干煤粉加压气化技术的试验研究

第3期(总第112期)煤化工No. 3( Total No 1122004年6月Coal Chemical IndustryJun.2004干煤粉加压气化技术的试验研究①任永强1许世森2张东亮2夏军仓2朱鸿昌2郜时旺2(1.西安交通大学,西安710049;2.国电热工研究院,西安710032)摘要介绍了投煤量为10kg/h-20kg/h加压气流床气化小型试验工艺条件的选择,并给出采用华亭煤在气化压力1.5MPa,投干粉煤量1kg/h条件下取得的主要试验数据。试验煤气产率达到1.94m/kg,碳转化率96.9%,冷煤气效率78.5%,并列出相应的氧煤、汽耗。试验结果基本达到预期目的积累了干粉煤气流床气化数据,并提出今后中试时值得注意的问题。关键词煤气化气流床IGCC干法进料文章编号:1005-9598(2004)-03-001004中图分类号:TQ546.2文献标识码:A究成果,随后在山东黄县化肥厂推广应用(后停用)引言自80年代以来,干煤粉加压气化工艺几乎停滞不前。到了90年代后期,随着IGCC等洁净煤发电技术煤气化技术是燃煤联合循环发电、煤化工、煤制的推广应用,国电热工研究院建立了国内第一套干煤油过程中的核心技术。煤气化方式可分固定床、流化粉加压气化小型试验装置并进行了试验研究。该装置床和气流床三种。其中干煤粉加压氧气气化(气流的气化能力为10kg/h-20kg/h煤粉,压力为0.5Pa床)工艺具有煤种的适应性广、污染低、冷煤气效率及3.OMPa。研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉气碳转化率高等优点,适宜于开发单炉容量大的气化炉化状态下的气化数据库形成一套干煤粉加压气化评等特点2),代表了今后煤气化工艺技术的发展方向价方法,并在此基础上提出中试装置的技术设计。干法进料加压粉煤气化工艺的前身是常压K-T炉起源于德国 Koppers公司(1938年)。KT炉最大1干粉加压气化试验流程单炉投煤量为500t/d,主要用于生产合成氨,曾一度占国外煤基氨厂总产量90%以上。但由于碳转化率、干粉加压气化试验装置的工艺流程如图1所示。冷煤气效率均较低,氧、煤消耗较高,常压K-T炉逐步被加压操作的干粉炉所取代。20世纪70年代后期,相继开发的干煤粉加压气化炉型有 Shell- Koppers(原西德、荷兰合作)、 Shella/SCGP(荷兰)、 Prenflo(原化学软水西德)和GSP(原东德)。目前, Shell和 Prenflo气化炉的单炉出力都达到了2000t/d~2500t/d等级。取样口我国自20世纪60年代起就开展K-T炉的研究,去火炬1980年~1982年西北化工研究院进行过常压粉煤气化(仿K-T炉,1t/d)的试验研究,取得一些煤种的研自来水eo污水注:①“十五”国家高技术研究发展计划(863计划)资助课题(课题编号:2003AA522030)。煤粉仓2-变压仓3-加压仓4螺旋输送机收稿日期:20040301中国煤化工蒸汽发生器作者简介:任永强,男,1974年生,1997年毕业于北京科技10-电动往复泵大学,现为西安交通大学在职博士,主要研究气、固两相1CNMHG器14焦炭过滤器流煤气化和煤气净化技术。图1千煤粉加压气化试验流程示意图2004年6月任永强等:千煤粉加压气化技术的试验研究含水质量分数(1%、有85%的细度<200目的粉煤另一关键设备为燃烧器,是将煤粉(由№2夹带)储于常压煤粉仓,靠重力落人变压煤仓,变压仓用№2O2和水蒸气混合均匀并喷入气化炉的关键设备,其设充压,充到与加压仓压力相等或略大时,粉煤落入加计加工水平直接影响气化指标。本试验采用两流式压仓,用螺旋加料机定量送出,被N2吹送入气化炉。气流喷嘴,如图3所示。向火面水夹套端部材料选用试验用02经缓冲罐稳压后送往燃烧器外套管。化学 Incone600。由于煤粉以分散颗粒形态岀现,不需像软水经计量泵升压,在电加热器内蒸发成过热蒸汽,重油和水煤浆那样要进行雾化,但从燃烧角度考虑与氧气混合后进入燃烧器外套管。粉煤、氧气、水蒸气必须保证粉煤和气化剂混合良好,本设计气化剂喷出在燃烧器出口处着火并进行气流式火焰反应,生成以速度约20m/s,煤粉(由№2夹带)流出速度为8m/s,热C0和H2为主的粗合成气。气化炉排出的高温气体和态试验表明,选用这种设计参数是合理的。熔渣在气化炉内从上向下进入激冷室,被激冷环喷出的激冷水激冷后,熔渣迅速固化,工艺气被水饱和并由位于激冷室上部的煤气口引出,送往煤气净化系统;因为煤气中含有飞灰,经气液分离器用水进一步润湿洗涤,除尘、分离,除去残余的飞灰后将湿煤气分离出来,再经焦炭过滤器干燥、过滤,根据需要送到取样囗或排放大气。在激冷室生成的灰渣留在水池中定期排出炉外;黑水通过液位控制器自动排出界外。自来水用高压水泵升压后送往气化炉急冷室在干煤粉加压气化试验装置中,气化炉是一关键设备,其结构如图2所示。气化炉是内衬耐火材料的压力容器。它有一个钢制承压外壳,上部为燃烧室,炉内衬四层耐火材料。这1-煤粉(由N2夹带)人口2-氧气和水蒸气人口些耐火材料,用以保护气化炉壳体不受燃烧高温反应却水入口4冷却水出口的影响,向火面耐火材料一般选用高铬材料,以适应图3燃烧器结构示意图工艺过程对耐火材料的苛刻要求。燃烧室直接与激冷室相连,激冷环置于燃烧室下部,激冷水从激冷环喷2气化试验研究出,既激冷了高温介质,也保护了金属部件。激冷室下部为水浴,从燃烧室出来的煤气夹带熔渣经过激冷21试验方法环,被喷出的激冷水淬冷,熔渣凝结成固态渣,沉积在气化炉先用硅碳棒升温并恒温到1000℃,取出水池中。煤气通过激冷水室,由导气管通往煤气出口。硅碳棒装上喷嘴。然后送人由氮气夹带的煤粉,1秒2秒后送入氧气。在着火后送水蒸气。半小时后炉子升压至试验压力。稳定操作中采集数据(气相)、黑水。停炉后称重渣料,测定含碳量2.2气化试验原始参数2.2.1气化压力的选定气化压力选定为0.5Pa2.0MPa,从中选择几个最有代表性的点。压力测点设在气液分离器顶部,该处离反应区最近,最具有代表性(气化反应区不能直接测压)2.2.2煤质分析本装置第一个试验煤种为甘肃华亭煤,它具有灰熔融性温度低、灰粘度低、灰分低、挥发分中国煤化工煤种1-急冷水入口2-煤气和污水出口CNMHG液态排渣技术,3-喷嘴入口4-气化区5-水浴为使炉渣顺利排出,要求灰渣的粘度小于250Pa·s华图2气化炉结构示意图煤化工2004年第3期表1华亭煤煤质指标项目指标目指标指标10.69元素分析/Cm63.68低位发热量 Qnet d/MJ·kg37工业分析4.28高位发热量Qa/MJ·kg126.520.70灰熔融性温度/℃14.39l1900.521310亭煤的灰粘度-温度特性曲线如图4所示。在灰粘度为250Pa·s时,其对应温度为1310℃。100001700温度/℃图4煤灰粘度-温度特性曲线图23气化工艺条件选在试验中控制汽煤比为0.3:1(质量比)左右。在气2.3.1煤粉物性要求为保证煤粉输送顺利,必须化别的煤种时,如为低挥发分烟煤或褐煤时将相应调证煤粉的湿度和粒度在一定的范围内。本试验中要节这个比例。如为褐煤,将降低汽煤比;如为低挥发分粉含水质量百分数小于2%,要求粒度<100目、粒烟煤将适当提高汽煤比度<200目的占85%并且其中粒度<325目的占70%2.3.4人炉煤量综合供氧能力、气化炉容积等因2.3.2炉温为保证气化炉顺利排渣和求取较好的素,气化炉设计投煤量为10kg/h-20kg/h气化指标,气化炉应在高于灰熔融性温度下操作。根据夹带粉煤的氮气不宜过高,根据前述冷态输煤试国内外气流床气化操作经验,炉内温度应比灰渣流动验结果,每m3氮气夹带粉煤8kg-10kg,这与国外大型温度(Fη)高出80℃-100℃,或者控制熔渣粘度在250装置的15kg/m3还有较大差距,这是由试验规模太小Pa·s以下,根据图4粘温曲线和灰熔融性温度数据,华所决定的。亭煤的热态试验的操作温度控制在1350℃-1400℃。2.4数据采集及处理几次热态试验表明,在该炉温下操作可达到顺利排渣2中国煤化工和较为理想的气化指标。在投煤量、汽煤比基本不变2点是气流床瞬间反的情况下,调节入炉氧量来控制炉温。应CNMH当稳定,试验中用气2.3.3蒸汽煤比华亭煤是典型的烟煤(长焰煤),相色谱定期分析气体成分(CO2、O2、CO、H2、CH4、N2),2004年6月任永强等:干煤粉加压气化技术的试验研究HS和COS未作分析。2.4.1.2渣样停车后称重测定含水量渣中含碳3结果与讨论量,从而求得炉底渣中含碳量(或称碳损失)2.4.1.3污水样在运行中测量污水流量,取污水经过3年工作,干煤粉加压气化试验已基本达到样,停车后测定污水含尘(飞灰)量,飞灰含碳量,计了预期目标。工作中一些体会如下,供大家讨论。算出污水中碳损失。3.1千煤粉加压小试气化试验中,输煤系统是关键。2.4.2数据处理要注意煤粉的湿度,如果湿度较大,则容易发生架桥2.42.1煤气流量计因设计参数不准,加上流量太现象,从而发生断煤。同时要注意煤粉的粒度问题,由小,引压管堵塞等问题,流量指示明显不准,本试验于输送管较细,粒度过粗,则容易发生堵塞现象。如果用碳损失法间接计算煤气流量。是中试则可能不会发生输送管堵塞问题。2.42.2碳转化率根据碳损失计算:32由于该气化系统气化能力较小,导致一些问题碳转化率(%)=无法解决。气化炉较小,热损失较大,所以气化指标不入炉碳二渣中碳二污水中碳×100%是很理想。另外由于管道较细,所以一些流量计计量入炉碳不是很准,只能靠经验和理论计算来估算。在中试试2.4.2.3煤气量根据碳转化率和煤气含碳组分(CO2+验中,这些问题都可以解决。C0+CH4+00S)计算而得:3.3加压下螺旋输送器性能也有问题,特别是当粉碳转化率×入炉碳(kg)=煤气量(CO2+C0+CH4+Cs)×12煤含水量稍高,螺旋计量误差较大,导致试验数据波22.4动。建议中试取消这一设备,采用流态化(控制压差)0s因其量很少(106级),对试验数据影响较计量方式。小,式中忽略不计。3.4小试热损失大,试验时间又短(仅几小时),采2.5主要试验数据(气化压力15MPa,投煤量15kg/h)用热壁结构,中试应改为全水冷壁。煤气成分(体积分数):C026.2%,C055参考文献煤气产率:1.94m3/kg(干煤);[1]吴宗鑫,陈文颖以煤为主多元化的清洁能源战略[M碳转化率:96.9%;北京:清华大学出版社,2001.90-101.冷煤气效率(LH):78.5%;2]焦树建整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电(GC)比氧耗:312m3/1000m3(CO+H2);[M].北京:中国电力出版社,1996比煤耗1000m3(C0+H2);[3]张东亮,许世森.煤气化技术的发展及在1GCC中的应比汽耗:170kg/1000m3(CO+H2)。用[J.煤化T,2001,29(1):10-12.Test and Studies on Pressure Coal Gasification with Dry-feedRen Yongqiang Xu Shisen Zhang Dongliang Xia JuncaZhu Hongchang- Gao Shiwang(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;2. Thermal Power Research Institute of SPC, Xi'an 710032)Abstract This paper introduces the choices of trial test conditions for 10kg/h-20 kg/h pressurized entrained nowcoal gasifier, and shows the main test data with the operating pressure of 1.5 MPa and a feed of 15kg/h of pulverized drycoal. The test result shows that the coal gas productivity is 1.94 m/kg, the carbon conversion 96.9%, and the cold gasefficiency up to 78.5%. Besides, corresponding consumption of oxygen, coal and steam is listed. This result meets the anticipated target and adds up to the entrained now pulverized dry-fee中国煤化工re, e noticeableproblems for foreseeable pilot test are put forwardCNMHGKey words coal gasification, entrained flow, IGCC, dry-feed