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(yàn)研究①任永強(qiáng)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)煤氣產(chǎn)率達(dá)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(yàn)結(jié)果基本達(dá)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(shí)值得注意的問題。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中圖分類號:TQ546.2文獻(xiàn)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(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)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(yīng)性廣、污染低、冷煤氣效率及3.OMPa。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(diǎn),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(chǔ)上提出中試裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)。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(yàn)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總產(chǎn)量90%以上。但由于碳轉(zhuǎn)化率、干粉加壓氣化試驗(yàn)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(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(dá)到了2000t/d~2500t/d等級。取樣口我國自20世紀(jì)60年代起就開展K-T爐的研究,去火炬1980年~1982年西北化工研究院進(jìn)行過常壓粉煤氣化(仿K-T爐,1t/d)的試驗(yàn)研究,取得一些煤種的研自來水eo污水注:①“十五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)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(jī)收稿日期:20040301中國煤化工蒸汽發(fā)生器作者簡介:任永強(qiáng),男,1974年生,1997年畢業(yè)于北京科技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1CNMHG器14焦炭過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(yàn)流程示意圖2004年6月任永強(qiáng)等:千煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗(yàn)研究含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、有85%的細(xì)度<200目的粉煤另一關(guān)鍵設(shè)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(shè)備,其設(shè)充壓,充到與加壓倉壓力相等或略大時(shí),粉煤落入加計(jì)加工水平直接影響氣化指標(biāo)。本試驗(yàn)采用兩流式壓倉,用螺旋加料機(jī)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(yàn)用02經(jīng)緩沖罐穩(wěn)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(xiàn),不需像軟水經(jīng)計(jì)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(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(shè)計(jì)氣化劑噴出在燃燒器出口處著火并進(jìn)行氣流式火焰反應(yīng),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(yàn)表明,選用這種設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的。熔渣在氣化爐內(nèi)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(tǒng);因?yàn)槊簹庵泻酗w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,再經(jīng)焦炭過濾器干燥、過濾,根據(jù)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(yàn)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(gè)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N2夾帶)人口2-氧氣和水蒸氣人口些耐火材料,用以保護(hù)氣化爐殼體不受燃燒高溫反應(yīng)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(yīng)圖3燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖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(yàn)研究出,既激冷了高溫介質(zhì),也保護(hù)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21試驗(yàn)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1000℃,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?dú)鈯A帶的煤粉,1秒2秒后送入氧氣。在著火后送水蒸氣。半小時(shí)后爐子升壓至試驗(yàn)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(yàn)原始參數(shù)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(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(gè)試驗(yàn)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(qū)5-水浴為使?fàn)t渣順利排出,要求灰渣的粘度小于250Pa·s華圖2氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖煤化工2004年第3期表1華亭煤煤質(zhì)指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)目指標(biāo)指標(biāo)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-溫度特性曲線如圖4所示。在灰粘度為250Pa·s時(shí),其對應(yīng)溫度為1310℃。100001700溫度/℃圖4煤灰粘度-溫度特性曲線圖23氣化工藝條件選在試驗(yàn)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(yīng)調(diào)證煤粉的濕度和粒度在一定的范圍內(nèi)。本試驗(yàn)中要節(jié)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?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(jì)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?dú)獠灰诉^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(yàn),爐內(nèi)溫度應(yīng)比灰渣流動驗(yàn)結(jié)果,每m3氮?dú)鈯A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(yàn)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(yàn)的操作溫度控制在1350℃-1400℃。2.4數(shù)據(jù)采集及處理幾次熱態(tài)試驗(yàn)表明,在該爐溫下操作可達(dá)到順利排渣2中國煤化工和較為理想的氣化指標(biāo)。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(diào)節(jié)入爐氧量來控制爐溫。應(yīng)CNMH當(dāng)穩(wěn)定,試驗(yàn)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(CO2、O2、CO、H2、CH4、N2),2004年6月任永強(qiáng)等:干煤粉加壓氣化技術(shù)的試驗(yàn)研究HS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(yùn)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(yàn)已基本達(dá)到樣,停車后測定污水含塵(飛灰)量,飛灰含碳量,計(jì)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。3.1千煤粉加壓小試氣化試驗(yàn)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2.42.1煤氣流量計(jì)因設(shè)計(jì)參數(shù)不準(zhǔn),加上流量太現(xiàn)象,從而發(fā)生斷煤。同時(shí)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(yàn)于輸送管較細(xì),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(jì)算煤氣流量。是中試則可能不會發(fā)生輸送管堵塞問題。2.42.2碳轉(zhuǎn)化率根據(jù)碳損失計(jì)算:32由于該氣化系統(tǒng)氣化能力較小,導(dǎo)致一些問題碳轉(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(xì),所以一些流量計(jì)計(jì)量入爐碳不是很準(zhǔn),只能靠經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算來估算。在中試試2.4.2.3煤氣量根據(jù)碳轉(zhuǎn)化率和煤氣含碳組分(CO2+驗(yàn)中,這些問題都可以解決。C0+CH4+00S)計(jì)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×入爐碳(kg)=煤氣量(CO2+C0+CH4+Cs)×12煤含水量稍高,螺旋計(jì)量誤差較大,導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)波22.4動。建議中試取消這一設(shè)備,采用流態(tài)化(控制壓差)0s因其量很少(106級),對試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響較計(jì)量方式。小,式中忽略不計(jì)。3.4小試熱損失大,試驗(yàn)時(shí)間又短(僅幾小時(shí)),采2.5主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)(氣化壓力15MPa,投煤量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)):C026.2%,C055參考文獻(xiàn)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(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(LH):78.5%;2]焦樹建整體煤氣化燃?xì)?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(yīng)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