。我国正式使用碎煤加压气化技术的工业化装置是在1970年。50年代中期从苏联转手进口的22台捷克产碎煤加压气化炉(相当于第一代鲁奇炉),几经周折后于1970年在云南开远的解放军化肥厂启用4台,用于生产合成氨原料气,后增加到11台。进入80年代中期后,碎煤加压气化炉在我国得到了较大发展,表1是国内现有32台碎煤加压气化炉在5个厂的使用情况。1)云南开远解放军化肥厂是我国第一个碎煤加压气化炉使用厂家,主要用于合成氨原料气生产。气化压力2.5MPa,气化剂为氧气加蒸汽,炉型相当于鲁奇第一代。从现在看炉型和压力等都不够先进,但经过多次技改仍发挥了相当大的潜力。该厂现年产合成氨250kt,硝酸铵280kt,尿素150kt。不久将再投运三台气化炉。2)山西化肥厂是我国以煤为原料最大的合成氨厂,年产合成氨300kt,硝酸540kt,硝酸磷肥900kt,硝酸铵200kt。该厂是80年代初从德国鲁奇公司直接引进4台碎煤加压气化炉生产合成氨的原料气,1998年又新增一台(全国产化设备)。炉型为鲁奇Mark4,气化压力3.0MPa,气化剂为蒸汽加氧气,炉体直径3.8m,属较先进的鲁奇炉。3)兰州煤气厂于80年代末从捷克斯洛伐克直接引进5台碎煤加压气化炉用于城市煤气生产。炉型相当于鲁奇二代,气化压力2.7MPa,气化剂为蒸汽加氧气,炉体直径2.8m。生产规模为日产标准城市煤气54×104m3,由于用户所限,近年来未能发挥出潜力。4)哈尔滨气化厂位于哈尔滨市东260km的依兰县达连河镇,是国内乃至亚洲最大的坑口煤气厂,长输管线供哈尔滨及沿途城市煤气。全厂有5台PKM型气化炉(相当于鲁奇三代),是80年代末从原民主德国引进。气化压力2.8MPa,气化剂为蒸汽加氧气,炉体直径3.76m。日产标准城市煤气1.90×106m3,其中29×104m3用于厂内低压合成甲醇(年产甲醇40kt),为我国城市煤气联产化工产品在技术上、经济上开创了一个良好的前景。5)河南义马煤气厂是继哈尔滨气化厂之后的第二个坑口煤气厂,长输管线到河南洛阳、郑州及三门峡供城市煤气,同时联产化工产品甲醇。该厂正在建设之中,共有3台Mark4鲁奇炉,气化压力3.0MPa,气化剂为蒸汽加氧气,炉体直径3.8m,日产标准城市煤气1.20×106m3(不含甲醇用气)。作为煤炭气化一个分支的碎煤加压气化,近年来在我国发展较快,但与国外先进的同行相比还有很大差距。碎煤加压气化技术国际上应用最好的首推南非的萨索尔(Sasol)公司。据山西省煤化工考察团报告,到1994年萨索尔公司已拥有97台碎煤加压气化炉在运行,年气化次烟煤约28Mt,产品130余种,产量超过5Mt,销售额27.7×108美元(1993年)。即使石油价格处于低靡状态仍有盈利,其中很大一个特点是规模效益和技术效益。在萨索尔公司的97台气化炉中有80台是鲁奇Mark4,这表明我国所使用的气化炉在技术上并不落后,欠缺的只是规模效应。3国外设备国产化的情况碎煤加压气化技术是集研究、设计、制造和运行为一体的综合技术,作为其核心的气化炉无论在设计还是制造上都含有大量的专有技术,从国外引进一套设备价格相当昂贵。表2对90年代Φ3.8m碎煤加压气化炉(鲁奇三代)在国内外的价格进行了比较,从中不难看出,国产炉价折成美元后仅为国外设备的1/4～1/5。因此,实现设备国产化是气化炉发展的根本和方向。我国碎煤加压气化炉的国产化主要经历了两个过程:小试、中试逐步放大到工业化;引进、消化直接转移到工业化。这中间两者的结合起了关键作用。1甲醇煤气在小试、中试和工业试验积累的基础上,80年代初由化学工业部第二设计院、太原重机厂和太原化肥厂等几家联手开发第一台Φ2.8m的碎煤加压气化炉,气化压力2.5MPa,气化强度为2440m3/(m2·h)(粗煤气),用于甲醇原料气的生产。1986年在太原化肥厂建成试运行,1987年通过了山西省科委的鉴定。但由于一些原因该炉未能投入运行,现已被运抵云南开远解放军化肥厂准备启用。与此同时,由沈阳煤气化研究所等单位研制的Φ1.8m碎煤加压气化炉1987年在长春第一汽车制造厂煤气站建成投产,气化压力2.0MPa,气化强度1.29t/(m2·h)(煤),煤种为舒兰褐煤,用于生产城市煤气。该炉供气稳定,运行安全。2气化炉生产方案随着改革开放和国外装置的引进,为了确保引进的气化装置能长期稳定运行并解决好设备的备件问题,国家制定了引进技术、合作制造的方针。1987年由大连重机厂与捷克斯洛伐克合作,为兰州煤气厂生产一套Φ2.76m的气化炉;1993年由太原重机厂和民主德国PKM公司合作技术,为哈尔滨气化厂生产一套Φ3.76m气化炉;1998年哈尔滨锅炉厂和澳大利亚CMPS公司合作,为河南义马煤气厂提供两套气化炉壳体。合作制造不仅增加了技术储备,经济上也是合理的。3气化炉运行管理方面经过多年不懈的努力,目前我国已能自行设计和制造比较先进的大型气化炉装置。1996年4月山西化肥厂第五套碎煤加压气化炉由化工部第二设计院设计,太原重型机器厂制造。气化炉内径Φ3.8m,气化压力3.0MPa,气化强度3200m3/(m2·h)(粗煤气),全采用国产材料,炉型相当于鲁奇第三代Mark4,DCS系统控制。1998年12月建成,一次试炉成功并网,运行平稳,完全达到了设计指标。不论是国产炉,还是进口炉,提高一台炉子的连续运行周期,是保证气化炉高效率的一个主要因素。对碎煤加压气化炉,其核心难点是锥形阀的寿命,特别是灰锁的上下阀,寿命一般只有几个月,检修时需要减少负荷或者停炉。据报道,目前鲁奇公司和萨索尔公司已推出碳化钨密封面,与原设计相比寿命可提高一倍。所以,瞄准国