热风加压煤气化工艺的开发与应用

Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY39热风加压煤气化工艺的开发与应用冯娜夏德宏余涛侯英武(北京科技大学)(张家口市新工业技术开发有限公司)摘要针对固定床煤制气工艺中煤气热值低、气化强度低等固有的问题,研制开发了热风加压煤气化工艺,并成功地进行了工业应用。煤气发生炉应用热风加压煤制气工艺,提高了煤气发生炉的生产率和煤气热值,同时也解决了炉内高温结渣及焦油堵塞的问题,取得了显著的经济效益。关键词热风煤气化气化炉固定床The development and application of a new coal gasificationprocess with pressured and preheated airFeng Na Xia Dehong Yu Tao( University of Science and Technology Beijing )Hou Yingwu( Zhangjiakou new Industrial Technology Development Co. , Ltd)Abstract There are some problems in the fixed bed gasifier ，such as low heat value of gas and lowgasification intensity. Aimed at these problems ,a new gasification process with pressurized and pre-heated air has been developed and put into practice successfully. With the application of this newgasification technology，the gasification productivity has been intensified and the heat value of gas canbe increased. Meanwhile , clinker and tar jam can be sovled by improved configuration of gasifier andcontrolled operation. This gasifier is good for economic benefit.Keywords preheated air coal gasification gas generator fixed bed新技术、新工艺,使煤炭资源的使用从真正意义1前言上实现清洁与高效。本文将煤气化的理论与生产煤气化技术在我国已有几十年的历史。在冶实践结合起来,开发了热风加压煤制气工艺,并金、化工、建材等行业的各种窑炉上都有许多成将其应用于轧钢行业作为供热设施, 取得了显著功的应用范例。20 世纪中叶以后,国外发达国的经济效益。家很注重煤气化技术的研究,开发出了流化床的2固定床煤气化工艺U一gas法和气流床的Shell、Texaco 法等比较先进的煤气化工艺,代表着煤气化可持续发展的方中国煤化工粘结性烟煤、无烟煤向。目前,在我国的气化炉中,固定床气化炉占或MHCN MH G毕气和水蒸气的混合物80%~90%1。固定床煤气发生炉普遍存在制作为气化剂,炉内的煤料与气化剂逆流接触,煤气热值低、气化强度低等问题 ,因此应积极开发料在气化炉内从上到下大致分为干燥层、干馏层、还原层、氧化层及灰渣层(2)。气化剂在灰收稿日期2006 -07-21冯娜< 19月方数狈士生100083北京 市海淀区。渣层中不发生化学反应,仅与灰渣进行热交换,冶金能源Vol.26 No. 140ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007气化剂经过此层吸收炉渣显热被预热,灰渣则冷提高对其反应速率的提高影响巨大。却后排出。在氧化层主要发生碳的燃烧反应，燃( 1 )温度与反应生成物组成的关系烧反应速率快且不可逆,处于扩散控制状态。其从发生炉的反应机理可知:氧化层的温度越反应速率受气流速率的控制,气流速率越快,反高,则还原层的温度越高,还原层的反应时间越应速率就越快,为气化反应过程提供热量,反应短,反应进行得越完全。但是,由于受煤灰熔点方程式为:的约束,氧化层的温度并不能无限提高。因而,C+O2- +CO2 + 406.4kJ/mol(1)将氧化层的温度控制在略低于灰熔点时,发生炉在还原层主要发生二氧化碳还原和水蒸气气.可达到最佳的反应状态。二氧化碳还原反应是强化等气-固相反应,同时还进行平衡反应与甲烷吸热反应,它要通过不断得到热量才能提高其正化等气相反应,使热量得到相应的补充。气化剂反应的完全性。经过还原层之后，气体中的CO和H2含量迅速参加气化反应的蒸汽在一定温度条件 下会分升高,水蒸汽含量迅速下降,主要反应式为:解成可燃气体CO和H2,可是在低温操作状态C+CO2-→2CO- 162. 4kJ/mol(2)下分解率很低,通常只有35%左右。因此提高C+ H2O >CO+ H2 - 118. 8k]/mol(3)反应温度对蒸汽分解是非常有利的。当温度达到C+ 2H2O→CO2 + 2H2 - 73.5kJ/mol(4)1000C时化学反应趋于不可逆状态,在升温幅度CO+ H2O→CO2 + H2 + 43.6kJ/mol(5)较小时,生成CO2 +2H2的反应速率大;当温度C+ 2H2-→>CH4 + 74.84kJ/mol(6)达到1300C以上时,生成CO+H2的反应速率进入气化炉的煤料首先在干燥层吸收上升气非常快(3。而生成的CO+ H2的总热量大于2H2流中的显热而脱水干燥,干燥后的煤料温度进一的热值,并且减少了CO2带走的物理热。因此,步升高,在干馏层发生热解反应而逸出煤中挥发提高炉温有助于生成较多的CO和H2.进而提物,被析出的挥发物有时还会发生裂解和聚合反高煤气热值。应,生成高度粘稠并富含残碳的焦油,以雾状物(2)温度与反应速率的关系的形式夹带于生成气体中, -起从气化炉引出。气化炉中所使用的燃料为-多孔介质物料,其中CO2的还原反应(2)和水蒸气分解(3)其反应主要在孔内表面进行,因此整个反应可设(4)是处于化学反应动力区的吸热反应,燃烧温想由以下步骤组成4):度越高,正反应速率就越快,产生的CO和H2①气体反应剂从主流经气膜扩散到固体外表就越多。平衡反应(5)在-定的气体组成和温.面;度条件下控制出炉气体成分,甲烷化反应(6)②气体反应剂经孔内扩散到固体内表面;是在压力作用下活跃的反应。同时,随着压力的③气体反应剂与固体在内表面进行反应;增加也使炉内气化强度加大。因此,炉内的反应④气体产物由孔内扩散到固体外表面;温度和反应压力是决定煤气化过程优劣的两个主⑤气体产物由固体外表面扩散到气相主流。要因素。上述各步的速率往往差别很大,总速率取决于速率最慢的阶段。随着温度的增加,化学反应3温度和压力对煤制气工 艺的影响速率也增加。当温度上升到一定值后,反应速率3.1 温度对煤制气工艺的影响变化减慢,反应受扩散的影响加大。煤气中有效成分(CO+ H2 )的含量主要取随着反应温度的提高,反应速率快速地增决于CO2的还原反应和水蒸气分解反应在一-定加中国煤化工,不仅能改善煤气质炉温下进行的状况。从热力学角度分析,这两项量HCNMH G气量。炉内气化反应反应均为吸热反应,炉温的提高,有利于CO和温度的高低，对CO2的还原率起着至关重要的H2平衡浓度的增加。从动力学角度分析,在通作用。在高温下,不到10秒的时间CO2的还原常的发生炉操作温度下，上述两反应的反应速率率可达到95%以上,但是由于煤气炉内的温度均处于动历孕范围即在低温操作区,因而炉温的带分布并不均匀，为一抛物线形态{5]。因此,Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY41为了使还原反应进行完全, 应在确保不熔渣的情冷空气的预热可以采取余热回收的方式。余热利况下,尽可能提高燃烧温度,使反应成为扩散制用闭环系统流程如图1所示:约反应。(2)提高炉底鼓风压力3.2压力对煤制气工艺的影响常压煤气发生炉的炉出气压力一般在1kPa( 1 )压力与反应生成物组成的关系左右,采用热风加压煤制气工艺进入炉内的风量甲烷主要是由煤经干馏而产生的。在煤的干比普通煤气炉多,煤气发生炉内压力损失较大,馏过程中热裂解造成断链而产生碳氢化合物，年必须改变鼓风机型号,增加输出压力以克服这部烷的热值可达35. 881MJ/m'。甲烷化反应属于分增加的压损,满足出炉煤气压力达到3kPa以体积缩小的反应,但是在煤气炉内反应趋近于大上。气压,对于反应后要缩小体积的化学反应很难进(3 )增加防结渣装置行,所以甲烷生成量少,只有1.5%~ 2.0%(21。料层在炉内变化过程中的最高温度,根据煤如果把煤气炉压力从通常的1.0~1.2kPa提高到质不同一般情况低于灰熔点100C，但在实际操3.0kPa以上,甲烷含量可以增加到2.5% ~作中,即便在很保守的温度下燃烧,如果入炉煤3.2% , 这也是增加煤气热值的一个有效途径。种更换或操作稍有不当,燃烧温度就会迅速超过(2)压力与气化强度的关系灰熔点,炉内均布的煤粒因此而软化、粘结,结固定床煤气发生炉的操作压力-般均维持在成坚硬的大块,堵住向上的气流，继而造成偏微正压,炉出压力控制在1kPa以下, 但是越来炉、烧穿、冒火现象,这是司炉工作非常头痛的越多的气化炉向加压的方向发展。例如,新一代事情,轻时用钢钎加大锤打碎,严重时只好被迫的鲁南炉和鲁尔100型炉的操作压力高达停炉。9.8MPao气化压力的提高,可使反应气化的密虽然应用热风技术的高温燃烧更趋近于灰熔度增加，反应速率加快,从而大大提高炉内的气点温度,但是炉内结渣现象的根本原因是操作中化强度,常压气化炉的气化强度通常为150~不能有效的控制炉况。据此,设计出了-套防结300kg/ ( m?h),而加压气化炉的气化强度达到渣装置,在炉况出现异常情况时,比如煤种变换了850~ 1500kg/ ( m2h$6。因此,提高气化压和开停车时,通过温度反馈系统向燃烧段吹入蒸力其生产能力也就相应提高,气化强度增加。另汽使燃烧段温度稳定地保持在灰熔点以下，使煤外,由于加压气化条件下气体运动线速率下降，气发 生炉在高温状态下经济安全的运行,实现高反应气体与煤料的接触时间延长,会使煤气中的产低耗。带出物减少,气化效率提高,气化强度加大。(4)设计专用炉箅由以上分析可知,炉内温度和压力是影响煤炉箅是煤气炉实现稳产高产的关键,它要求的气化强度和煤气成分的主要因素。因此,提高通风面积能适应生产负荷的提高, 破渣排渣能力操作温度和操作压力,是提高煤气产量与煤气质强，破渣筋耐磨损,气化剂分布均匀。量的首要方法。专用炉箅的炉底中心孔设计为渐扩管段式入口结构，以利于气化剂在炉箅内的分布;改进常4工业设计与措施规流道设计结构,保证具有足够的流道面积,阻(1)利用余热提高鼓风温度大多数煤气发生炉属低温操作,炉内的操作热煤气险小鲤加热炉中国煤化工温度在生产实践中为900~ 1200C ,其炉出温度热烟气-般控制在450~ 550C左右,这也是大多数混.MHCNMHG_合煤气发生炉煤气质量差、气化强度低的根本原物理热热交换器。 物理热因。为提高炉内温度,可以在保证炉内不结渣的水蒸气前提下预热冷空气,将燃烧温度提高到1250~图1余热利用 闭环系统流程图1280C,使氧花摆的燃烧温度趋近煤的灰熔点。冶金能源Vol.26 No. 142ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007力适当,不易堵塞,带出物少;炉箅增加分布器表1固定床煤气炉料层厚度与蒸汽分解率数量,以改善气化剂的流体特性,确保各流层流煤层厚度/mm100015002000道气体的合理分布;同时在易磨损部位增加肋蒸汽分解率/%35268筋,增加炉箅的耐热、抗磨性能,提高高温下炉箅的使，用寿命。600C以上,并要求温度变化幅度小，这样煤气(5)改进除渣系统成分才稳定,并且在较高温度下有利于煤焦油的煤气发生炉内温度带分布呈抛物线型,尤其.流动。在生产操作中期望炉出温度趋于一条水平在接近峰值处更易局部结渣熔结。影响煤的结渣直线,因此当煤气炉在不同负荷下操作时,要求性的因素较多, 除与煤的灰熔点、灰粘度、矿物煤粒都能稳定持续的均匀加入炉内。热风加压煤质含量多少有关,还与矿物质的组成有关。针对气炉增加了炉底风压,造成炉内空层气压的大幅煤气发生炉的煤质特性,加宽加高了排灰口, 并度提高,这也要求开发适合这种制气工艺的加煤优化了主、辅灰犁曲线设计,使除灰过程进行顺装置。利,炉内灰渣连续可靠排出。.针对这两点开发了-种新型的加煤装置,三(6)加高炉体结构级密封气缸联动,利用PLC对产气量、加煤量、应用热风加压煤气化技术,炉内气化强度比料层高度、排灰量等参数进行综合控制,并根据常规煤气发生炉提高30%以上,因此需要增加发生炉的负荷确定加煤量,加煤量可以通过煤锁炉内料层厚度,加大高径比。炉内燃料层加厚的自动开启时间来进行调节,并在加煤的同时不后,煤的蓄热能力加强,能充分吸收上升煤气带断排灰,以保持发生炉内料位的相对稳定。来的大量显热,并使蒸汽和碳的接触时间加长,5工业应用与结果提高了蒸汽分解率(见表1 )。炉膛高度增加后,生产中气化剂沿床层分布均匀, 在高负荷操作下河北永年某轧钢厂原有3台固定床混合煤气生产稳定,没有吹翻、吹凹、漏炭现象,操作中发生炉生产热脏煤气,为轧钢连续加热炉提供燃增加了生产负荷的弹性调节,避免在气化强度加料,煤气质量很差,管道堵塞严重。应用热风加大后,煤层太薄而使氧化层上移或外露,缺乏足压煤气化工艺对其成功改造后一直稳定运行。够的碳参与还原反应,使大量的热以热气流的物(1)该轧钢厂常年使用山西大同煤为气化煤理热形式输出。种,改造前后煤气出炉温度及组成如表2。(7 )优化加煤装置使用相同煤种, 不同煤气化工艺的结果表.加煤量是控制发生炉煤气出口温度的主要因明,改造后的煤气发生炉,由于提高了炉内反应素,热风加压煤气化工艺要求煤气出口温度达到温度和出炉温度，气化反应快速且完全,空层处表2煤气出炉温 度及组成煤气成分/%COHCH4CO2N2等煤气热值/k} m-3煤气出炉温度/C改造前2411.66.653.85114520改造后3016.52.53.7552. 7:6470630-氧化碳变换反应也很慢,因此生成的二氧化碳此燃烧反应进行的相对完全, 炉内气化温度、煤量少,煤气中CO、H2比值大，热值显著提高，中国煤化工幅度提高,相比原来同时也使碳的转化率、热效率大大提高。TYHCNMHG(2 )炉体压力加大后,炉内料层相应增厚,表3改造前后煤气发生炉的气化强度气化强度大幅度增加,表3为改造前后煤气发生按燃料重量/kx( m2h)1按气体产量/m( m2h) 1炉气化强度对比表。2568453751238(3 )盱煤氧发生炉的炉内操作温度高,因Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY43制气设备,产生的焦油不仅密度小、粘度低,而度地提高了煤气发生炉的煤气产量、气化效率,且灰分和杂质含量也较少,明显优于普通煤气发更主要的是增加了煤气热值,同时也解决了炉内生炉气化所产生重质焦油。保持出炉煤气的高温高温结渣及焦油堵塞管路阀门问题。在生产实践状态是必要的,当出炉温度大于600C时,可以中,煤气炉达到了稳产、高产、低耗等符合现代保证焦油从煤中析出完全并呈雾状与煤气混成一生产的目的。体参与燃烧,增加煤气的热值,也解决了长期以参考文献来因焦油低温沉淀堵塞管道和烧嘴而带来的停产检修等工作。1陈家仁,董耀.国内外煤炭气化的动向与中国特色(4)应用热风加压气化工艺操作的煤气炉,的洁净煤技术.工厂动力, 2003 ,(3): 33~40应用在该厂年产60万吨轧钢连续加热炉,炉子2寇公.煤炭气化工程.北京:机械工业出版社,1992.3中华人民共和国机械工业部编. 发生炉煤气的生产的工况指标如表4。原理与使用.北京:科学普及出版社, 19856结论4项友谦.固定床煤气化过程的数学模型.煤化工,1999 ,(3): 8~11煤气发生炉应用热风加压煤制气工艺,大幅Predrag T. RAdulovic ,M. Usman Ghani ,L. DouglasSmoot. An improved model for fixed bed coal combus-表4改造前后工况指标对比tion and gasification. Fuel ,1995 (4 )582 ~ 594工况指标钢坯氧化烧损可比单位能耗 烟气排放温度6步学朋.煤加压气化技术的研究开发.煤化工，改造前2.0% -2.5% - 3000MJ/t~ 450C2004 ,( 10): 44~48改造后.<1.5%. 2000M]/t< 250C张长保编辑(上接第30页)250200镁碳砖650m号150f色100/镆碳砖200mm50p-0203405石棉板厚度/mm图4炉壳等效应力随石 棉板厚度的变化中国煤化工.MYHCNMHG手册.北京:冶金工业出1杨治立,朱光俊,赵宏伟等.转炉有效石棉板厚度版社,1991:58的计算.冶金能源, 2005 ,24(2):50~524杨世铭.传热学基础(第2版) .北京:高等教育出2钱之荣,范广举.耐火材料实用手册.北京:冶金工版社, 2003 : 200~ 204万雪编辑