煤气化试验中期报告.doc

煤气化试验中期报告 1 介绍 为了确定和验证具体煤种的计算结果，需要在试验中对它进行评价。西门子燃料气化有限公司具有一套世界上独一无二的试验装置，此装置专为进行这样的评价试验而设计。 9号无烟煤具有大约20％的高灰含量，这样高的灰含量很容易使气化过程发生问题，尤其是在灰具有高的灰熔点的情况下。为此，我们决定在加和不加助熔剂两种条件下评价无烟煤。在试验过程中，验证气化温度、灰熔点温度、合成气与工艺水组成以及碳转化率的试验结果与计算结果是否吻合,主要是为了证实此技术理论上的可行性。 2 试验运行 2.1 试验程序 2.1.1 试验条件简述 根据试验程序，试验NKV112和NKV113的平衡条件如表8.1附件3所示。试验的目的是为了证实被使用煤对西门子气化技术的适应性。9号无烟煤在最适宜的气化温度下被进行了测试，一次不加助熔剂，一次加助熔剂；另外，加助熔剂的煤在较低气化温度下又进行了一次附加测试。试验条件在每个试验日之前得到了山西兰花煤化工公司与西门子燃料气化技术公司的认同。 预试烧试验NKV112主要是为了对SFGT试验设备进行调试，并在反应器壁上覆盖足够的试验煤种的渣层。预试烧试验也是为了标定所有的测量装置，确定设备在试验期内运行可靠。另外，在煤不加助熔剂的条件下气化反应的平衡阶段很快就达到了，并按预期进行了纪录。在NKV113试验中，通过使用助熔剂，煤在不同的温度下被进行了测试。在每一个试验日前，对被使用煤均进行了流化和传输试验。 需要记住的是，得到的试验值受一些参数的影响，而这些参数随着反应器尺寸的变化而改变。因此，试验设备的运行是不能与大规模商业设备的运行进行完全比较的。 2.1.2 操作参数预计算 操作参数基于以下假设 1、 稳定的煤或煤混合物性质，如附件1所示。煤成分的性质提供了热值和氧需量的计算基础。 2、 未转化的碳假定与碳转化率95-98相对应，它对平衡温度的计算具有主要影响。 3、 水冷壁的传热量除受温度影响外，还受渣组成和数量的影响。根据设定的气化温度，通过计算水冷壁的传热量被初设为1.3－1.5GJ/h，实际的值在试验过程中将被得到，并以此确定新的试验条件。 λ值根据煤的组成进行确定，因此计算的λ值与实际并不完全一致，需要对实际的气化温度进行重新计算。 2.1.3 取样 煤、天然气、氧气和惰性气体的分析 由于煤组成的波动较大，因此取混合了的样品进行了分析。分析结果是过程参数计算的基础。煤组成的变化对于随后的评价试验具有很大的影响，因此我们从所有的煤包里进行了取样，并把它们进行混合，对它们进行了试验分析（附件1）。 煤分析如附件1所示。通过对煤分析1和2（均不加助熔剂）进行比较，可发现煤的性质有很大的波动。分析1所用煤为来自于所有煤包里的混合样品，分析2所用煤仅来自于一个煤包。混合样品中氯、水、灰和氧含量偏差较大，分析中最重要的偏差是灰熔点（130K）和热值（600KJ/kg），热值的偏差将使温度计算的偏差达到200K。 天然气、氧气和惰性气体在一个试验日内被分析两次，以取得可靠的结果。气体的组成在平衡计算中将被需要。 产物和副产物分析 在预试烧试验NKV112中，粗煤气被定时取样，，这是由于在试验中平衡状态很快就达到了。而在主试烧试验NKV113中，粗煤气（包括微量气体）每小时取样一次。粗煤气中的重金属组分在一个平衡状态下被测量一次。平衡状态定义为在在线气体分析和工艺参数保持稳定情况下的反应状态。在试验日的最后，合成气被进行了取样，目的是检验装置的气体净化技术。 2.1.4 目前的分析进度 所有气体样品和燃料的分析已完成。分析的主要部分仍在进行。目前，工艺水的全部分析以及绝大多数的渣分析是最主要的工作。在平衡（如物料平衡）中，一些趋势已经显得非常明显，但由于平衡并没有全部完成，所有的值还需要慎重对待。 因此，在这个报告中全部的表述都只是初步的。 2.2 试验程序 2.2.1 试验阶段分类 在表11.1、附件6中，所有的试验安排被详细列出，并附有每个试验关于平衡态和评价区的补充信息。试验初设条件（包括煤、氧气和天然气流量）也在附件中被给出。 平衡态在试验过程中确定，根据试验目的确定气化反应稳定状态的条件。考虑到气体组成将随工艺条件变化而改变，因此要对气体进行取样。评价区在试验评价区选择。评价区（20-30分钟）根据稳定的操作条件而定，尤其是煤的输入、热传递、气体组成以及较好质量的出口气体样品。 2.2.2 关于试验的声明 试验装置不同于商业化生产，许多在商业化生产中固定的许多值在试验装置中必须被改变，由于不同的进料具有不同的特征，所以改变是必要的。 有两个值对气化质量具有主要的影响，而气化质量在试验过程中是变化的1、λ值是提供氧量与完全燃烧所需氧量之比，主要用于控制氧的流量。氧流量（最大320m3/h）主要影响反应器的温度。2、k值是进煤量（kg/h）与进料器和反应器之间压差（bar）的比。它直接控制氧流量。为了避免煤进料波动或氧需不足，在一定情况下需要调整k值。 在所有试验中，主烧嘴只进煤，点火烧嘴进天然气。试验设备中的主烧嘴是专为满足试验平台的技术要求而设计的。当原料为低反应活性的无烟煤时，这种烧嘴不可能像专为工业生产设计的烧嘴一样得到好的碳转化率，因此它与工业生产中的主烧嘴是不能比较的。 附件4是在气化试验中每一个评价区气化数据的平均值。 3 试验结果评价 如上所提到的，并不是所有收集的样品都被分析，因此目前还不能做一个全面的报告，但仍可以根据已分析出的数据显示的趋势对试验进行评价。 3.1 分析数据和测量值 气体分析 气体介质以及粗煤气和合成气的分析如附件2表2.1、2.2所示。 气体样品中的微量气体和重金属分析分别如附件2中表3.1、3.2和表3.3、3.4所示。 固体分析 固体分析得到结果太少，目前还不能进行评价。 工艺水 工艺水的分析也是不完全的。 在线测量值 关于设备操作和试验评价的有关数据在每一个试验日都被取得，从这个数据库中，可以选择评价区的稳态条件。关于评价区的在线数据以平均值的形式列于附件4的表10.1到10.8。为了考查这些值的稳定性，最大值和最小值也列于表中。 3.2 结果解释 3.2.1 主要组分的物料平衡 气化试验的目的是在不同气化温度和煤种下获得关于气化过程条件的全部状况，并对其适用性进行评价。通过对试验进行平衡，关于试验过程的状况将被取得。在目前的气体、水和渣样分析阶段，仅能给出近似的物料平衡。（见附件6，表12.1-12.8） 3.2.2 碳转化率 碳转化率得自于物料平衡（碳平衡），由物料平衡得到的值包含了在平衡计算中全部数据产生的误差。 有两个途径计算碳转化率1、转化了的碳全部进入到粗煤气中，随粗煤气释放出去。使用这个方法，碳转化率将包含所有的气体测量和分析误差，如CO2溶解于水而导致的测量误差。2、未转化的碳为气化过程中以固体物质排出的碳。由于这些碳显然没有收集完全，所以计算得到的转化率将太高。 由于在渣和工艺水固含物中碳含量非常低，所以由这两种途径得到的碳转化率基本一致。 3.2.3 气体组成和特征 在附件2表2.1－3.4中列出了粗煤气、合成气、氧气、烟道气和天然气的组成。此外，微量物质NH3、HCN、HCl、K和Na在表中也被列出，Na的含量最高，达到900ppm， K 和HCl在两次试验中均低于9ppm。 在试验NKV112中，粗煤气的实验分析与在线分析基本是一致的，偏差约为1％。同样，合成气也是如此。与粗煤气在线分析比较，CO2的偏差低于4％，而其他组分偏差均低于2％。在试验NKV113中，粗煤气的在线分析与实验结果的偏差达到3％，说明在线分析是不准确的，尤其是对CO2而言，但在试验过程中它能提供更多而足够的判断。 在试验NKV112平衡阶段，比较测得的气体组成，其值在测量误差范围之内。尽管第一个分析可能仍受到调整阶段的影响，粗煤气中的CO2含量仍然与气化温度相对应第一阶段气化温度较低，粗煤气中CO2小于18％，第二阶段气化温度较高，粗煤气中CO2上升到20％。 4 中期总结 西门子燃料气化有限公司的气化试验于2007年12月11－13号成功进行。试验的目的是确定9号无烟煤在加与不加助熔剂下的适用性。 前面已经提到，这个总结的全部陈述只是初步的，这是由于灰、水以及工艺水固含物的平衡还没有完成，一些样品到目前为止还没有得到分析。 煤质波动也影响了这个总结的准确性，例如计算得到的温度误差达到200K，而在实际过程中，由于在进料器中进行了混合，所以这样的情况是不会发生的，但在试验NKV113中发生的工艺条件的短暂波动可以由此得到解释。粗煤气中的二氧化碳含量超过预期，这可能是煤热值高于预期的暗示或煤组成变化了。由于这些影响是不能证明的，所以只能把它们记在心里，而不能作为解释的基础。 预试烧试验中有一个平衡阶段，以对不加助熔剂下9号无烟煤的气化行为进行评价。虽然煤具有1400℃的高灰熔点，但仍可以在1700℃的稳定条件下对它进行气化，在最差条件下计算，碳转化率仍可达到大约92-93％。由于测量不完全，得到的碳转化率是最小值，它应该更高一些，例如由于粗煤气中的高二氧化碳含量（18 vol％），二氧化碳在工艺水中的溶解是非常可能的。 重新计算结果表明目标温度1750℃在全部的三个评价区（1722℃-1750℃）内基本是可以得到的。重新计算得到的合成气中一氧化碳含量比实际分析要高5－7％，这可以由在激冷过程中发生的一氧化碳变换反应得到解释。通过计算，变换转化率为6-9％。把一氧化碳变换反应考虑以后，计算得到的一氧化碳含量与分析结果相比偏差几乎为零，氢气含量的偏差下降到3％，随而对最初的粗煤气计算结果进行了修正（见表14.1）。在整个平衡阶段，水冷壁的传热量保持稳定且在设定范围内。 主试烧试验评价的煤种与预试烧试验一样，只是每吨煤加了40千克的助熔剂，因此渣的流动温度降低到1310℃。在第一个平衡阶段和第二个平衡阶段，气化温度上升到预定的1750℃是不可能的，这是由于λ值的提高将导致水冷壁传热量的增加。下面将对在评价区4和5中气化温度不正常的现象给一个可能的解释。 由于加入助熔剂后渣的黏度下降，所以当气化温度上升时，水冷壁上的渣保护层将变薄，最后水冷壁上将没有或只有很薄的渣层，这在试验后检查反应器时可以发现，因此在没有保护层的情况下水冷壁的传热量急剧上升。粗煤气分析中高的二氧化碳含量表明火焰的核心温度可能具有很高的温度，但由于水冷壁的传热，整体温度不可能超过1700℃。 因此，在两个评价区（EP4-EP5），计算得到的温度低于1600℃，碳转化率在92％到93％之间。虽然物料平衡没有完全完成，碳的校正率也在92％到93％之间，表明碳转化率值偏低。 在第一个平衡阶段内，评价区1-3的温度在1650℃－1720℃之间。计算得到的最高碳转化率96％和98％分别来自于评价区1（1720℃）和评价区3（1670℃。评价区2（1650℃）的碳转化率为93％。粗煤气组成与这些结果相对应。 与预试烧试验一样，所有的重新计算均被5－9％的一氧化碳变换转化率加以修正，进而调整粗煤气组成。 当剩余的分析工作完成以后，对试验的论述将更为准确。我们一直陈述对于两种煤而言，西门子燃料气化有限公司的气化炉都可以处理。加入助熔剂后，可以在较低的气化温度范围内进行。为了在具体的气化温度下优化渣层性质，降低水冷壁的传热量，煤中助熔剂的数量将被重新考虑。虽然煤可以在不加助熔剂下进行气化，但由于煤质是不稳定的，我们还是建议考虑在商业化设备中助熔剂加入的可能性。 初步的计算表明加入助熔剂后，在优化条件下高于95％的碳转化率是可能得到的。 7