第3期(總第112期)煤化工No.3( Total No.112 )2004年6月Coal Chemical IndustryJun.2004干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究任永強’許世森2張東亮2夏軍倉2朱鴻昌2郜時旺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/n-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15kg/h條件下取得的主要試驗數(shù)據(jù)。試驗煤氣產(chǎn)率達到1. 94m*/kg,碳轉(zhuǎn)化率96. 9%,冷煤氣效率78. 5%,并列出相應(yīng)的氧煤、汽耗。試驗結(jié)果基本達到預(yù)期目的.積累了干粉煤氣流床氣化數(shù)據(jù),并提出今后中試時值得注意的問題。關(guān)鍵詞煤氣化氣流床ICCC 干法進料文章編號:1005-9598( 2004 )-03-0010-04中圖分類號 :T0546.2文獻標(biāo)識碼:A究成果，隨后在山東黃縣化肥廠推廣應(yīng)用(后停用)。引言自80年代以來,干煤粉加壓氣化工藝幾乎停滯不前。到了90年代后期,隨著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(yīng)用,國電熱工研究院建立了國內(nèi)第一套干煤油過程中的核心技術(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. 5MPa~床)工藝具有煤種的適應(yīng)性廣、污染低、冷煤氣效率及3.0MPa。研究的目標(biāo)是積累中國主要動力煤在干粉氣碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點,適宜于開發(fā)單爐容量大的氣化爐化狀態(tài)下的氣化數(shù)據(jù)庫,形成- -套干煤粉加壓氣化評等特點田) ,代表了今后煤氣化工藝技術(shù)的發(fā)展方向。價方法,并在此基礎(chǔ)上提出中試裝置的技術(shù)設(shè)計。干法進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)。K-T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,曾一度干粉加壓氣化試驗裝置的工藝流程如圖1所示。占國外煤基氨廠總產(chǎn)量90%以上。但由于碳轉(zhuǎn)化率、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(jì)70年代后期,相繼開發(fā)的干煤粉加壓氣化爐型有Shell Koppers(原0.西德、荷蘭合作)、Shel1/SCGP(荷蘭)、Prenflo( 原化學(xué)軟水西德)和GSP(原東德)。目前,Shel1和Prenflo氣化9σ爐的單爐出力都達到了2 000t/d~2 500t/d等級5。取樣口去火炬我國自20世紀(jì)60年代起就開展K-T爐的研究，1980年~1982年西北化工研究院進行過常壓粉煤氣化(仿K-T爐,1t/d)的試驗研究,取得一些煤種的研自來本注:①“十五"國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃( 863計劃)資助造水課題(課題編號:2003AA522030)。1-煤粉倉2-變壓倉 3- 加壓倉4- 螺旋輸送機收稿日期:2004-03-015-氧氣緩沖罐6- 計量泵7- 蒸汽發(fā)生器作者簡介:任永強,男.1974年生,1997年畢業(yè)于北京科技8-氮氣緩沖罐1 9- 氮氣緩沖罐2 10- 電動往復(fù)泵大學(xué)，現(xiàn)為西安交通大學(xué)在職博士，主要研究氣、固兩相11-噴嘴12-氣化爐 13-氣液分離器 14-焦炭過濾器流煤氣化和煤氣凈化技術(shù)。圖1干煤粉加 壓氣化試驗流程示意圖2004年6月任永強等:干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗研究- 11-含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%、有85%的細度<200目的粉煤另- -關(guān)鍵設(shè)備為燃燒器,是將煤粉(由N2夾帶)、儲于常壓煤粉倉,靠重力落入變壓煤倉,變壓倉用N202和水蒸氣混合均勻并噴人氣化爐的關(guān)鍵設(shè)備,其設(shè)充壓，充到與加壓倉壓力相等或略大時,粉煤落人加計加工水平直接影響氣化指標(biāo)。本試驗采用兩流式壓倉,用螺旋加料機定量送出,被N2吹送人氣化爐。氣流噴嘴，如圖3所示。向火面水夾套端部材料選用試驗用O2經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后送往燃燒器外套管?；瘜W(xué)Incone 1 600。由于煤粉以分散顆粒形態(tài)出現(xiàn),不需像軟水經(jīng)計量泵升壓，在電加熱器內(nèi)蒸發(fā)成過熱蒸汽，重油和水煤漿那樣要進行霧化，但從燃燒角度考慮，與氧氣混合后進人燃燒器外套管。粉煤、氧氣、水蒸氣必須保證粉煤和氣化劑混合良好,本設(shè)計氣化劑噴出在燃燒器出口處著火并進行氣流式火焰反應(yīng),生成以速度約20m/s ,煤粉(由N2夾帶)流出速度為8m/s,熱Co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(shè)計參數(shù)是合理的。熔渣在氣化爐內(nèi)從上向下進人激冷室,被激冷環(huán)噴出1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(tǒng);因為煤氣中含有飛灰,經(jīng)氣液分離器用水進-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，再經(jīng)焦炭過濾器千燥、過濾,根據(jù)需要送到取樣口或排放大氣。在激冷室生成的灰渣留在水池中，定期排出爐外;黑水通過液位控制器自動排出界外。自來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(shè)備,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。氣化爐是內(nèi)襯耐火材料的壓力容器。它有一個鋼制承壓外殼，上部為燃燒室,爐內(nèi)襯四層耐火材料。這1-煤粉(由N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(yīng)3-冷卻水入口4- 冷卻水出口的影響，向火面耐火材料- -般選用高鉻材料,以適應(yīng)圖3燃燒器結(jié)構(gòu)示意圄工藝過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，從燃燒室出來的煤氣夾帶熔渣經(jīng)過激冷2.1 試驗方法環(huán)，被噴出的激冷水淬冷,熔渣凝結(jié)成固態(tài)渣,沉積在氣化爐先用硅碳棒升溫并恒溫到1 000C，取出水池中。煤氣通過激冷水室,由導(dǎo)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秒后送人氧氣。在著火后送水蒸氣。半小時后爐子升壓至試驗壓力。穩(wěn)定操作中采集數(shù)據(jù)(氣相)、黑水。停爐后稱重渣料,測定含碳量。2.2氣化試驗 原始參數(shù)2.2.1氣化壓力的選定 氣化壓 力選定為0. 5MPa~2. 0MPa,從中選擇幾個最有代表性的點。壓力測點設(shè)在氣液分離器頂部，該處離反應(yīng)區(qū)最近,最具有代表性(氣化反應(yīng)區(qū)不能直接測壓)。2.2.2煤質(zhì)分析 本裝置第-一個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)分高等優(yōu)點.是氣流床氣化的理想煤種。華亭煤煤質(zhì)指標(biāo)如表1所示。1-急冷水入口2- 煤氣和污水出口由于干煤粉氣流床加壓氣化采用液態(tài)排渣技術(shù)，3-噴嘴入口4-氣化區(qū) 5- 水浴為使?fàn)t渣順利排出,要求灰渣的粘度小于250Pa.s。華圈2氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖- 12-煤化工2004年第3期表1華亭煤煤質(zhì)指標(biāo)項目指標(biāo)項目M5. 74Cea63. 68低位發(fā)熱量Qcs/MJ.kgt25. 37工業(yè)分析元素分析/910. 69/%Hat4. 28高位發(fā)熱量Qrs/MJ.kg'26.5229. 14No0.70灰熔融性溫度/9C:FC。54. 530od14. 39.D1 190Stma0. 52ST1 270F71 310亭煤的灰粘度-溫度特性曲線如圖4所示。在灰粘度為250Pa.s時,其對應(yīng)溫度為1 310C。10 0001 0001000主100011001 2001 3001 400150016001 700溫度/C團4煤灰粘度-溫 度特性曲線圄2.3氣化工藝 條件選擇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,如為低揮發(fā)分煙煤或褐煤時將相應(yīng)調(diào)保證煤粉的濕度和粒度在一-定的范圍內(nèi)。本試驗中要節(jié)這個比例。如為褐煤，將降低汽煤比;如為低揮發(fā)分求煤粉含水質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于2%,要求粒度<100目、粒煙煤將適當(dāng)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(shè)計投煤量為10kg/h-20kg/h。氣化指標(biāo)，氣化爐應(yīng)在高于灰熔融性溫度下操作。根據(jù)夾帶粉煤的氮氣不宜過高,根據(jù)前述冷態(tài)輸煤試國內(nèi)外氣流床氣化操作經(jīng)驗，爐內(nèi)溫度應(yīng)比灰渣流動驗結(jié)果,每m2氮氣夾帶粉煤8kg-10kg，這與國外大型溫度(FT)高出80C~100C，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(guī)模太小Pa.s以下,根據(jù)圖4粘溫曲線和灰熔融性溫度數(shù)據(jù),華所決定的。亭煤的熱態(tài)試驗的操作溫度控制在1 350C-1 400C。2.4數(shù)據(jù)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2.4.1數(shù)據(jù)采集和較為理想的氣化指標(biāo)。在投煤量、汽煤比基本不變2.4.1.1氣相粉煤氣化的特點是氣流床瞬間反的情況下,調(diào)節(jié)人爐氧量來控制爐溫。應(yīng),一般當(dāng)點火1小時后數(shù)據(jù)就趨穩(wěn)定,試驗中用氣2.3.3蒸汽煤比 華亭煤是典型的煙煤 (長焰煤),相色譜定期分析氣體成分( C02,02、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- 13-H2S和COS未作分析。2.4.1.2渣樣停車后稱重,測定含水量.渣中含碳3結(jié)果與討論量,從而求得爐底渣中含碳量(或稱碳損失)。2.4.1.3污水樣在運行中測量污水流量， 取污水經(jīng)過3年工作,干煤粉加壓氣化試驗已基本達到樣,停車后測定污水含塵(飛灰)量,飛灰含碳量,計了預(yù)期目標(biāo)。工作中一些體會如下,供大家討論。算出污水中碳損失。3.1 干煤粉加壓小試氣化試驗中，輸煤系統(tǒng)是關(guān)鍵。2.4.2數(shù)據(jù)處理要注意煤粉的濕度,如果濕度較大，則容易發(fā)生架橋2.4.2.1煤氣流量計因設(shè)計參數(shù)不準(zhǔn)， 加上流量太現(xiàn)象，從而發(fā)生斷煤。同時要注意煤粉的粒度問題，由小，引壓管堵塞等問題,流量指示明顯不準(zhǔn),本試驗采于輸送管較細,粒度過粗,則容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。如果用碳損失法間接計算煤氣流量。是中試則可能不會發(fā)生輸送管堵塞問題。2.4.2.2碳轉(zhuǎn)化率根據(jù)碳損失計算:3.2由于該氣化系統(tǒng)氣化能力較小， 導(dǎo)致- +些問題碳轉(zhuǎn)化率(%)=無法解決。氣化爐較小,熱損失較大,所以氣化指標(biāo)不人爐碳二渣中碳二污水中碳x100%。是很理想。另外由于管道較細,所以一些流量計計量人爐碳2.4.2.3煤氣量根據(jù)碳轉(zhuǎn)化率和煤氣含碳組分(CO2 +不是很準(zhǔn)，只能靠經(jīng)驗和理論計算來估算。在中試試驗中,這些問題都可以解決。C0+ CH, + COS )計算而得:3.3加壓下螺旋輸送器性能也有問題，特別是當(dāng)粉碳轉(zhuǎn)化率x人爐碳(kg)=煤氣量(CO2 +C0+煤含水量稍高,螺旋計量誤差較大,導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)波CH,+COS)x.4。動。建議中試取消這一-設(shè) 備,采用流態(tài)化(控制壓差)COS因其量很少( 10*級)，對試驗數(shù)據(jù)影響較小，式中忽略不計。3.4 小試熱損失大,試驗時間又短(僅幾小時),采2.5主要試驗數(shù)據(jù)(氣化壓力 15MPa,投煤t 15kg/h)用熱壁結(jié)構(gòu),中試應(yīng)改為全水冷壁。煤氣成分(體積分?jǐn)?shù)):CO26.2%, CO 55. 1%,CH, 0.1%, N2 6.1%;參考文獻:煤氣產(chǎn)率:1.94m/kg(干煤);[1]吳宗鑫,陳文穎.以煤為主多元化的清潔能源戰(zhàn)略[M].碳轉(zhuǎn)化率:96.9%;北京:清華大學(xué)出版社, 2001.90- 101.冷煤氣效率( LHV ):78.5%; .[2] 焦樹建.整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電( ICCC)比氧耗:312m*/1 000m2( CO+H2);[M]. 北京:中國電力出版社，196. 128.比煤耗: 567kg/1 000m2( 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(yīng)比汽耗: 170kg/1 000m2( CO+H2)。用[J].煤化T, 2001, 29(1):10-12.Test and Studies on Pressure Coal Gasification with Dry-feedRen Yongqiang' Xu Shisen2 Zhang Dongliang2 Xia Juncang2Zhu Hongchang2 Gao Shiwang2(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;2.Thermal Power Research Institute of SPC, Xian 710032)Abstract This paper introduces the choices of trial test conditions for 10kg/h~20 kg/h pressurized entrained flowcoal 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 resul 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 an-ticipated target and adds up to the entrained flow pulverized dry-feed coal gasifcation data. Furthermore, some noticeableproblems for foreseeable pilot test are put fonward.Key words coal gasification, entrained flow, IGCC, dry-feed