流化床煤气化技术的工业应用.doc

第1期 2001年3月 锅 炉 制 造 BOILER MANUFACTURING No1 Mar.2001 文章编号CN23-1249200101-0024-05 流化床煤气化技术的工业应用 周浩生,李 莉 东南大学热能工程研究所,江苏 南京 210096 摘 要介绍了几种典型的流化床煤气化炉,重点阐述了一种自主开发的流化床水煤气发生炉的工艺、结构、水煤气的组成和污染物的排放等,分析了流化床煤气的特点并与流化床燃煤技术进行了比较。认为流化床煤气化技术的开发值得我国锅炉制造行业的重视。 关键词流化床;煤气化与燃烧;工业应用;锅炉制造;污染物排放 中图分类号TO546 文献标识码A IndustrialApplicationoftheFluidizedBedGasifier ZhouHao-sheng,LiLi ThermalEngineeringResearchInstitute,SoutheastUniversity,Nanjing, AbstractSometypesoffluidizedbedgasifierswere,positionofthewatergasandemissionsofaChineseinventedfluidizedgaspresentedinde2tail.Thecharacteristicsofthegasifierwerefluidizedbedcoalcombustion.Finally,itwaspointedoutthatshouldpayattentiontobytheboil2erenterprises. Keywandcombustion;industrialapplication;boilermanfacturing;e2mission 0 引 言 流化床煤燃烧技术为锅炉制造界所接受,而与其在技术上有许多相似的流化床煤制气技术通常被忽视。目前,由于我国石油、天然气还够使用,尤其是煤层天然气的开发应用,导致流化床气化炉技术开发上的实际紧迫性不强。但是,在化工、能源,特别是中小城市煤制气和工业燃料气等方面有着巨大的市场潜力;其次,以煤气化技术为基础的IGCC技术等也期望流化床煤气化技术取得突破性的进展。 流化床煤气化通过多年的发展,已经形成了多种炉型,例如美国U2Gas、KRW、HY2Gas、CO-Gas、CO2-Acceptor、Exxon催化气化等,日本的旋 系列具有特色的灰熔聚气化、双室流化床、循环制气流化床水煤气炉及加压流化床等。 本文试图通过介绍几种典型的具有工业应用前景的流化床煤气化炉的特点,引起锅炉制造业界对流化床煤气化技术的重视,借鉴流化床锅炉的制造技术,促使我国流化床煤气化技术迅猛发展。 1 几种典型的流化床煤气化炉 111 Winkler煤气化工艺与高温Winkler气化法 温克勒Winkler煤气化是流化床技术发展过程中最早用于工业生产的。由于常压的Winkler气化炉存在种种问题,至今仍在运行的不多。针 对这些问题发展了高温的Winkler气化法1提高Winkler法的压力和温度,成为高温WinklerHTW 流板式JSW,喷射床气化炉,德国的高温温克勒HTW,及Lurgi公司开发的循环气化床气化炉CFBG,加拿大的喷射床气化;我国也发展了一 法,生产合成气;2以氢为气化剂,取代氧和蒸气,生产代用天燃气,即开发煤的加氢气化法HKV。 收稿日期2000-07-03 作者简介周浩生,男,工学博士,副教授,东南大学热能工程研究所工作,从事流化床燃煤与气化技术的研究。 第1期 周浩生,等流化床煤气化技术的工业应用・25・ 112 灰团聚流化床煤气化 气化工业装置。下面侧重介绍KRW煤气化炉。图1是KRW气化炉图。气化炉内衬绝热层 和耐火砖。粉碎剂6mm以下的碎煤干燥后由循环煤气或空气进行气流输送,由中央进料喷嘴送入气化炉燃烧段。粉煤在喷射区附近发生急速脱除挥发份生成半焦。同时喷入的气化剂蒸气或氧或富氧空气的混合物在喷口处形成一个射流高温燃烧区,使煤和煤焦发生燃烧反应。射流燃烧段的高温提供了气化反应所需的热量,也确保了脱挥发份过程中生成的焦油和轻油的充分热解。表1是Illinois6煤在富氧和空气条件下的气化结果 。 所谓灰团聚煤气化是使煤灰在炉内形成含碳量低的团聚物排出,碳的转化效率可以达到96以上,这种气化方式可以在炉内进行脱硫,效率达到8990,煤气可不经过脱硫直接用作动力煤气。典型的炉型有U2Gas气化法和KRW加压流化床气化炉。中国科学院山西煤炭化学研究所在此基础上也开发了类似的灰团聚流化床煤气化工艺,在中试装置上取得了大量的数据和运行经验。U2gas气化炉是美国燃气工艺研究院IGT从1974年开始研究的流化床气化技术,并于1994年在上海焦化总厂建成了世界上第一套U2GAS 图1 KRW 气化炉结构 粗煤气出口温 度/℃ 氧气空气 87029808702980 图2 Lurgi循环流化床气化炉结构 表1 KRW炉的气化结果 压力 /MPa310621312 CH47145 典型的煤气组分/mol, H23411 CO CO2 高位热值 /kJ・m-312309615415 粗煤气/煤 /m3・kg-1 21014121O2/煤/kg・kg-1 01610168 惰性气体 116250144 451411142 217415166271893127 蒸汽/煤 /kg・kg-1 水/煤 /kg・kg-10105301044 能量的利用率/ 煤气 8018479101 利用的热量 131741514 总利用率 9415794141 9592 碳转化率/ 氧气 空气 0157401261 113 Lurgi循环流化床气化炉 Lurgi公司以生产流化床燃煤锅炉和增压固 化床煤燃烧方面的技术,正在大力开展流化床煤 气化技术的研究,我国也正在积极引进这方面的技术,但是巨大的投资限制了它在我国的发展。 定床气化炉而闻名。近年来,该公司利用其在流 ・26・锅 炉 制 造 总第179期 图2是Lurgi循环流化床气化炉的结构。 表2 Lurgi的循环流化床煤气化炉的操作条件 原料煤与生物质 尺寸要求 024 含灰量 1000 气化剂氧气水蒸气耗煤量/ kg/1000m3有效气6302667 气化压力 011520140 气化温度/℃ 100021100 单炉最大煤处理能力/t・d-1 3002500 进料方式干粉颗粒 排渣固态 碳转化率 /95298 有效气含量 COH2/80左右 耗氧量/ m3/1000m3有效气3002320 耗电量/度/ 1000m3有效气30 耗汽量/ kg/1000m3有效气 日处理煤300t气化外配套装置投资 万元13000 改造投资 万元1 000 114 流化床水煤气气化炉11411 工艺与结构描述 分离器分离后进入余热锅炉降温至约200℃,然后经过除尘器除尘后排入大气;当床温上升到适 当温度时,蒸汽换向阀和煤气换向阀相继开启,空气换向阀和烟气换向阀依次关闭,余热锅炉产生的蒸汽经缓冲气包、蒸汽过热夹套、蒸汽换向阀和风室进入气化炉,行水煤气反应,柜,将其中。图4为流化床水煤,内,螺旋给煤机将010mm的粉煤加入炉膛后,在流化状态下交替进行燃烧和制气过程,该过程中烟气和煤气中夹带大量高含碳煤粉颗粒经旋风分离器分离后由返料器回到炉膛再 下面重点介绍一种具有中国特色知识产权的流化床水煤气发生炉,该炉型在工艺选择上将流化床的优点与固定床的工艺特征相结合,同时又大大简化了固定床复杂的工作过程。由于工艺条件的限制,该炉型的气化强度低于前面介绍的几种炉型,但从经济和实用的角度来看,在目前的条件下在我国仍然是一种有前途的炉型,该炉型已经发展成系列产品。 图3为流化床水煤气炉的工艺流程。燃烧阶段,启动风机,启,,,,烟气经过旋风 12流化床水煤气炉;22螺旋加煤机;32缓冲汽包;42旋风分离器;52返料器;62余热锅炉;72 空气换向阀;82蒸汽换向阀;92烟气换向阀;102煤气阀;112洗气箱;122洗气塔;132水封; 142缓冲气柜;152烟囱;162除尘器;172空气预热器;182风机;192出渣阀;202减压阀 图3 循环流化床气化炉工艺流程 第1期 周浩生,等流化床煤气化技术的工业应用・27・ 进行燃烧和气化,以提高煤的利用率 。 20。在制气阶段加煤时,存在着复杂的化学反 应过程,主要有粉煤在高温下迅速地热解、热解产 物与水蒸气的均相反应和水蒸气与床层中的碳进行水煤气反应等。该炉对于强粘结或弱粘结性煤都能长期稳定运行,并获得良好的运行结果。对于强粘结性煤,如伊川瘦焦煤和平顶山煤不仅没有发生结焦现象,而且煤气化指标优于弱粘结性煤。这主要是由于空气与水蒸气在高温下交替地与煤粒进行燃烧与气化反应时,使粘结性煤的胶质层迅速地破坏,使得粘结性煤能平稳地气化。由于粘结性的作用,使细小煤粒的夹带量减少,反而改善了煤的气化指标。流化床的特点之一是在运行过程中可以任意地改变加煤的时间。对于新密煤在不同加煤方式下进行长时间的运行比较,。在制气阶段加煤时,煤气中H2、CH4,而CO降低,。这是由,煤的热解产物,如。通过操作方式,可以调整煤气的组分,拓宽了这种炉型的适用范围,例如在作为民用燃料时,采用制气阶段加煤可以提高CH4的含量。 12加煤装置;22气化室;32旋风分离器;42返料装置;52风室 图4 气化炉结构 11412 煤质分析与煤气化结果 表3分可以看出,,C2, CH47,C含量低,一般低于 表3煤 种 Mad Vdaf Fcad Aad 煤的工业分析与气化实验结果制气阶段加煤 工业分析 R1L1 CO2 CO 煤气组成/ H2 CH4 O201300120120110012012012012 N25185111167185517061351655135120 煤气低热值 MJ・m-31110210111016111451114101310141016 新密贫煤密县煤宝丰煤伊川瘦焦煤平顶山煤晋城无烟煤义马褐煤毕节无烟煤 0180142013701420133112611261108 1316612157131831415324189815434108190 65137531335718153194441131416181074117 1218633128271992316730165751714912615185 不粘结中等粘结弱粘结强粘结强粘结弱粘结弱粘结中等粘结 10160151306111261831015813 21185114841861915058195 417 101019150591506190910111116109120 1810 5910 715 241055185312317102619 55125510 613315 11413 污染物析出 污染物,经过脱硫前煤气中的H2S为5148mg/m3,能够达到国家对城市煤气的要求。对含硫量分别 为0131和1132的煤气化后测量了脱硫胶煤气中H2S的含量,以ZnAc2作吸收液,煤气流速为0108L/min,吸收后利用碘滴定法确定煤气中H2S的含量。其含量分别为1114mg/m3和385219mg/m3。 表4为煤气和循环水中的污染物含量。由于流化床水煤气炉出口温度在800℃以上,且炉的上部有一个较大的自由空间,煤气中的焦油和酚类通过该区域时有足够的时间进行高温裂化反应,这样,使粗煤气中不含焦油和酚类,可以大大地简化煤气的净化系统。H2S是煤气化中的主要 ・28・锅 炉 制 造 总第179期表4 煤气和循环水中的污染物 煤种宝丰煤 3130 煤气中的污染物/mg・m-3 灰尘和焦油 H2S5148 NH313143 煤气洗涤闭路循环水质/mg・m-3 萘 14190 COD623139 总油 318 悬浮物 22 酸碱度 817 酚 0164 氰 1108 2 流化床煤气化的特点与燃烧的 比较 211 煤气化的特点 流化床气化炉煤气的出口温度基本上与炉内 相当,这样,通常采用高温旋风分离器,对旋风分离器的耐磨性提出了更高的要求。 在某些情况下,通过增加二次风来燃烬和气化带到自由空间的煤粉,对二次风中氧气和水蒸气的比有相当严格的要求才能实现提高产气的目的。同时,这样往往使炉出口煤气温度比床层内温度还高50～60℃。高温、高夹带物煤气的除尘及温热回收带来的余热锅炉的磨损问题。 余热回收的安全性值得重视,采用高效、安全。,,和选H2S,在大规模的工业生产中可以高效地脱除H2S,其处理成本和方法比燃煤过程产生的SO2容易处理。 直接利用粉煤气化,通常采用的粉煤粒径为0-10mm,适合煤炭机械化开采水平提高后粉煤 率增加的特点。 流化床内气固湍流的剧烈混合运动,使床内物料和温度分布均匀,便于操作控制。可根据煤的反应活性、脱硫效率和灰熔点等因素确定最佳的反应温度,一般选择850℃左右。 对煤种的适应性大,可以通过对操作条件的改变,如流化速度、加料量、床温等,气化具有弱或中等粘结性的煤。但由于颗粒在床中的停留时间较短,而气化反应的速率远慢于燃烧反应,。 气化强度大,,技术后,。 炉内温度均匀且较高,足以裂解煤热解中产生的高烃类物质、简化了煤气净化及污水处理。 炉内很少有机械运动及金属部件,维修工作量小。 气化时氧耗量比气流床低,蒸汽消耗量又比干式排灰的移动床低。 气化炉要保持产生煤气,要求炉内为还原性气氛,即要求炉内物料应有相应高的含碳量。对常规流化床气化炉来说,带来了排出灰渣及随煤气带出的飞灰含炭量高、损失大的问题。通过发展选择性排渣技术是解决这个问题的关键。212 与流化燃烧的比较 3 结束语 流化床煤气化技术与流化床煤燃烧技术有许 多共同点,我国已经发展了一系列流化床燃煤技术,这些工作为煤气化技术的发展提供了许多有益的经验。只要再进行比较细致的工作,一定能够将流化床煤气化技术迅速地发展起来,同时,也为我国锅炉行业的拓展提供新的领域。 参考文献 [1] 陈家仁1流化床气化的过去现在与将来〔J〕1洁净煤 技术,1998,4182101 [2] 李佩华1CFB煤气化技术在中小型氮肥厂中的应用 前景〔C〕1安徽第七届全国造气技术及业务洽谈会论文汇编119991 [3] 陈君球,朱大钧1煤炭气化是实现中国煤炭洁净利 流化床煤气化炉一般采用圆柱形,由于得到的产品是易燃易爆的气体和通常在正压下运行,其密闭和耐压性比煤燃烧要求高。 煤气化是以富氧或空气和水蒸气的混合作为介质对物料流化、进行水煤气反应和为此提供热量的燃烧反应,要求床内保持还原性气氛。 内衬材料除了要有高的耐磨性外,还要求适合满足高温和还原性气氛。 用的重要途径〔J〕1洁净煤技术,1997,175212261 [4] NowackiP.煤炭气化工艺〔M〕1山西山西科学教育 出版社11987116422481 [5] 沙兴中,杨南星1煤的气化与应用〔M〕1南京华东 理工大学出版社,19951 [6] 王同章,王立群1流化床水煤炉气研制总结〔A〕1全 国煤气科学信息网第六届全网大会论文集1开封工业煤气编辑部,19991 编 辑董力宏