煤热解多联产技术述评

第48卷第6期化肥设计Dec.20102010年12月Chemical Fertilizer Design煤热解多联产技术述评张宗飞,任敬,李泽海陈钢(中国五环工程有限公司湖北武汉430223)摘要:集燃烧和热解工艺于一体的煤热解多联产技术是我国煤资源的有效利用方式之一。介绍了煤热解多联产技术的工作原理;论述并对比了以流化床、移动床、焦热載体为热解基础的煤热解多联产典型工艺技术特点;指出煤热解多联产工艺技术更适合于挥发性高的低阶煤种,该技术已建有小型工业化生产示范装置,具备商业化生产应用的技术基础。关键词:多联产;煤热解;循环流化床;固体热栽体中图分类号:TQ530.2文献标识码:A文章编号:1004-8901(2010)06-0011-06General Description for Coal Pyrolysis Poly-Generation TechnologyZHANG Zong-fei, REN Jing, LI Zehai, CHEN GangChina Wuhuan Engineering Company Lud, Wuhan Hubei 430223 China)Abstract: Coal pyrolysis poly-generation technology integrating combustion into pyrolysis process was the one of effective utilization types of coalsource in China, Author has introduced the working principle of the coal pyrolysis poly-generation technology has discussed and compared the typicalprocess technology features of coal pyrolysis poly generation taking the coke heat carrier in circular fluidized bed and transportable bed as basis of pyrolysis: it is indicated that the coal pyrolysis poly-generation process technology is more suitable for the low grade coal kind of high volatility; small-sizedindustrialized and demonstrative production plant has been built using this technology, which has technical basis of commercialized production applicationKey words: poly-generation; coal pyrolysis; ciretbed: solid heat camer我国是一个以煤炭为主要能源资源的国家,在工艺作为一个系统来考虑,即煤的多联产系统,从今后很长一段时间内这种状况不会改变。由于煤整体利用效率的角度来提高煤炭资源利用率,则可在生产和利用过程中会产生大量的SOx、NOx、细颗以更好地解决所面临的资源与环境问题34。粒物、重金属和CO2,对环境的影响21较大。近年煤的多联产技术是以煤炭资源合理利用为前来,在我国内蒙、新疆等地连续发现了大规模煤田,提,在相关技术发展水平基础上,以煤炭资源的利主要以低阶煤为主(褐煤占绝大多数),如何在有效用价值、利用过程效率、经济效益以及环境污染等利用这些资源的同时最大限度地减轻对环境的污作为综合月标函数的多个子系统的优化集成,从而染,引起了众多专家学者关注。实现煤炭资源的分级利用、高效率利用、高经济效煤的多联产工艺分类益以及极低污染物排放。基于这一原则,目前多联产的主要技术方向可以分为3类:①以煤热解为基目前我国煤资源的利用,大部分是以煤炭单一础的热电气多联产技术;②以煤部分气化为基础的生产过程的利用效率极低的直接燃烧为主,其他气热电气多联产技术;③以煤完全气化为基础的热电化、液化也是以单一过程为主。为了使转化过程取气多联产技术。得较高的转化效率,往往需要复杂的工艺和较高运由于我国煤炭资源中低阶煤占主要部分,这些行条件,从而导致转化工艺技术复杂,设备庞大,投煤种挥发性较高,釆用以煤热解为基础的热电气多资及生产成本高,而且即使在单个生产工艺中取得联产技术更为适用。根据气化反应装置热载体性高效率,其能源总体利用效率也不会很高。另外,质的不同,该技术目前主要有:①以流化床煤热解单一生产过程往往会造成资源的很大浪费。煤的为基础的热电气多联产技术;②以移动床煤热解为直接燃烧就是把煤所含的各种组分都作为燃料来作者简介:张宗飞(1983年-),男湖北洪湖人,2006年毕业于南京利用,而没有利用其中具有更高利用价值的组分,工业大学化学工程与工艺专业硕士工程师从事化工工程项目的如挥发分等。所以,如果把以煤为资源的多个生产设计工作。化肥设计2010年第48卷基础的热电气多联产技术;③以焦热载体煤热解为为基础的热电多联产工艺的气化室则采用流化床基础的热电气多联产技术。进行气化。2煤热解多联产工作原理23以焦热载体热解为基础以焦热载体热解为基础的多联产工艺的技术21以流化床热解为基础核心是以煤半焦作为固体热载体,并以流化态方式以流化床热解为基础的循环流化床热电气多按气化过程所需热量来组织物料和热量的输送联产技术主要工艺特点是利用循环流化床锅炉的循环热灰或半焦作为煤干馏、部分气化的热源煤3煤热解多联产典型工艺先在流化床气化炉中经热解、部分气化产生中热值31以流化床热解为基础煤气,经净化除尘后输出,气化炉中半焦及放热后以流化床作为多联产工艺的热解反应器,床内的循环灰一起送入循环流化床锅炉,半焦燃烧放出物料混合较好,温度均匀,能够提供良好的反应条热量产生过热蒸汽用于发电和供热件,流化床气化炉气化强度较大,气化炉体积较小以流化床热解为基础的循环流化床热电气多便于实现规模化生产。但流化床热解反应器需要联产技术典型原理见图1。大量的流化气体,造成系统热损失增大。此外,流去流化床锅化床的带出物较多,增加了尾部净化系统的复杂炉内换热面空性。目前,国内主要有浙江大学、清华大学、中科院过排入大气程工程研究所等单位对该技术进行了研究和开发。抽汽供311浙江大学的多联产工艺0,1供电浙江大学早在198年就提出了煤热解多联产→饱和水方案的设想,其开发的热电气多联产工艺主要流程如下预热空气(1)煤首先送入气化炉内热解,产生的煤气经图1循环流化床热电气多联产技术典型原理除尘净化后,一部分输出民用,另一部分送入流化1—除尘净化热变换;2-—流化床气化炉;3-循环流化床锅炉;4一对床气化炉作为流化介质;气化炉中半焦及放热后的流换热血;5一燕汽轮机机组循环灰通过返料装置进入循环流化床锅炉,半焦燃以移动床热解为基础烧产生的蒸汽用于发电、供热。以移动床热解为基础的循环流化床热电气多(2)气化炉内煤热解反应所需热量由循环流联产技术的基本原理与以流化床为基础的热电气化床锅炉循环热灰提供。在国家973项目的资助多联产技术的原理基本相同,其主要差别在于气化下,已建立了1套MW热态试验装置,并运用不同室。以移动床热解为基础的循环流化床热电多联的煤种和不同运行参数进行了大量试验。产工艺的气化室采用移动床进行气化,而以流化床浙江大学多联产热态试验装置见图2。布袋除尘十引风给煤紧急排气图2浙江大学多联产热态试验装置1—鼓风机;2一点火器;3—燃烧炉;4—气化炉;5一过热器;6一蒸发器;7一冷却器;8-燃气泵;9—燃气罐;10洗涤塔1;-冷却器2;2-洗涤塔2;13-过滤器第6期张宗飞等煤热解多联产技术述评312清华大学的多联产工艺1工程热物理研究所以及北京蓝天新源科技有限责清华大学的“多联产”工艺小型热态试验项目任公司等是国家“八五”重点科技攻关计划的一部分。清华3.2.1北京动力经济研究所的多联产工艺1:1大学小型热态试验台系统见图3。北京动力经济研究所的多联产工艺是在循环流化床锅炉一侧设置1个移动床干馏器,流化床的循环灰先被送入其中,同时,将锅炉给煤的一部分送到干馏器中。这样,循环热灰将作为热载体对煤进行干馏,析出其挥发分,而煤干馏形成的半焦和循环灰最后被回送到锅炉进行循环燃烧。13为了进行热态试验,1992年初在济南锅炉厂建设了处理原煤150kgh的煤气伴生工艺热态试验图3清华大学小型热态实验台系统装置。该试验装置是由循环流化床锅炉系统和干1-燃烧室:2一分离器;3-送料阀:;-气化室;5-回料阀;6燃烧馏器制煤气系统组成,主要是验证循环流化床燃烧室给煤机:7一气化室给煤机:;-高压头风机:9—一缓冷却器:10系统和煤的干馏系统的运行过程以及参数匹配二级冷却器;1储气罐;12-冷却水箱:13一送风机:14-引风机;因此,对试验装置的锅炉汽水系统作了必要的简15-过热器化,简化后的三联产试验装置工艺流程见图4。热态实验台主要由循环流化床燃烧室、高温卧煤气放散式旋风分离器、流化床热解室、循环物料送料阀以抽煤气风机炬及回料阀等组成。煤送入热解室热解气化,产生的煤气经洗涤冷却器洗涤冷却后进入储气罐。热室所产生的半焦随同热物料回送燃烧室燃烧。热解室气化温度控制在750~830℃之间,以保证足够的气化速率。气化所需的热量由高温分离器分离放渣口下来的热物料提供。计算及试验表明,循环热物料图4北京动力经济研究所三联产试验装置工艺流程(主要是灰)与热解煤之比(循环倍率K)为12~20,1-间接冷却器:2-煤气计量;3一罗茨鼓风机:4一半焦输送阀:5即可保证上述热解温度。由于灰的比例很大,黏结干馏器;6一千馏给煤;7—热灰输送器;8一旋风分离器;9一冷却器;性及非黏结性煤都可用来热解而不会结焦。煤炭0解的流化床燃烧家,山-锅炉输煤机12-烟囱气产率随煤中挥发分含量以及煤的活性而改变。322中国科学院工程热物理所多联产工艺1中国科学院工程热物理所的热电气多联产工挥发分大、活性好的煤种,煤气产率大。此工艺适艺流程见图5。合于挥发分含量较高煤的气化31.3中科院过程工程研究所的多联产思路5中科院过程工程研究所提出了煤利用过程中拔头的多联产思路,应用固体热载体循环流化床技术,使煤炭多相快速加热、气固快速分离、油气快速全凝,从而使煤炭中的高品质成分快速析出并获取。煤炭拔头工艺的液体产物轻油和中油的产率图5中国科学院工程热物理所“三联产”试验装置工艺流程可达到6%~10%,并可建立煤炭拔头联产轻质油1-煤干燥器;2-分离器:3-混合器;4-反应器:5-分离器;6-循品及煤气、热、电的工艺路线环流化床锅炉;7一干灰贮仓3.2以移动床热解为基础煤在干燥器中用锅炉烟气加热,除去水分。在以移动床热解为基础的循环流化床热电气多分离器中分离后,干煤进入混合器,与来自锅炉的联产工艺的气化室釆用移动床进行气化干馏。移热灰混合,一起进入反应器。循环流化床锅炉可以动床气化干馏不需要大量的流化气体,同时干馏气提供数量足够的900℃的热灰作为固体热载体。在中带出物较少,后续净化系统处理相对简单。国内混合良好的情况下,反应器中的煤加热到所需的温进行这方面硏究的有北京动力经济研究所、中科院度进行干馏,产生干馏煤气、焦油、水蒸气及半焦。14化肥设计2010年第48卷干馏所需的时间和温度随煤种不同而有变化,在分去锅炉离器中将固体与气体分离。气体经净化后即是供民用的干馏煤气。半焦与灰的混合物进人循环流炉化床锅炉作为燃料。323北京蓝天新源科技有限公司的多联产工艺北京蓝天新源科技有限公司研发的多联产煤制气工艺流程见图6原料煤图7ETCH试验装置工艺流程1一旋风分离器;2-风机;3—煤加热器;4—热焦旋风器;5—热粉煤旋风器;6—热解室;7一加热提升管;8一旋风初净器;9一冷洗器10-电除焦油器;1-管式换热器原料煤由煤槽经给料机去粉煤机,此处供人热热灰+半焦返料阀烟气,约550℃,把粉碎了的粉煤用上升气流输送入干煤旋风器,同时把煤加热到100~120℃,干煤水煤气去用户分质量分数<4%。干煤由旋风器送入加热器,在图6北京蓝天新源科技有限公司三联产煤制气工艺流程此与来自加热提升管的热粉焦混合,在干馏槽内发1—煤气净化系统:2-加压风机;3—气柜;4焦煤气分离器5返生热解反应并析出挥发产物经冷却冷凝系统分离灰螺旋;6千馏器:7-局部流化器8一给煤螺旋;9煤斗;10锅为焦油、煤气以及冷凝水。干馏槽下部生成的半焦炉分离器;11-锅炉返料器;12一锅炉炉膛;13-锅炉尾部和热载体半焦,部分去提升管燃烧升温作为热载固体褐煤送入粉煤热解装置,采用循环流化床体循环使用,多余的半焦作为产品送出系统。锅炉的循环热灰作为固体热载体,与煤在干馏器内在小规模试验研究基础上,开发了ETCH-175均匀掺混并进行热解(干馏),获取煤气、焦油及其工业装置。在ErCH-175装置上试验了多种褐煤,他产品。进入于馏器的循环热灰的温度在820~这些褐煤含水分为28%-45%,灰分为6%~45%900℃之间,进入干馏器热灰的量比干馏煤量大得干煤半焦产率34%~56%,焦油4%~10%,煤气为多。通过控制进入干馏器内热灰的量,可以方便地5%-12%,热解水为3%-10%。生产的半焦可作调节热解(干馏)温度,以满足不同用户对煤气、焦为电站发电燃料,考虑到电、蒸汽及产品净化能耗,油产量及品质的需求。装置的能量效率为83%-87%。该装置的优点是干馏器床层采用流化(鼓泡)床+移动床的形可以利用气体热载体流化床加热煤粉达到快速热式,即在内料层的中部采用了独特的煤气流化装解的目的,并且符合现代技术要求;缺点是在一般置用经过降温和粗净化后的煤气回送过来作为流情况下气体热载体为烟气,煤热解析出的挥发产物化介质。这种结构既可以有效防止流化介质(如蒸被烟气稀释,降低了煤气的质量,增大了粗煤气的汽)引起煤气品质下降的问题,又有利于煤和热灰分离净化设备和动力消耗。的均匀掺混并延长煤的干馏时间。33.2鲁奇鲁尔公司的煤干馏多联产工艺33以焦热载体热解为基础鲁奇鲁尔煤气工艺是用热半焦作为热载体的以焦热载体热解为基础的多联产工艺的技术煤千馏方法。此工艺于1963年在前南斯拉夫建核心是以煤半焦作为固体热载体,并以流态化方式有生产装置,单元系列生产能力为800vd,有2个按气化过程所需热量来组织物料和热量的输送。系列厂,生产能力为1600d。产品半焦作为炼国内外已有多家单位进行了该工艺的开发,主要有前焦配煤原料。煤经过4个平行排列的螺旋给料苏联、鲁奇鲁尔公司、大连理工大学清华大学等。器,再经过导管进入干馏槽。导管中通入冷的干331前苏联开发的粉煤干馏多联产工艺馏煤气使煤料流动,煤从导管呈喷射状进入干馏前苏联进行了多种固体热载体粉煤干馏工艺槽,与来自集合槽的热半焦相混合,进行干馏过研究和开发工作。其中动力用煤综合利用的ETCH程。空气在进入提升管前先预热到390℃,与煤方法有4~6th试验装置4Uh装置在加里宁工厂气、油或部分地与半焦燃烧,使半焦达到热载体需还在运行,曾进行了多灰多硫煤以及泥炭的试验研要的温度。鲁奇鲁尔公司的煤干馏多联产工艺流究。ETCH试验装置工艺流程见图7。程见图8。第6期张宗飞等煤热解多联产技术述评清华大学焦载热部分气化多联产工艺流程见干煤=本去锅炉水蒸气空气含焦油焦粉R燃气轮机排气图8鲁奇鲁尔公司的煤干馏多联产工艺流程图10焦载热部分气化多联产工艺流程1一风机;2一干煤旋风器;3-烟气分离器;4一粉焦分离器:5—干馏槽:6一粉焦加热提升管;7一冷却器;8一冷却塔;9—煤斗;10一给料一蒸汽轮机部分;2一差速床;3一焦载热气化炉部分;4—余热锅机;11-煤干燥管;12一燃烧炉炉;5一湿法净化系统;6一间接冷却;7—引风机;8—鼓风机;9一燃3.33褐煤固体热载体干馏多联产工艺11气轮机部分大连理工大学在实验室研究的基础上,建成了4结论150U/h褐煤固体热载体干馏多联产工业试验装置,其工艺流程见图9。(1)煤的多联产可以从整体利用效率的角度来提高煤炭资源利用率,同时可以更好地解决资源与环境问题。(2)多联产的主要技术方向分为3类:①以煤热解为基础的热电气多联产技术;②以煤部分气化为基础的热电气多联产技术;③以煤完全气化为基础的热电气多联产技术。其中以煤热解为基础的热电气多联产技术更适用于挥发性高的低阶煤。(3)以煤热解为基础的热电气多联产技术,根半焦粉据气化反应装置、热载体性质的不同,可分为以流图9褐煤固体热载体干馏多联产工业试验工艺流程化床煤热解为基础、以移动床煤热解为基础、以焦1-原料煤贮櫝:2—干燥提升管:3-干煤贮槽;4混合器:5-反应热载体煤热解为基础的热电气多联产技术。国内器;—加热提升管;7-热半焦贮槽;8-流化燃烧炉;9一旋风分离外科研单位针对煤热解为基础的热电气多联产技器10-洗气管1-气液分离器:12-焦渣分离器:13煤气间冷术已经建有实验室装置或小型工业化示范装置,证器;14-除焦油器;15一脱硫箱;16-鼓风机334清华大学焦载热气化多联产工艺2明该技术的成熟和可靠性,具备大规模商业化应用差速流化床燃烧焦载热气化炉来的半焦用来的技术基础加热物料、压缩空气和产生蒸汽提供热量同时外参考文献:置的焦载热炉向气化炉提供气化所需的热量。返(1贺水德现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版料以半焦为热载体,在焦载热气化炉中,发生以水[2]骆仲泱煤的热电气多联产技术及工程实例[M].北京:化学工蒸气为气化介质的水煤气反应。气化后的产物是业出版社,2004湿煤气其主要成分为CO和H2,经过文氏管湿法3)徐振刚多联产是媒化工的发展方面(],洁净媒技术008净化系统,进入燃气轮机燃烧室。焦载热气化炉的(2):5-7排烟进入锅炉上部炉膛排渣管与锅炉的传热床相4倪维斗煤的超清洁利用一多联产系统[.节能与环保,2001(5),16-21通。锅炉产生的主蒸汽进入蒸汽轮机发电作功。(5]中华人民共和国节约能源法[M],北京:法律出版杜,197经过改进的焦载热气化系统、流化床式气化炉以水(6]罗洁煤的热电气多联产技术分析[]湖南电力20027(1)蒸气作为气化介质,以热焦作为气化热源,温度可60-6达900~950℃,大约45%或更高的煤能量转化成[7]郭树才煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社,1992中热值煤气。(下转第21页)时慧颖一段蒸汽转化炉对流段的设计施工与开车21先用导向管对准固定螺栓M5,将其拧紧,再把模块本具备开车条件时进行的。主要是通过依次点燃通过导向管安装到炉壁上然后用套筒扳手将螺母辐射室炉顶部分燃烧器,通过辐射室进对流室处的拧紧,依次进行安装。完成整个面的安装后,抽掉烟气温度由人工来调节各燃烧器的燃料阀门和燃导向管、保护片及捆扎带,检查模块间是否存在缝烧风阀门开度以及点燃辐射室炉顶燃烧器的个数隙发现宽度超过5mm的贯通缝隙和小于5mm的来控制升温曲线并兼顾对流段各测温点处的温度缝隙时应用薄钢板将对折的纤维毯塞入修补。化趋势。3烘炉4开车烘炉的目的是除去耐火材料中的吸附水和部在确认开车前的各项准备工作完成后,打开一分结晶水,以免在操作过程中,耐火材料中的水分段炉的引风机和鼓风机,并对一段炉炉膛作爆炸性急剧蒸发使其产生裂纹、炸裂和剥落等现象。因气体分析试验。分析合格后,根据升温进程要求,此烘炉是确保衬里质量的重要环节,也是一道重按照燃烧器点火布点图逐渐点燃辐射段顶部主燃要工序,千万不能草率从事,一定要按照烘炉曲线烧器,并随时观测一段炉辐射室底部的冷壁集合进行。转化炉对流段的烘炉是与辐射室一道进行管、顶部的入口集合管和转化管的位移情况是否正的烘炉时要严格按照烘炉曲线进行。转化炉对流常。此时可通过炉壁上设置的看火孔观察各燃烧段的烘炉曲线见图1。器的火焰燃烧情况有无异常,观察各转化管的外表颜色变化是否与温升一致,观察对流段各管组温升是否正常,如发现异常情况应立即通知现场开车负责人,停止升温,在分析查找出现异常的原因并实施解决措施后再进行一段炉的升温开车过程。5结语24487296120144168192216240264288时间/h对流段对于一段蒸汽转化炉的“安、稳、长、满、图1转化炉对流段的烘炉曲线优”运行具有重要意义。兰州蓝星20万t/a甲醇项由于辐射转化管和对流段各管组在烘炉升温目中一段转化炉对流段的设计、施工和开车过程过程中需要通工艺介质进行保护,以防转化管内的可为其他类似工程项目提供有益的参考和借鉴。催化剂和管壁超温,转化炉的烘炉是在整个装置基收稿日期:2010-07-09(上接第15页)[8〕方梦祥循环流化床热电气三联产装置的开发和应用前景分析[17]王新雷一种新的联合能源生产系统—热、电、煤气“三联门].动力工程,1997,17(4):48-53产”[冂].电站系统工程,19985(14):3-6[9]怀涛对我国热电煤气“三联产”技术研究开发状况的分析及[18]王新雷热电煤气“三联产”工艺制气系统能量转换效率分建议[J],中国能源1998(12):20-22析[].能源研究与利用,1998(4):21-23[10岑可法新额的热电燃气三联产装置[]能源工程995(1):[19]吴善洪热、电、煤气“三联产”产气工艺热态试验研究]北17-19京节能,1998(1):8-11[可法循环流化床热电气三联产装置研究J,工程热物理[20]王五一以煤的热解为基础的经济清洁利用煤的多联产技术学报,1995,11(6):499-502[].洁净煤技术,2009,15(6):9-13[12]李定凯循环流化床煤气热电联产技术及其应用前景[冂][21]周颖郭树才,等.褐煤固体热载体干馏新技术—固体热载煤气与热力,1994,9(5):41-45[13]徐秀清循环流化床煤气一蒸汽联产炉[]锅炉技术,194体循环系统设计J]煤化工,1998,5(2):13-16.(8):11-15[22]郭树才褐煤干馏新方法冂].煤化工,2000,8(3):6-8[4】徐向东,等载热气化燃煤联合循环性能研究[J]热能动力工[23]陈沅褐煤转化与DG新技术及其应用的几个问题[冂]煤化程,1996,11(6):337-34工,1996,5(2):38-42[15] 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