煤气化液化技术.pdf

核能煤气化液化技术发展现状 核能煤气化的几种工艺流程 I ． HT R工艺热的主要应用 高温气玲模块堆 HTR 不仅可以直接为工业用户提供电力和工艺蒸汽，而且还可以 利用高温工艺热进行煤的气化和液化．图 1 是其主要应用领域的图解 ． 目前．合成气是许多化工产品的原材料。也是提炼焦炭的还原剂．为满足氢气体市场的 需要，合成气可以转化成氢气 ；并且，合成气是 甲醇的中间产 品．甲醇作为塑料产品和溶剂 的原料而广泛地应用于化学工业．在不久的将来，还可用甲醇生产烯烃产品． 联邦德国对于核能煤气化工艺已进行了多年研究．在 P NP开发项 目中 C 即原型核工艺 供热厂计划 ，对应于煤气化工艺所需的蒸汽重整器和氮一 氪中间热交换器进行了研制和试 验，并认为这些装置对煤加氢气化和蒸汽气化都是适用的．这两种工艺可为天然气管网生产 甲烷 s NG 一 代用天然气和为工业用户生产合成气． ； J 豳囱囱 烷 图 l HTR的主要应用范圈 2 ．核热一 煤加氢气化工艺 图 2 给出了这种工艺的总流程图． HT R 出来的 9 5 0 C，5 0 b a r 的高温氨气 ， 或经过氨一 氮中间换热器降低 到 9 0 O ℃氨气 通过蒸汽重整器加热来 自气体分离器的 C H． 和来 自汽轮机抽汽的水蒸汽．C H‘ 和 H2 o在大 约 8 0 0 12 和 5 0 b a r 的条件下，与催化剂一起进行化学反应，这个反应是吸热反应，反应方程 为 ～ 5 一 甲 翠 广●● L r￡L 转载 中国科技论文在线 其中最重要的是把高温气冷堆用于煤的气化和液化的研究，即 核能一 煤转换 工艺 。在世界 矿物燃料资源中，煤比石油和天然气资源丰富得多，它们的比例大约为 天然气 占3 ． 2 ％，石 油占 】 】 ． 7 ％，硬煤 占 7 7 ． 7 ％，褐煤占 7 ． 4 ％，为了充分利用煤炭资源，同时减少对环境的污 染，大力开展煤的气化和液化研究工作，以便把煤，特别是褐煤等低热值的燃料转化为清洁 ’l 四个模块的高温堆热 电站数据 洼 高温堆的造价相同， 竭煤成本 块功率 6 8 0 MJ ／S ， 硬煤精人量 M7 0 t ／ d 以 1 0 0马克 ／吨讹 热值 5 0 0 0 k c a l ／ k g 甲烷生产量 2 6 9 0 x 1 Nm ／d ， 电力精 出8 4 MW 圈4用燃煤和 HTR挺供工艺热生产 圈 3 HTR 带有 中间热交换器1 煤的蔫汽气化生产甲烷瘴程圈 煤气 的成本比较 拨能一 煤转换 在技术上可以分成两步实现，第一步是通过 核能煤气化得到合成燃气 c H． CO，H2 等 ，第二步是通过 C O 2 ，C O和 H2 反应生产甲醇，作为液态燃料。核能一 } 气化技术 目前主要开发两种不同的工艺，即煤的加氢气化和煤的水蒸汽气化工艺。 1 ． 半工业规模煤加氢气化试验装置的运行经验 R h e in i s c h B r a u n k o h Ic n w e r k s AG T 为 了通 过煤 加 氢 气 化 法直 接 生 产 代 用 天然 气 S NG ，1 9 7 5年在西德 的 Wc s s e l i n g建造了一座煤加氢流化床气化的半工业规模试验厂 ． 在 1 9 7 6年至 1 9 8 2 年问，此厂在试验条件下运行了 2 7 0 0 0小时，其中在煤气化工况下运行了 1 2 o 0 0 多小时．在这期 间，大约气化了 l 8 o 0吨干煤．煤气化最长的试验周期为连续运行 7 4 8 小时，此间有 8 6 ． 4吨干煤被气化，碳的气化率为 8 2 ％，产出气 中甲烷含量为 4 8 ％ 体积百 分比 ．在这个装置中试验了煤加氢气化工艺采用的一些新没备 其 中包括流态化的辖煤管 道 ． 图 5给 出了半工业规模煤加氢气化试验流程图．原料煤是含有 l 0 ～2 0 ％水份 的褐煤 颗粒尺寸 4 8 ％ 容积 2 5 ％ 容积 碳 的气化率 8 2 ％ 4 7 ％ 运行温度 8 0 0 ～1 0 0 0 ℃ 9 4 0 9 6 0 ℃ 运行压力 5 5 ～9 5 b a r 8 0 ～8 7 b a r 煤停 留时间 9 ～8 0 分钟 2 8 --3 8 分钟 该计 划还包括建立扩大规模 的煤气化厂，一座褐煤处理能力 为 1 0吨 ／时 的中试厂于 1 9 8 2年开始运行，1 9 8 3 年 5 月 3 0日首次给煤并进行气化试验．以后是进行褐煤气化，一直 到 1 9 8 5 年底．进一步的试 验是利用其他煤种，例如硬煤． 2 。 半工业规模煤的蒸汽气化试验装置的运行经验 B e r y b a n - F o r s c h y n g G m b H B F 和 R h c i n i s c h e B r a u n k o h l n w e r k e A G合作，为了验证 高温气冷堆 HT R 进行蒸汽煤气化工艺的可行性，1 9 7 6 年建造 了一座半工业规模的煤蒸 汽气化 的试验厂．流化床气化器的横截面积为 1 平方米，高为 4 米，床内压力 为 4 0 b a r ，流 化床的试验装置是由氮气加热的，而氨气是 由电加热的．自从建成以来已热态运行 了2 3 0 0 0 小时，煤气化运行 1 3 0 0 0 小时，大约处理了 1 6 o 0吨煤． 图 6 给出了 H TR装置与煤蒸汽气化装置相结合的滤程．氯气在 HT R中的一目路被加 热到 9 5 0 “C，热量通过氨一 氦中闻热交换器传给中闻氨气回路，即二回路的传热介质也是氨 气．二 回路 的热量 披进到气化器 ，蒸 汽发生器和过热 器中．1流化床气化装置 由压力 为 4 0 b a r ，温度为 9 0 0 -1 0 0 0 “C的氮气加热，气化器 的长度和高度，以及热交换器管道的布置 同工业规模一样．毕工业规模试验厂的设计和运行参数如下 一 8 一 中国科技论文在线 该试验厂采用 了以下一些新研 制的设备 △氮回路带有电加热器和氮一 氮中间热交换器，每台功率为 I MW。 ； △燃气蒸汽过热器，压力为 4 0 b a r ．最高温度 9 0 0 ℃； △热气旋流器、煤灰闽 匿 5半工业规模煤加氢气化试验厂漉程圈 [ H z s 音威气 圈 6 高温气睁堆与煤蒸汽气化连接圈 1 高温气冷堆 3蒸汽发生器 5 气体清洁器 丧 2 半工业规模装置的运行参数 2 热交换器 4 气化器 1 9 7 6 1 9 7 7 l 9 7 8 1 9 7 9 1 9 8 0 l 9 8 l 1 9 8 2 1 9 8 3 前 6 个 月1 总运行 时间 时 1 5 0 2 4 0 0 3 7 l 7 8 l l 7 6 3 l 5 7 B 0 l 7 4 7 l 2 0 3 l 2 2 2 9 5 3 用煤量 吨 1 2 3 0 l 2 2 4 9 4 4 6 3 2 l l 2 2 7 3 4 2 碳气化量 吨 ／天 1 ．0 1 ．0 3 ．2 4 ．9 5 ．6 3 ． 4 2 ． 4 6 ． 4 3 ． 商温气冷堆一 煤气化厂 P NP - 5 0 0 西德于 1 9 7 8 年完成了3 0 0 0 MW 热功率的工艺供热堆的概念设计，然后进行了 5 0 0 MW． 热功率原型堆的初步设计．这个项目共有五家单位参加于利希研究中心、KWU 西德I 乜 站联盟 ．勃朗 勃威力公司所属的几个制造厂和两个煤矿公司．目的是设计建造一个工艺 热堆，用于煤的气化和核热的远距离输送．图 7 和表 3 给出了 P NP - 5 0 0厂简化的总系统图 和基本参数． 一 9 一 中国科技论文在线 表 3 P NP - 5 0 0 厂的基本参数 HTR的热功率 5 o O MW． 冷却剂进 E l ／出口温度 3 0 o ℃／9 5 0 ℃ 带 中问热交换器 的蒸 汽系统压力 4 0 b a r 煤气化 回路． 2 5 0 M 蒸汽重整器和加氢煤气化回路 2 5 0 MW, 发 I 量 1 9 3 ． 7 Mwo 煤 的蒸 汽气 化厂 耗硬煤量 5 0 t ／h 合成天然气产量 4 1 1 0 m3 ／h 加氢煤气化 厂 ．托 ．雌 兽 排渣 量 合成天然气产量 l 8 4 t ／h 2 6 ． 5x 1 0 3 m3 ／h 为了在高温气冷堆供热的条件下，实现两种不同的煤气化工艺，图 8 和图 9分别给出了 煤加氢气化厂详细的系统图．这两个厂州时通过中间网路的高温氦一 氦热交换器和低温氨一 氦热交换器与 H TR一回路连接．并且 与 HT R一体化地布置在一个安全壳里．这样可以防 止蒸 汽相f 水从煤气 化厂直 接进入反 应堆 的危 险性．系统 的详细参数 表示 在图上． 揭球 捆 氯 气 { L 成 废 和 硫化场 【 ’ 揭 } 6 I 和硫 { 匕 物 图 7 NP N-5 0 0厂系统 图 l 反 应堆2 ．蒸汽重整器3 -蒸汽发生器 _ 中间热交换器5 余热释放6 气化器 7 气 体分离器8 气 化器9 ．蒸器发生器l O ．工艺蒸汽过热器 一 l 0一 中国科技论文在线 图 8核能一褐煤加氢气化厂 图 9核能一硬煤蒸汽气化厂 中国科技论文在线 三、经济评价 核能煤气化的生产成本包括 HT R、流化床加热器等基本投资和核燃料等在内，仅与用 低价的煤在生产相同数量合成气的条件进行了比较，包括得到的额外的电功率等，综合评价 了用高温堆提供工艺热的煤气化的经济性 ．计算结果表明如煤气化厂只需一个容量为 1 7 0 MW 的高温堆时，煤气的生产成本尚不能与常规的循环流化床煤气化相竞争．但如煤气 化厂的规模达到需要 四个高温堆，容量为 6 8 0 MWt 情况下，这时由于高温难 比工厂投资及 设备价格较低，它在经济上可达到与常规煤气相竞争。图 4中表示出了上述分折的结果． 由于 HT R 所产生的热量中有相当大的比率不能用于煤的气化，并且 HT R氮气的人 I1 温度为 3 0 0 ℃，所以有一部分热量必须用于发电． 女 果 HTR的氮气入 口温度 由 3 0 0 提高到 4 0 0 或 5 o 0 ℃，那么更高百分 比的核工艺 热可在煤的气化范国之内利用，这将会改善核供热煤气化的经济性． 提高氮气的出口温度也可以改善 HT R在煤气化工艺中的利用宰，因此，研究煤气化的 最佳工艺参数是非常必要的，其 目的是提高煤的气化程度，改进系统的经济性． 张敏钟 大辛秦振亚编译 ⋯ ⋯⋯⋯⋯ ㈣ ㈣⋯⋯ 上 接第 2 2页 用 Ma n u g u r u煤时，也观察到第一个反应区域稍有差异，干煤因湿度低 ，在其脱挥发 分区域 以上的反应区变得报狭窄而不明显．气化区域不能单独划开，而附属于燃烧区，因为 燃烧通常是快速反应． 由上述这些实验数据可以看出，当用移动床气化炉处理劣质、非粘结煤时，在气化 中 存在三 个反 应区域 快速脱挥发分区 3 5 0 0 2 5 0 0 mm从低部炉栅算起 慢速脱挥发分区 2 5 0 0 1 2 5 0 ram从低部炉栅算起 气化反应区 1 2 5 0 ram到底部炉栅 这些数据表明在一个移动床气化炉 中，大约有三分之二的高度将煤脱挥发分 包括干 燥余下的部分则进行气化，尽管估计温度 的相关式主要用于脱挥发分反应区域，但预测气 化反应温度和气化区域宽度也被认为是行之有效的．Ma d h u s u d h a n等09 8 6 在同一个气化 炉中单独进行过研究 ，结果表明它的行为与一个桂式流反应器相似，没有回混．在不同的 时问没有聚集不变的物辩层．煤 自进入锁斗的那一瞬闻到排出，共需 7 小时，气体在气化炉 中大约滞留 3 O 秒 ，在这类气化炉 中，气体组成和热量辐射大概没有明显的变化，且辐射作 用被认为是均匀 的，由于气化炉中存在大量煤，这就解释了切 断气化介质以后，牧有进一步 发生反应的现象，在任何情况下，一旦气体出口温度降至低于 1 5 0 ℃时，就没有发生进一步 反应 的可 能性． 这些数据被用来验证移动床气化工艺的数学模型，该模型将用来计算气化炉的尺寸和预 测气化炉在不同煤种和不同操作参数下的性能． 石天宝译 自 I n d ． E n g 、 C h e m．Re s V o l 2 8 No 4 1 9 8 9 ． 沈余生校 一 1 2 中国科技论文在线