U-GAS粉煤氣化技術(shù)

第41卷第22期廣州化工VoL 41 No 222013年1l月Chou chemical IndustryNovember 2013生產(chǎn)技術(shù)U-GAS粉煤氣化技術(shù)董文博(河南義馬煤業(yè)集團股份有限公司技術(shù)中心,河南義馬472300摘要:介紹了U-GAS粉煤加壓氣化技術(shù)的工藝反應原理,主要設備的作用和工藝流程走向,關(guān)鍵控制參數的調節方向與其他爐型相比較,該爐型所具備的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn),該氣化技術(shù)的研究發(fā)展歷程以及目前在國內的運行情況,并指出了這種煤粉煤氣化工藝技術(shù)的發(fā)展前景及制約因素。關(guān)鍵詞:U-GAS;粉煤氣化;灰團聚;氣化技術(shù);流化床;氣化劑中圖分類(lèi)號:TQ5462文獻標識碼:B文章編號:1001-9677(2013)22-0155-03U-GAS Pulverized Coal Gasification TechnologyDONG Wen-BoTechnology Center, Henan Yima Coal Group Co., Ltd, Henan Yima 472300, China)Abstract: U-GAS reaction principle of the technology of pulverized coal pressurized gasification technology, therole of the main equipment and technological process, the adjustment direction of key control parameters were introducedCompared with other type furnace, technology advantage and characteristic of fumace model, the gasification technology ofresearch development and running situation at present in China were presented, and the pulverized coal gasificationtechnology development prospect and restriction factor were pointed out.Key words: U-GAS; pulverized coal gasification; grey reunion; gasification; fluidized bed; gasification agentU-GAS氣化爐及工藝流程汽比值較大,故床層中心區域溫度較高,該區域的溫度高于周?chē)骰驳臏囟?接近煤的灰熔點(diǎn);U-GAS氣化爐,是一個(gè)單段流化床氣化爐。氣化爐主體(3)在文丘里管處由于氣流的擾動(dòng)使排灰中的碳粒從較重是帶有兩個(gè)旋風(fēng)分離器的粉煤流化床。氣化爐是一個(gè)直立的圓的團聚灰中分離出來(lái)。在文丘里管處使未燃碳燃燒氣化,又使筒體,分為上下兩段,上部的直徑較大,氣流速度較低,氣流灰粒相互粘結而團聚起來(lái)。通過(guò)控制文丘里管的氣速,可控制中含有尚未完全氣化的焦粉和半焦粉,與下部相比,顆粒濃度排灰量。較低,稱(chēng)之為稀相段,此處是氣化產(chǎn)生的焦油和輕油進(jìn)行裂解原料煤與氣化劑反應生成的合成氣從氣化爐頂部導出,合的主要場(chǎng)所;下部的直徑較小,氣速較大,顆粒較大的粉煤、成氣中夾帶有大量的煤粉,含碳量較大。經(jīng)過(guò)兩級旋風(fēng)分離粉焦和灰渣都集中在這里,形成流化床的濃相段。原料煤被輸器,將合成氣中所附帶的大顆粒粉塵捕集回收,再次送入氣化爐進(jìn)行反應。合成氣中不含焦油,有利于熱量的回收和凈化過(guò)送到濃相段,這里是氣化反應發(fā)生的主要場(chǎng)所。程。氣化過(guò)程中形成的灰渣被熔融團聚成球形顆粒,而后被分經(jīng)過(guò)加工后的原料煤(0~6mm),為了能順利進(jìn)入加壓運離出來(lái),通過(guò)排渣裝置排出爐外。行的氣化爐,將經(jīng)過(guò)緩沖斗、鎖斗、加煤計量斗和定量螺旋加般的流化床氣化爐不能從床層中排出低碳灰渣,這是因料器噴入分布板上方區域。在氣化爐內,煤與氧氣、水蒸汽在為要保持床層中高的碳灰比和維持穩定的不結渣操作,流化床高溫高壓條件下接觸、反應,將迅速完成干燥、破粘(如果是內必須要混合良好。因此,排料的組成與床內物料相同,故排黏結性煤的話(huà))、脫揮發(fā)分、熱裂解、燃燒、氣化、灰團聚、出的灰渣含碳量就會(huì )比較高。而U-GAS氣化技術(shù)是利用灰團灰分離等一系列重要步驟。床層溫度取決于原料煤的種類(lèi),應聚的原理,來(lái)進(jìn)行反應和排灰過(guò)程的。在氣化爐內,導入氧化使煤灰熔聚而不結渣。氣化爐的運行壓力取決于產(chǎn)品氣的用性高速射流,使煤中的灰分在軟化而未熔融的狀態(tài)下,在錐形途。原料煤在氣化爐內停留時(shí)間為45-60min,流化速度為床中相互熔聚而黏結成含碳量較低的球狀灰渣,有選擇的排出0.65~1m/s,中心管處的固體分離速度約為10m/s。爐外。這種排渣工藝的優(yōu)點(diǎn)是不需要熔化所有的灰,對灰渣的氣化劑由三處進(jìn)入氣化爐:(1)床層底部的分布板上開(kāi)了數百個(gè)小孔,氣化劑從分布境的污染小。這種氣化爐的灰渣比純于式排灰的灰渣對環(huán)流動(dòng)性要求不高板下部進(jìn)人,由小孔散出,以均勻的分布氣化劑并將下移的物高了氣化效鬥中國煤化子灰清中的碳叔失,據料推向中心射流區域,建立固體顆粒的內部循環(huán)失,從而提CNMHG這是煤氣化排渣技(2)通過(guò)床層底部中心管進(jìn)入,由于中心管口位置的氧/術(shù)的重大發(fā)展?；以欧诺乃俾士赏ㄟ^(guò)兩種途徑進(jìn)行控制:作者簡(jiǎn)介:董文博(1986-)男,助理工程師。廣州化工2013年11月種是控制通入文丘里管氣化劑的氣流速度,另一種是控制冷渣最重要的影響因素。它是由煤和灰的性質(zhì)所決定的,必須控制機的轉速。在灰不熔化而又能夠團聚成球形的狀態(tài)。實(shí)驗發(fā)現,此溫度一般比煤的灰熔點(diǎn)低100~200℃,與灰分中鐵的含量有關(guān)。煤中灰分的團聚,是依靠灰粒外部生成黏度適宜的一定量的液相第二旋風(fēng)分離器第一旋風(fēng)分離器將灰粒的表面濕潤,在灰粒相互接觸時(shí),由于表面張力的作用,灰粒發(fā)生重排、熔融、沉積以及灰粒中晶粒長(cháng)大。而黏度適宜的一定數量的液相只有在合適的溫度下才能產(chǎn)生。若溫度過(guò)低,灰粒外表面難以生成液相,或生成液相的量太少,灰分不能形成團聚;而若溫度過(guò)高,超過(guò)了煤的軟化溫度,則灰分熔化黏結成渣塊,破壞了灰球的正常排出。廢熱鍋爐(3)床層的控制高度。氣化爐床層控制高一些,這有利于增加爐內氣、固相接觸時(shí)間和面積,減少帶出物的帶出,提高汽相氧氣氣化爐的效率。但是過(guò)高的床層,會(huì )影響氣化爐的流化效果影響旋風(fēng)的回料,加劇氣化爐體的晃動(dòng),同時(shí)為了維持高床層粗合成氣的溫度,會(huì )增加氣化爐的氧耗,甚至會(huì )因為物料在床層的高溫區域內停留時(shí)間過(guò)長(cháng)而導致氣化爐結渣。如果氣化爐床層控制過(guò)低,則會(huì )減少爐內氣固相的接觸時(shí)間,影響氣化效率,甚至氧氣有可能會(huì )穿破床層,使合成氣中氧含量超標,對下游工段渣鎖斗渣鎖斗造成影響甚至引起安全事故(4)出爐煤氣帶出細粉的再循環(huán)。U-GAS氣化工藝借助兩個(gè)旋風(fēng)分離器來(lái)實(shí)現出爐煤氣中所夾帶細粉的循環(huán),并進(jìn)步參與氣化反應,生成的細灰與床層中的熔聚灰一起形成球形排出。由于細粉直接返回床層和熔聚區域,在返料過(guò)程中細粉圖1U-GAS粉煤氣化技術(shù)工藝流程圖的冷卻和熱量損失、氣化反應過(guò)程的吸熱,使得細粉的循環(huán)量Fig 1 U-GAS pulverized coal gasification process flow diagram對灰熔區域的溫度有一定程度的影響。所以,要選擇好細粉返回床層的適宜位置,調整好旋風(fēng)分離器料腿的吹送氣量以保證返回物料的連續、均勻,從而使其對灰熔區域溫度的影響變2U-GAS氣化技術(shù)的關(guān)鍵小,達到既能提高煤的利用率,又能保證灰熔聚成球的正常進(jìn)U-GAS氣化技術(shù)的關(guān)鍵是流化床層中灰渣與半焦的選擇行。性分離,即煤中的碳被氣化,同時(shí)氣化過(guò)程中所形成的含灰較3U-GAS氣化技術(shù)的特點(diǎn)多的顆粒表面熔化和團聚成球形顆粒,并從床層中被分離出(1)煤種適應范圍廣,適合褐煤、煙煤、無(wú)煙煤、焦粉等灰粒的表面熔化或熔聚成球,是一個(gè)極為復雜的物理化學(xué)多種原料煤的氣化,且適合低成本的高灰煤、高硫煤、高灰熔過(guò)程。為了使氣化過(guò)程中實(shí)現灰的熔聚和分離,氣化爐中灰熔融點(diǎn)、低活性煤、石油焦和其他“低價(jià)值”碳氫化合物的氣聚區域的幾何形狀、結構尺寸及相應的操作條件等等,都起著(zhù)化,并且允許原料煤中含有一定范圍內的細粉,可接納10%小至關(guān)重要的作用。它們包括:分布板、中心管、文丘里管內的于200目(0.07mm)的煤粉。對煤的灰熔點(diǎn)沒(méi)有特殊要求氣流速度和蒸汽氧氣比,熔聚區域的溫度控制,流化床層的控可最大限度的因地制宜、原料本地化。有利于劣質(zhì)資源的利制高度以及出爐煤氣所帶出細粉的循環(huán)利用等因素。用,提高資源利用率和利用范圍,具有良好的經(jīng)濟和社會(huì )效(1)氣化劑的控制。分布板的作用是均勻地分布氣化劑,益并把下移的顆粒推向射流區,實(shí)現固體顆粒的內循環(huán)。若通入(2)氣化爐內部結構簡(jiǎn)單,為單段流化床,爐體內部無(wú)轉分布板的氣量過(guò)小,會(huì )對制作分布板的材料起不到保護作用,動(dòng)部件,容易制造和維修,設備可以國產(chǎn)化,裝置投資少;易造成熱蝕、漏料,而若通人分布板的氣量過(guò)大,則會(huì )造成分3)氣化爐內中心高溫區使灰渣熔融團聚成灰球,使煤粉布板的損壞。中心管的作用是通過(guò)向流化床中噴入氣化劑來(lái)保和灰球有效分離,從而提高了碳的轉化率,降低了灰渣中的含持床層物料的流化狀態(tài),因為氣化爐需要的大部分氧氣是從中碳量;心管?chē)娙氲?所以控制氧氣的流量也就是控制了氣化爐的操作4)水蒸氣從分布板進(jìn)入氣化爐,形成一個(gè)相對低溫區溫度,此處水蒸汽的輸入是為了控制氧氣的濃度,氧氣濃度過(guò)域,可以有效地避免爐內結渣現象的產(chǎn)生;高會(huì )損壞中心管或者燒結當地的物料,造成物料結渣;中心管(5)煤氣中夾帶的飛灰經(jīng)第一、第二級旋風(fēng)分離器回收,的氣速也需合理控制,若氣速過(guò)高,則會(huì )使氧氣穿破床層,使并通過(guò)料腿返回爐內再次進(jìn)行燃燒、氣化,進(jìn)一步提高了碳的合成氣中含氧量超標。會(huì )帶入后續凈化系統燒壞變換觸媒,甚轉化率;至煤氣過(guò)氧造成爆炸。若氣速過(guò)低,則會(huì )影響爐內物料的流化(6)煤氣中幾乎不含焦油和烴類(lèi),洗滌廢水含酚量低,凈效果,甚至造成物料結渣。文丘里管的氣速控制著(zhù)灰球在床層化簡(jiǎn)單,無(wú)廢中國煤化工不保型氣化爐;中的停留時(shí)間,相應的決定了灰球中的含碳量。當灰球中的含(7)床層CNMHO強度高,氣化強度是碳量在允許范圍以?xún)葧r(shí),停留的時(shí)間越短越好,以免由于停留般固定床氣化》my-m,氣化礦深作控制方便,運行穩時(shí)間過(guò)長(cháng),床層中灰含量過(guò)高,而導致氣化爐結渣。定、可靠;(2)熔聚區域的溫度。熔聚區域的溫度是灰團熔聚成球的(8)氣化爐出口溫度適中,煤氣中的顯熱經(jīng)廢熱系統回第41卷第22期董文博:U-GAS粉煤氣化技術(shù)157收,產(chǎn)生蒸汽,提高了熱效率,降低了煤氣溫度,減少了后續行已達102天。該項目單爐最大產(chǎn)合成氣量達18000Nm3/ho系統的冷卻水用量;裝置投產(chǎn)以來(lái)已經(jīng)氣化了超過(guò)25種不同的煤種,其中包括高(9)灰渣含碳量低(<10%),可用作建材等,煤氣化效率灰煤、褐煤和煤矸石?？蛇_75%以上(10)煤中所含硫可全部轉化為H2S,容易回收,簡(jiǎn)化了表1試燒煤質(zhì)范圍煤氣凈化系統,有利于環(huán)境保護;Table 1 Try to burn coal range(11)裝置操作彈性髙,增減負荷運行幅度可髙達70%灰分/水分/揮發(fā)分/固定碳/硫/灰熔點(diǎn)低位熱值(12)與熔渣爐(Shel)相比,氣化溫度低得多,耐火材料w%(ad)wt%(ad)w%(ad)w%(ad)w%T2/℃(kl/kg,ar)使用壽命可達10年以上。10~554-4312~4024-660.6-4.014504U-GAS氣化技術(shù)的發(fā)展U-GAS氣化技術(shù)是美國燃氣工藝研究院(IcT)在研究了煤上述生產(chǎn)經(jīng)歷充分證明了U-GAS氣化技術(shù)具備燃料的靈灰團聚過(guò)程的基礎上開(kāi)發(fā)的流化床灰團聚煤氣化工藝。于1974活性,以及可以不停爐進(jìn)行煤種切換的能力年建立了包括干燥、分篩、煤倉、煤料鎖斗系統、爐徑0.9m高河南義馬煤業(yè)(義馬)綜能新氣體有限公司,采用2開(kāi)1備9m的耐火材料襯里流化床反應器、爐底部熔聚物排出裝置、煤共3臺氣化爐,設計操作壓力1.0MPa,單臺爐進(jìn)煤量60th,氣冷卻、旋風(fēng)除塵、煤氣洗滌、煤氣焚燒和排灰鎖斗等,接近常采用原料媒為義馬本地的高灰、低硫、低發(fā)熱量、高揮發(fā)分、壓操作的中試裝置。在該裝置上做了系統的開(kāi)發(fā)工作,中試裝高活性的長(cháng)焰煤,該套裝置于201年6月建成投產(chǎn)。至2013置操作時(shí)間已經(jīng)超過(guò)100h,進(jìn)行了130次試驗,使用了世界年6月,已達到設計的滿(mǎn)負荷運行,目前單臺爐連續運行已達各地多種煤樣約3600t。先后試用過(guò)9種煤和3種半焦52天。該套裝置是U-GAS氣化工藝目前在世界范圍內工業(yè)化1993年上海焦化廠(chǎng)引進(jìn)了U-GAS煤氣化技術(shù)及設備,共規模最大、運行情況最好的有8臺氣化爐,江南造船廠(chǎng)承擔了8臺氣化爐的“心臟”制造5結語(yǔ)任務(wù)。全套裝置于1995年4月建成投產(chǎn),這是U-GAS氣化技術(shù)在世界上的第一套工業(yè)化裝置。該裝置由煤的破碎、干燥、2013年6月,義馬煤業(yè)(義馬)綜能新氣體有限公司的U加煤、氣化爐、余熱回收、排渣、灰粉倉、DCS、空壓站、污GAS氣化爐的滿(mǎn)負荷運行,證實(shí)了該工藝在大規模工業(yè)化裝置水處理以及公用工程(水、電、氣)等部分組成。以空氣和蒸的可行性,因其作為流化床氣化工藝所具有的獨特優(yōu)勢,這對汽為氣化劑,每臺氣化爐的設計生產(chǎn)能力為2000m3/h煤氣,我國高灰劣質(zhì)煤的清潔高效綜合利用,提供了一條寬廣的道裝置6開(kāi)2備,總生產(chǎn)能力為28×104m3/d低熱值煤氣,路。而U-GAS氣化技術(shù)帶壓灰渣的冷卻、降壓和及時(shí)排放,HHⅤ=5400-5800kJ/m3,供煉焦爐作為加熱燃氣,把焦爐煤是該裝置穩定運行的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此U-GAS技術(shù)如果要有氣替換出來(lái)供城市煤氣。整個(gè)裝置共投資約4x108元人民幣。更大、更完善的發(fā)展,就必須在這方面有很好的解決辦法。1995年4月試生產(chǎn),至1996年10月共運行15000臺·h,氣化原料煤5×10t,生產(chǎn)煤氣205×10m3,平均產(chǎn)氣率為404m3參考文獻kg。原料煤為中國神府煙煤。氣化爐的操作壓力為02~1]許世森張東亮任永強大規模煤氣化技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)0.22MPa(G),操作溫度為933℃,水蒸氣過(guò)熱溫度為285℃出版社,2010:133.而IGT所設計的指標是:氣化壓力320kPa(G),操作溫度2]郭樹(shù)才煤化工工藝學(xué)M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,206:191010℃,氣化效率788%,碳轉化率968%。該裝置實(shí)際運[3]許祥靜,張克峰煤氣化生產(chǎn)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,行考核未能完全達到設計指標。而后由于上海市以天然氣代替2010:97煤制氣,該套U-GAS氣化裝置于2002年初停止運行[4]賀永德.現代煤化工技術(shù)手冊[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:459-460埃新斯(棗莊)新氣體有限公司,于2008年建成投產(chǎn),該[5]中國尿素網(wǎng)全球最大的商業(yè)化SESU-GAS氣化裝置即將投產(chǎn)公司共有氣化爐2臺,一開(kāi)一備。設計壓力0.22MPa,設計產(chǎn)[olj.http://www.ureanet.cn/xinwen_xgyw_xx.aspid=126462煤氣15000m3/h,原料煤種為棗莊本地煤,目前單臺爐連續運(上接第134頁(yè))在明顯對應關(guān)系。即使在同一保存條件下,不同品種的水產(chǎn)品[2]中華人民共和國農業(yè)部.SC/T3032-2007水產(chǎn)品中揮發(fā)性鹽基氮其VBN數值的變化有快慢之分,腐敗程度也各不相同。由實(shí)驗的測定[S]北京:中國農業(yè)出版社,2008結果可知腐敗的進(jìn)度(從快到慢排名):①蝦類(lèi);②頭足類(lèi)(魷3]張素青,王秀芹,葉紅梅等鮮活水產(chǎn)品中揮發(fā)性鹽基氮(VBN)值魚(yú));③魚(yú)類(lèi)。的變化實(shí)驗[J].天津水產(chǎn),2003(3):27[4]中華人民共和國衛生部GB2733-2005鮮、凍動(dòng)物性水產(chǎn)品衛生參考文獻標準[S]中國煤化工[1]中華人民共和國衛生部.GB/T009.1-2003食品衛生檢驗方法[5]李桂芬動(dòng)物檢疫H性鹽基氮指標[J].中國CNMHG理化部分·總則[S].北京:中國標準出版社,2004