大瓦磁Jun.2014第37卷第3期Large Scale Nitrogenous FertilizerVol 37 No. 3流化床氣化技術(shù)對煤質(zhì)的要求郭森榮(中國石油化工股份有限公司工程部,北京100728摘要:介紹流化床氣化技術(shù)特點,從煤的分類、工業(yè)分析、半焦與CO2反應(yīng)活性、鹵族元素和堿金屬含量等方面,分析煤質(zhì)對流化床氣化技術(shù)的影響得出流化床氣化適合可氣化高灰、高水、高灰熔點的劣質(zhì)煤,要求煤半焦的CO2反應(yīng)性高,灰熔點不能偏低,反應(yīng)溫度操作范圍盡量大;原料中的鹵族元素含量盡量低;堿金屬含量低于2%關(guān)鍵詞:流化床氣化煤質(zhì)U- Gas TRIG輸運床目前,中國的煤氣化技術(shù)市場,多種技術(shù)各領(lǐng)同時合成氣中富含甲烷,氣化廢水中不含焦油酚風騷,競爭激烈,發(fā)展也非常迅速。在中國已經(jīng)建等雜質(zhì),是目前褐煤利用的一個重要方向。設(shè)工業(yè)化裝置的氣化技術(shù)有二十幾種之多,可謂百家爭鳴①。從樂觀的方面看,豐富的氣化技術(shù)種1典型流化床氣化技術(shù)介紹類,為廣大業(yè)主和市場提供了廣泛的選擇;另一方流化床氣化技術(shù)采用粉煤或碎煤為固體原面,如何選擇最合適的氣化技術(shù),成為項目成敗的料,以O(shè)2HO或CO2為氣化劑通入固體床層中關(guān)鍵。依據(jù)氣化爐的操作狀態(tài)的不同,按照流體力使固體懸浮起來形成流態(tài)化,從而使得煤粉和氣學(xué)狀態(tài)對煤氣化技術(shù)進行分類,主要有固定床、流化劑充分混合,接觸面積大,迅速地進行氣化反化床和氣流床三種類型,三種氣化技術(shù)各有特點,應(yīng)。其床層溫度分布均勻、傳熱傳質(zhì)效率高、氣化也有自己的適用范圍。在三類氣化技術(shù)中,固定床能力大、煤種選擇范圍廣、爐內(nèi)反應(yīng)溫度較高、基氣化相對簡單,需要使用塊煤或型煤,合成氣中甲本不會產(chǎn)生酚類和焦油等副產(chǎn)物,但氣體帶出的烷含量高,但副產(chǎn)物和氣化廢水處理工序復(fù)雜,環(huán)細灰中含碳量較高,造成碳轉(zhuǎn)化率偏低,這可以通保冋題較多;流化床氣化采用粉煤進料,灰渣循環(huán)過細灰循環(huán)技術(shù)來解決。使用,對環(huán)保壓力小,但氣化溫度較低、停留時間經(jīng)過幾十年的發(fā)展,國內(nèi)外流化床氣化技術(shù)短,要求原料煤有較好的反應(yīng)性,可適用于褐煤、有近十種,下面就比較有代表性的U-Cas及TRIG長焰煤等劣質(zhì)煤氣化,合成氣中甲烷含量也較高,氣化技術(shù)特點進行介紹。適用于IGCC及煤制天然氣項目;氣流床技術(shù)采用1.1U-Ga氣化工藝干煤粉或水煤漿進料,氣化能力大,碳轉(zhuǎn)化效率U-Gas氣化工藝由美國煤氣工藝研究所高,是當今先進煤氣化技術(shù),近年來發(fā)展較快,但(Gm)開發(fā),屬于單段流化床粉煤氣化工藝,采用在適用高灰、高灰熔點等劣質(zhì)煤時,還存在諸多問灰團聚方式操作,流程見圖1。該技術(shù)是在常壓循題環(huán)流化床氣化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,技術(shù)突氣化原料(煤種)和下游產(chǎn)品是選擇煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵因素,其中煤種適應(yīng)性是選擇氣化技術(shù)收稿日期:2014-05-12;收到修改稿日期:20140609的第一要素,分析清楚煤質(zhì)狀況,了解氣化技術(shù)對作者簡介:郭森榮,男,1968年9月出生,本科學(xué)歷,高級工程煤質(zhì)的要求至關(guān)重要。隨著我國煤化工項目的增師,畢業(yè)于東華油化工股份有限多,國內(nèi)高水、高灰、低熱值褐煤的利用程度逐漸公司工程部煉化中國煤化工工工程建設(shè)管理及工程研發(fā)工作CNMHGgosOsi加大,流化床氣化技術(shù)能在較低溫度下氣化褐煤,com1462014年第37卷破在于采用了灰熔聚排渣技術(shù)。所謂灰熔聚指的980℃左右,并通過高循環(huán)比來提高整體碳轉(zhuǎn)化是在爐底中心有一個氧氣或空氣入口,該處由于率。合成氣離開TRG氣化爐后,通過專門設(shè)計的氧氣或空氣的進入,形成局部的高溫區(qū),在這里灰高壓蒸汽余熱鍋爐和高壓蒸汽過熱器進行余熱回渣中未反應(yīng)的碳進一步反應(yīng),煤灰則在高溫下開收,冷卻至約370℃,然后進入KBR專有的顆粒物始軟化且相互粘結(jié)在一起,當熔渣的黏度和重量控制裝置(PCD),脫除合成氣內(nèi)剩余的顆粒物。達到一定的程度時灰球就會克服氣流的阻力落入爐底,借助重量差異與半焦分離極大地降低了排2氣化原料的屬性對氣化技術(shù)的影響灰的碳含量,大幅提高了碳轉(zhuǎn)化率,拓展了流化床在工程設(shè)計過程中,原料屬性的確定是非常的煤種適應(yīng)性,是循環(huán)流化床氣化技術(shù)發(fā)展史上重要的一個環(huán)節(jié),它決定了整個工程的工藝路線。的重要里程碑,灰熔聚技術(shù)使循環(huán)流化床氣化爐對于煤化工項目來說,煤的種類跟各項屬性是決的碳轉(zhuǎn)化率提高到96%-98%。定項目各項性能和消耗的基礎(chǔ),決定了氣化技術(shù)旋風分離器的選擇,也是經(jīng)濟型評價的一個重要因素。余熱鍋爐煤作為一種復(fù)雜的固體混合物,其組成和性兇蒸氣質(zhì)均非常復(fù)雜。煤氣化相關(guān)的性質(zhì)主要有煤的組緩沖斗/氣化爐鍋爐給水成、發(fā)熱量、反應(yīng)活性、灰熔點、灰分組成、鹵族元合成氣素和堿金屬含量、熱穩(wěn)定性、渣的黏溫特性、成漿化劑性、焦渣特征、可磨指數(shù)等。各種氣化技術(shù)所能適輸煤斗效旋風布袋除塵器/寸濾器灰冷器分離器應(yīng)的煤的性質(zhì)范圍不同,不存在一種氣化技術(shù)可鎖斗鎖斗以適用于所有煤種,需要通過分析煤質(zhì)對氣化技灰倉O輸灰斗粉倉輸粉斗術(shù)的影響來確定適用的煤種。21煤種分類及工業(yè)分析和元素分析圖1U-Gas氣化工藝流程2從大類上說,煤分褐煤、次煙煤、煙煤和無煙12TRIG輸運床氣化技術(shù)煤,顯然,如此簡單的劃分只能籠統(tǒng)的來區(qū)分所適TRG輸運床氣化技術(shù)(也稱之為KBR提升管用的氣化技術(shù)。流化床氣化技術(shù)通常適合反應(yīng)活氣化技術(shù),見圖2)是一種先進的循環(huán)流化床氣化性髙,年輕的褐煤或者次煙煤;質(zhì)量好,熱值高的技術(shù),其機械設(shè)計和操作是基于KBR的流化催化煙煤和無煙煤,往往作為動力煤,國家規(guī)定不提倡裂化(FCC)技術(shù),已有60多年的成功商業(yè)運行經(jīng)作為氣化技術(shù)用煤;內(nèi)水含量較少的煙煤,如果成驗。TRG氣化技術(shù)與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床相比,其漿性能高,往往是水煤漿氣化的首選固體循環(huán)速率和氣體速度要快很多,提升管密度由于煤的復(fù)雜性和多樣性,對于原料煤樣的要高很多。因此具有較高的生產(chǎn)能力和碳轉(zhuǎn)化率、定量分析是非常必要的,這就需要進行煤的工業(yè)混合均勻、傳熱和傳質(zhì)速率較高分析和元素分析。工業(yè)分析主要用以劃分煤種,其合成氣結(jié)果對應(yīng)的是工廠操作和經(jīng)濟性能等宏觀指標旋風分離旋風分離器而元素分析的結(jié)果針對的是物料平衡的基礎(chǔ)。對于所有氣化技術(shù)來說進料煤水分和灰分過高都會降低氣化效率,但由于流化床氣化技術(shù)的操作溫上升管度相對較低,進料水分只要滿足物料輸送要求即可,進料灰分含量要求也較低?；旌弦驗楣I(yè)分析和元素分析是大家熟知的基本氧氣/空氣/蒸汽+腿分析項目,在此就不展開討論,下面將由此展開針粗灰七氧氣/空氣對性的討論煤的其他屬性對流化床氣化技術(shù)的影圖2TRG氣化爐3中國煤化工通過控制人爐氧氣和蒸汽的流量,可以有效22煤半劃CNMHG的限制碳在氣化爐內(nèi)的燃燒,將反應(yīng)溫度控制在煤半焦的CO2反應(yīng)活性分析是反應(yīng)煤活性的第3期郭森榮,流化床氣化技術(shù)對煤質(zhì)的要求147一個重要參數(shù),是流化床氣化必需的一個分析報沒有足夠?qū)挼臏囟炔僮鞣秶?基本無法保證裝置告。CO2反應(yīng)活性需要參照GBT2202001《煤對的穩(wěn)定長期運行,稍有不慎就會超溫,影響爐內(nèi)流二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性的測定方法》進行測定,反應(yīng)化,造成結(jié)渣、堵渣,迫使氣化爐停車?；钚詼y量的不僅僅是點,而是各個點組成的曲線,上海焦化廠20世紀90年代引進的U-Cas氣它模擬了氣化反應(yīng)中,CO2還原成CO有效氣體的化裝置,之所以沒有取得預(yù)計的成功,個人認為灰環(huán)境,反映了氣化反應(yīng)過程中半焦中的碳在不同熔聚的操作窗口窄,適用煤種少是其中一個重要溫度下,將CO2還原成CO有效氣體的能力。因素,所以后來的美國SES綜合能源系統(tǒng)有限公流化床氣化爐的反應(yīng)溫度一般低于灰熔點司在山東棗莊的氣化示范工廠采取的操作模式,100-150℃這就要求煤半焦的CO2反應(yīng)活性必須徹底摒棄了灰熔聚的操作,操作溫度維持在初始足夠好否則造成碳轉(zhuǎn)化率偏低,氣化性能很差,變性溫度以下100-150℃,現(xiàn)場運行穩(wěn)定,且排渣各項經(jīng)濟指標也不好。因此,如果要選用流化床氣殘?zhí)己恳膊桓?。頂部飛灰由于旋風系統(tǒng)的效率化技術(shù),褐煤和反應(yīng)活性高的次煙煤是首選原料。以及飛灰循環(huán)再氣化位置的選擇問題,殘?zhí)己?3灰熔點和灰分組分分析偏高,但飛灰會進行收集并返回氣化系統(tǒng),使得整灰熔點的測定即煤灰的熔融性,在國內(nèi),習慣體的碳轉(zhuǎn)化率不低。上用4個溫度來衡量,即煤灰的初始變性溫度、軟24灰分中鹵族元素和堿金屬化溫度、半球溫度、流動溫度。煤種的鹵族元素主要為Cl和F,堿金屬主要煤的灰熔點一般是指流動溫度,它的高低與為Na和K,氣化爐爐體金屬材料的選擇,及其下灰的化學(xué)組成密切相關(guān)。一般情況,灰分中氧化游的管線和設(shè)備的材質(zhì)選擇須考慮C1和F的腐鐵、氧化鈣、氧化鎂的含量越多,灰熔點越低;氧化蝕,特別是氣化爐下游的設(shè)備和黑水管線,以及其硅、氧化鋁含量越高,灰熔點愈高。但灰分不是以他高溫、含高濃度鹵族介質(zhì)、呈酸性的介質(zhì)管線單獨的物理混合形式存在,而是結(jié)晶成不同結(jié)構(gòu)這部分管線可能需要選擇耐氯離子的雙相鋼材的混合物,結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同灰熔點差異很大,不能以質(zhì),但這會大大增加設(shè)備和管道投資。此作為唯一的判別標準。通常采用酸堿比來粗略實際上在煤組分中特定組分,比如氯離子、堿判斷煤種灰分熔融的難易程度(:酸堿比=(SiO2+金屬離子對氣化爐的運行以及氣化爐設(shè)備的腐Al]0,)/(Fe203+Ca0+MgO)蝕,在國外已經(jīng)非常深入的進行了基礎(chǔ)研究,只是灰熔點將決定氣化爐操作的氣化溫度的選國內(nèi)在引進技術(shù)的同時,很難將這些理論研究的取現(xiàn)代TRG輸運床氣化技術(shù),由于采取干法排內(nèi)容一并引進,德士古在20世紀8090年代就渣,操作溫度必須選在初始變形溫度之下,是其溫在工業(yè)化裝置中研究了氣化過程中的堿金屬和氯度操作上限同時結(jié)合前面所說的CO2反應(yīng)曲線,離子的腐蝕問題,例如德士古氣化爐爐壁都會堆選擇合適的下限溫度,以保證氣化的性能和原料焊合金或者高鎳合金。國內(nèi)的多噴嘴對置式氣化的轉(zhuǎn)化效率,操作下限和上限的空間即為流化床爐,在制造過程中,某些關(guān)鍵部位也都堆焊了高鎳運行的溫度空間由此可見,流化床氣化技術(shù)要求合金煤種的初始變形溫度不能太低,一般情況下高于對于流化床氣化爐而言,也會面臨相同問題1000℃,否則氣化爐運行溫度過低會影響氣化效需要在設(shè)計中注意鹵族元素的含量。率,同時使合成氣中焦油、酚類含量增加。241鹵族元素和堿金屬對流化床氣化技術(shù)的影這里需要特別提一下灰熔聚氣化技術(shù),灰熔響聚屬于流化床氣化技術(shù),但是其灰熔聚和半焦循雖然堿金屬均能夠降低氣化反應(yīng)過程的活化環(huán)再氣化技術(shù)使得其氣化性能遠高于普通流化床能,對煤氣化起到催化作用,提高低溫下煤的反應(yīng)技術(shù),也正是其灰熔聚技術(shù)的運用,大大限制了其速率5。但流化床氣化技術(shù)包括灰熔聚、U-Gas以操作范圍,在工業(yè)生產(chǎn)操作中,如果要實現(xiàn)灰熔聚及TRC輸運床氣化技術(shù),對灰分中堿金屬的含量操作,操作溫度必須控制在初始變形溫度和軟化是有限制的V凵中國煤化工觀堿金屬氧溫度之間,這就要求煤種的初始變形溫度和軟化化物和鹽類CNMHG生反應(yīng),生溫度的差距足夠大,對煤種的要求非常苛刻,否則成低灰熔點的硅酸鹽等共熔體,在灰顆粒表面生2014年第37卷成熔融狀態(tài)層,并不斷吸附其他灰顆粒,進而發(fā)生建立了工業(yè)示范裝置。通過分析氣化原料的關(guān)鍵團聚,破壞流化床內(nèi)的流化狀態(tài)和溫度分布,很容屬性對流化床氣化技術(shù)的影響,得出以下結(jié)論:流易產(chǎn)生局部高溫和結(jié)渣,導(dǎo)致氣化爐停車。因此大化床氣化技術(shù)對原料中的水分和灰分含量要求不多數(shù)專利商出于安全和穩(wěn)定運行的考慮,將堿金高,可氣化高灰、高水的劣質(zhì)煤;要求煤半焦的CO屬的含量定在2%以下,高于2%的情況,需要進行反應(yīng)性高灰熔點高于1000℃,反應(yīng)溫度操作范評估和試驗67圍盡量大;原料中的鹵族元素含量盡量低;堿金屬堿金屬會導(dǎo)致流化床內(nèi)床料的流化灰熔點大含量低于2%。幅度降低,遠低于實驗室通常所使用的灰錐法和當然,本文只是從煤種適應(yīng)性角度對流化床馬弗爐所測得的灰熔點,因為這種方法測得是靜氣化技術(shù)進行了分析,在煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)確認后,還態(tài)的灰熔點,而不是流化態(tài)灰熔點。美國CT氣體需要根據(jù)產(chǎn)品情況,對各種氣化技術(shù)進行方案對技術(shù)研究院自己開發(fā)了一套可以測量流化態(tài)灰熔比,才能確定最終氣化技術(shù)的選擇。點的裝置,最初這套裝置就是專門為U-Gas研發(fā)參考文獻服務(wù)的,這足以可見,引進吸收國外技術(shù)的同時,[]亢萬忠.當前煤氣化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢大氮肥,2012對基礎(chǔ)研究的補課是非常重要的35(1):1-6.24.2鹵族元素和堿金屬對廢熱鍋爐的影響[2] David Mason, Jitendra Patel. Chemistry of Ash Agglomeration In堿金屬元素在低于800℃是以固態(tài)NaCl和The U-Gas Process[J]. Fuel Processing Technology, 1980(3):181-206.KCl的形式存在,而在溫度高于900℃時,將以氣[3] Siva Ariyapadi, Philip Shires, Manish Bhargava, et al. KBRS態(tài)NaCl和KCl方式溢出,并隨著合成氣進入氣化Transport Gasifier(Trig)-An Advanced Gasification Technolo-爐下游設(shè)備,其主要影響在廢熱鍋爐,如果灰分中g(shù)y for SNG Production From Low-Rank Coals[R]. Twenty-fifth的堿金屬含量過高,氣體的堿金屬化合物在廢熱Annual Intemational Pittsburgh Coal Conference. Pittsburgh鍋爐將被降溫固化,大量粘附在換熱管壁上,輕則PA.2008.[4]戴愛軍.煤灰成分對灰熔融性影響研究[J.潔凈煤技術(shù)增加換熱管的污垢系數(shù),造成傳熱效率下降,蒸汽2007,13(5):23-26.產(chǎn)量降低,廢熱鍋爐出口溫度超溫影響裝置的長(5]衛(wèi)小芳,黃戒介,房倚天,等堿金屬對褐煤氣化反應(yīng)性的影周期穩(wěn)定運行,比較惡劣的情況,固化下來的堿金響[J煤炭轉(zhuǎn)化,2007,30(4):38-4屬還會粘附合成氣中夾帶的粉塵,在換熱管之間6Daws,BM,O.De. R.F. Leonard, et al Gasification o架橋,堵塞廢熱鍋爐,造成跳車③9Rank Coal at the PSDF[R]. Nineteenth Low Rank Coal Sympo至于堿金屬的含量以多少為限,不同的技術(shù)() Peng Ww,NmM, Leonard R, et al. High- Sodium Lignite提供商規(guī)定略有不同,2%以下最佳,2%~4%范圍Gasification with the PSDF Transport Gasifier[R ]. Twenty-Sec主要評估,超過4%,廢熱鍋爐流程的氣化技術(shù)基ond International Pittsburgh Coal Conference, Pittsburgh, PA本無法實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。[8]陳安合楊學(xué)民,林偉剛.生物質(zhì)熱解和氣化過程C及堿金屬逸出行為熱力學(xué)平衡分析[門.燃料化學(xué)學(xué)報3結(jié)論與建議2007,35(5):539-547流化床氣化技術(shù)能直接氣化高含水、含灰的(9肖軍,段菁春,王華,等,低溫熱解生物質(zhì)與煤共燃的結(jié)髙活性褐煤等劣質(zhì)煤種,近幾年發(fā)展比較迅速,已渣、積灰和磨損特征分析[J能源工程,2003,3(1):9-13COAL QUALITY REQUIREMENTIN FLUIDIZED BED GASIFICATION TECHNOLOGYGuo SenrongSINOPEC Engineering Department, Beijing 100728)Abstract: Technical characteristic of fluidized bed gasification中國煤化工 and its impact on fluidized bed gasification technology were analyzed from differHCNMH Glassification轉(zhuǎn)第152頁)1522014年第37卷層的鋼構(gòu)件,其耐火極限不應(yīng)低于1.5h,因此結(jié)構(gòu)烈度區(qū)采用S/RC和S/SRC豎向混合框架支撐結(jié)設(shè)計時要求防火材料必須滿足耐火極限的要求。構(gòu)具有最佳的經(jīng)濟性能及良好的抗震性能;在中石油化工企業(yè)的火災(zāi)多為烴類火災(zāi),它不同于一高抗震設(shè)防烈度區(qū)可以采用S/SRC結(jié)構(gòu)和全鋼結(jié)般的建筑火災(zāi),在10min內(nèi)火焰的溫度就能達到構(gòu),優(yōu)先采用SSRC結(jié)構(gòu);在高抗震設(shè)防烈度區(qū)可1000℃,因此在選用防火材料時應(yīng)滿足適合于烴以采用S/SRC結(jié)構(gòu)和全鋼結(jié)構(gòu),優(yōu)先采用全鋼結(jié)類火災(zāi)且耐火極限不應(yīng)低于15h的耐火保護材構(gòu)參考文獻1]《鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊)編輯委員會著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M]4結(jié)論第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004:4-6.[2]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]粉煤氣化裝置框架的結(jié)構(gòu)選型首先要考慮工(3]JoJ138-20型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程s藝布置、施工可行性、結(jié)構(gòu)安全性及經(jīng)濟性,達到4]呂西林張杰鋼和混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)阻尼特性研究[工藝設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工組織的協(xié)土木工程學(xué)報,2012(3):20-26.調(diào)統(tǒng)一。通過三種不同材料組合的選型分析,對比5982-20鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程(S][6]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S全鋼結(jié)構(gòu)、S/SRC結(jié)構(gòu)以及S/RC結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)7]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S方案,通過實際應(yīng)用和研究表明在中低抗震設(shè)防8]GB50160-200石油化工企業(yè)設(shè)計防火設(shè)計規(guī)范(S].STRUCTURE MODEL OF PULVERIZED COAL GASIFICATIONFRAMEWORK AND MATERIAL SELECTIONWang Yaodong(SINOPEC Ningbo Engineering Co, Ltd, Ningbo 315103)Abstract: Coal gasification framework is the core architecture in coal gasification plant. This paper de-scribed the structure model in current pulverized coal gasification plant and material selection in real practice, and compared the characteristics, advantages and disadvantages of three different structure schemessuch as pure steel structure, S/SRC vertical mixed structure, and S/RC vertical mixed structure, combiningwith engineering experience. Practical cases were used to check the static elastic-plastic property of S/RCstructure. A comprehensive analysis on structure selection helps to find out the model with best economicproperty and good anti-seismic performanceKey words: pulverized coal gasification; plant framework; structure model selection; material selection(上接第148頁industrial analysis, reactivity of semi-coke with CO2, content of halides and alkali metal, etc. The resultshows that fuidized bed gasification is suitable for inferior coal with high ash and water content and high ashfusion point. Reactivity of semi-coke with CO2 should be high, ash fusion point should not be too low, andoperation window for reaction temperature should be as large as possible; halides in the raw material shouldbe as low as possible; and alkali metal content should be less than 2%%Key words: fluidized bed gasification; coal quality U-Gas; TRIG gasification process歡迎投稿、歡迎訂閱、歡H苦!