流化床气化技术对煤质的要求

1462014年第37卷破在于采用了灰熔聚排渣技术。所谓灰熔聚指的980%左右，并通过高循环比来提高整体碳转化是在炉底中心有一个氧气或空气人口，该处由于率。合成气离开TRIG气化炉后,通过专门设计的氧气或空气的进入,形成局部的高温区,在这里灰高压蒸汽余热锅炉和高压蒸汽过热器进行余热回渣中未反应的碳进一步反应, 煤灰则在高温下开收 ,冷却至约370C,然后进人KBR专有的颗粒物始软化且相互粘结在一起，当熔渣的黏度和重量控制装置(PCD),脱除合成气内剩余的颗粒物。达到一.定的程度时灰球就会克服气流的阻力落人炉底,借助重量差异与半焦分离,极大地降低了排2气化原料的属 性对气化技术的影响灰的碳含量,大幅提高了碳转化率,拓展了流化床在工程设计过程中，原料属性的确定是非常的煤种适应性，是循环流化床气化技术发展史上重要的-一个环节,它决定了整个工程的工艺路线。的重要里程碑,灰熔聚技术使循环流化床气化炉对于煤化工项目来说，煤的种类跟各项属性是决的碳转化率提高到96%~98%。定项目各项性能和消耗的基础，决定了气化技术的选择,也是经济型评价的一一个重要因素。旋风分当8- ]A余热锅炉煤作为一种复杂的固体混合物，其组成和性图气质均非常复杂。煤气化相关的性质主要有煤的组缓冲斗气化炉锅炉给水成、发热量、反应活性、灰熔点、灰分组成、卤族元N:/CO2-t合成气:锁斗↓素和碱金属含量、热稳定性、渣的黏温特性、成浆气化剂N:/CO-高效旋风布袋除尘器/性、焦渣特征、可磨指数等。各种气化技术所能适输煤斗Y .陶瓷过滤器应的煤的性质范围不同，不存在一种气化技术可门实冷器 分离器领斗Q锁斗以适用于所有煤种，需要通过分析煤质对气化技术的影响来确定适用的煤种。灰仓口凸|输领斗.轮安只馆粉斗2.1煤种分类及工业分析和元素分析图1 U-Gas气化工艺流程21从大类上说,煤分褐煤、次烟煤、烟煤和无烟1.2 TRIG输运床气化技术煤,显然,如此简单的划分只能笼统的来区分所适TRIG输运床气化技术(也称之为KBR提升管用的气化技术。流化床气化技术通常适合反应活气化技术,见图2)是一种先进的循环流化床气化性高,年轻的褐煤或者次烟煤;质量好,热值高的技术,其机械设计和操作是基于KBR的流化催化烟煤和无烟煤,往往作为动力煤,国家规定不提倡裂化(FCC)技术,已有60多年的成功商业运行经作为气化技术用煤;内水含量较少的烟煤,如果成验.TRIC气化技术与传统的循环流化床相比,其浆性能高,往往是水煤浆气化的首选。固体循环速率和气体速度要快很多，提升管密度由于煤的复杂性和多样性，对于原料煤样的要高很多。因此具有较高的生产能力和碳转化率、定量分析是非常必要的，这就需要进行煤的工业混合均匀、传热和传质速率较高3。分析和元素分析。工业分析主要用以划分煤种,其合成气结果对应的是工厂操作和经济性能等宏观指标,旋风分离器力旋风分离器而元素分析的结果针对的是物料平衡的基础。对于所有气化技术来说进料煤水分和灰分过高都会降低气化效率，但由于流化床气化技术的操作温上升管度相对较低，进料水分只要满足物料输送要求即煤一料封立管可,进料灰分含量要求也较低。混合区因为工业分析和元素分析是大家熟知的基本氧气/空气/燕汽一料腿分析项目,在此就不展开讨论,下面将由此展开针粗灰L氧气/空气对性的讨论煤的其他属性对流化床气化技术的影图2 TRIC 气化炉3]响。通过控制人炉氧气和蒸汽的流量，可以有效2.2 煤半焦的CO2反应活性分析的限制碳在气化炉内的燃烧，将反应温度控制在煤半焦的CO2反应活性分析是反应煤活性的第3期郭森荣.流化床气化技术对煤质的要求147- -个重要参数，是流化床气化必需的一个分析报没有足够宽的温度操作范围，基本无法保证装置告.CO2反应活性需要参照CB/T 220- 2001《煤对的稳定长期运行,稍有不慎就会超温,影响炉内流二氧化碳化学反应性的测定方法》进行测定,反应化,造成结渣、堵渣,迫使气化炉停车。活性测量的不仅仅是点,而是各个点组成的曲线，上海焦化厂20世纪90年代引进的U_ -Gas气它模拟了气化反应中,CO2还原成co有效气体的化装置,之所以没有取得预计的成功,个人认为灰环境，反映了气化反应过程中半焦中的碳在不同熔聚的操作窗口窄，适用煤种少是其中一个重要温度下,将CO2还原成CO有效气体的能力。因素，所以后来的美国SES综合能源系统有限公流化床气化炉的反应温度一般低于灰熔点司在山东枣庄的气化示范工厂^采取的操作模式,100~150C,这就要求煤半焦的CO2反应活性必须彻底摒弃了灰熔聚的操作，操作温度维持在初始足够好,否则造成碳转化率偏低,气化性能很差,变性温度以下100~150C，现场运行稳定,且排渣各项经济指标也不好。因此，如果要选用流化床气残碳含量也不高。顶部飞灰由于旋风系统的效率化技术,褐煤和反应活性高的次烟煤是首选原料。以及飞灰循环再气化位置的选择问题,残碳含量2.3灰熔点和灰分组分分析偏高,但飞灰会进行收集并返回气化系统,使得整灰熔点的测定即煤灰的熔融性,在国内,习惯体的碳转化率不低。上用4个温度来衡量,即煤灰的初始变性温度、软2.4灰分中 卤族元素和碱金属化温度、半球温度，流动温度。煤种的卤族元素主要为Cl和F，碱金属主要煤的灰熔点一-般是指流动温度，它的高低与为Na和K,气化炉炉体金属材料的选择,及其下灰的化学组成密切相关。-般情况，灰分中氧化游的管线和设备的材质选择须考虑Cl和F的腐铁、氧化钙、氧化镁的含量越多,灰熔点越低;氧化蚀,特别是气化炉下游的设备和黑水管线,以及其硅、氧化铝含量越高,灰熔点愈高。但灰分不是以他高温、含高浓度卤族介质、呈酸性的介质管线，单独的物理混合形式存在，而是结晶成不同结构这部分管线可能需要选择耐氯离子的双相钢材的混合物,结晶结构不同灰熔点差异很大,不能以质,但这会大大增加设备和管道投资。此作为唯一的判别标准。通常采用酸碱比来粗略实际上在煤组分中特定组分,比如氯离子、碱判断煤种灰分熔融的难易程度4:酸碱比=(SiO2+金属离子对气化炉的运行以及气化炉设备的腐Al2O3)/ (Fe203+CaO+MgO)。蚀,在国外已经非常深人的进行了基础研究,只是灰熔点将决定气化炉操作的气化温度的选国内在引进技术的同时,很难将这些理论研究的取,现代TRIC输运床气化技术,由于采取干法排内容一并引进，德士古在20世纪80- -90 年代就渣,操作温度必须选在初始变形温度之下，是其温在工业化装置中研究了气化过程中的碱金属和氯度操作上限,同时结合前面所说的CO2反应曲线,离子的腐蚀问题，例如德士古气化炉炉壁都会堆选择合适的下限温度，以保证气化的性能和原料焊合金或者高镍合金。国内的多喷嘴对置式气化的转化效率，操作下限和上限的空间即为流化床.炉,在制造过程中,某些关键部位也都堆焊了高镍运行的温度空间。由此可见,流化床气化技术要求合金。煤种的初始变形温度不能太低，-般情况下高于对于流化床气化炉而言,也会面临相同问题,1000%,否则气化炉运行温度过低,会影响气化效需要在设计中注意卤族元素的含量。率,同时使合成气中焦油、酚类含量增加。2.4.1卤族元素和碱金属对流化床气化技术的影这里需要特别提一下灰熔聚气化技术,灰熔聚属于流化床气化技术，但是其灰熔聚和半焦循虽然碱金属均能够降低气化反应过程的活化环再气化技术使得其气化性能远高于普通流化床能,对煤气化起到催化作用,提高低温下煤的反应技术,也正是其灰熔聚技术的运用,大大限制了其速率[5]。但流化床气化技术,包括灰熔聚U-Cas以操作范围,在工业生产操作中,如果要实现灰熔聚及TRIC输运床气化技术,对灰分中碱金属的含量操作，操作温度必须控制在初始变形温度和软化是有限制的。国内外众多学者研究发现,碱金属氧温度之间，这就要求煤种的初始变形温度和软化化物和盐类在高温条件下可与SiO2发生反应,生温度的差距足够大,对煤种的要求非常苛刻,否则成低灰熔点的硅酸盐等共熔体，在灰颗粒表面生148大龟职2014年第37卷成熔融状态层,并不断吸附其他灰颗粒，进而发生建立了工业示范装置。通过分析气化原料的关键团聚,破坏流化床内的流化状态和温度分布,很容属性对流化床气化技术的影响,得出以下结论:流易产生局部高温和结渣,导致气化炉停车。因此大化床气化技术对原料中的水分和灰分含量要求不多数专利商出于安全和稳定运行的考虑，将碱金高,可气化高灰、高水的劣质煤;要求煤半焦的CO2属的含量定在2%以下,高于2%的情况,需要进行反应性高,灰熔点高于1000C,反应温度操作范评估和试验(67]。围尽量大;原料中的卤族元素含量尽量低;碱金属碱金属会导致流化床内床料的流化灰熔点大含量低于2%。幅度降低，远低于实验室通常所使用的灰锥法和当然，本文只是从煤种适应性角度对流化床马弗炉所测得的灰熔点，因为这种方法测得是静气化技术进行了分析,在煤质分析数据确认后,还态的灰熔点,而不是流化态灰熔点,美国CTI气体需要根据产品情况，对各种气化技术进行方案对技术研究院自己开发了一套可以测量流化态灰熔比,才能确定最终气化技术的选择。点的装置,最初这套装置就是专门为U-Gas研发参考文献服务的，这足以可见,引进吸收国外技术的同时,[1]亢万忠. 当前煤气化技术现状及发展趋势[].大氦肥,2012,对基础研究的补课是非常重要的。35<(1):1-6.2.4.2卤族元素和碱金属对废热锅炉的影响[2] Darid Mason, Jitendra Patel.Chemistry of Ash Agglomeration InThe U-Gas Process[J]. Fuel Processing Technology, 1980(3):碱金属元素在低于800C是以固态NaCl和181-206.KCl的形式存在,而在温度高于900C时,将以气[3] Siva Aniyapadi, Philip Shires, Manish Bhargava,et al. KBRS态NaCl和KCl方式溢出,并随着合成气进人气化Transport Gasifier (Trig)-An Adranced Gasifcaion Technolo-炉下游设备,其主要影响在废热锅炉,如果灰分中gy for SNG Production From Low Rank Coals[R]. Twenty-fth的碱金属含量过高，气体的碱金属化合物在废热Annual Intemational Pttburgh Coal ConferencePittsburgh,PA. 2008.锅炉将被降温固化,大量粘附在换热管壁上,轻则4] 戴爱军.煤灰成分对灰熔融性影响研究[J].洁净煤技术，增加换热管的污垢系数,造成传热效率下降,蒸汽2007 ,13(5):23-26.产量降低,废热锅炉出口温度超温,影响装置的长5] 卫小芳,黄戒介,房倚天,等.碱金属对褐煤气化反应性的影周期稳定运行,比较恶劣的情况,固化下来的碱金响[J].煤炭转化2007 ,30(4);38-42.属还会粘附合成气中夹带的粉尘，在换热管之间6] Davis, BM., 0L Davies, RF Leonard, et aL Casification of Low-Rank Coal at the PSDF[R]. Nineteenth Low Rank Coal Sympo-架桥,堵塞废热锅炉,造成跳车89)。sium. Billings , Montana.2004.至于碱金属的含量以多少为限，不同的技术7] Peng W w, Nelson M, Leonard R, et al. High-Sodium Lignite提供商规定略有不同,2%以下最佳,2%~4%范围Gasification with the PSDF Transport Gasifier[R]. Twenty-Sec-主要评估,超过4%,废热锅炉流程的气化技术基ond International Pitsburgh Coal Conference, Pttsburgh, PA.本无法实现长周期稳定运行。8] 陈安合,杨学民,林伟刚.生物质热解和气化过程Cl及碱金属逸出行为的化学热力学平衡分析[J].燃料化学学报，3结论与建议2007 ,35(5):539-547.流化床气化技术能直接气化高含水、含灰的9]肖军,段菁春,王 华,等.低温热解生物质与煤共燃的结高活性褐煤等劣质煤种,近几年发展比较迅速,已渣、积灰和磨损特征分析[J].能源工程.2003 ,3(1):9-13.COAL QUALITY REQUIREMENTIN FLUIDIZED BED GASIFICATION TECHNOLOGYGuo Senrong(SINOPEC Engineering Department, Beijing 100728)Abstract :Technical characteristic of fluidized bed gasification was introduced. Coal quality and its im-pact on fluidized bed gasification technology were analyzed from diferent aspects, such as coal casification,(下转第152页)152大氨配2014年第37 卷层的钢构件,其耐火极限不应低于1.5h, 因此结构烈度 区采用S/RC和S/SRC竖向混合框架支撑结.设计时要求防火材料必须满足耐火极限的要求。构具有最佳的经济性能及良好的抗震性能;在中石油化工企业的火灾多为烃类火灾，它不同于-一高抗震设防烈度区可以采用S/SRC结构和全钢结般的建筑火灾，在10min内火焰的温度就能达到构,优先采用S/SRC结构;在高抗震设防烈度区可1000C，因此在选用防火材料时应满足适合于烃以采用S/SRC结构和全钢结构,优先采用全钢结类火灾且耐火极限不应低于1.5h 的耐火保护材料。参考文献.[1]《钢结构结构设计 手册>编辑委员会著.钢结构设计手册[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,2004:4-6.4结论[2] CB 50010- -2010.混凝土结构设计规范[S].粉煤气化装置框架的结构选型首先要考虑工[3] JGJ 138- -2001. 型钢混凝土组合结构技术规程[S].艺布置、施工可行性、结构安全性及经济性,达到[4]吕西林,张 杰钢和混凝土竖向混合结构阻尼特性研究[J].工艺设计与结构设计、结构设计与施工组织的协土木工程学报.2012(3):20-26.调统一。通过三种不同材料组合的选型分析,对比[5] YB 9082- -2006. 钢骨混凝土结构设计规程[S].[6] CB 50017- -2003.钢结构设计规范[S].了全钢结构、S/SRC结构以及S/RC结构三种结构[7] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].方案，通过实际应用和研究表明在中低抗震设防[8] CB 50160- -2008. 石油化工企业设计防火设计规范[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 prac-tice, and compared the characteristics ，advantages and disadvantages of three different structure schemes,such 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 performance.Key words:pulverized coal gasification;plant framework ;structure model selection;material selection(上接第148页)industrial analysis, reactivity of semi -coke with CO2, content of halides and alkali metal, etc. The resultshows that fluidized 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: fuidized bed gasifcation ;coal quality;U-Gas ;TRIC gasification process欢迎投稿、欢迎订阅、欢迎刊登广告!