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第三代流化床煤气化炉的开发 第六图书馆 煤 气化炉 流化床煤炭综合利用译丛王洋不详1989第六图书馆 第六图书馆 J． 9 8 4 - 煤炭综 合利用 译 丛 第l 期 O 第二代流化床煤气化炉的开发 王 洋 编译 中II I ； F i- 学院山西蝶擞 化学研究所 第 二代 煤气化 炉一 般指 比原3 o 一5 o 年代开 发 妁气 化炉 生产强度 高． 单台处理 量大，能 接 受多种煤和尽量多的细粉，更能满足环境 要求的炉种，包括 已商业 化的或进入工业 示范即 将商业化的炉子。如鲁奇炉、K T 炉、德士古炉 S h e l l 熔渣炉、B C G／L u r g i 、西 屋 K R W 、u Ga s 、HTW等。本文仅 以图 l 和 表 l的 形式 给 出气 化炉 的一‘ 般 状况 而 重 点介 绍典 型 的流化床气 化炉 的发展 。 流化 床气化 炉，如 图 l所 示，是一 种返混 式气 化炉。 进料媒 粒与 炉 内半焦 有着 良好 的混 合，炉予在均一的温度下操作 低于煤灰初始 变形 温度 。在气化 操作 中，一部分细 粒子 会被热煤气夹带出炉外 经旋风除尘器可将大 部分 回收 并 循 环 回炉 ， 炉灰 则从 炉底 部排 出 。 流化床气化炉的主要特点包括 1 半焦 循环量大 2 炉温均一 适中 ；3 蒸汽一 氧 空气 耗量适 中；4 为得到高的碳转化 率需采取特殊的措施排灰 如灰熔聚法 。 各 种 流化床 气化 炉的主要 区 是 排灰 方 法 干法、熔聚法 及为改善碳转化率而采取 的措 施 灰熔聚 法气 化 可用 于高变质 煤 ，而 普 通干 式排 灰对低 变质煤 更合宜 。 根 据 近十几 年的 发展 本文 重 点评述HTw 高温温克勒 炉 KR W和uGa s 炉的情况。 证 度 F 用1 r _J 种煤气化反匣器 理 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 表 1 各种垛 气化炉的特点 I 移动 床 流化 床 气流 床 l 平藏 站渣 干 瞎聚 灰 焙渣 进 料特 粒度 扭 5 0 ram 租 5 0 mm 破 碎 6 mm 破 碎 6 mm} 廿 煤 ‘ 0 0 目 可 宵绸 柑 有 限 多 亍干 法 好 更 好 无 限 可 百有帖 结 性 可 以 可 以 可 能 可 以 可 拦种 低变质 特殊 设计 高变质 特殊设计 低变质 高低变质均可 高低变质均可 撵 作特 性 气体排出温度 ． 2 o o --4 3 o ℃ 僬 2 0 0 一{ 3 d ℃ 中 中 高 轻 化剂 要求 证 低 中 中 商 蒸 耍 隶 j 低 审 中 霉 要特 怛煤气 中含焦油，油娄 半焦循环量大 l忸煤气古熟能高 技 术艾 挂 细 轺 殛 最 油的j f I 用 碱 转 化 率的 提高 1 蝶 气 的冷 却 1 高温温克勒 HTW 煤气 化过 程 高温 温克 勒 炉是 老式 温克勒 炉的台 乎逻 辑的 发展．是 继煤 气 发生炉之 后 的最 大最好 的气 化炉， 也是流态化技术的第一项商业应用 I 9 2 6 年 。 但是，温克勒气化炉后来为常压l 【 一T 炉 熔渣炉 及加压鲁奇炉所取代了，主要是碳 利用率低．处理强度低。在欧美国家几无运 转 ，近二十年来也无新建。 然而，莱苗褐煤公司 R h e i n b r a u n I 9 5 6 I 9 6 4 年在西德We s s l i n g 妁两台温克勒 炉拘运 转却 给他们 积 累了很 多经 验， 并导致 了一些 重 要改 进 1 央带细粉的再循环 利用； 2 增加反应器 压 力到 8一1 0 k g ／ c m 使合成 气 产 量 增 加 一倍以 上，并具有简化了需要加压煤气的后续工艺的经济 性 莱茵褐煤公司I 9 7 8 年建立了一 台3 5 吨煤／ 日中 试 厂 ， 此 中试厂运 行很 成功 ， 并在 此基础 上于 l 9 8 6 年 建立了一台6 0 0 吨煤／ 日的示范厂 ， 这座处理千褐煤 的示范厂以台成气为 目标，生产能力比设计能力高 6 0 晒，碳转化率9 6 嘧、 C OH 2 产量为1 5 0 o NM。 ／ 疃煤 无水无灰基 ． HTw的草图如图 2 ，图 3给出了能量和 物料 平衡概算 以美国北述柯他褐煤为例 。美国依和 j 诺斯6 烟煤则 因活性低 、灰熔 点低 、有熔结性而不 适 用。 1 ． 1工 艺 描述 圈 2 HT W气化炉示意图 破碎 6 m m并干燥的褐煤 1 2 ％ 气动输送到料斗而后经锁气系统 增压 并 经螺旋给 料器进入 化妒。 化刹 氧和蒸气批合物 砌 送入 气化 炉下 部 接近底部 ，气化压力 4 5 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 臻 鞋 趣 ●● Ⅱ 卷 ∞卜 。 ■ 署 一 ； 量0 代 昌 2 罟 器 妊 怡 g 要 嚼 呻 悄 士 1 1 靶 怡 骝 瞄 管 銎 古 盘 嗣 嘣 、 捌 穗 ； 一 莓 。 ， 它 I 罂 鎏 人羹 李 釜 f 羹 ．I 、 一 一I 乍 、 ． f羹 r ． ▲ t k 一 、 ，， 萎 f H _ ； 摊 芷 辑 誉 卑 _ 一 _ 卷 嘲 暑 ∞ o一 a i 量 _工 _悯 蛙 鬻 曼 等 量 2墨 怡 罹 蛰 簧 懈 粼 书 榷 磊 蜒 疆 譬 鼎 _ I 爿 3 HTW 盼典 型物 料 平衡 印能 量 平 衡 稍 蟋且 墨 ． 卜 榷 辱 寮 9 k g ／ c m ， 床温 7 6 o 一8 2 0℃，气 化剂 也喷入 稀棚段 以增 加碳 转 化 率及焦 { fj 1 、重质 烃 的生成． 稀相段温 度 比床温 高1 5 0 2 5 0℃。 - t 46 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 稀分半焦粉及灰粉被热煤气带出炉外，在一级旋风分离器粗分离并经料腿将粗粒子返回 床 中， 粗煤气经一级旋风分离器后进入 二级旋风分离器并分出更细粒子 ， 这些粒子 与底部排出 之灰渣一世送往锅 炉供作燃料。除尘后之煤气送往水平式火管锅炉换热，而后再进一步经文 丘 里洗涤 器冷却 、除尘 按图 3数据 冷煤气效率为8 2 呖，如包括蒸气回收之能量 减去干燥煤的耗能 ，则冷 煤 气效 率可 提 高到 8 5 嘶 1 ． 2气 化 炉能力 示范厂设计能 力为5 6 2 吨煤／ 日，生产4 1 o o o NM3／ h 干煤气。 1 ． 5 气化 炉特 点 优 点操作相对简单气化炉材料 因操作温度较低而易解班 ；可能无液体烃 焦油，油 类 产生。 缺 点煤 种 限于 高反应活 往 的非 牯结性煤 、泥炭 、术材 ；大量半焦循 环 j碳 转化 率低 ； 压 力低。 与上述HTw相近的炉型是西德DM Da v y P o we r g a s 公司设计 的加压温克 勒炉， 其 操 作压力为3 ． o ～3 ． 5 k g ／c m。 。DM的加压温克勒炉的碳 利用率可能不及HT w，此加压温克 勒 炉无炉栅， 底部为锥 形， 稀相段顶部有一辐射换热器 冷却夹带的细粉，使其温度低于灰 的 熔点，因而床 内的碳转化率也较 高。1 9 8 6 年建在南非的示范装置浓相段高3 米 ， 总高约2 0 米， 设计参数为能力5 5 吨煤／ 日；压力 8 ／c m 温度 1 3 0 0 ℃计算指稀相段 ；煤气 产率 1 0 0 0 3 2 0 0 NM a ／ h． 示范厂设计常压能 力为 1 o o o NM 3／ h ， 高灰煤 A一5 o ％ 为基础，在高压下，设计能 力将按压力平方根增加。 已试用煤种主要是南非煤。 2 KR W煤气化过程 K RW煤气化过程的前身叫西屋 -We S t i n g h o u s e 法， 1 9 7 2 年由西屋电气公司燃料 部 开发， 1 9 7 4 年 建 成 l 5 吨／ 日试验装置 P D U ，开始 时 为 空 气 蒸 汽 鼓 风两 段 炉， 1 9 7 8 年 改为一段 氧气一 蒸汽 鼓风 加压 气化 炉， 从而使处理能力增加 至3 o 吨煤／日。 已试 验 过 许多煤 种， 包 括多种 褐煤 ，次烟煤 、烟煤 和牯结性 烟煤 ， 总运 行 小时 达 1 l 0 0 0 以上。 与此同 时，还 建 立 了 3米直 径 的 半圆床冷模流化床装置，以获取更多的流化床设计参考 数据 。 西屋公司很早就与有关用户洽商示范厂建立问题， 包括 1 2 o 0 吨煤／日的南非厂， 2 5 0 吨煤／ 日的中国富拉尔 。 求搏j l l 竹 图4 KR W|膜气化过程 基厂和5 O O ilr ／ 日的黄目的阿伯拉先厂 但 由于市场和其他 原 因，至今仍未能定局，仅阿伯 拉先项 日仍在筹备。 47 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 5 KRW气 化 过程 的典 型物 料 平 衡与能 量 平衡 2．1 过 嚣 描 述 如 4所示 ，KRW气 化过程 主体是 舢压 流化球系统 ，床 下 部 处有 一． 灰 熔 聚区 ， 4 8 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 此区的存在使这种气化炉与通常的流化床气化炉明显不同。 破碎至 6 mm的煤干燥后在锁气料斗中升压 ，而后气 力输送到气化炉， 在 炉中与蒸汽 、氧 在9 8 0 ～1 0 4 0 ℃ 下 发生气化．被热煤气夹带的未反应的半焦在旋风分离器中与煤气分离 后 返 回气化炉的灰熔聚区，热煤气则进入后部换热系统进一步处理 ， 熔聚区温度很高， 足使灰粒 中 碳完全气化并达到灰中某些低熔点共熔物的软化，灰粒因此相互牯结，长大变重而落入下部 之灰分 离段。 灰分离 段 中还有 冷循环煤 e ，使 物料 处 于床中半焦 的初 始流 化状态 ，从而有 效 地 从 灰粒 分 出并冷却。 此过程之冷煤气效率达8 1 师，即高于熔渣炉而低于移动床鲁奇炉，如计及废热 回收，则 效 率可 高迭 9 0 ％。 图 5 是此过程的一预计的物料和能量平衡 以南非次烟煤为计算基础 。山于此计算中 压力为3 8 k g 。／c m ，比中试时之 1 6 k g ／c m 为高， 因而甲烷产率也高些。 KRW在 1 9 8 0 年前 主要工 作是 过程 的硬件 开 发， 1 9 8 0 年 后， 设备 结构 及流程 己定 型， 主 要工作集中在过程效率，降低产品成本和简化系统。1 9 8 4 年后期开始 了目的在于配合联合循 环发电的热净化工作，即在中试厂进行 1 炉内和炉外热煤气脱硫试验 ； 2 煤气的热除尘。 这 部分工 作一直 沿续 至 1 9 8 7 年 4月。 脱硫剂 炉 内用石 灰石 与 自云石 ， 炉外用锌 铁合剂 。除尘 用金 属 及陶瓷 管式过滤 器，据 称效 果 良好 。 2． 2气 化 炉能 力 如前所述 ，KR W 曾有三个 示范厂计划，南非厂为 1 2 0 0吨／ 日 中国富拉尔基厂为2 5 0 吨／ 日，其三是正在讨论中的阿伯拉先厂，计划为5 0 0 吨／日。 2． 5气化 炉特 点 优 点能处理多种煤 ；可 以用有细粉的煤，有粘结性的煤 ；煤转化率高；无烃类液体副 产 品。 比通常的流化床气化炉 包括HT w ，KR W可以对多种煤包括牯结性煤都得到好的转 化率 ，可 接受 含细 粉的煤 及粗 煤气实 际不台焦 油 、酚类 是 显而 易见的优 点。 缺 点 灰熔 聚操 作较 麻烦 ；冷煤气 、半 焦循 环 量大 ；带出之半 焦粉能 否全 部 收集并在气 化 炉中消耗 ， 尚有待示 范 厂证实 。 问题 从中试装 置放 大到示 范厂比例 大，如 南非 厂为 3 5 比 l ， 富拉 尔 基厂为 8比 l ， 阿 伯拉先厂为1 7 比 1 ，J { j 这样的放大比，放大后是否性能下 降不清楚。 3 U Ga s 煤气化过 程 uGa s 煤 气化过程 也 是一种煤 的 流化床灰熔 聚气 化过程 。其基本 思想 与法国L． ， e q u i e r 的 方法捆 i ‘ 4 ，与KRW 电比较相 似。 即采 用灰熔 聚排渣 及带出细粉 再循 环的 方法 解 决一 般流 化 床气化 的碳转 化 率低 的 问题。 与KR w不 同，u Ga s 法从 炉侧 向炉内进 料 ，使其 更 易适 用 多种撼I ，特 点是 杂有 火 } 矸 的 高获烘。 u Ga s 过程 j 美国芝加哥煤气工艺研究院 I n s “t u t e 0 f G a s Te c h n o 1 o g y i 发 I GT 煤气化，特别是流化眯煤 化已有多年历史，离胍 化的Hy g a s 过程是其 代 是。 1 9 7 4 年I GT 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 从Hy g a s 的高热值煤气转向中低热值煤气，即形成了uGa s 的概念，当时的床径为 1 ． 2 m ， 1 9 7 7 年改为 0 ． 9 m，以适应过程参数，其设备的工作压力为 4 k g ／咖 。至今已试 验过多种 美国及外国的褐煤 ，次烟煤 、烟煤 ，包括粘结性烟煤和高灰烟煤 。为了过程放大设计的需 要 ，I G T进行了并还进行着u G a s 流化床冷态模型、过程气化动力学和灰化 学及灰熔聚 动 力学的基础研究 近年还完成了一直径2 0 0 m m的高压设备，以证实高压 下 u Ga s 的 性能。 1 9 7 7 年开始 ，I GT已开始 寻求工 业示范 厂的可 能 ，其 中包 括美 国的孟 菲斯 计 划，法国 的 C d f 气化装置，之后和印度、中国都有不同程度的接触。现在I G T 及其合作伙伴正 在寻求建 立大型气化厂的可能 摩根城计划，5 0 0 吨煤／日 。 与K R W过程相似， 至今无一得以实现，主 要原 因仍是 市 场的 变化 。 5 ． 1过 程描 述 如 图 6所示 ，u Ga s 煤 气 化 过程 为一 流 化床灰熔聚气化过程，床下部有一射流高温灰 熔聚 区，下 面连 接灰分离 文丘 里管。 破碎 至6 mm的煤 ，先 破碎而 后在锁 气 料斗 中升压 。 经螺旋进料器后气力输进至气化炉中。 在 炉中与蒸汽 氧 或空气 起气化反应 ， 温度视 煤种而 变化在 9 8 O 一1 0 4 0℃之 间 。 被 热煤 气 夹带 的半焦在二级旋风分离器中分离出来，并返回 炉中参 与气化 及灰熔 聚 ，热 煤气则 进入 后系统 处理 。u Ga s炉中流化气 速 通常为 0 ． 8 一 i ． 5 m ／ s ，由于中心射流区的氧浓度高，温度 可 比 图6 U --G a s 气化 护简 图 床 中其他 部位 高出 1 0 0 ℃以上， 因而 形成 了灰 的熔 聚长大 变重 和分 离 。与 KRW 不 同 的是 ， u G a s 的荻分离是在稀相下进行的，其操作速度为大于半焦的终端速度而小于灰渣 球的 终 端速度。 图7 是u G a s 过程 以美国犹他烟煤为基 础的总包试验结果 中试 。由图可见，过 程 的碳转化率可达9 5 ％。 j ． 2 气 化炉能 力 u G a s 中 试装置能力为 2 4吨／ 日， 装 置尺寸较大，而压力较 低 4 ／c m ， 其 设计 或初步 设计的项 目气化 炉能 力为 1 0 0 0 蛾 l 1 0 2 醇 囊- ‘ 钢 ● ‘ i 靖 0 量 玎● 熏祷 l霉 ● 哪． 3 ■ 寰 3 ， ● l t ■ 曹 囊 吨／日 3 f l 备，Me m p h i s ，2 0 0 吨／日 囤7 U G 过程 的总包 试验结果 c a r ， 法冈 ，2 5 0 吨／日和5 O 0 吨／ 日 西弗 吉尼亚大学热动力站 。 5 ． j 气 化炉特 点 UGa s与K RW除彳 『 同样的优点和不足外，有其独具的一些特点，这些将在下节中比 较 。 5 O 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 4 HT w 、K R w和UG a s 气化过程的比较 HTw0 j ， 可干法排 灰 t 化炉 ，虽然HTWIJ 温 克勒 炉增 加了反应压 力 ．带出细粉循 环和操 作温 度，但 为使灰 不在 床 内熔 融而 造 成流化床 结渣 失 流． 流化 床浓相段 温 度就 不能 太高， 因而这 种 炉子 仍只 适于 活性 很 高的优 质褐煤 ，而且 为充分 利用灰渣 中 均和 飞扳中 的碳 ，必须 配套 一个 沸腾燃 烧 炉。 灰熔聚法则有意 提高了床操 作温度， 特别是灰熔聚 区的存在使灰中设能更完垒构气化 ， 并 使 灰 与床 料半 焦能 有效地 分离 。 KRW和uGa s 二 过程 同属 灰熔 聚 气化过 程 ，二者 之优缺 点是 1 KR W 采 用泼 相低 速 流化床分 离灰 与半焦 ．操 作稳定性 和调 节 范围较 好 ，但分 离 效率 较 uGa s 的稀相 流化床 分离 差， 因而碳 效 率似应较 差。 2 西屋法 用循环煤气将煤通过射 流管输入床中高温射流区，uG a s 则 用气动 法 、 C O 2 ． 循环煤气 从反应器侧面加入床 中分布板上方。粗看起来，好象西屋法比uGa s 法 具有使 煤在床中更均匀分布的优点，还可在高温 区消耗一部分细粒子，但实际上，法国煤 一种高 灰份煤 的试验表明，uGa s 的加料法更稳定可靠。 3 西屋法大量使 用循环煤气，而u Ga s 用水蒸汽，u G a s 似乎更简单。 4 流化床放大都有一定的不确定性 ． 但K R W的灰分离器可能会遇到更多麻烦，主要是小 流化床分离器的操作稳定性不好。 总之，就上述三种代表性的流化床气化 炉而言，HTW有较好的工业示范 实 践，如使用 煤种为活性高的褐煤，则可选用。对次烟煤 、烟煤， 甚至无烟煤，则只要灰的熔 点毹与其活 性相对 应 即灰中的F 2 O3 含 量不太 少， 则可 选用KRW或u Ga s 。这 两种 炉子都 尚 未 经工 业 示范，但从中试来看，u Ga s 更易操作，可 以达到较 高的碳转化率和冷煤气效率． 51 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆