流化床气化技术对煤质的要求

大瓦磁Jun.2014第37卷第3期Large Scale Nitrogenous FertilizerVol 37 No. 3流化床气化技术对煤质的要求郭森荣(中国石油化工股份有限公司工程部,北京100728摘要:介绍流化床气化技术特点,从煤的分类、工业分析、半焦与CO2反应活性、卤族元素和碱金属含量等方面,分析煤质对流化床气化技术的影响得出流化床气化适合可气化高灰、高水、高灰熔点的劣质煤,要求煤半焦的CO2反应性高,灰熔点不能偏低,反应温度操作范围尽量大;原料中的卤族元素含量尽量低;碱金属含量低于2%关键词:流化床气化煤质U- Gas TRIG输运床目前,中国的煤气化技术市场,多种技术各领同时合成气中富含甲烷,气化废水中不含焦油酚风骚,竞争激烈,发展也非常迅速。在中国已经建等杂质,是目前褐煤利用的一个重要方向。设工业化装置的气化技术有二十几种之多,可谓百家争鸣①。从乐观的方面看,丰富的气化技术种1典型流化床气化技术介绍类,为广大业主和市场提供了广泛的选择;另一方流化床气化技术采用粉煤或碎煤为固体原面,如何选择最合适的气化技术,成为项目成败的料,以O2HO或CO2为气化剂通入固体床层中关键。依据气化炉的操作状态的不同,按照流体力使固体悬浮起来形成流态化,从而使得煤粉和气学状态对煤气化技术进行分类,主要有固定床、流化剂充分混合,接触面积大,迅速地进行气化反化床和气流床三种类型,三种气化技术各有特点,应。其床层温度分布均匀、传热传质效率高、气化也有自己的适用范围。在三类气化技术中,固定床能力大、煤种选择范围广、炉内反应温度较高、基气化相对简单,需要使用块煤或型煤,合成气中甲本不会产生酚类和焦油等副产物,但气体带出的烷含量高,但副产物和气化废水处理工序复杂,环细灰中含碳量较高,造成碳转化率偏低,这可以通保冋題较多;流化床气化采用粉煤进料,灰渣循环过细灰循环技术来解决。使用,对环保压力小,但气化温度较低、停留时间经过几十年的发展,国内外流化床气化技术短,要求原料煤有较好的反应性,可适用于褐煤、有近十种,下面就比较有代表性的U-Cas及TRIG长焰煤等劣质煤气化,合成气中甲烷含量也较高,气化技术特点进行介绍。适用于IGCC及煤制天然气项目;气流床技术采用1.1U-Ga气化工艺干煤粉或水煤浆进料,气化能力大,碳转化效率U-Gas气化工艺由美国煤气工艺研究所高,是当今先进煤气化技术,近年来发展较快,但(Gm)开发,属于单段流化床粉煤气化工艺,采用在适用高灰、高灰熔点等劣质煤时,还存在诸多问灰团聚方式操作,流程见图1。该技术是在常压循题环流化床气化工艺的基础上发展起来的,技术突气化原料(煤种)和下游产品是选择煤气化技术的关键因素,其中煤种适应性是选择气化技术收稿日期:2014-05-12;收到修改稿日期:20140609的第一要素,分析清楚煤质状况,了解气化技术对作者简介:郭森荣,男,1968年9月出生,本科学历,高级工程煤质的要求至关重要。随着我国煤化工项目的增师,毕业于东华油化工股份有限多,国内高水、高灰、低热值褐煤的利用程度逐渐公司工程部炼化中国煤化工工工程建设管理及工程研发工作CNMHGgosOsi加大,流化床气化技术能在较低温度下气化褐煤,com1462014年第37卷破在于采用了灰熔聚排渣技术。所谓灰熔聚指的980℃左右,并通过高循环比来提高整体碳转化是在炉底中心有一个氧气或空气入口,该处由于率。合成气离开TRG气化炉后,通过专门设计的氧气或空气的进入,形成局部的高温区,在这里灰高压蒸汽余热锅炉和高压蒸汽过热器进行余热回渣中未反应的碳进一步反应,煤灰则在高温下开收,冷却至约370℃,然后进入KBR专有的颗粒物始软化且相互粘结在一起,当熔渣的黏度和重量控制装置(PCD),脱除合成气内剩余的颗粒物。达到一定的程度时灰球就会克服气流的阻力落入炉底,借助重量差异与半焦分离极大地降低了排2气化原料的属性对气化技术的影响灰的碳含量,大幅提高了碳转化率,拓展了流化床在工程设计过程中,原料属性的确定是非常的煤种适应性,是循环流化床气化技术发展史上重要的一个环节,它决定了整个工程的工艺路线。的重要里程碑,灰熔聚技术使循环流化床气化炉对于煤化工项目来说,煤的种类跟各项属性是决的碳转化率提高到96%-98%。定项目各项性能和消耗的基础,决定了气化技术旋风分离器的选择,也是经济型评价的一个重要因素。余热锅炉煤作为一种复杂的固体混合物,其组成和性凶蒸气质均非常复杂。煤气化相关的性质主要有煤的组缓冲斗/气化炉锅炉给水成、发热量、反应活性、灰熔点、灰分组成、卤族元合成气素和碱金属含量、热稳定性、渣的黏温特性、成浆化剂性、焦渣特征、可磨指数等。各种气化技术所能适输煤斗效旋风布袋除尘器/寸滤器灰冷器分离器应的煤的性质范围不同,不存在一种气化技术可锁斗锁斗以适用于所有煤种,需要通过分析煤质对气化技灰仓O输灰斗粉仓输粉斗术的影响来确定适用的煤种。21煤种分类及工业分析和元素分析图1U-Gas气化工艺流程2从大类上说,煤分褐煤、次烟煤、烟煤和无烟12TRIG输运床气化技术煤,显然,如此简单的划分只能笼统的来区分所适TRG输运床气化技术(也称之为KBR提升管用的气化技术。流化床气化技术通常适合反应活气化技术,见图2)是一种先进的循环流化床气化性髙,年轻的褐煤或者次烟煤;质量好,热值高的技术,其机械设计和操作是基于KBR的流化催化烟煤和无烟煤,往往作为动力煤,国家规定不提倡裂化(FCC)技术,已有60多年的成功商业运行经作为气化技术用煤;内水含量较少的烟煤,如果成验。TRG气化技术与传统的循环流化床相比,其浆性能高,往往是水煤浆气化的首选固体循环速率和气体速度要快很多,提升管密度由于煤的复杂性和多样性,对于原料煤样的要高很多。因此具有较高的生产能力和碳转化率、定量分析是非常必要的,这就需要进行煤的工业混合均匀、传热和传质速率较高分析和元素分析。工业分析主要用以划分煤种,其合成气结果对应的是工厂操作和经济性能等宏观指标旋风分离旋风分离器而元素分析的结果针对的是物料平衡的基础。对于所有气化技术来说进料煤水分和灰分过高都会降低气化效率,但由于流化床气化技术的操作温上升管度相对较低,进料水分只要满足物料输送要求即可,进料灰分含量要求也较低。混合因为工业分析和元素分析是大家熟知的基本氧气/空气/蒸汽+腿分析项目,在此就不展开讨论,下面将由此展开针粗灰七氧气/空气对性的讨论煤的其他属性对流化床气化技术的影图2TRG气化炉3中国煤化工通过控制人炉氧气和蒸汽的流量,可以有效22煤半划CNMHG的限制碳在气化炉内的燃烧,将反应温度控制在煤半焦的CO2反应活性分析是反应煤活性的第3期郭森荣,流化床气化技术对煤质的要求147一个重要参数,是流化床气化必需的一个分析报没有足够宽的温度操作范围,基本无法保证装置告。CO2反应活性需要参照GBT2202001《煤对的稳定长期运行,稍有不慎就会超温,影响炉内流二氧化碳化学反应性的测定方法》进行测定,反应化,造成结渣、堵渣,迫使气化炉停车。活性测量的不仅仅是点,而是各个点组成的曲线,上海焦化厂20世纪90年代引进的U-Cas气它模拟了气化反应中,CO2还原成CO有效气体的化装置,之所以没有取得预计的成功,个人认为灰环境,反映了气化反应过程中半焦中的碳在不同熔聚的操作窗口窄,适用煤种少是其中一个重要温度下,将CO2还原成CO有效气体的能力。因素,所以后来的美国SES综合能源系统有限公流化床气化炉的反应温度一般低于灰熔点司在山东枣庄的气化示范工厂采取的操作模式,100-150℃这就要求煤半焦的CO2反应活性必须彻底摒弃了灰熔聚的操作,操作温度维持在初始足够好否则造成碳转化率偏低,气化性能很差,变性温度以下100-150℃,现场运行稳定,且排渣各项经济指标也不好。因此,如果要选用流化床气残碳含量也不高。顶部飞灰由于旋风系统的效率化技术,褐煤和反应活性高的次烟煤是首选原料。以及飞灰循环再气化位置的选择问题,残碳含量23灰熔点和灰分组分分析偏高,但飞灰会进行收集并返回气化系统,使得整灰熔点的测定即煤灰的熔融性,在国内,习惯体的碳转化率不低。上用4个温度来衡量,即煤灰的初始变性温度、软24灰分中卤族元素和碱金属化温度、半球温度、流动温度。煤种的卤族元素主要为Cl和F,碱金属主要煤的灰熔点一般是指流动温度,它的高低与为Na和K,气化炉炉体金属材料的选择,及其下灰的化学组成密切相关。一般情况,灰分中氧化游的管线和设备的材质选择须考虑C1和F的腐铁、氧化钙、氧化镁的含量越多,灰熔点越低;氧化蚀,特别是气化炉下游的设备和黑水管线,以及其硅、氧化铝含量越高,灰熔点愈高。但灰分不是以他高温、含高浓度卤族介质、呈酸性的介质管线单独的物理混合形式存在,而是结晶成不同结构这部分管线可能需要选择耐氯离子的双相钢材的混合物,结晶结构不同灰熔点差异很大,不能以质,但这会大大增加设备和管道投资。此作为唯一的判别标准。通常采用酸碱比来粗略实际上在煤组分中特定组分,比如氯离子、碱判断煤种灰分熔融的难易程度(:酸碱比=(SiO2+金属离子对气化炉的运行以及气化炉设备的腐Al]0,)/(Fe203+Ca0+MgO)蚀,在国外已经非常深入的进行了基础研究,只是灰熔点将决定气化炉操作的气化温度的选国内在引进技术的同时,很难将这些理论研究的取现代TRG输运床气化技术,由于采取干法排内容一并引进,德士古在20世纪8090年代就渣,操作温度必须选在初始变形温度之下,是其温在工业化装置中研究了气化过程中的碱金属和氯度操作上限同时结合前面所说的CO2反应曲线,离子的腐蚀问题,例如德士古气化炉炉壁都会堆选择合适的下限温度,以保证气化的性能和原料焊合金或者高镍合金。国内的多喷嘴对置式气化的转化效率,操作下限和上限的空间即为流化床炉,在制造过程中,某些关键部位也都堆焊了高镍运行的温度空间由此可见,流化床气化技术要求合金煤种的初始变形温度不能太低,一般情况下高于对于流化床气化炉而言,也会面临相同问题1000℃,否则气化炉运行温度过低会影响气化效需要在设计中注意卤族元素的含量。率,同时使合成气中焦油、酚类含量增加。241卤族元素和碱金属对流化床气化技术的影这里需要特别提一下灰熔聚气化技术,灰熔响聚属于流化床气化技术,但是其灰熔聚和半焦循虽然碱金属均能够降低气化反应过程的活化环再气化技术使得其气化性能远高于普通流化床能,对煤气化起到催化作用,提高低温下煤的反应技术,也正是其灰熔聚技术的运用,大大限制了其速率5。但流化床气化技术包括灰熔聚、U-Gas以操作范围,在工业生产操作中,如果要实现灰熔聚及TRC输运床气化技术,对灰分中碱金属的含量操作,操作温度必须控制在初始变形温度和软化是有限制的V凵中国煤化工观碱金属氧温度之间,这就要求煤种的初始变形温度和软化化物和盐类CNMHG生反应,生温度的差距足够大,对煤种的要求非常苛刻,否则成低灰熔点的硅酸盐等共熔体,在灰颗粒表面生2014年第37卷成熔融状态层,并不断吸附其他灰颗粒,进而发生建立了工业示范装置。通过分析气化原料的关键团聚,破坏流化床内的流化状态和温度分布,很容属性对流化床气化技术的影响,得出以下结论:流易产生局部高温和结渣,导致气化炉停车。因此大化床气化技术对原料中的水分和灰分含量要求不多数专利商出于安全和稳定运行的考虑,将碱金高,可气化高灰、高水的劣质煤;要求煤半焦的CO属的含量定在2%以下,高于2%的情况,需要进行反应性高灰熔点高于1000℃,反应温度操作范评估和试验67围尽量大;原料中的卤族元素含量尽量低;碱金属碱金属会导致流化床内床料的流化灰熔点大含量低于2%。幅度降低,远低于实验室通常所使用的灰锥法和当然,本文只是从煤种适应性角度对流化床马弗炉所测得的灰熔点,因为这种方法测得是静气化技术进行了分析,在煤质分析数据确认后,还态的灰熔点,而不是流化态灰熔点。美国CT气体需要根据产品情况,对各种气化技术进行方案对技术研究院自己开发了一套可以测量流化态灰熔比,才能确定最终气化技术的选择。点的装置,最初这套装置就是专门为U-Gas研发参考文献服务的,这足以可见,引进吸收国外技术的同时,[]亢万忠.当前煤气化技术现状及发展趋势大氮肥,2012对基础研究的补课是非常重要的35(1):1-6.24.2卤族元素和碱金属对废热锅炉的影响[2] David Mason, Jitendra Patel. Chemistry of Ash Agglomeration In碱金属元素在低于800℃是以固态NaCl和The U-Gas Process[J]. Fuel Processing Technology, 1980(3):181-206.KCl的形式存在,而在温度高于900℃时,将以气[3] Siva Ariyapadi, Philip Shires, Manish Bhargava, et al. KBRS态NaCl和KCl方式溢出,并随着合成气进入气化Transport Gasifier(Trig)-An Advanced Gasification Technolo-炉下游设备,其主要影响在废热锅炉,如果灰分中gy for SNG Production From Low-Rank Coals[R]. Twenty-fifth的碱金属含量过高,气体的碱金属化合物在废热Annual Intemational Pittsburgh Coal Conference. Pittsburgh锅炉将被降温固化,大量粘附在换热管壁上,轻则PA.2008.[4]戴爱军.煤灰成分对灰熔融性影响研究[J.洁净煤技术增加换热管的污垢系数,造成传热效率下降,蒸汽2007,13(5):23-26.产量降低,废热锅炉出口温度超温影响装置的长(5]卫小芳,黄戒介,房倚天,等碱金属对褐煤气化反应性的影周期稳定运行,比较恶劣的情况,固化下来的碱金响[J煤炭转化,2007,30(4):38-4属还会粘附合成气中夹带的粉尘,在换热管之间6Daws,BM,O.De. R.F. Leonard, et al Gasification o架桥,堵塞废热锅炉,造成跳车③9Rank Coal at the PSDF[R]. Nineteenth Low Rank Coal Sympo至于碱金属的含量以多少为限,不同的技术() Peng Ww,NmM, Leonard R, et al. High- Sodium Lignite提供商规定略有不同,2%以下最佳,2%~4%范围Gasification with the PSDF Transport Gasifier[R ]. Twenty-Sec主要评估,超过4%,废热锅炉流程的气化技术基ond International Pittsburgh Coal Conference, Pittsburgh, PA本无法实现长周期稳定运行。[8]陈安合杨学民,林伟刚.生物质热解和气化过程C及碱金属逸出行为热力学平衡分析[门.燃料化学学报3结论与建议2007,35(5):539-547流化床气化技术能直接气化高含水、含灰的(9肖军,段菁春,王华,等,低温热解生物质与煤共燃的结髙活性褐煤等劣质煤种,近几年发展比较迅速,已渣、积灰和磨损特征分析[J能源工程,2003,3(1):9-13COAL QUALITY REQUIREMENTIN FLUIDIZED BED GASIFICATION TECHNOLOGYGuo SenrongSINOPEC Engineering Department, Beijing 100728)Abstract: Technical characteristic of fluidized bed gasification中国煤化工 and its impact on fluidized bed gasification technology were analyzed from differHCNMH Glassification转第152页)1522014年第37卷层的钢构件,其耐火极限不应低于1.5h,因此结构烈度区采用S/RC和S/SRC竖向混合框架支撑结设计时要求防火材料必须满足耐火极限的要求。构具有最佳的经济性能及良好的抗震性能;在中石油化工企业的火灾多为烃类火灾,它不同于一高抗震设防烈度区可以采用S/SRC结构和全钢结般的建筑火灾,在10min内火焰的温度就能达到构,优先采用SSRC结构;在高抗震设防烈度区可1000℃,因此在选用防火材料时应满足适合于烃以采用S/SRC结构和全钢结构,优先采用全钢结类火灾且耐火极限不应低于15h的耐火保护材构参考文献1]《钢结构结构设计手册)编辑委员会著钢结构设计手册[M]4结论第3版.北京:中国建筑工业出版社,2004:4-6.[2]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S]粉煤气化装置框架的结构选型首先要考虑工(3]JoJ138-20型钢混凝土组合结构技术规程s艺布置、施工可行性、结构安全性及经济性,达到4]吕西林张杰钢和混凝土竖向混合结构阻尼特性研究[工艺设计与结构设计、结构设计与施工组织的协土木工程学报,2012(3):20-26.调统一。通过三种不同材料组合的选型分析,对比5982-20钢骨混凝土结构设计规程(S][6]GB50017-2003.钢结构设计规范[S全钢结构、S/SRC结构以及S/RC结构三种结构7]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S方案,通过实际应用和研究表明在中低抗震设防8]GB50160-200石油化工企业设计防火设计规范(S].STRUCTURE MODEL OF PULVERIZED COAL GASIFICATIONFRAMEWORK AND MATERIAL SELECTIONWang Yaodong(SINOPEC Ningbo Engineering Co, Ltd, Ningbo 315103)Abstract: Coal gasification framework is the core architecture in coal gasification plant. This paper de-scribed the structure model in current pulverized coal gasification plant and material selection in real practice, and compared the characteristics, advantages and disadvantages of three different structure schemessuch as pure steel structure, S/SRC vertical mixed structure, and S/RC vertical mixed structure, combiningwith engineering experience. Practical cases were used to check the static elastic-plastic property of S/RCstructure. A comprehensive analysis on structure selection helps to find out the model with best economicproperty and good anti-seismic performanceKey words: pulverized coal gasification; plant framework; structure model selection; material selection(上接第148页industrial analysis, reactivity of semi-coke with CO2, content of halides and alkali metal, etc. The resultshows that fuidized bed gasification is suitable for inferior coal with high ash and water content and high ashfusion point. Reactivity of semi-coke with CO2 should be high, ash fusion point should not be too low, andoperation window for reaction temperature should be as large as possible; halides in the raw material shouldbe as low as possible; and alkali metal content should be less than 2%%Key words: fluidized bed gasification; coal quality U-Gas; TRIG gasification process欢迎投稿、欢迎订阅、欢H苦!