氣流床煤氣化工藝技術的分析評價-VIP

1、2008年6月 云南化工 Jun .2008 第35卷第3期 Y unnan Che m ical T echno logy V o.l 35,N o .3氣流床煤氣化工藝技術的分析評價張大晶(水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心,山東滕州277527收稿日期:2008-04-09作者簡介:張大晶(1972-,女,山東滕州人,工程師,從事煤氣化技術的開發(fā)及推廣工作。摘 要: 介紹了國際上先進的氣流床煤氣化工藝技術特點,重點評述我國具有自主知識產(chǎn)權的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置的運行情況。關鍵詞: 干煤粉;水煤漿;氣流床;加壓氣化中圖分類號: TQ546.2 文獻標識碼: A 文章編號: 1004-

2、275X(200803-0021-05A nalysis on the Technology of F low Bed GasificationZHANG Da-jing(Nati onal Engineeri ng C en ter f orW at er-Coal Slurry Gasifi cati on and C oal Che m i cal s ,Tengz h ou 277527,Ch i naAbstract : Techno l ogy feat u res of advan ced flo w bed gasification i n thew orl d w ere i

3、 ntroduced,and op erati on situati on ofm u l ti-jet w ater-coal sl u rry gasification equ i pm ent i n face to face w i th self-own ed i ntellect u al property i n Ch i na w as e m phas i zed.K ey w ords : dry pulveri zed coa;l coal-w ater slurry ;fl ow bed;pressuriz ed gas ificati on我國缺油、少氣、富煤的能源結(jié)

4、構(gòu)決定了煤化工發(fā)展在我國的重要地位,氣流床煤氣化是現(xiàn)代煤化工發(fā)展的必然趨勢。我國是目前世界上應用氣流床氣化技術最活躍的國家,主要集中在粉煤進料的殼牌干粉煤加壓氣化工藝(SCGP、未來能源公司的粉煤加壓氣化工藝(GSP;水煤漿進料的美國德士古公司的水煤漿加壓氣化工藝(Texaco和國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權的多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝。粉煤氣化技術雖然先進,但是缺乏化工應用業(yè)績,消化、吸收、掌握還需要過程,有待實踐驗證。水煤漿氣流床氣化技術用于化工生產(chǎn)成熟可靠,操作穩(wěn)定性強,特別是國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術,在裝置投資、建設、穩(wěn)定運行、經(jīng)濟效益等方面具有顯著優(yōu)勢,其工藝技術指標達

5、到國際先進水平,具有更廣闊的應用前景。本文主要闡述以上四種最先進的氣流床氣化工藝技術,以便讀者對氣流床氣化技術有初步的了解。1 殼牌干粉煤加壓氣化工藝S CGP (Shell Coal G asification P rocessSCGP 氣化技術于1972年開始在殼牌公司阿姆斯特丹研究院(KSLA 進行煤氣化研究。1988年荷蘭德姆克勒(D e m ko lec公司在荷蘭南部的BuGGenun 建成的日投煤量2000t 、氣化壓力2.8M Pa 的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(I GCC 1是唯一的工業(yè)示范裝置,國內(nèi)引進該技術用于合成氣生產(chǎn)存在以下優(yōu)點與不足。1.1 SCGP 的優(yōu)點1煤種的適應性比水煤

6、漿氣化寬水煤漿要求煤灰分<20%,灰熔點(FT 3<1350e ,一般1350e 以上要加石灰石;粉煤氣化要求煤灰分在832%,灰熔點(FT 311001500e ,一般1450e以上要加石灰石。其中煤的含水量(內(nèi)水主要影響水煤漿的濃度及干燥粉煤所需要的熱量。2技術指標優(yōu)于水煤漿粉煤氣化比水煤漿氣化少氣化30%40%水分,故可省煤約10%,省氧氣15%25%。冷媒氣效率比水煤漿高6%,達到80%83%;有效氣成分比水煤漿高7%10%,達到90%93%;C轉(zhuǎn)化率比水煤漿高1%4%,達到約99%;用于I G CC可使熱效率達43%。3內(nèi)件壽命比水煤漿長內(nèi)件指噴嘴、水冷壁或耐火磚。粉煤氣

7、化的水冷壁代替耐火磚,設計壽命20a,耐火磚1至2 a,噴嘴壽命可達8000h,水煤漿的噴嘴壽命3至4個月。1.2SCGP存在的不足1工業(yè)應用業(yè)績不足。目前世界上僅有一套用于發(fā)電的SCGP氣化裝置在運行,還沒有用于合成氣生產(chǎn)的工業(yè)應用業(yè)績,即沒有與生產(chǎn)甲醇或合成氨裝置串聯(lián)的運行經(jīng)驗可以借鑒,開車運行經(jīng)驗少,可靠性有待驗證。2國產(chǎn)化程度較低,投資大。SCGP技術的費用是德士古(Texaco氣化工藝的1.41.5倍。煤氣化的三大關鍵設備(氣化爐、輸氣導管、廢熱鍋爐的內(nèi)件在國外制造,加工周期較長,噴嘴、煤粉閥等完全依賴進口1。設備、儀表材料的國產(chǎn)化率與水煤漿相比差距也較大。3建廠時間長。據(jù)統(tǒng)計,水煤

8、漿建廠時間2至3年,殼牌建廠時間3至5年。2001年至今,國內(nèi)與殼牌簽約的15家企業(yè)(共19套氣化裝置,只有雙環(huán)、安慶、岳陽、湖北枝江、柳州五家企業(yè)投料試車。建廠時間長,將會使企業(yè)承受較長的還貸期,負擔較重。4能量利用不合理。SCGP氣化技術在應用于制氫和氨時,由于廢鍋流程,合成氣的熱量用于產(chǎn)生高壓和中壓蒸汽,氣相中含有的蒸汽較少,3. 0MPa下僅14%,因此后邊的變換要補充大量的水蒸氣,用于甲醇生產(chǎn)也要補充一部分水蒸氣于變換工序,造成能量利用不合理。廢鍋流程是指采用廢熱鍋爐來回收高溫煤氣顯熱,副產(chǎn)高壓和中壓蒸汽。總之,殼牌干粉煤加壓氣化技術用于化工生產(chǎn),實際上風險很大,等同于高價為殼牌做工

9、業(yè)應用的大規(guī)模示范。從以上投料試車的這五家企業(yè)來看,試車期間曾發(fā)生過噴嘴處水冷壁燒漏,噴嘴保護罩燒壞,渣口處水冷壁腐蝕嚴重等情況。由于沒有殼牌粉煤加壓氣化裝置在化工領域成熟應用先例為依托,因此消化吸收掌握乃至達到年設計能力,要經(jīng)歷較長時間,估計不會比當年德士古(Texaco氣化耗時短。2氣流床粉煤加壓氣化工藝G SP(G as Co m bine Schwarze Pu m pe未來能源公司的粉煤加壓氣化工藝(GSP與殼牌干粉煤加壓氣化工藝(SCGP都是以粉煤進料的氣流床氣化工藝,技術先進,其主要技術指標與SCGP基本處于同一水平,主要區(qū)別之處是SCGP是多噴嘴在側(cè)壁對置,合成氣上行,廢鍋流程

10、,而GSP是單噴嘴頂噴,合成氣下行,激冷流程,更適于化工生產(chǎn)。但國內(nèi)引進該技術用于化工生產(chǎn)仍然存在不足。2.1GSP的實力與業(yè)績不足1GSP工藝技術是由前東德的德意志燃料研究所自1975年起開發(fā)的能源技術2。1990年東西德合并后,研究所人員流失嚴重,改組頻繁,目前該技術屬于未來能源公司(F UTURE ENERGY GmbH。未來能源公司設計力量薄弱,缺乏向用戶提供詳細設計所需的基礎設計完整資料。21984年,在黑水泵市(Schw arze Pum pe的勞柏格(Laubag電廠建立了一套130MW/h冷壁爐的商業(yè)化裝置,相當于原料處理能力為720噸煤/天2。1990年前曾氣化過褐煤并達到過

11、滿負荷,但1990后又改為氣化液態(tài)焦油、化學廢液、城市垃圾等,粉煤輸送系統(tǒng)已不存在,且無法向技術尋求方提供當年氣化褐煤的有關資料、數(shù)據(jù),實際上已不存在GSP粉煤氣化裝置,沒有運行的粉煤氣化示范裝置可供考察。3盡管GSP技術指標與SCGP處于同一水平,且激冷流程更適于化工生產(chǎn),投資介于SC GP 與水煤漿氣化之間,被不少廠家看好,但由于其不可忽視的風險,誰首先引進,誰就等于替GSP進行工業(yè)示范,因此尋求技術方更加謹慎。我國原與未來能源公司簽約引進GSP技術的江蘇靈谷化工有限公司,現(xiàn)已暫緩合同執(zhí)行,并轉(zhuǎn)向多噴嘴對置式水煤漿氣化技術進行一期建設。#22#云南化工2008年第3期3德士古水煤漿氣化工藝

12、(Texaco德士古水煤漿氣化是以約60%濃度水煤漿為原料,單噴嘴頂噴,耐火磚熱壁,激冷流程為主,在我國20世紀80年代末魯南化肥廠引進該技術時,國際上已有四套工業(yè)裝置運行。魯南化肥廠首次引進德士古水煤漿氣化(Texaco技術,用于生產(chǎn)合成氨,由化工部一院詳細設計,國產(chǎn)化率達到90%以上,裝置于1993年建成試車,1995年即超過設計年產(chǎn)水平,以后較快的將負荷提到130%以上穩(wěn)定運行,單爐最長連續(xù)運行101天,年運轉(zhuǎn)率在90%,開車以來前6年年均運行326.8天,1995年榮獲國家科技進步一等獎,這充分說明了國內(nèi)在Texaco氣化工程設計、設備國產(chǎn)化、操作管理等方面消化、吸收、改造卓有成效,對

13、其技術已全面掌握。德士古水煤漿氣化在魯南化肥廠成功示范,揭開了我國潔凈煤氣化的序幕,目前我國正在運行的裝置24臺,在建裝置約10臺,主要用于合成氨、甲醇的生產(chǎn)。4新型多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在對德士古技術的全面掌握和消化吸收的基礎上,/九五0期間,由華東理工大學和兗礦魯南化肥廠共同承擔完成了/多噴嘴對置式水煤漿氣化0中試研究,2000年10月通過國家石油和化學工業(yè)局組織的鑒定驗收,認為該技術/填補國內(nèi)空白0和/國際領先水平0,并獲得一系列發(fā)明專利和實用新型專利。/十五0期間進入工業(yè)示范階段,在華魯恒升公司和兗礦國泰化工公司建設的3臺氣化爐已進入正常工業(yè)運行,以新型多噴嘴對置水煤漿氣化技術為依

14、托的兩個項目/多噴嘴對置式水煤漿氣化技術0、/大型氮肥全流程技術和成套裝置技術開發(fā)與應用0雙雙獲中國石油和化學工業(yè)協(xié)會2006年度科技進步特等獎。4.1氣化爐流場及反應機理在實驗室以直徑1000mm的大型冷模對置氣化爐有機玻璃模型對氣化爐流場進行了探討。流場可劃分為:射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股(上下2股、回流區(qū)(共6個、折返流區(qū)、管流區(qū)3,如圖1 所示。1-射流區(qū);2-撞擊區(qū);3-撞擊流股區(qū);4-回流區(qū);5-折返流區(qū);6-管流區(qū)圖1多噴嘴對置式氣化爐流場示意圖F i gure1Sche m ati c diagram of m ulti-jet w ater-coa l sl urrygasif

15、icati on furnace flow fiel d撞擊區(qū)是氣化爐內(nèi)物流間混合最為劇烈的區(qū)域。研究表明,它從以下幾方面強化了氣化爐內(nèi)的霧化與混合過程。(1撞擊區(qū)內(nèi)氧氣與煤漿的相向運動產(chǎn)生剪切力,促使煤漿液滴進一步破碎,完善了霧化過程;(2四股射流經(jīng)過撞擊才形成撞擊流股,其軸向速度衰減明顯加快,爐內(nèi)流體的停留時間分布得到改善,即/短路0現(xiàn)象受到抑制;(3撞擊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的顆粒振蕩現(xiàn)象,使顆粒停留時間相對延長;(4撞擊區(qū)內(nèi)速度脈動劇烈,湍流強度最大4,說明混合效果最好。水煤漿、氧進入氣化室后,相繼進行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化等6個物理和化學過程5,前5個過程速度較快,在1、2、3、4

16、、5五個流型區(qū)域中已基本完成,而氣化反應除在上述五區(qū)中進行外,主要在管流區(qū)6中進行。煤漿顆粒在氣化爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷了以下步驟6:顆粒的湍流彌散、顆粒的振蕩運動、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發(fā)與顆粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應、煤焦的多相反應、灰渣的形成。4.2工業(yè)運行新型多噴嘴對置式水煤漿氣化屬氣流床氣化技術,主要包括煤漿制備、輸送單元,多噴嘴對置#23#2008年第3期張大晶:氣流床煤氣化工藝技術的分析評價式水煤漿氣化單元,煤氣初步凈化單元,含渣水處理單元。這是德州大氮肥國產(chǎn)化項目,氣化部分同時建設三臺水煤漿氣化爐,均為750噸煤/日,壓力6.5M pa,兩開一備,其中一臺

17、為多噴嘴對置式新型氣化爐,于2004年12月1次投料成功,2005年6月2日正式運行。2006年3月,國家組織對大氮肥國產(chǎn)化項目現(xiàn)場考核表明,氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率99.9%,有效氣成分達84%,渣中含碳量<5%,每天比相同規(guī)模的引進水煤漿氣化裝置多創(chuàng)造經(jīng)濟效益約5萬元。兗礦國泰化工公司與華東理工大學共同承擔/十五0國家/8630項目,在國泰建設多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業(yè)示范裝置及配套工程。采用兩臺1150噸煤/日,壓力為4.0M pa的多噴嘴氣化爐,配套24萬噸甲醇/年,71.8MW聯(lián)合發(fā)電,供20萬噸醋酸/年。多噴嘴對置式新型水煤漿氣化裝置于2003年5月1日正式開工建設,2005年7

18、月氣化裝置一次投料成功,打通工藝流程,并連續(xù)運行80小時。配套24萬噸甲醇裝置于2005年10月15日投入運行后很快達到設計負荷,2006年生產(chǎn)甲醇23.4萬噸,發(fā)電2.3億度。第一年投產(chǎn)就基本達到了設計能力,表明該技術成熟可靠。目前整個裝置運行穩(wěn)定,已全面超過設計能力, 2007年甲醇產(chǎn)量將達到30萬噸。截至2007年底,我國首臺日處理1150t煤的多噴嘴對置式新型水煤漿氣化爐,在兗礦國泰化工有限公司實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)運行68天,工藝燒嘴連續(xù)使用85天,創(chuàng)造了該種爐型連續(xù)運行時間的新紀錄。同時實現(xiàn)了帶壓連投技術。國泰新上第三臺氣化爐于2007年9月3日投運,目前裝置運行穩(wěn)定。表1多噴嘴氣化技術與德

19、士古氣化技術主要技術數(shù)據(jù)比較Table1Compa rison bet w een m ain technica l da ta o fm ulti-jet gas i fica tion and that of texaco gasificati on工業(yè)爐型單爐規(guī)模t/d原料煤種CO+H2%比氧耗m3O2/km3(CO+H2比煤耗kg煤/km3(CO+H2C轉(zhuǎn)化率/%4.3運行特點1技術指標先進(表1。國泰的多噴嘴氣化爐與魯化的Te xaco爐為同期考核、運行數(shù)據(jù)比較,均使用北宿水洗煤,可比性更強,有效氣成分提高2% 3%,CO2含量下降2%3%,碳轉(zhuǎn)化率提高2% 3%,比氧耗降低7.9%

20、,比煤耗降低2.2%。2多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用四噴嘴撞擊流、預膜式噴嘴,加強混合,強化熱質(zhì)傳遞。德士古水煤漿氣化技術為單噴嘴,流場為受限射流,物料停留時間分布寬,碳轉(zhuǎn)化率低,射流以較大速度沖刷耐火磚。3復合床洗滌冷卻使液位平穩(wěn),有效避免了Texaco爐子激冷室液位波動,帶水帶灰問題,粗合成氣與黑水溫差比Texaco小10e,表明其傳熱、傳質(zhì)效果好。4粗合成氣分級凈化,節(jié)能、高效、壓降小,分離效果好(含塵量小于1m g/m3。5含渣水直接換熱,優(yōu)于Texac o間接換熱,蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4e,克服了間接換熱設備易結(jié)垢堵塞問題,也提高了換熱效率(Texaco 閃蒸汽、冷凝液兩

21、相溫差最大約60e。6投資。裝置國產(chǎn)化率高,沒有專有設備,專利費為引進的德士古水煤漿氣化的1/31/2,從以上的運行指標可以看出,多噴嘴對置式水煤漿氣化比引進的德士古水煤漿氣化運行費用要低得多。7兗礦集團有限公司、華東理工大學提供強大的工程與技術支撐。8對環(huán)境影響較小。氣化過程不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物,易處理,高溫排出的融渣,冷卻固#24#云南化工2008年第3期化后可用于建筑材料。9實現(xiàn)帶壓連投技術,在氣化爐及后系統(tǒng)不停車的情況下解決故障,帶壓投料,提高了有效生產(chǎn)時。到目前為止,累計進行了10次帶壓連投操作,節(jié)省費用近700萬。5結(jié)論通過以上分析對比,以及多噴嘴對置式水煤漿氣化爐兩年多的示

22、范運行,可知多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是成熟的、擁有自主知識產(chǎn)權的、達國際先進水平的大型煤氣化技術。目前其市場推廣正處于強勁勢頭,正在運行和建設的有11家企業(yè),30臺氣化爐,多噴嘴對置式水煤漿氣化技術大大推動了我國煤化工技術的發(fā)展,我們?nèi)ν扑]這一爐型。參考文獻:1唐宏青.Shell煤氣化工藝的評述和改進意見J.煤化工,2005,33(6:9-12.2趙瑞同,李磊,張峰,等.未來能源公司的GSP氣化技術J.煤化工,2005,33(6:19-22.3譚可榮,韓文,趙東志,等.新型水煤漿氣化技術的開發(fā)及應用J.煤炭轉(zhuǎn)化,2001(1:36-39.4李希,陳甘棠,戎順熙.微觀混合問題的研究J.化學反應工程與工藝,1990,6(4:15-22.5龔欣,劉海峰.新型水煤漿氣化爐J.節(jié)能與環(huán)保,2001(11:15-17.6王輔臣.射流攜帶床氣化爐內(nèi)宏觀混合過程研究J,化工學報,1997,49(2:35-37.(上接第14頁2.45FCP t1急性毒性初步實驗結(jié)果實驗結(jié)果如表5。表5劑量設置及動物死亡情況Table5Do s e s etting and death status of ani m a l s組別劑量/m g/kg動物死亡比率118.570226.532/4337.94/4根據(jù)各劑量組動物死亡情況,初步估計5FCPt1的LD50值約為26mg/