复合流化床煤气化工程分析

CFHI TECHNOLOGY热加工10.3969/j.issn.1673- 3355.2015.01.010复合流化床煤气化工程分析刘进亮'，赵运涛2摘要:通过对某公司燃气使用现状介绍，从技术、经济、环保、安全等诸多方面充分分析采用新型煤气化技术代替现有煤气发生炉的可行性。关键词:复合流化床;煤气化;示范工程;规划中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1673-3355 (2015) 01-0010-05Study on Compound Fluidized Bed for Coal Gasification Project Liu Jinliang, Zhao Y untaoAbstract: From the points of techical, economic, environment protection and safety views, the paper gives a full analysis onthe feasibility of the replacement of the existing gas generator by a new coal gasification technology in consideration of theKey words: compound fluidized bed; coal gasification; demonstration project; planning某公司自成立以来，一直由下属燃气分厂供2008年以前，该公司的燃气全部由自产煤气应热值为6.1 M.J/Nm2的煤气，该分厂所使用的煤供应，自2008年末开始引进天然气，主要供热处气发生炉采用第一代固定床煤气化技术，对原材理使用。目前在燃气使用上仍是两气并存的局面。料要求较高，生产效率低下，而选用先进工艺技按照今后若干年的发展战略，公司大型铸锻钢术新建-座煤气站，将有利于改善企业的燃气供件制造基地未来将达到年产优质钢水50万t、锻件应现状。而此次技术改造所采用的复合流化床煤24万t、铸件6万t的规模。因此，生产大型铸锻气化I艺是由国内某科研所自行研制并已通过国件时需要大量燃气来加热钢锭和锻件，或进行锻件家认定，具有独立知识产权的先进的煤气化技术。和铸件的热处理及钢水包和钢锭模的预热等。根据此外，利用本项技改项目成功运行的示范效应,近几年的统计，在当前产品结构和工艺条件下，燃该公司可利用自身装备制造优势与科研院所联合气消耗量与钢水产量成正比，经测算，在达到目标将该项技术向市场推广，并以此示范工程为跳板,生产规模时，年需33.5 M.J/Nm3热值的天然气2.88进入煤化工市场，拓展企业产品的领域。亿Nm? (折合6.3 MJNm3热值的煤气为15 亿Nm/a)。目前企业自产煤气存在两个问题:其一，原料1项目背景煤必须使用水洗、中块、弱粘性的烟煤，这在当前该公司的燃气分厂建成于1959年，由苏联设的市场环境下进行采购非常困难，而且价格还在不计，已经运行50多年，共有型号为3AII-13的混断升高，导致煤气成本不断上升;其二，生产过程合煤气发生炉20台。建厂初期，使用抚顺老虎台中产生的焦油渣和酚水会对环境造成严重污染，且煤矿的烟煤，煤气热值为6.1 M,J/Nm',后因该矿资不易治理。与煤气相比，天然气热值高，品质好，污染源枯竭，改用鹤岗峻德矿的烟煤，煤气热值只有少。只是目前企业和相关部门]的协议年供气量仅为5.8 M.J/Nm'。1.6亿Nm'，若按照达产需求计算，尚有1.28亿中国煤化工1.中国第- -重型 机械股份公司技术中心工程师，黑龙江齐齐哈尔1610002.一重集团大连设计研究院工程师，辽宁大连16600MHCNMHG2015年第1期(总163期)37yz. @ch.comFHI一重技术热加工Nm3缺口，且协议供气能否始终保证足量供应也存4技术分析在变数，按照惯例，当天然气供应紧张时首先应保证民用;其次，天然气的价格高于自产煤气约煤气化技术开发始于20世纪30年代，现已经20%~30%，且还有不断上涨的趋势，将增加大型形成了多种大规模煤气化工艺技术，世界上以煤为铸锻件生产成本，不利于产品的市场竞争。原料生产合成气或燃料气的工厂所采用的气化工艺基于以上情况，从保障燃气供应安全、满足环主要有固定床、流化床和气流床。主要工艺分类如保要求、降低燃气成本等因素出发,该公司决定采下:用先进工艺建设新型煤气站。固定床(固定床间歇气化,l 加压固定床连续气化碎煤加压气化2建设规模[高温温克勒化流化床(U-GAS气化!复合床粉煤气化、恩德炉气化按照测算结果当该公同生产基地达到规划产能艺(水煤浆气化时，需天然气2.88亿Nm2/a (33.5 MJNm)，其中气流床{Shell (SCGP)|GSP、航天炉2.48亿Nm'的天然气可用热值为6.1 M.J/Nm'的煤气替代，换算后年需煤气约15亿Nm'。由于企业各种煤气化工艺对原料煤的品质均有一定要目前燃气供应由天然气和自产煤气两部分组成，为求，经不同工艺处理后所得的煤气成分不同。同确保企业燃气供应安全，需综合考虑投人产出比等时，不同的气化工艺的能量转化效率，对环境的影因素，因此本规划方案内容为生产等量的新型煤气响程度等差别也很大。所以，在选择煤气化工艺以代替现有的自产煤气，年产新型煤气8亿Nm',时，需要综合考虑这些因素。即新型煤气站项目一期工程;若今后天然气价格持4.1 固定床气化技术续上涨，并明显超过新型煤气成本时，可考虑再建鲁奇炉是固定床煤气化技术的典型代表，由联设7亿Nm2/a的二期工程，这样可有效地降低企业邦德国鲁奇公司在上世纪30年代开发，属于第一的生产成本，保持稳定的产品价格和一定的市场竞代煤气化技术，技术成熟可靠，是目前世界上应用争能力。最普遍的煤气化技术，该工艺发展到现在更加成熟完善。其排渣方式有干法、熔聚、液态三种方式;3布局选址气化压力有低压、中压、高压三种。因鲁奇煤气化煤制燃气项目主要由备煤工段、气化工段、净技术得到广泛的应用，故积累起丰富的运行经验。化工段等生产工艺装置以及相配套的燃气压力能回其主要特点如下:收、空压等辅助生产和公用工程设施组成。其中煤(1) 技术工艺成熟可靠，投资省,建设工期气化工艺是项目的核心，本方案通过对煤气化技术短。重点对比分析，并围绕所采用的核心技术优化相关(2)适应的煤种广、气化强度大、气化效率配套装置。高、粗煤气无需再加压即可远距离输送。项目厂址规划在生产基地厂区内，与基地生产(3)对原料要求较高(对 原料煤的粒度、粘结设施相邻，但远离居民区。整体布局按具体工艺流性等指标都有一定的要求)，气化压力低，生产能程由东向西布置，东侧为原燃料的进厂渠道，经过力小，能耗高。备煤干燥后原料煤被送进气化炉，气化产生的粗煤(4) 粗煤气中含焦油、酚等成分，对环境污染气经净化后进人现有厂区煤气管网供各个煤气用户严重，且所需废水处理系统庞大。使用。因此，随着煤气化技术的发展，生产规模的大原料场、旋风除尘等存在污染源的功能区域结型化和环境保护要求的愈加严格，固定床技术将被合当地气候及地理环境布置在下风口,以减少对周逐渐淘汰。边环境的污染，整个平面布局按工艺流程结合实际4.2流化床气化技术场地情况进行设计，在尽量减少物流周转环节，降以恩德炉;中国煤化到用流态化技低生产运行成本的前提下，保证生产操作流程运行术，借助气化三气)的吹人,顺畅。YHCNMH G382015年第1期(总163期)CFHIyzijsecthi.comCFHI TECHNOLOGY热加工使床层中的煤粒沸腾起来，在燃烧产生的高温条件含焦油、酚等污染物，经过处理后可以排放。下，使气固两相充分混合接触，发生碳的还原反(4)原料煤的干燥、磨制粉煤和加压输送是一应，最终实现煤的气化;同时，根据射流原理，在套复杂、庞大的系统，投资及动能消耗高;适用于流化床底部设计出灰团聚分离装置，在床内形成局大型IGCC电站或大型化肥生产。部高温区，促成灰渣的团聚，并借助重量的差异将4.4复合流化床加压气化技术灰渣和煤粒分离开，在非结渣的情况下，能连续且该项气化技术是将流化床和气流床两类气化技有选择地排出低碳量的灰渣。其技术特点为:(1)煤种适应性广，可使用冶金焦、瘦煤、烟术的优势结合在一-起组合而成的新技术，其中流化煤、无烟煤、长焰煤、气煤、褐煤等。床气化部分是利用其流态化技术优势，借助气化剂(2)气化压力为常压，但其气化强度大，操作(空气、氧气、水蒸汽)的吹人，使床层中的煤粒弹性大，启停车方便，炉内无运转设备,维修工作沸腾起来，在燃烧产生的高温条件下，气固两相充分混合接触，发生碳的还原反应，实现煤的气化，(3)工艺流程短，设备结构简单，可全部国产同时由流化床底部的灰团聚分离装置，促成灰渣团聚，借助重量的差异达到灰渣和煤粒的分离;在此化，且投资省，建设周期短，见效快。(4)因煤粒在床层中作强烈的湍动，由气体带基础上为减少因流化床所带出的飞灰(即二级旋风出的细粉多，导致除尘系统较为复杂;同时，设备带出的细粉)造成的碳损失，再利用气流床高温气化技术将带出的飞灰进一步燃烧和气化， 从而使复也易磨损，要求设备材质要耐磨。合流化床煤气化后，碳的利用率较流化床有所提高4.3气流床气化技术(见表1)。分为以壳牌、GSP、航天炉等为代表的气流床4.5煤气化工艺的确定技术和以德古士、多喷嘴为代表的水煤浆气流床技术。气流床气化工艺是在高温、加压条件下进行鲁奇固定床、复合流化床、水煤浆气流床工艺的，煤粉、氧气及少量蒸汽在加压条件下流进入气都是技术先进的煤气化工艺。在原料的适合性方化炉内，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱面，鲁奇工艺、复合床工艺对项目所使用的原煤均除、裂解、燃烧及转化等一- 系列物理和化学过程。有很好的适合性，其中复合床工艺使用的粉煤较鲁其主要特点:奇工艺使用的块煤更易得且价廉;且与该公司相临(1)煤种适应性较强，碳转化率高，煤气有效地区有大量的褐煤储量，原料价格低、供应方便。气含量高(CO+H2)>84%， 煤气中不含甲烷和其他在产品气的品质(燃气热值)要求方面，复合床富烃类氧气化工艺调节手段也非常简便有效，因此，最终(2)气化压力范围在2.5~6.5 MPa之间。而且决定采用复合流化床加压技术(见图1)。提高气化压力，将有效缩小设备体积，有利于降低5经济分析能耗。(3)气化炉高温排出的融渣，经冷却粒化后,根据企业近几年能源使用情况，测算新型煤气性质稳定，可作水泥等建筑材料，排出的废水中不站生产热值为6.1 MJ/Nm2的煤气成本为0.365 元表1三种煤气化工艺比较表气化单炉100Nm碳转冷煤气有效气总热操作最大有效气支术建厂工艺名称气化工艺适用煤种压力温度投煤量耗氧量化率效率含量效率弹性成熟度投资(MPa)(C(%) (%) (%(%) (%)(t/d)(Nm)Lurgi块固定床、褐煤、次烟煤、2.1-3.0 900-1100 1000-1300270-350 88~95 65-75 ~65 80~-90 30-110成熟较高煤气化固态排渣无烟煤等复合床流化流化床、褐煤、 次烟煤、床气化 固态排渣烟煤、油渣等0.5~1.0 950-1100 300-500 280-350 93~96 68~-75 ~70 >90% 70-110 成熟较低气流床液次烟煤、 烟煤、中国煤化工水煤浆气化4.0-6.5 1400~1600 2000380-430 96成熟较高态排渣油渣等:MYHCNM HG_2015年第1期(总163期)39yz. @ch.comFHI一重技术热加工原煤卤20198|3N21循环水|同切图日空气灰渣洗涤水1-平衡斗; 2-进煤斗; 3-流化床气化炉; 4-气流床; 5-上渣斗; 6- -下渣斗; 7- -- -级旋风分离器; 8- : 二级旋风分离器; 9-二旋细粉罐; 10- 二旋细粉输送罐: 11- 空气分气缸; 12- 氧气分气缸; 13- 蒸汽分气缸; 14- -氮气分气缸; 15- 细粉收集罐; 16- 细粉上料罐; 17- 细粉平衡罐; 18- 细粉进料输送罐; 19- 废热锅炉; 20-汽包; 21-蒸汽过热器; 22- 脱氧水预热器; 23- 水洗塔; 24- 闪蒸塔; 25- 汽水分离器; 26- 脱硫塔。图1复合床工艺流程简图(副产蒸汽回收利用后为0.343元)。将之与现有煤表2产品成本费用比较气和天然气的成本进行对比(见表2)。燃气热值全成本当量成本气源折算系数按年用气量8亿Nm2计算，新型煤气与现有(MJ/Nm)(元/Nm?)(元/Nm)煤气成本相比，当副产品的蒸汽不回收时，每年可新建项目.31.0000.3650.343①0.343节约费用:燃气分厂0.9710.3920.404(0.404-0.365 )元/Nm2x8亿Nm'=3 120万元当副产品蒸汽回收时，每年节约的费用:天然气33.55.333.40.45(0.404-0.343 )元/Nm'x8亿Nm'=4 880万元注:①副产品蒸汽回收。按产品燃气的价格为0.343元/Nm'，硫磺的价装置;而对于由脱盐水系统、本项目循环水系统以格为500元/t，蒸汽为100元/t，项目总投资为及废热锅炉排出的清净废水，由项目设置的回用水37251万元计算，约8~10年即可收回投资(包括处理装置(反渗透处理)回收部分去补充脱盐水，建设期2年)。剩余浓盐水直接排放或送蒸发池蒸发处理。此外,该项目还设置有故障事故池，将发生生产故障、事6环境保护分析故时产生的废水先收集在事故池内，再根据生化处理装置运行情况连续或间歇地送去处理。与现有燃气分厂生产条件相比，新型煤气站的新项目产生的灰粉和灰渣可作为添加燃料送电煤气化工艺在生产过程中不会产生酚水、焦油渣等厂或建材厂(制砖、制水泥)进行综合利用。对环境存在影响的污染物。因此，该煤气化项目的污水可分为工艺废水、7风险分析生活污水、清净废水以及由于故障或事故产生的废水，采用分级分质方式处理。其中，气化工艺产生(1)市场风险的废水经与气化装置配套的废水处理装置初步处理本项目是中国煤化工的燃气生产后送总厂生化处理装置;生活污水送总厂生化处理项目，专供铸MYHCN M H a燃气需求稳402015年第1期(总163期)CFHIyz.5@cthi.com热加工CFHI TECHNOLOGY定可靠，因此项目产品基本无市场风险。的适合性，该工艺以其对原料的适应力强、投资(2)资源风险小、环境友好等特点在煤制合成气或燃气生产领域项目所用原煤的主要供应商的煤炭储备丰富，有着非常巨大的应用前景。随着本项目的实施，复能够充分满足项目的需求。合床煤气化工艺将进一-步完善， 其工业化应用条件(3)技术风险将更加成熟可靠。本项目的关键技术是煤的气化技术。该项目所(2)三 废排放符合环保要求。采用的复合流化床煤气化工艺技术，在国内已有类本项目工艺技术采取了对粗煤气气体净化处理似生产运行装置，从运行情况来看处于工业化完善及回收硫磺等辅助措施;对污水生化处理、回用水阶段处理等技术方案;并且视废渣的用途采取了临时堆(4)资金风险放或综合利用的方法。工厂排出的废气、废水和废本项目总投人资金约3.8亿元人民币，该企业渣均达到环保标准要求。作为中央直属企业，同时该项目符合国家首台(3) 项目在经济上是可行的。(套)重大技术装备试验、示范项目要求，因此作本项目总投资为3.73亿元，其中固定资产投为示范工程可以申请国家给予资金方面的支持，所资为3.53亿元，流动资金为0.20亿元。本项目采以资金风险较小。用预期的燃气产品出厂价进行技术经济评估。评估(5) 政策风险的结果为，项目建成并实现满负荷运行后，按照目本项目产品为清洁的能源燃料，采用的工艺方前的褐煤、天然气和现有燃气厂的运行成本计算，案有完善的环保设施，项目有良好的环境效益和经每年可节约成本8000多万元(较天然气)或5000济效益，排放的污染物能满足国家的有关环保要多万元(较现有燃气厂)，经济效益还是十分明显求，符合国家的产业政策。的。本项目符合国家产业政策，能取得明显的经济8结语效益和社会效益。同时，企业依托自身装备制造优在综合本文分析的基础上，笔者认为复合流化势，建设复合流化床技术应用示范工程，联合拥有床加压气化技术为该企业能够具体实施新建煤气站该技术产权的科研院所共同推广此项技术，以此为项目，所需的以下三个基本条件提供了技术保证:契机进入煤化工行业，拓展企业产品领域,提高市场竞争能力。(1) 技术先进、适合。该项目的关键技术是煤的气化技术。从原料供因此，本文笔者认为该复合流化床加压气化煤应的可靠性和经济性、燃气品质的适合性以及煤气气站的实施方案是能够实现提高企业煤气产能，降化工艺对环境的影响情况等分析，复合床煤气化工低企业生产成本，提高企业铸锻产品市场竞争力的艺是我国自主研发的先进的煤气化技术，有着很好收稿日期: 2015-02-05预期目标。eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee(上接第50页)塑性模型可以表示为e'"=σf(2-f )[5] Fischer F D, Sun Q P, Tanaka K. 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