各类煤气化炉的特点与适应性分析

第5期(总第144期)煤化工No.5 (Total No.144)2009年10月Coal Chemical IndustryOct. 2009各类煤气化炉的特点与适应性分析霍锡臣l蔡文生2(1.北京杰斯菲克气化技术有限公司,北京100176;2.沧州大化集团公司,沧州061000)摘要分析综述了已经实现工业化生产的各类煤气化炉 的特点,煤种适应性 ,各自的煤气质量和应用领城,工业化放大的不同特点.气化效率的不同,对环境的不同影响等。可为计划上马煤化工项目的用户选择气化技术提供参考。关键词煤气化固定床流化床气流床文章编号:1005-9598(2009) -05-0012-05中圈分 类号:TQ545文献标 识码:A措施(加压气化一鲁奇炉)。 为了得到较纯的CO+H21各类煤气化炉 的基本特点用于合成氨生产,采用了间歇制气的方式(中小化肥目前工业化的煤气化技术按气化炉床层特点可厂常用的水煤气炉),在吹风阶段主要进行反应(1)、.以分为:固定床(也叫移动床)、流化床(也叫沸腾(2)。床)、气流床三类。这两个反应,积蓄热量.提高火层温度,然后用较从煤气化技术发展来看,是从固定床到流化床再高压力的水蒸气吹人炉内主要进行反应(3),以得到.到气流床逐步发展演化的,每种炉型都有一个从常压较纯的CO+H2。固定床气化炉内的主要床层(自下而.操作到加压操作的发展过程。无论哪种煤气化炉型上):灰渣层、氧化层、还原层、千馏层、千燥层。煤和式,其依赖的都是以下几个最常见的基本化学反应。气化介质在炉内的运动速度较慢、停留时间较长(1h~主要一次反应1:10h),接触和反应时间充分。C+02→CO2 (放热反应)(1)1.2 流化床2C +02→2C0 (放热反应)2)当气化介质的流速不断提高,而气化用煤的粒度C+H20→CO+H2 (吸热反应)(3)减小到一定程度时,就会形成煤粒被吹起、悬浮在半.C+ 2H20→CO2+ 2H2 (吸热反应)(4)空象沸腾一样的“流化”状态,流化床就形成了。在理.主要二次反应:想的流化状态,气流的向上速度对煤粒的“浮力”与煤2C0+O2→2C02 (放热反应) .(5)粒的重力基本平衡,大部分粒度比较均匀、大小合适CO2+C→2C0 (吸热反应)(6)的煤粒悬浮在下部形成密相区，这就是流化床的主C0+H20→CO2+H2 (放热反应)(7)体。太大的颗粒沉落炉底,太小的颗粒被气流携带迅1.1 固定床速到达出口。流化床气化炉内的主要床层(自下而最早工业化应用的是常压固定床煤气发生炉(主上):灰渣区密相区、稀相区。煤和气化介质在炉内的要作为燃料气使用),煤从顶部加人,气化介质(空气、运动速度较快、停留时间较短(几分钟到几十分钟),氧气、水蒸气等)从底部鼓进炉内。为了料层的透气性接触和反应时间有限。最早的工业化流化床气化炉是(孔隙率),只能使用一定粒度的块煤。为了提高气化1926年出现在德国的温克勒气化炉，由德国人F.温强度,增加单台炉的产气量,采用了增加气化压力的克勒开发。我国曾在20世纪五、六十年代,吉林化肥厂、兰州化肥厂使用过.后来由于原料改变(烧煤改烧收稿日期:2009-07-11油)侉中国煤化工由朝鲜改进的温作者简介:罹锡臣(1963- ),男,1985年毕业于大连理工克勒YHCNMHG厂使用。大学化工系煤化工专业,高级工程师,长期从事煤气化工.3 气流床程设计研发.技术转让工作。当气化介质的流速再提商,而气化用煤的粒度再2009年10月霍锡臣筹:各类煤气化炉的特点与适应性分析-13一减小时,就会形成煤粒被吹起随着气流迅速穿过气化.2.2流化床炉奔向出口,这就形成了气流床。当然,真正的气流床流化床煤气化炉的特点:煤从上部或中部加人，气化炉煤粉或水煤浆是和气化介质一起从烧嘴中喷气化介质从下部吹人，大部分煤粒悬浮在密相区,床涌而出的,所以,气流床又可以叫做射流床。气流床气层位置基本不变，煤的停留时间较短。因而它要求能化炉内没有什么层次,混合的煤粉和气化介质速度很够气化的煤必须是:有一定粒度的碎煤，大部分在快地穿过炉膛(不同炉型也有不同的设计考虑),可以1mmn~10mm之间，太大的颗粒沉落炉底，难以反应完分为烧嘴附近的氧化区(火焰区)和其他区域的还原全，太小的颗粒又容易被气流携带迅速到达出口,来区,但就整个炉内的气氛来说是还原气氛(供氧是不不及反应;灰熔融软化温度(ST)越高越好(熔渣炉除足的)。煤和气化介质在炉内的运动速度很快、停留时外),因为在灰熔点以下操作,灰熔点商,可以适当提间很短,接触和反应时间很短(反应在1s之内即可完高气化操作温度,有利于提高反应速度;黏结性要低成,一般设计停留时间3s~5s)。最早的工业化气流床(不黏煤),有黏结性的煤,在密相区会黏结在一起,结气化炉是1952年出现在当时的联邦德国的K-T炉，成大块沉落下去;反应活性要高，因为煤粒的停留时由克虏伯一柯帕斯公司的工程师F.托切克开发。20 .间较短、炉内温度控制较低(一般900C~1000C;比世纪五,六十年代主要是在合成氨厂曾经广泛使用过灰熔融软化温度低150C~200C，还要考虑炉壁耐火K-T炉(不包括中国)。我国在20世纪六.七十年代在砖的耐温性能)、而粒度又不象气流床要求的那么小，新疆.山东等地进行过工业化试验,由于耐火砖寿命所以,只有活性高的煤,才能反应比较完全。水分含量短、碳转化率低、排渣困难等问题没能取得成功。不能太高,因为用煤粒度较小,水分大容易黏连堵塞无法输送,干燥和气化时耗热较多,一般要求人炉煤2各类煤气化炉煤种 适应性分析水分低于8%。从这些特点可以看出,只有少数煤种能满足要求,包括:部分褐煤、长焰煤、不黏煤。世界上没有任何煤种都能气化的“万能炉”,每种2.3气流床气化炉都有其适宜气化的煤种要求,而这些要求又是气流床气化炉的特点:煤粉或水煤浆和气化介质因为炉型的特点而产生的。一起从烧嘴中喷出,速度很快地穿过炉膛,反应很快、2.1固定床停留时间很短。由于磨煤粒度很细,所以煤的可磨性我们先来看固定床煤气化炉的特点:煤从上部加.指数越高越好;对干煤粉进料炉型,水分含量越低越人,气化介质从下部吹人,床层的相对位置不变,煤的好,水分大也是容易黏连堵塞无法输送,干燥和气化停留时间很长。因而它要求能够气化的煤必须是:有时耗热较多;对水煤浆进料炉型，煤的成浆性要好、灰.-定粒度, 保证床层的孔隙率(能透气);有一定抗碎含量要少;灰熔融性温度(FT)越低越好,对耐火砖炉强度，煤在运输及从加煤机落到炉内时不能摔碎,以.壁的炉型,最好低于1300C。对干煤粉进料水冷壁的免影响透气;有一定热稳定性,在炉内遇热不能爆碎,气流床气化炉来说,除了灰熔融性温度特别高的煤需以免影响透气;灰熔融软化温度(ST)越高越好(熔渣要添加助熔剂以外,几乎所有煤种都能气化。对于水炉除外),因为在灰熔点以下温度操作,灰熔点高,可煤浆进料耐火砖炉壁的气流床气化炉来说，比较适宜.以适当提高气化操作温度，有利于提高反应速度;黏的煤是灰熔融性温度低灰分低.成浆性好、活性较高结性要低(不黏煤或弱黏煤),黏结性高的煤,在固定的长焰煤、不黏煤、弱黏煤、气煤等。象褐煤等低阶煤床里气化时,在干馏层会产生胶质结焦(400C .500C~大多很难使用。关于流化床气化用煤,目前没有国家800C、900C),黏结在- -起影响床层透气。从这些特标准。点可以看出,变质程度从低到高的煤很多都能满足要求,包括:部分年老的褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤、3各类煤气化炉煤气质量(产品气组成)与部分中黏煤和气煤、贫煤、大部分无烟煤、焦炭。适应的用户分析关于常压固定床气化用煤,有国家标准:<常压固定床煤气发生炉用煤技术条件》。随着煤炭开采技术中国煤化工:使用的煤种的不的提高,机采率越来越高,加上小煤窑的关停,块煤越HCNMHG也有所不同,因而来越紧缺,价格越来越高,块煤与碎煤的差价越来越也可以适应不同的用户所需。大,使得固定床在原料方面的优势越来越小。3.1 固定床一14一煤化工2009年第5期常压固定床煤气发生炉在气化烟煤(大同煤,空表4鲁奇加压固定床煤气发生炉气化烟煤气、水蒸气气化)时的典型煤气组成见表12。的典型煤气组成表1常压固定床煤气发生炉气化烟煤的典型煤气组成 %H co _CO2CH，CHO2N2HSCOSNH39.45 16.79 31.85 10.23 0.73一0.25 0.50 一0.20H2COCO2CH4CH、02N2HSCOSNH14.029.8 4.7 2.2 0.6 0.2 48.4 0.1一一(低黏结性)气化,原料煤成本比常压固定床水煤气炉要低,而且使用氧气、水蒸气加压气化,煤气中CO+H2常压固定床煤气发生炉在气化无烟煤( 焦作煤,含量较高,单台炉产气量较大,可以用于大中型化肥空气、水蒸气气化)时的典型煤气组成见表2[2。厂及煤化工工厂制原料气。其不利之处是煤气中CH,和CO2含量较高。但也正是因为其煤气中CH4较高,因表2常压固定床煤气发生炉气化无烟煤的典型煤气组成%而煤气热值较高。再经过变换、甲烷化,可以显著提高Hh2 CO CO2CH，CHO2N2HSCOSNHCH,含量、提高单位体积的煤气热值,降低煤气中的15.3 25.9 6.6 0.8 - 0.1 51.2 0.04 一一CO含量,降低毒性,改善燃烧性能,用于城市民用燃料气。目前在国内,哈尔滨、义马建有这样的煤气厂,常压固定床发生炉煤气热值较低,但是用空气加也有一些煤制天然气项目准备采用。水蒸气作为气化剂,连续制气,气化效率较高,可使用3.2流化床煤种较多,建站成本、制气成本低,开、停车及负荷调某常压流化床煤气化炉在气化烟煤(义马煤,空节方便,用户不必设置气柜,而且煤气的可燃成分组气、水蒸气气化)时的典型煤气组成4)见表5。成中,C0的含量较高,燃烧时火焰均匀、火焰长度长,表5某常压流化床煤气化炉气化烟煤的典型煤气组成 %非常适合做燃料气。广泛应用于机械加工、轧钢、陶Hh2 Co CO2CH，CH。02 N2 HS COSNH,瓷.玻璃、化工、炼焦.有色金属等领域,可满足加热温12.36 18.90 8.841.26 - 0.36 58.21 0.07 - -度在1 500C以下的需求。当加热温度要求较高时,可以采用富氧气化获得热值较高的煤气。某常压流化床煤气化炉在气化褐煤(免渡河煤,常压固定床水煤气炉在气化无烟煤时的典型煤富氧空气中氧含量约80%、水蒸气气化)时的典型煤气组成见表32。气组成4见表6。表3常压固定床水煤气炉气化无烟煤的典型煤气组成 %表6某常压流化床煤气化炉气化褐煤的典型煤气组成%:0 CO2CH,CUO2NqHS COS NH,H2 CO CO2 CH，CHO2 N H$ CoS NH48.0 38.5 6.0 0.5一0.2 6.4 0.4 -37.64 29.59 20.51 1.97- 0.20 9.92 0.16 -一常压固定床水煤气炉制得的煤气在仅用空气和常压流化床气化炉由于其用煤条件的限制,只有水蒸气气化的条件下，能取得很高的C0O+H2组分,非.少数煤种可以使用,而且由于其气化效率较低,灰渣常适合中小化肥厂作生产合成氨的原料气,目前仍在含碳量较高,所以更适合一些可以得到很低煤价的用广泛使用，也可以用作加热温度较高的燃料气使用。户,否则浪费的煤炭价值太多。非富氧生产时,其煤气但是,由于它采用间歇制气(吹风时用空气鼓风,加热.热值较低，可以用作加热温度不高的燃料气用户,如煤层、积蓄热量,因为吹风气中无多少可燃组分而放焦炉等。当加热温度要求较高时,也可以采用富氧气.空;造气时用水蒸气与炽热的炭反应主要生成CO+化获得热值较高的煤气。当富氧含量接近纯氧时(例H),所以必须设置气柜。而且气化效率较低、使用的如氧气组分大于80%)，其煤气中可以获得较高的中块粒度的无烟煤、焦炭价格较贵,所以制气成本较.CO+H2,能够作为中小化肥厂生产合成氨或中小煤化高。用作燃料气时,由于其H气含量较高,火焰较短、工企业生产田醇等的盾料气加里有合适的煤种、用燃烧速度较快.华白指数高，燃烧效果不是很好。气量中国煤化工可以将流化床煤鲁奇加压固定床煤气发生炉在气化烟煤(义马气炉: YHCNMHG虑采用流化床煤煤,氧气、水蒸气气化)时的典型煤气组成3见表4。气炉，否则要慎用。鲁奇加压气化炉由于可以使用较小粒度的块煤3.3气流床2009年10月霍锡臣等:各类煤气化炉的特点与适应性分析-15-K-T炉(常压)在气化某烟煤(氧气、水蒸气气化)气化炉的水平截面分布均匀(否则会出现偏炉、烧穿时的实测结果煤气组成(见表7。等恶化炉况),这在气化炉直径较小时(实验室装置、表7 K-T炉(常压)气化某烟煤的煤气组成%中试装置)是很容易做到的。而当放大到工业化生产的炉型，比如直径到3m~4m时，解决加煤(燃料加H2c0 CO2_ CH，CH.02 N HSCos NH,注).布风(气化介质)均匀就成了最大的难点。例如:33.92 52.84 11.78 一一一1.42 0.035 0. 002中3.6m直径的常压固定床煤气发生炉，就没有取得常压操作的K-T炉可以用于大中型化肥及煤化设想中的比中3. Om的发生炉产气量相应增大的效工厂,空气或富氧气化也可以用于用气量较大的燃料果,而且由于布煤不均.出灰困难等难以操作5。在流气用户。但是常压操作的K-T炉设备体积过于庞大、化床放大时,由于煤气化炉的工作特点,不可能使用耐火砖寿命短.磨煤干燥耗电量大、粉尘问题严重、飞筛板等进行均匀布风,而只能靠调整、分布气化剂的灰处理复杂，目前已经没有运行的工厂,逐渐被加压喷入喷嘴改善布风的均匀性，这要做到均匀是很难气流床取代。的,而且,当生产负荷需要变化时,气化介质量的变化某干煤粉气流床气化炉在气化烟煤(神府煤,氧是否会改变气化炉的正常流化状态,也是很难解决的气、水蒸气气化)时的计算结果煤气组成0见表8。问题。以上原因直接限制了固定床.流化床的大型化表8某干煤粉气流床气化炉气化烟煤的煤气组成 %(目前加压气化固定床、流化床最大约可处理720t/d煤，常压固定床的处理能力更低)。对于大型的煤化Hh2CO C02 CH, CH 02 N HS+COS H20 NH,工煤制油JIGCC等项目就需要很多台气化炉才能满25.92 68.37 0.89 - - - 3.66 0.13 1. 03足一个项目的用气量。而气流床气化,所用燃料(煤某水煤浆气流床气化炉在气化某烟煤(氧气、水蒸炭)和气化介质(氧气、空气、水蒸气)是同方向(上部.或下部)加入的(一般从同一个组合烧嘴喷出)向下或气气化)时的实测结果煤气组成叫见表9。向上运动,燃料与气化介质的运动方向是一致的。再表9某水煤浆气流床气化炉气化烟煤的煤气组成%加上粉煤或水煤浆喷出后的旋转.雾化,很容易在炉:0 CO2 CH, CH。O2N2H$SCOS NH,内分布均匀。而且麅煤的粒度较细，反应的速度很快，35.50 45.30 17.70 0.06一一0.39 0.11一.短时间内即可完全反应,离开气化室,因此在炉型放大时,比起固定床流化床要容易得多,而且,放大炉同属于加压气流床、纯氧气化的水煤浆气流床气型与小炉型的运行工况容易保持一致。化炉与千煤粉气流床气化炉应用领域大致相同,主要用于大中型化肥煤化工、煤制油煤制天然气生产或5各类煤气化炉的气化效率分析IGCC发电。而水煤浆气流床气化炉因为其水煤浆进料的特点,在使用煤种方面受限制较多,用户面较窄。各种气化炉型的气化效率，直接影响到煤化工企业而干煤粉气流床气化炉因为几乎所有的煤都能使用,的经营及获利情况。与气化效率直接相关的是碳转化而且气化效率更高,所以应用面更宽些。率,表现为灰、渣中的含碳量;系统的换热效率和保温效果。在实际生产中,更重要的是冷煤气效率(冷煤气中的4各类煤气化炉工业放大难易程度分析热量/人炉煤中的热量X 100%)。一般常乐固定床气化炉,由于在灰熔融性温度以下的温度气化、煤块有一定如前所述,目前工业化的煤气化方法按炉型的床粒度,很难把整块煤气化“透" ,灰渣含碳量在10%~15%层特点,分为固定床、流化床、气流床三类。每种技术左右,由于使用块煤,带出飞灰量较少。虽然灰渣中含碳都有一个从理论研究到实验室试验、到中间试验、再量较高,但是由于生成的热煤气与加人的煤及热灰渣与到工业化试验.工业化放大的过程。而从炉型放大的气化剂(空气、水蒸气)都有很好的逆流换热效果,煤难易看,固定床和流化床的放大是比较困难的。这是气离开气化炉时的温度约500C.炉渣离开气化炉时因为固定床和流化床所用燃料(煤炭)一般是从上部的温中国煤化工制气(发生妒)冷煤加入,向下运动,而气化介质(氧气、空气、水蒸气)是.气效YHC N M H Ck制气(水煤气)冷从下部进入,向上运动,燃料与气化介质是相对运动煤气效率约60%(吹风气损失较大,且换热效果较差)。的。气化炉要正常稳定运行,燃料和气化介质就要在常压流化床气化炉,由于在流化状态下气化,且煤煤化工2009年第5期的粒度范围较寬,所以带出物(小颗粒粉煤)较多,且.的,气化反应温度较低.煤气出气化炉的温度较低,气化带出物的含碳量较高,达到25%~30%,炉渣中的含碳中生成很多酚类的有机物及焦油等未经过高温分解带量也较高,一般在10%-15%,煤气及带出物离开气化到煤气中,在循环水洗涤煤气时进人水中,而且成分复炉时的温度较高,约950C~1000C,炉渣离开气化炉杂,难于处理。时的温度约300"C,所以冷煤气效率较低,只有约60%。在流化床气化炉生产中,由于煤气离开气化炉时的气流床气化炉,由于磨煤较细且粒度均匀,在超过温度较高(约950"C~1 000"C),所以有机物及焦油经过灰熔融性温度(FT)150^C~200C熔渣状态下气化,煤中分解,基本都已转化成CO+H2,主要污染一个是磨煤干燥的碳基本上能“榨干吃尽”,几乎全部参加反应,所以碳系统的粉煤带出较多,另-一个是循环水系统,水中含灰转化率很高。煤气及熔融状态的灰渣离开气化室时的温量大、水中捞出的飞灰难处理、飞灰含碳量高,水泥厂等度在1400C~1500C以上,带出的显热较多。一般水煤建材企业难以利用，以及由于煤气洗涤水敞开循环,水浆型的气流床气化炉碳转化率在95%左右,炉渣中的碳出空喷塔和洗涤塔后,溶解在煤气中的Co解吸出来,弥含量大约5%,"飞灰中的碳含量大约25%,冷煤气效率约漫在煤气站区,造成站区Co超标。70%。一般干煤粉型的气流床气化炉碳转化率在98%~在气流床气化炉生产中,煤气离开气化炉气化室时99%,炉渣中的碳含量大约2%~3%,飞灰中的碳含量大约的温度更高(约1 500C~1 700"C),所以有机物及焦油15%~ 20%,冷煤气效率约80%。分解得更为彻底,基本都已转化成C0+H2,主要可能产生污染的环节一个是磨煤干燥系统,另一个是循环水系6各类煤气化炉 的环保分析统。而磨煤于燥系统采用密闭式生产,尾气过滤到粉尘在目前国家日益重视环境保护的大背景之下,可以50mg/m2后排放,粉煤带出很少,对环境很少不良影响。说,环保效果及污染治理的难易会直接关系到煤化工项灰渣中几乎没有可溶性有害物质且含碳量很低,可用作目的生死。达不到环保要求,项目就不会批准上马,已经水泥填料、制砖筑路等。在循环水系统,循环水中也没建成在生产的项目,也要逐步治理改造,否则就有被关有难于处理的酚类、氰化物焦油等,经过常规处理,完停的危险。全可以达标排放。固定床气化炉在气化无烟煤时,主要污染物是洗涤煤气的循环水中的氰化物和硫化物。由于它们在循环水参考文献:中易于挥发(大约有50% -90%扩散到大气中),对环境造[1]林 器.煤炭气化工艺学[M].大连:大连工学院(教材)，成较大污染。固定床气化炉在气化烟煤时,污染物的种1983. 12-13. .类很多，主要的有洗涤煤气的循环水中的挥发酚类.[2]寇公煤炭气化工程[M].北京:机械工业出版社,992.BOD、COD、焦油氨等,所产生的焦油也因为重质组分多、311-312.含灰、带水,很难处理利用,容易造成较大污染。自20世[3]贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版纪50年代起，国内煤气行业的科研、设计、生产技术人.社,2004.412-560.员就对固定床煤气站的循环水、焦油污染治理进行了几[4]霍锡臣.流化床煤气炉富氧生产计算[J].煤化工,2005,十年的技术攻关,采用了包括生化处理、化学药剂处理、33<2):31-34.电解处理、树脂过滤等手段,始终未有经济可行,能够长[5]霍锡臣.近期煤气站工程的特点及方向[J].工业煤气, .期稳定运行的方法。这主要是由固定床的气化特点决定2002(3):29- 33. .The Characteristics and Applicability of Diferent Types Coal Gasification ReactorHuo Xichen' and Cai W ensheng2(1.CSP China Technology Co. , Ld., Beiing 100176; 2.Cangzhou Dahua Group Co., Cangzhou 061000)Abstract The characteristics of dfferent types of commercialized coal gasification reactor, the applicability of coaltypes, the quality of dfferent coal gas products a8 well as their app中国煤化工ristics of commercial-ization scale -up of the diferent reactors, dilerence of gasification) the environment arepresented in this paper. The potential clients who are going to consTYHCNMHGiscanuakeereceof this paper.Key words coal gasification, fixed bed, fuidized bed, entrained flow bed