新两段式液态排渣气化炉生产合成气工艺研究

第29卷第9期煤气与热力Vol. 29 No. 92009年9月GAS & HEATSep. 2009燃气气源与加工利用新两段式液态排渣气化炉生产合成气工艺研究董跃'，张瑜'，张永发”，杨力(1.太原重工股份有限公司煤化工设备分公司，山西太原030024; 2.太原理工大学煤科学与技术重点实验室，山西太原030024; 3.山西中天煤化有限公司,山西太原030024)摘要:分析了两段式气化炉和液态排渣BGL气化炉的特点,提出了以高挥发分煤为原料,纯氧、CO2和水蒸气为气化剂的新两段式液态排渣气化炉结构，讨论了用该两段式液态排渣气化技术,联合热解煤气(CH2)炭催化转化技术生产合成气的工艺流程。关键词:两段炉;煤气化; 液态排渣; 合成气中图分类号: TU996文献标识码: B文章编号: 1000 - 4416(2009)09 -0B13 -05Study on Syngas Production Process in New Two-stage Slagging GasifierDONG Yue，ZHANG Yu，ZHANG Yong-fa，YANG LiAbstract: The characteristics of two-stage gasifier and BCL slagging gasifier are analyzed. Thestructure of a new two-stage slagging gasifier using high volatile coal as raw material, pure oxygen and wa-ter vapor as gasification agent and having the pulverized coal injection function is put forward. The tech-nological process of syngas production which combines this two stage slagging gasification technology withcarbon catalytic conversion of pyrolyzed coal gas ( CH4) is discussed.Key words: two-stage gasifier; coal gasification; slagging; syngas1概述结果;讨论了以高挥发分块煤为原料,用两段式液态我国煤炭资源丰富,已探明的煤炭可采储量为排渣气化技术,联合热解煤气(CH,)炭催化转化技8000x10* t。其中长焰煤、不粘煤和弱粘煤的储量术重整制合成气的工艺。占我国煤炭储量的22% ,褐煤约占14%。这些煤种2两段炉的特点适合于完全气化制气工业。利用这些煤种的碎煤或意大利尼基( SIIRTEC NICI)公司开发的两段炉粉煤的气化技术,如固定床、气流床技术已取得了长煤气化技术,20世纪50年代前后,在欧洲广泛地应足进展。虽然块煤气化技术在我国已有长久的历用于城市燃气和燃料气生产,20世纪80年代开始史,但相对技术进展比较缓慢。本文在分析两段式在我国推广,其技术成熟可靠。气化妒[.21和液态排渣'lBCL气化炉特点的基础两段炉以弱粘结性高挥发分块煤为原料,将煤上,提出了以纯氧、CO2和水蒸气为气化剂的两段式的千馏和气化分段在同-炉体内完成。其上段是干液态排渣气化炉设计概念;介绍了炭催化|4)热解煤馏段,下段是干馏半焦的气化段。两段炉有混合煤气(CH,)重整制合成气( CO + H,)5-71的部分研究气型和水煤气型两类。水煤气型两段炉运行过程和.中国煤化工基金项目:国家重点基础研究发展计划(2005CB221202)YHCNMHG，B13.第29卷第9期煤气与热力www. gasandheat. com普通的水煤气炉运行过程相似,不需要空分制氧,间CH4 转化处理。歇制取水煤气,过程复杂,环境问题明显;混合煤气表2给出了一组混合煤气型两段炉的气化过程型两段炉(见图1) ,以空气和水蒸气为气化剂,在气指标。化段与半焦发生气化反应,产生的气化煤气-部分合格块煤从炉体下部导出(底煤气),另一部分上升进入上部干馏段,利用其显热对煤料进行低温千馏,这部分气菜仓Et- 一煤粉化气和干馏气混合从炉体上部导出(顶煤气)。进F-一顶煤气人干馏段的气化气,在干馏段和煤料直接换热,热交低压蒸汽一干馏段换充分,降温幅度较大,出口温度约80~120心。采H-一底煤气包用空气作气化剂时,顶煤气和底煤气的产量比根据气化段水光套气化煤种的不同比例有所不同。混合煤气型两段炉顶煤气、底煤气及混合气组成见表1。灰盘表1数据表明,采用氧气为气化剂时,混合气中空气、蒸汽-水封H2+CO的体积分数为75.9%,可用于醇醚合成。但是其CO2含量和CH。含量较高,H2、CO体积分数之比远低于理想值2,因此需进行变换,即脱碳和图1 混合煤气型两段炉结构简圄表1混合煤气型两段炉煤气组成( 体积分数)%气化剂，煤气COCO2H,S+C0S N2 +ArC.H。02顶煤气22. 10.29. 400.795.2642.09 .0.260.08空气+蒸汽底煤气12. 2526. 506.991. 10一52.400.050.70混合气17.0027. 884.503.100.3047.20-富氧+蒸汽混合气.38. 4037. 5018.003.500. 402.20表2混合煤气型两段炉气化过程指标8.8]续表2焦油和轻油产率/%5.34.01干炉清产率/%12.67 .C.H,0.15炉渣含碳率/%1500.40带出物产率/%0.5煤气组分体积对设备特性和气化过程指标等综合分析表明,分数/% .H混合煤气型两段炉有如下特点:N47.45①煤气中带出物量显著减少。 单段烟煤发生炉煤气中带出物量约3% ~5% ,实际生产中由于人其他0.01炉煤粒度达不到指标要求,带出物量还要高于上述煤气热值下限高热值6.70设计指标。带出物大部分在竖管沉淀池中变为焦油(MJ.m~3)低热值6. 10渣,需用抓斗抓出,难以处理,易污染周围环境。法单位质量人炉煤煤气产率/(m' . kg~")3.159国LGIE两段炉在炉顶设有振动筛,人炉煤再次筛顶煤气出口温度/C100~ 120分,带出物量约0.5% ~0. 6% ,使带出物产生的焦底煤气出口温度/C500 -600油渣大大减少。燃料的气化强度/(kg.m~2 .h~I)303②焦油质量高。 单段烟煤发生炉副产的焦油单位质量煤消耗蒸汽量/(kg. kg")0.319 5系中中国煤化工由系低温焦油,流动单位质量煤消耗空气量/(m'●kg"')1. 897CN MHC.易装运,焦油产率气化效率/% .78也略有增川。.B14.www. gasandheat. com董跃,等:新两段式液态排渣气化炉生产合咸气工艺研究第29卷第9期③两段炉加煤斗采用双阀(总是- 开-关)，进料煤煤气泄漏量少,对环境友好。密封媒斗。7④酚水少,易处理。由于顶煤气出口温度低,煤分布器搅拌器可采用间冷技术冷却,减少了含酚废水,使其易处.煤气急冷器-. 耐火衬衬里理-水夹套⑤存在的问题有:灰渣含碳量高,一般灰渣含煤气出口-.+.气化剂人口碳质量分数为15% ;由于炉体增高,热损失增大。受压外壳.3移动床气化及液态排渣技术特点排渣口"鲁奇(Lurgi)加压气化,是工业化最早的煤加压循环急冷水人口-熔渣急冷窒气化技术,在国内外得到广泛应用。其主要特点如-密封遣斗下:D可使用小粒度、高水分、高灰分劣质煤气图2液态排渣鲁奇BGL气化炉化。复3 BGL熔渣气化炉的操作数据18.]②采用逆流气化 ,煤料在炉内停留时间长,产品气出口温度低。氧耗低、煤耗低、气化效率和煤转煤种弗朗西斯 路辛顿|曼顿化率(包括副产品在内)较高。(苏格兰)| (英国) | (英国)③副产约占煤量5%~6%的焦油,资源利用煤粒度/mm6~256-256-31率高。固定碳54.054.77.1④操作弹性较大,操作稳定,技术成熟。工业分析挥发分.32.931.231.5⑤煤气组成较复杂, 甲烷体积分数达7% ~/%水分8.74.110% ,蒸汽消耗量大。灰分4.44.67.3鲁尔100型加压气化炉为移动床加压气化炉的C83.083.585.1一种试验炉 型,设有两个煤气出口,上部煤气出口和H5.55.1中部煤气出口,具有两段炉的部分特点。从上部煤元素分析9.27.7气出口引出干馏气和焦油。从中部煤气出口引出气1.41.71.6化气(温度为800 C)。由于增加了中部煤气出口，0.5炉顶的煤气流速降低很多,减少了干馏煤气中的粉C10.4尘量,改善了操作条件和焦油质量。氧耗、煤耗、汽葛金粘结指数BEC6耗都随压力增加而降低。其产品气中CO2和CH,压力/MPa2. 462.46含量很高。操作条件汽氧体积比1.341.291.39液态排渣鲁奇BCL气化炉(见图2)可克服魯出口煤气温度/C48013奇固态排渣灰中含碳量高等问题。H228.627.228.1从表3中产品数据可以看出,H2 + CO的体积:o57.558.156.8分数较高,大于84.9%,而CO2的体积分数较低,小粗煤气CH,6.76.8于4%。另外,其热效率也较高,大于93%。由于其组分的C2H。含有较多的CH,,体积分数达6.7%,如果用作合成体积分数C2H0.2气原料时,需增加甲烷转化装置。和两段炉相比,两N24.23.9段炉产品气中的CH4富集在顶煤气中,转化量约占CO22.32.93.5总产品气的50% ,但BGL炉需转化全部产品气,因中国煤化工此能耗和造价都较高。MHCNMHG13.22| 13.30●B 15.第29卷第9期煤气与热力www. gasandheat. com续表3原料煤.煤种弗朗西斯路辛顿 曼顿H←煤粉(苏格兰) (英国) (英国)焦油和油类96.000 69.000 45.000H顶煤气氨5.500 5.500 3. 200|F一底煤气西配4.550 0.800 1.250单位质量受压外壳、耐火衬衬里脂肪酸7.000 0. 1050. 340气化段煤的副产轻油20.000 6. 500| 14. 500风口物产率排渣口< d A-一-气化剂人口H2S3. 800 | 12. 500 17.0000.900 1.850| 2. 350门熔渣急冷窒0.010 0.020 0.015循环急冷水-.密封渣斗噻吩0.030 0.045| 0.015HCN0.030| 0.040| 0. 010气化强度/(kg.m-2 .h~')4160| 4141| 4 107團3两段液态排渣气化炉煤气热能产生强度/120.4| 120.4| 124.9③将煤热解制气和气化制气有机集成- -体,(GJ.m-2.h~')高温热解半焦的显热直接用于气化制气过程,比半单位质最煤蒸汽消耗量/0.410.40| 0.46焦制气热能利用率高。(kg.kg")单位质星煤氧消耗量/0.54 | 0.56| 0.61④两段液态排淹气化炉 采用纯氧、CO2和水(kg.kg"')蒸气为气化剂，消除了水煤气气化过程中升温、换向单位质量煤生成粗煤气中水0.20| 0.21| 0. 15等操作,取消了燃烧升温过程中吹风气外排烟尘等的含量/(kg.kg")的污染。制气过程可用纯氧强化,连续操作,取消了4新两段液态排渣气化炉的结构-般固定床升温和气化过程间歇和换向操作,解决Shell.、GSP、Texaco在气流床气化方面有技术优了机构易磨损、操作费用高等问题,且无外排烟尘等势。但是气流床气化采用煤粉(粒度为0~74 μm)污染环境的问题。为原料,原料制备能耗高,占地大,造价高,专利费⑤顶煤气出口气流速度低,减少了混人焦油高,弱粘结性块煤(粒度为25 ~ 50 mm)粉碎成细煤的粉尘量,提高了焦油质量。热解制气过程为低温粉,过程欠合理。鲁奇炉和两段式固定床技术适用热解,焦油产率高,焦油易被独立回收,资源利用率于块煤气化。但鲁奇炉热解和气化过程混合进行，高,经济性好。生产的混合煤气量大,产品气中轻质焦油含量高,脱⑥顶煤气出口温度低,可采用间接法冷却,减焦油运行操作难度大,更重要的是其产品气中含体少了含酚污水的量,有利于环保。另一方面,热效率积分数为6.7%的CH, ,如果把这种气体直接用于提高。合成,那么CH。含量偏高,转化处理这种气体时需⑦造价和成本降低。耗用大量的能量。因此，鲁奇炉产品气不适宜直接⑧原料块烟煤 的价格和一般固定床制合成气用于醇醚合成。两段炉使CH,在顶煤气中富集,处采用焦炭、半焦或无烟块煤价格相比,低40% ~理该气体和处理上述的混合气体相比,处理量大大60%。减少,但存在灰渣中碳含最高的问题。基于本两段式液态排渣气化技术设计的生产合综合上述两段炉和鲁奇BGL炉的技术分析,本成气的工艺流程见图4。文提出新两段液态排渣气化炉的结构见图3。分析煤经过筛分后,加人两段式液态排濟气化炉进认为该炉有如下特点:行热解和气化反应,产生的热解煤气经回收焦油等①利用高挥发分弱粘结性块煤制合成气,充化学中国煤化工\炭催化重整反应分利用资源。器。|YHCNMHGI 068 C时重整产②充分回收煤热解 焦油等化学产品。品气中H,体积分数达到63. 1%，而CH体积分数.B 16.www. gasandheat. com董跃,等:新两段式液态排渣气化炉生产合成气工艺研究第29卷第9期[3]徐立新 ,郭峰.液态排渣锅炉高温受热面结焦及积灰空气一-座分装置}.蒸汽问题的分析与对策[J].化工设备,2004,12 (4):40-筛分后气化剂气化剂混合器42.的煤焦油[4]张华伟,赵炜 ,张永发.半焦在富含甲烷气体转化制备新两段液态气 炭催化重CO2合成气中的作用[J].煤炭转化,2005 ,28(1):40-42.排渣气化炉整反应器f[5]谢克昌张永发,赵炜.“双气头”多联产系统基础研脱硫脱碳乐缩。送合成究焦炉煤气制备合成气[J]. 山西能源与节能，灰水处理CO变换装置净化装置广机组广工段2008,(2):10 - 12.气化气[6] 魏水刚,王华,何方,等.甲烷与二氧化碳催化重整制碗回收装置取合成气的研究进展[J].应用化工,2005 ,34(12):图4 两段式液态排渣气化技术生产合成气工艺流程721 -725.下降到1. 0%。重整后的部分煤气和部分气化气经[7] TANG s C,CLARIDCE J B,CREEN M L H. Reccent ad-CO变换,调节H2与CO比例后,经冷却进入脱硫脱vances in the conversion of methane to synthesis gas[J].Catalysis Today ,1995 ,(23):3-15.碳净化装置,最后经过压缩,送人合成工段。.[8] ELLIOTM A(著),徐晓,吴奇虎(译).煤利用化学5结论[M].北京:化学工业出版社, 1991.以纯氧加CO2和水蒸气作为气化剂,采用两段[9]沙兴中, 杨南星.煤的气化与应用[M].上海:华东理式液态排渣气化技术,可以克服固态排淹混合煤气工大学出版礼.,1995.型两段炉煤灰含碳量高,产品气中N2含量高等不足,还能回收焦油等化学产品,使资源利用率提高。采用两段式液态排渣气化技术,顶部煤气出口流速降低,温度降低粉尘夹带量减少,焦油质量好,煤气冷却过程产生含酚废水少。两段液态排渣技术和热解煤气(CH)炭催化转化技术相结合,可望经济、高.效地将高挥发分煤转变为合成气,为高挥发分煤的利用提供一条新途径。参考文献:作者简介:董跃(1964- ),男,山西 原平人,高级工程师，[1] 周永顺.恩德炉与两段炉煤气化技术的选择与应用硕士,主要从事煤化工设备及工艺的设计与研究[J].燃料与化工,2008 ,39(6):8 - 10.工作,现任太原重工股份有限公司煤化T.设备分2] FASSINOU W F ,STEENE L V,TOURE S,et al. Pyroly-公司经理。sis of Pinus pinaster in a two-stage gasifier: infuence of电话:(0351 )6362458processing parameters and thermal cracking of tar[J].E - mail:dong _yue2001@ sohu. comFuel Processing Technology ,2009 ,(90):75 -90.收稿日期:2009-01 -06;修回日期:2009 -01-19建立健会去全等理际系充享安全学 理规章制度器奕寄会生产责任制保障总气熟刀这产安会中国煤化工MHCNMHG●B 17.