干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究

第3期(總第112期)煤化工No. 3( Total No 1122004年6月Coal Chemical IndustryJun.2004干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究①任永強1許世森2張東亮2夏軍倉2朱鴻昌2郜時(shí)旺2(1.西安交通大學(xué),西安710049;2.國電熱工研究院,西安710032)摘要介紹了投煤量為10kg/h-20kg/h加壓氣流床氣化小型試驗工藝條件的選擇,并給出采用華亭煤在氣化壓力1.5MPa,投干粉煤量1kg/h條件下取得的主要試驗數據。試驗煤氣產(chǎn)率達到1.94m/kg,碳轉化率96.9%,冷煤氣效率78.5%,并列出相應的氧煤、汽耗。試驗結果基本達到預期目的積累了干粉煤氣流床氣化數據,并提出今后中試時(shí)值得注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞煤氣化氣流床IGCC干法進(jìn)料文章編號:1005-9598(2004)-03-001004中圖分類(lèi)號:TQ546.2文獻標識碼:A究成果,隨后在山東黃縣化肥廠(chǎng)推廣應用(后停用)引言自80年代以來(lái),干煤粉加壓氣化工藝幾乎停滯不前。到了90年代后期,隨著(zhù)IGCC等潔凈煤發(fā)電技術(shù)煤氣化技術(shù)是燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煤化工、煤制的推廣應用,國電熱工研究院建立了國內第一套干煤油過(guò)程中的核心技術(shù)。煤氣化方式可分固定床、流化粉加壓氣化小型試驗裝置并進(jìn)行了試驗研究。該裝置床和氣流床三種。其中干煤粉加壓氧氣氣化(氣流的氣化能力為10kg/h-20kg/h煤粉,壓力為0.5Pa床)工藝具有煤種的適應性廣、污染低、冷煤氣效率及3.OMPa。研究的目標是積累中國主要動(dòng)力煤在干粉氣碳轉化率高等優(yōu)點(diǎn),適宜于開(kāi)發(fā)單爐容量大的氣化爐化狀態(tài)下的氣化數據庫形成一套干煤粉加壓氣化評等特點(diǎn)2),代表了今后煤氣化工藝技術(shù)的發(fā)展方向價(jià)方法,并在此基礎上提出中試裝置的技術(shù)設計。干法進(jìn)料加壓粉煤氣化工藝的前身是常壓K-T爐起源于德國 Koppers公司(1938年)。KT爐最大1干粉加壓氣化試驗流程單爐投煤量為500t/d,主要用于生產(chǎn)合成氨,曾一度占國外煤基氨廠(chǎng)總產(chǎn)量90%以上。但由于碳轉化率、干粉加壓氣化試驗裝置的工藝流程如圖1所示。冷煤氣效率均較低,氧、煤消耗較高,常壓K-T爐逐步被加壓操作的干粉爐所取代。20世紀70年代后期,相繼開(kāi)發(fā)的干煤粉加壓氣化爐型有 Shell- Koppers(原西德、荷蘭合作)、 Shella/SCGP(荷蘭)、 Prenflo(原化學(xué)軟水西德)和GSP(原東德)。目前, Shell和 Prenflo氣化爐的單爐出力都達到了2000t/d~2500t/d等級。取樣口我國自20世紀60年代起就開(kāi)展K-T爐的研究,去火炬1980年~1982年西北化工研究院進(jìn)行過(guò)常壓粉煤氣化(仿K-T爐,1t/d)的試驗研究,取得一些煤種的研自來(lái)水eo污水注:①“十五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助課題(課題編號:2003AA522030)。煤粉倉2-變壓倉3-加壓倉4螺旋輸送機收稿日期:20040301中國煤化工蒸汽發(fā)生器作者簡(jiǎn)介:任永強,男,1974年生,1997年畢業(yè)于北京科技10-電動(dòng)往復泵大學(xué),現為西安交通大學(xué)在職博士,主要研究氣、固兩相1CNMHG器14焦炭過(guò)濾器流煤氣化和煤氣凈化技術(shù)。圖1千煤粉加壓氣化試驗流程示意圖2004年6月任永強等:千煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究含水質(zhì)量分數(1%、有85%的細度<200目的粉煤另一關(guān)鍵設備為燃燒器,是將煤粉(由№2夾帶)儲于常壓煤粉倉,靠重力落人變壓煤倉,變壓倉用№2O2和水蒸氣混合均勻并噴入氣化爐的關(guān)鍵設備,其設充壓,充到與加壓倉壓力相等或略大時(shí),粉煤落入加計加工水平直接影響氣化指標。本試驗采用兩流式壓倉,用螺旋加料機定量送出,被N2吹送入氣化爐。氣流噴嘴,如圖3所示。向火面水夾套端部材料選用試驗用02經(jīng)緩沖罐穩壓后送往燃燒器外套管?；瘜W(xué) Incone600。由于煤粉以分散顆粒形態(tài)岀現,不需像軟水經(jīng)計量泵升壓,在電加熱器內蒸發(fā)成過(guò)熱蒸汽,重油和水煤漿那樣要進(jìn)行霧化,但從燃燒角度考慮與氧氣混合后進(jìn)入燃燒器外套管。粉煤、氧氣、水蒸氣必須保證粉煤和氣化劑混合良好,本設計氣化劑噴出在燃燒器出口處著(zhù)火并進(jìn)行氣流式火焰反應,生成以速度約20m/s,煤粉(由№2夾帶)流出速度為8m/s,熱C0和H2為主的粗合成氣。氣化爐排出的高溫氣體和態(tài)試驗表明,選用這種設計參數是合理的。熔渣在氣化爐內從上向下進(jìn)入激冷室,被激冷環(huán)噴出的激冷水激冷后,熔渣迅速固化,工藝氣被水飽和并由位于激冷室上部的煤氣口引出,送往煤氣凈化系統;因為煤氣中含有飛灰,經(jīng)氣液分離器用水進(jìn)一步潤濕洗滌,除塵、分離,除去殘余的飛灰后將濕煤氣分離出來(lái),再經(jīng)焦炭過(guò)濾器干燥、過(guò)濾,根據需要送到取樣囗或排放大氣。在激冷室生成的灰渣留在水池中定期排出爐外;黑水通過(guò)液位控制器自動(dòng)排出界外。自來(lái)水用高壓水泵升壓后送往氣化爐急冷室在干煤粉加壓氣化試驗裝置中,氣化爐是一關(guān)鍵設備,其結構如圖2所示。氣化爐是內襯耐火材料的壓力容器。它有一個(gè)鋼制承壓外殼,上部為燃燒室,爐內襯四層耐火材料。這1-煤粉(由N2夾帶)人口2-氧氣和水蒸氣人口些耐火材料,用以保護氣化爐殼體不受燃燒高溫反應卻水入口4冷卻水出口的影響,向火面耐火材料一般選用高鉻材料,以適應圖3燃燒器結構示意圖工藝過(guò)程對耐火材料的苛刻要求。燃燒室直接與激冷室相連,激冷環(huán)置于燃燒室下部,激冷水從激冷環(huán)噴2氣化試驗研究出,既激冷了高溫介質(zhì),也保護了金屬部件。激冷室下部為水浴,從燃燒室出來(lái)的煤氣夾帶熔渣經(jīng)過(guò)激冷21試驗方法環(huán),被噴出的激冷水淬冷,熔渣凝結成固態(tài)渣,沉積在氣化爐先用硅碳棒升溫并恒溫到1000℃,取出水池中。煤氣通過(guò)激冷水室,由導氣管通往煤氣出口。硅碳棒裝上噴嘴。然后送人由氮氣夾帶的煤粉,1秒2秒后送入氧氣。在著(zhù)火后送水蒸氣。半小時(shí)后爐子升壓至試驗壓力。穩定操作中采集數據(氣相)、黑水。停爐后稱(chēng)重渣料,測定含碳量2.2氣化試驗原始參數2.2.1氣化壓力的選定氣化壓力選定為0.5Pa2.0MPa,從中選擇幾個(gè)最有代表性的點(diǎn)。壓力測點(diǎn)設在氣液分離器頂部,該處離反應區最近,最具有代表性(氣化反應區不能直接測壓)2.2.2煤質(zhì)分析本裝置第一個(gè)試驗煤種為甘肅華亭煤,它具有灰熔融性溫度低、灰粘度低、灰分低、揮發(fā)分中國煤化工煤種1-急冷水入口2-煤氣和污水出口CNMHG液態(tài)排渣技術(shù),3-噴嘴入口4-氣化區5-水浴為使爐渣順利排出,要求灰渣的粘度小于250Pa·s華圖2氣化爐結構示意圖煤化工2004年第3期表1華亭煤煤質(zhì)指標項目指標目指標指標10.69元素分析/Cm63.68低位發(fā)熱量 Qnet d/MJ·kg37工業(yè)分析4.28高位發(fā)熱量Qa/MJ·kg126.520.70灰熔融性溫度/℃14.39l1900.521310亭煤的灰粘度-溫度特性曲線(xiàn)如圖4所示。在灰粘度為250Pa·s時(shí),其對應溫度為1310℃。100001700溫度/℃圖4煤灰粘度-溫度特性曲線(xiàn)圖23氣化工藝條件選在試驗中控制汽煤比為0.3:1(質(zhì)量比)左右。在氣2.3.1煤粉物性要求為保證煤粉輸送順利,必須化別的煤種時(shí),如為低揮發(fā)分煙煤或褐煤時(shí)將相應調證煤粉的濕度和粒度在一定的范圍內。本試驗中要節這個(gè)比例。如為褐煤,將降低汽煤比;如為低揮發(fā)分粉含水質(zhì)量百分數小于2%,要求粒度<100目、粒煙煤將適當提高汽煤比度<200目的占85%并且其中粒度<325目的占70%2.3.4人爐煤量綜合供氧能力、氣化爐容積等因2.3.2爐溫為保證氣化爐順利排渣和求取較好的素,氣化爐設計投煤量為10kg/h-20kg/h氣化指標,氣化爐應在高于灰熔融性溫度下操作。根據夾帶粉煤的氮氣不宜過(guò)高,根據前述冷態(tài)輸煤試國內外氣流床氣化操作經(jīng)驗,爐內溫度應比灰渣流動(dòng)驗結果,每m3氮氣夾帶粉煤8kg-10kg,這與國外大型溫度(Fη)高出80℃-100℃,或者控制熔渣粘度在250裝置的15kg/m3還有較大差距,這是由試驗規模太小Pa·s以下,根據圖4粘溫曲線(xiàn)和灰熔融性溫度數據,華所決定的。亭煤的熱態(tài)試驗的操作溫度控制在1350℃-1400℃。2.4數據采集及處理幾次熱態(tài)試驗表明,在該爐溫下操作可達到順利排渣2中國煤化工和較為理想的氣化指標。在投煤量、汽煤比基本不變2點(diǎn)是氣流床瞬間反的情況下,調節入爐氧量來(lái)控制爐溫。應CNMH當穩定,試驗中用氣2.3.3蒸汽煤比華亭煤是典型的煙煤(長(cháng)焰煤),相色譜定期分析氣體成分(CO2、O2、CO、H2、CH4、N2),2004年6月任永強等:干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究HS和COS未作分析。2.4.1.2渣樣停車(chē)后稱(chēng)重測定含水量渣中含碳3結果與討論量,從而求得爐底渣中含碳量(或稱(chēng)碳損失)2.4.1.3污水樣在運行中測量污水流量,取污水經(jīng)過(guò)3年工作,干煤粉加壓氣化試驗已基本達到樣,停車(chē)后測定污水含塵(飛灰)量,飛灰含碳量,計了預期目標。工作中一些體會(huì )如下,供大家討論。算出污水中碳損失。3.1千煤粉加壓小試氣化試驗中,輸煤系統是關(guān)鍵。2.4.2數據處理要注意煤粉的濕度,如果濕度較大,則容易發(fā)生架橋2.42.1煤氣流量計因設計參數不準,加上流量太現象,從而發(fā)生斷煤。同時(shí)要注意煤粉的粒度問(wèn)題,由小,引壓管堵塞等問(wèn)題,流量指示明顯不準,本試驗于輸送管較細,粒度過(guò)粗,則容易發(fā)生堵塞現象。如果用碳損失法間接計算煤氣流量。是中試則可能不會(huì )發(fā)生輸送管堵塞問(wèn)題。2.42.2碳轉化率根據碳損失計算:32由于該氣化系統氣化能力較小,導致一些問(wèn)題碳轉化率(%)=無(wú)法解決。氣化爐較小,熱損失較大,所以氣化指標不入爐碳二渣中碳二污水中碳×100%是很理想。另外由于管道較細,所以一些流量計計量入爐碳不是很準,只能靠經(jīng)驗和理論計算來(lái)估算。在中試試2.4.2.3煤氣量根據碳轉化率和煤氣含碳組分(CO2+驗中,這些問(wèn)題都可以解決。C0+CH4+00S)計算而得:3.3加壓下螺旋輸送器性能也有問(wèn)題,特別是當粉碳轉化率×入爐碳(kg)=煤氣量(CO2+C0+CH4+Cs)×12煤含水量稍高,螺旋計量誤差較大,導致試驗數據波22.4動(dòng)。建議中試取消這一設備,采用流態(tài)化(控制壓差)0s因其量很少(106級),對試驗數據影響較計量方式。小,式中忽略不計。3.4小試熱損失大,試驗時(shí)間又短(僅幾小時(shí)),采2.5主要試驗數據(氣化壓力15MPa,投煤量15kg/h)用熱壁結構,中試應改為全水冷壁。煤氣成分(體積分數):C026.2%,C055參考文獻煤氣產(chǎn)率:1.94m3/kg(干煤);[1]吳宗鑫,陳文穎以煤為主多元化的清潔能源戰略[M碳轉化率:96.9%;北京:清華大學(xué)出版社,2001.90-101.冷煤氣效率(LH):78.5%;2]焦樹(shù)建整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(GC)比氧耗:312m3/1000m3(CO+H2);[M].北京:中國電力出版社,1996比煤耗1000m3(C0+H2);[3]張東亮,許世森.煤氣化技術(shù)的發(fā)展及在1GCC中的應比汽耗:170kg/1000m3(CO+H2)。用[J.煤化T,2001,29(1):10-12.Test and Studies on Pressure Coal Gasification with Dry-feedRen Yongqiang Xu Shisen Zhang Dongliang Xia JuncaZhu Hongchang- Gao Shiwang(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;2. Thermal Power Research Institute of SPC, Xi'an 710032)Abstract This paper introduces the choices of trial test conditions for 10kg/h-20 kg/h pressurized entrained nowcoal gasifier, and shows the main test data with the operating pressure of 1.5 MPa and a feed of 15kg/h of pulverized drycoal. The test result shows that the coal gas productivity is 1.94 m/kg, the carbon conversion 96.9%, and the cold gasefficiency up to 78.5%. Besides, corresponding consumption of oxygen, coal and steam is listed. This result meets the anticipated target and adds up to the entrained now pulverized dry-fee中國煤化工re, e noticeableproblems for foreseeable pilot test are put forwardCNMHGKey words coal gasification, entrained flow, IGCC, dry-feed