气流床煤气化的部分水激冷流程研究 气流床煤气化的部分水激冷流程研究

气流床煤气化的部分水激冷流程研究

  • 期刊名字:化学工程
  • 文件大小:430kb
  • 论文作者:彭宇慧,代正华,龚欣,郭晓镭,王辅臣,刘海峰
  • 作者单位:华东理工大学
  • 更新时间:2020-07-10
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论文简介

第38卷第2期化学工程Vol. 38 No.22010年2月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Feb.2010气流床煤气化的部分水激冷流程研究彭宇慧,代正华,龚欣, 郭晓镭,王辅臣,刘海峰(华东理工大学洁净煤技术研究所,上海200237)摘要:提出了采用部分水激冷的方式冷却气流床气化炉气化室出口的高温合成气和融渣模拟计算了(1)水煤浆气化+耐火砖衬里.(2)粉煤气化+耐火砖衬里.(3)粉煤气化+水冷壁衬里3个气化工艺的性能指标。结果表明:采用部分水激冷方式的出废热锅炉的气体流最远小于用合成气激冷方案的Shell和Prenflo流程,这将有助于减少后续的设备尺寸;激冷水温度对合成气和废热锅炉蒸汽的总热效率无明显影响,可以采用低温的激冷水以减少出废热锅炉的气体流量以及后续的设备尺寸;工艺(1)的总热效率约为84% ,低于采用高温辐射锅炉的Texaco流程;工艺(2)、(3)的总热效率约为90% ,与采用合成气激冷方案的Shell和Prenflo流程相当。部分水激冷的方式适合于整体煤气化联合循环发电( ICC)的粉煤气化。关键词:部分水激冷;气流床;煤气化;ICCC中图分类号:TQ 54文献标识码:A文章编号:1005-9954( 2010)02 0083-04Water partially quenching process of entrained-flow gasificationPENG Yu-hui, DAI Zheng-hua, GONG Xin, GUO Xiao-lei, WANG Fu-chen, LIU Hai-feng(Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract: Water parially quenching process of entrained-low gasification to cool the high temperature syn-gas andmelt slag at gasifter outlet was put forward. The performance of three water partially quenching processes ofentrained -flow gasification with raw gas cooler was simulated, including (1) coal-water slury (CWS) gasification +firebrick lining, (2) pulverized coal gasification + frebrick lining and (3) pulverized coal gasification + waterlining. The simulation results indicate that the gas flow from raw gas cooler by such processes is less than that byShell and Prenflo; the quenching water temperature has lttle effect on the process gross heat efficiency which iscomposed of the low heat value of sin-gas and the net heat duty of raw gas cooler, so the low temperature ofquenching water is proper which can decrease the gas flow and purging equipment size behind raw gas cooler; thegross energy efficiency of CWS gasification (1) is about 84%,which is lower than Texaco process with hightemperature radiant cooler; the gross heat eficiency of pulverized coal gasification (2) and (3) is about 90%,which is similar to the Shell and Prenflo process with cooled syn-gas quenching. So, the water partially quenchingpreprocess is propitious to the pulverized coal gasification for ICCC power generation.Key words : partially water quenching; entrained-Alow gasification; coal gasification; IGCC整体煤气化联合循环发电( ICCC)是目前先进部分转化为饱和水蒸气与合成气一起进人下游变洁净燃煤发电中相对较为成熟的技术2]。气流换工序;而对于ICCC发电系统, Texaco技术田]床气化是ICCC发电的主要装置,出气流床气化室(GE)采用的辐射锅炉来冷却高温煤气将大大增的高温合成气和融渣的显热量占人炉煤热值的加了设备投资;Shell和Prenflo技术[451采用净化15%- 30%,如何充分利用这部分热量对IGCC系后冷却的合成气压缩后将高温合成气冷激至约统的净效率有很大影响。对于化工合成,可采用900 C,同样大大增加了设备投资和能量消耗。本完全水激冷的方案,将合成气的温度降至200--文在中国煤化工喷嘴对置水煤浆300C,来自气流床气化室的高温合成气的显热大和粉FYHCNMHG出了采用部分激基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2004CB21770) ;教自部新世纪入才支持计划(NCET05-0413)作者简介:彭宇慧(1984-).女.硕上:研究生.研究方向为气流术粉煤气化E mail:grace. peng@ ariquide. com;代正华( 1977-).男.博士,副研究员.通讯联系人,E-mail:chinadai@ ecust. edu. cn。●84..化学工程2010 年第38卷第2期冷的方案冷却高温合成气和融渣的方式,以适合方式实现合成气与融渣的分离;废热锅炉采用的IGCC发电的需求。是由若千个换热器串联而成的连续换热器模型,以锅炉水为冷却介质以实现高温合成气的逐级1工艺流程及数学模型冷却。1.1 工艺流程煤分解热氧气, 载气,水蒸气部分水激冷的气流床煤气化工艺流程如图1所[煤高温分解单园C.H.O.N.S然古布斯反应器单园+规俞裘示。气化炉可以水煤浆或者以粉煤为原料,水煤浆通过泵送至喷嘴进入气化炉,粉煤通过载气输送至操作压力热损失喷嘴进入气化炉。以粉煤为原料时,载气可以是N2图2煤气化的计算流程或者CO2。气化剂为来自空分装置的O2 ,CO2或者Fig.2 Simulation process of coal gaifcation中压过热蒸汽,经喷嘴进入气化炉。气化炉可采用耐火砖结构或者水冷壁结构。出气流床气化室的高2模拟分析温合成气和融渣与激冷水混合,温度降至约2.1煤质分析及 工艺条件900 C ,融渣迅速固化,大部分粗渣进入激冷室下部煤质是气流床气化方案选择的重要依据之- -,的水浴中,小部分细灰随合成气进人废热锅炉。废如煤的灰熔点决定了耐火衬里的型式(耐火砖或者热锅炉生产过热中压蒸汽,合成气在废热锅炉中被水冷璧)。本文分别选择2种有代表性的煤种,低冷却至约350 C。出废热锅炉的合成气及细灰进入灰熔点的山东北宿精洗煤和高灰熔点的贵州无烟煤为研究对象。下游工序进一步洗涤、除尘和脱硫。根据表I给定的煤质分析数据确定了3种气化微冷水锅炉水方案,如表2所示。为保证气化炉能顺利排渣,气化1.水鑫华士区(化省→[微净省一废热钢好+想俞虞温度需高于煤的灰熔点50 9C以上,且若以耐火砖为2-粉煤+载气+水熊气酒中压过热蒸汽耐火衬里,气化温度需小于1 400 C ,若以水冷壁为圈1带废热锅炉的部分漱冷的气流床煤 e化工艺流程耐火衬里,气化温度小于1700 C。对耐火砖衬里的Fig. I Water partial quenching process of entrained-flow coal气化炉,设定气化炉热损失为人炉煤热值的0.5% ;对gaification with exhaust boiler水冷璧衬里的气化炉,设定气化炉被水冷壁移走的热量为人炉煤热值的2%。气化炉的碳转化率设为.2 数学模型及模拟计算的依据99%。当采用N2作煤粉输送载体时,由于仅用氧气煤气化过程最关键的单元为气化室,它是一作气化剂不能在 设定的气化温度下使气化炉达到设个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器,应用定的碳转化率,需要向炉内喷人蒸汽作为辅助气化Gibbs自由能最小化方法对煤气化进行热力学分剂。本文计算中采用4.5 MPa(g) ,300 C的水蒸气作析的计算流程如图2所示,其中包含煤裂解和为辅助气化剂。进人激冷室的激冷水量设定为能将Gibbs反应器2个单元'9],整个流程采用Wegstein高温合成气和融渣激冷至900 C。废热锅炉的热损法求解。激冷室采用的是闪蒸模型,通过闪蒸的失设定为人炉煤热值的0.5%。表1煤质分析数据'Table 1 Coal analysis data质量分数/%灰熔点/低温热值/MVM。ASH,C。NC]。S,0,(k.kg"')北宿煤10.4 42.1150.57 7.32 74. 735. 131.21 0.21 2.638.77 1 23026 510贵州煤.59.598.5 31.91 61.28 2.040.75中国煤化工5021 130* M,为全水.FC为固定碳, VM为挥发分,ASH为灰分,C为碳,H为氢,N为:MYHCNMHG彭宇慧等气流床煤气化的 部分水激冷流程研究●85●表2气化方案.Table 2 Gasification schemes压力(g)/MPa温度/C煤种输送方式耐火衬里备注方案14.01 300北宿煤水煤浆耐火砖水煤浆质量分数为60%方案2粉煤+Nz煤粉中含水质量分数为2%方案31 600贵州煤粉煤+N2.水冷壁2.2不同气化方案 下气化参数的比较气化温度,且方案3采用水冷壁衬里较方案2采用表3列举出了不同气化方案所对应的工艺指耐火砖衬里有更高的热损失,故方案2的比氧耗和标。由于水煤浆气化需要通过燃烧提供能量将煤浆冷煤气效率优于方案3。同时表3列举了以1 t煤中约40%的水转化为高温蒸汽,在不考虑水蒸气参为基准、采用25 C激冷水的不同气化方案中各工艺与反应的情况下,使水气化的这部分能量约相当于流股的气体流量。从表3可以看出,激冷室和废热煤热值的11%。故对于采用同样煤质和气化温度锅炉出口气体流量仅比气化室出口流量相应增加了的粉煤气化的各项工艺指标优于水煤浆气化,即21%,18.5%和37%,远小于用合成气冷激方案的表3中方案1和方案2所示。方案2和方案3均为Shell和Prenflo 流程(45] ,有助于减少后续的设备粉煤气化,由于方案3的气化温度远高于方案2的尺寸。贺3 不同气化方案的工艺参数Table 3 Process parameters of different gasifcation processesCO +H2有效气中.有效气中冷煤气气化室出口废热锅炉出口激冷室进口(干基)体积比氧耗/干煤比煤耗/每t煤合成每1煤合成激冷水(25 C)效率/%分数/%(10~)m' .m=3) (10-kg.m~3)气量/m'流量/(kg.h-')_84.335354873.22 8003382,47091.828848583.42 3072 73333889.832567380.21 7042 3405122.3不同气化方案下的激冷水量2.4不同气化方案 下的废热锅炉蒸汽产量以将气化室出口合成气和融渣冷却至900 C为前设进人废热锅炉的锅炉水的工艺条件为提,以1 t干基煤为基准对应的激冷水流量与激冷水温6.0 MPa,180 C,废热锅炉生产的蒸汽参数为度之间关系如图3所示。在同一-激冷水温度下,方案15.0MPa,400C。以将废热锅炉出口合成气冷却至的激冷水量高于方案2,原因在于方案1与方案2气化约350 C为前提,以同为1 t干基煤为基准对应的激室出口气体和融渣的温度虽相同,但由于方案1采用冷水温度与蒸汽产量之间关系如图4所示。方案1水煤浆气化,气化室出口气体流量高于采用水煤浆气的蒸汽产量高于方案2和方案3,同样原因在于方.化的方案2。方案3的激冷水流量高于方案1,原因主案1的出激冷室的气体流量高于方案2和方案3。要在于方案3气化室出口气体和融渣的温度高于方案但改变激冷水温度对蒸汽量不敏感,相应的蒸汽产2。对同一个气化方案,激冷水温度从25 C到接近饱和量仅增加了5%。状态的激冷水量增加值均约为27%。1.3p700, 650。600↑女乃案了口方案2x 550女方案3;500厦450g-8-8-8-8=8-t 40中国煤化工75 200 225300255075100125150175200225激冷水湖度/CYHCNMH G的关系圈3激冷水流与激冷水温度的关系Fig.4 Relation of steam output andFig.3 Relation of quenching water flow and lemperaturequenching water temperature●86●化学工程2010 年第38卷第2期2.5不同气化方案下的系统热效率的粉煤气化。根据式(1)可以计算煤气化过程的总热效率η。方案1的总热效率约为84%,低于采用高温辐射锅参考文献:炉的Texaco流程[)] ,原因在于出废热锅炉的合成气[1]焦树健. 整体煤气化燃气~蒸汽联合循环[ M].北京:中流量高且水蒸气的含量高,其中显热约为人炉煤低国电力出版社,1996.[2]ZHENG Ligang, FURINSKY E. Comparsion of Shell,热值的15%。方案2和方案3的总热效率约为Texaco, BGL and KRW gasifiers as part of ICCC plant90%,总热效率与采用合成气激冷方案的Shell和computer simulations[J]. Energy Conversion and Manage-Prenfo流程45)相当。ment, 2005 ,46(11):1767-1779.E'+OHη=- E(1)[3] MCDANIELJ E, SHELNUT C A. Tempa etrice compa-ay polk power station IGCC project status[ C] // Gasificar式中:E'为气化生成的煤气的化学能, AH为气化炉tion Technologies Conference: Operating Experience,和热煤层显热利用系统中产生的蒸汽之焓值增量,Progress Reports. USA: Gasification Technology Council,E为气化用煤的化学能。1999.[4] EURLINGSJ ThG M, PLOEG J E C. Process perfor-3结论mance of the SCGP at Buggenum ICCC[ C] // Gasifica-(1)耐火砖衬里的粉煤气化的冷煤气效率最tion Technologies Conference: Economics, Perfomanceand Reliabiliy. USA: Gasification Technology Council,高,水冷壁衬里的粉煤气化次之,水煤浆气化最低。(2)采用部分激冷方式的出废热锅炉气体流量[5] MENDEZ-VIGO1, PISA J, CORTES J, et al. The puer-远小于用合成气激冷方案的Shell和Prenflo 流程,tllano IGCC plant: status update [C] // Gasification有助于减少后续的设备尺寸。Technologies Conference: Operating Experience, Progress(3)对不同的气化方案,激冷水温度从25 CReports. USA: Gasification Technology Council, 1998.到接近饱和状态的激冷水量增加值均约为27%,[6]于遵宏 ,龚欣,吴韬,等.多喷嘴对置式水媒浆或煤而蒸汽产量的增加值仅约为5%,即激冷水温度对粉气化炉及其应用:中国, 98110616. 1[P].系统的总热效率无明显影响,可以采用低温的激1998 07 _08.冷水以减少出废热锅炉的气体流量以及后续的设[7] 于广锁,龚欣,刘海峰,等.多喷嘴对置式水煤浆气化技术[J].现代化工,2004 ,24 (10) :4649.备尺寸。(4)水煤浆气化的总热效率约为84% ,粉煤气[8]龚欣,郭晓镭 ,代正华,等.新型气流床粉煤加压气化技术[J].现代化工,2005 ,25(3):51-52.化的总热效率约为90%,与采用合成气激冷方案的[9]代正华 ,龚欣,王辅臣,等气流床煤气化的Gibe自由Shell和Prenflo流程相当。能最小化模拟[J].燃料化学学报, 2005,33 (2):(5)部分水激冷的方式适合于用于ICCC发电29-133.《化学工程》期刊进入美国《化学文摘》引文频次最高的1 000种期刊表根据中国科学技术期刊编辑学会国际交流工作委员会和中国高等学校自然科学学报研究会外事工作委员会统计,美国《化学文摘》数据库总计有10 000种以上期刊,中国期刊已经超过1305种,美国《化学文摘》2008年引文频次最高的1 000种期刊表中,《化学工程》进入《化学文摘》千刊表中,总排名第571名。中国煤化工》编辑部MYHCNMHG

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