熱風(fēng)加壓煤氣化工藝的開(kāi)發(fā)與應用

Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY39熱風(fēng)加壓煤氣化工藝的開(kāi)發(fā)與應用馮娜夏德宏余濤侯英武(北京科技大學(xué))(張家口市新工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司)摘要針對固定床煤制氣工藝中煤氣熱值低、氣化強度低等固有的問(wèn)題,研制開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)加壓煤氣化工藝,并成功地進(jìn)行了工業(yè)應用。煤氣發(fā)生爐應用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,提高了煤氣發(fā)生爐的生產(chǎn)率和煤氣熱值,同時(shí)也解決了爐內高溫結渣及焦油堵塞的問(wèn)題,取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞熱風(fēng)煤氣化氣化爐固定床The development and application of a new coal gasificationprocess with pressured and preheated airFeng Na Xia Dehong Yu Tao( University of Science and Technology Beijing )Hou Yingwu( Zhangjiakou new Industrial Technology Development Co. , Ltd)Abstract There are some problems in the fixed bed gasifier ，such as low heat value of gas and lowgasification intensity. Aimed at these problems ,a new gasification process with pressurized and pre-heated air has been developed and put into practice successfully. With the application of this newgasification technology，the gasification productivity has been intensified and the heat value of gas canbe increased. Meanwhile , clinker and tar jam can be sovled by improved configuration of gasifier andcontrolled operation. This gasifier is good for economic benefit.Keywords preheated air coal gasification gas generator fixed bed新技術(shù)、新工藝,使煤炭資源的使用從真正意義1前言上實(shí)現清潔與高效。本文將煤氣化的理論與生產(chǎn)煤氣化技術(shù)在我國已有幾十年的歷史。在冶實(shí)踐結合起來(lái),開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,并金、化工、建材等行業(yè)的各種窯爐上都有許多成將其應用于軋鋼行業(yè)作為供熱設施, 取得了顯著(zhù)功的應用范例。20 世紀中葉以后,國外發(fā)達國的經(jīng)濟效益。家很注重煤氣化技術(shù)的研究,開(kāi)發(fā)出了流化床的2固定床煤氣化工藝U一gas法和氣流床的Shell、Texaco 法等比較先進(jìn)的煤氣化工藝,代表著(zhù)煤氣化可持續發(fā)展的方中國煤化工粘結性煙煤、無(wú)煙煤向。目前,在我國的氣化爐中,固定床氣化爐占或MHCN MH G畢氣和水蒸氣的混合物80%~90%1。固定床煤氣發(fā)生爐普遍存在制作為氣化劑,爐內的煤料與氣化劑逆流接觸,煤氣熱值低、氣化強度低等問(wèn)題 ,因此應積極開(kāi)發(fā)料在氣化爐內從上到下大致分為干燥層、干餾層、還原層、氧化層及灰渣層(2)。氣化劑在灰收稿日期2006 -07-21馮娜< 19月方數狽士生100083北京 市海淀區。渣層中不發(fā)生化學(xué)反應,僅與灰渣進(jìn)行熱交換,冶金能源Vol.26 No. 140ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007氣化劑經(jīng)過(guò)此層吸收爐渣顯熱被預熱,灰渣則冷提高對其反應速率的提高影響巨大。卻后排出。在氧化層主要發(fā)生碳的燃燒反應，燃( 1 )溫度與反應生成物組成的關(guān)系燒反應速率快且不可逆,處于擴散控制狀態(tài)。其從發(fā)生爐的反應機理可知:氧化層的溫度越反應速率受氣流速率的控制,氣流速率越快,反高,則還原層的溫度越高,還原層的反應時(shí)間越應速率就越快,為氣化反應過(guò)程提供熱量,反應短,反應進(jìn)行得越完全。但是,由于受煤灰熔點(diǎn)方程式為:的約束,氧化層的溫度并不能無(wú)限提高。因而,C+O2- +CO2 + 406.4kJ/mol(1)將氧化層的溫度控制在略低于灰熔點(diǎn)時(shí),發(fā)生爐在還原層主要發(fā)生二氧化碳還原和水蒸氣氣.可達到最佳的反應狀態(tài)。二氧化碳還原反應是強化等氣-固相反應,同時(shí)還進(jìn)行平衡反應與甲烷吸熱反應,它要通過(guò)不斷得到熱量才能提高其正化等氣相反應,使熱量得到相應的補充。氣化劑反應的完全性。經(jīng)過(guò)還原層之后，氣體中的CO和H2含量迅速參加氣化反應的蒸汽在一定溫度條件 下會(huì )分升高,水蒸汽含量迅速下降,主要反應式為:解成可燃氣體CO和H2,可是在低溫操作狀態(tài)C+CO2-→2CO- 162. 4kJ/mol(2)下分解率很低,通常只有35%左右。因此提高C+ H2O >CO+ H2 - 118. 8k]/mol(3)反應溫度對蒸汽分解是非常有利的。當溫度達到C+ 2H2O→CO2 + 2H2 - 73.5kJ/mol(4)1000C時(shí)化學(xué)反應趨于不可逆狀態(tài),在升溫幅度CO+ H2O→CO2 + H2 + 43.6kJ/mol(5)較小時(shí),生成CO2 +2H2的反應速率大;當溫度C+ 2H2-→>CH4 + 74.84kJ/mol(6)達到1300C以上時(shí),生成CO+H2的反應速率進(jìn)入氣化爐的煤料首先在干燥層吸收上升氣非?？?3。而生成的CO+ H2的總熱量大于2H2流中的顯熱而脫水干燥,干燥后的煤料溫度進(jìn)一的熱值,并且減少了CO2帶走的物理熱。因此,步升高,在干餾層發(fā)生熱解反應而逸出煤中揮發(fā)提高爐溫有助于生成較多的CO和H2.進(jìn)而提物,被析出的揮發(fā)物有時(shí)還會(huì )發(fā)生裂解和聚合反高煤氣熱值。應,生成高度粘稠并富含殘碳的焦油,以霧狀物(2)溫度與反應速率的關(guān)系的形式夾帶于生成氣體中, -起從氣化爐引出。氣化爐中所使用的燃料為-多孔介質(zhì)物料,其中CO2的還原反應(2)和水蒸氣分解(3)其反應主要在孔內表面進(jìn)行,因此整個(gè)反應可設(4)是處于化學(xué)反應動(dòng)力區的吸熱反應,燃燒溫想由以下步驟組成4):度越高,正反應速率就越快,產(chǎn)生的CO和H2①氣體反應劑從主流經(jīng)氣膜擴散到固體外表就越多。平衡反應(5)在-定的氣體組成和溫.面;度條件下控制出爐氣體成分,甲烷化反應(6)②氣體反應劑經(jīng)孔內擴散到固體內表面;是在壓力作用下活躍的反應。同時(shí),隨著(zhù)壓力的③氣體反應劑與固體在內表面進(jìn)行反應;增加也使爐內氣化強度加大。因此,爐內的反應④氣體產(chǎn)物由孔內擴散到固體外表面;溫度和反應壓力是決定煤氣化過(guò)程優(yōu)劣的兩個(gè)主⑤氣體產(chǎn)物由固體外表面擴散到氣相主流。要因素。上述各步的速率往往差別很大,總速率取決于速率最慢的階段。隨著(zhù)溫度的增加,化學(xué)反應3溫度和壓力對煤制氣工 藝的影響速率也增加。當溫度上升到一定值后,反應速率3.1 溫度對煤制氣工藝的影響變化減慢,反應受擴散的影響加大。煤氣中有效成分(CO+ H2 )的含量主要取隨著(zhù)反應溫度的提高,反應速率快速地增決于CO2的還原反應和水蒸氣分解反應在一-定加中國煤化工,不僅能改善煤氣質(zhì)爐溫下進(jìn)行的狀況。從熱力學(xué)角度分析,這兩項量HCNMH G氣量。爐內氣化反應反應均為吸熱反應,爐溫的提高,有利于CO和溫度的高低，對CO2的還原率起著(zhù)至關(guān)重要的H2平衡濃度的增加。從動(dòng)力學(xué)角度分析,在通作用。在高溫下,不到10秒的時(shí)間CO2的還原常的發(fā)生爐操作溫度下，上述兩反應的反應速率率可達到95%以上,但是由于煤氣爐內的溫度均處于動(dòng)歷孕范圍即在低溫操作區,因而爐溫的帶分布并不均勻，為一拋物線(xiàn)形態(tài){5]。因此,Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY41為了使還原反應進(jìn)行完全, 應在確保不熔渣的情冷空氣的預熱可以采取余熱回收的方式。余熱利況下,盡可能提高燃燒溫度,使反應成為擴散制用閉環(huán)系統流程如圖1所示:約反應。(2)提高爐底鼓風(fēng)壓力3.2壓力對煤制氣工藝的影響常壓煤氣發(fā)生爐的爐出氣壓力一般在1kPa( 1 )壓力與反應生成物組成的關(guān)系左右,采用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝進(jìn)入爐內的風(fēng)量甲烷主要是由煤經(jīng)干餾而產(chǎn)生的。在煤的干比普通煤氣爐多,煤氣發(fā)生爐內壓力損失較大,餾過(guò)程中熱裂解造成斷鏈而產(chǎn)生碳氫化合物，年必須改變鼓風(fēng)機型號,增加輸出壓力以克服這部烷的熱值可達35. 881MJ/m'。甲烷化反應屬于分增加的壓損,滿(mǎn)足出爐煤氣壓力達到3kPa以體積縮小的反應,但是在煤氣爐內反應趨近于大上。氣壓,對于反應后要縮小體積的化學(xué)反應很難進(jìn)(3 )增加防結渣裝置行,所以甲烷生成量少,只有1.5%~ 2.0%(21。料層在爐內變化過(guò)程中的最高溫度,根據煤如果把煤氣爐壓力從通常的1.0~1.2kPa提高到質(zhì)不同一般情況低于灰熔點(diǎn)100C，但在實(shí)際操3.0kPa以上,甲烷含量可以增加到2.5% ~作中,即便在很保守的溫度下燃燒,如果入爐煤3.2% , 這也是增加煤氣熱值的一個(gè)有效途徑。種更換或操作稍有不當,燃燒溫度就會(huì )迅速超過(guò)(2)壓力與氣化強度的關(guān)系灰熔點(diǎn),爐內均布的煤粒因此而軟化、粘結,結固定床煤氣發(fā)生爐的操作壓力-般均維持在成堅硬的大塊,堵住向上的氣流，繼而造成偏微正壓,爐出壓力控制在1kPa以下, 但是越來(lái)爐、燒穿、冒火現象,這是司爐工作非常頭痛的越多的氣化爐向加壓的方向發(fā)展。例如,新一代事情,輕時(shí)用鋼釬加大錘打碎,嚴重時(shí)只好被迫的魯南爐和魯爾100型爐的操作壓力高達停爐。9.8MPao氣化壓力的提高,可使反應氣化的密雖然應用熱風(fēng)技術(shù)的高溫燃燒更趨近于灰熔度增加，反應速率加快,從而大大提高爐內的氣點(diǎn)溫度,但是爐內結渣現象的根本原因是操作中化強度,常壓氣化爐的氣化強度通常為150~不能有效的控制爐況。據此,設計出了-套防結300kg/ ( m?h),而加壓氣化爐的氣化強度達到渣裝置,在爐況出現異常情況時(shí),比如煤種變換了850~ 1500kg/ ( m2h$6。因此,提高氣化壓和開(kāi)停車(chē)時(shí),通過(guò)溫度反饋系統向燃燒段吹入蒸力其生產(chǎn)能力也就相應提高,氣化強度增加。另汽使燃燒段溫度穩定地保持在灰熔點(diǎn)以下，使煤外,由于加壓氣化條件下氣體運動(dòng)線(xiàn)速率下降，氣發(fā) 生爐在高溫狀態(tài)下經(jīng)濟安全的運行,實(shí)現高反應氣體與煤料的接觸時(shí)間延長(cháng),會(huì )使煤氣中的產(chǎn)低耗。帶出物減少,氣化效率提高,氣化強度加大。(4)設計專(zhuān)用爐箅由以上分析可知,爐內溫度和壓力是影響煤爐箅是煤氣爐實(shí)現穩產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵,它要求的氣化強度和煤氣成分的主要因素。因此,提高通風(fēng)面積能適應生產(chǎn)負荷的提高, 破渣排渣能力操作溫度和操作壓力,是提高煤氣產(chǎn)量與煤氣質(zhì)強，破渣筋耐磨損,氣化劑分布均勻。量的首要方法。專(zhuān)用爐箅的爐底中心孔設計為漸擴管段式入口結構，以利于氣化劑在爐箅內的分布;改進(jìn)常4工業(yè)設計與措施規流道設計結構,保證具有足夠的流道面積,阻(1)利用余熱提高鼓風(fēng)溫度大多數煤氣發(fā)生爐屬低溫操作,爐內的操作熱煤氣險小鯉加熱爐中國煤化工溫度在生產(chǎn)實(shí)踐中為900~ 1200C ,其爐出溫度熱煙氣-般控制在450~ 550C左右,這也是大多數混.MHCNMHG_合煤氣發(fā)生爐煤氣質(zhì)量差、氣化強度低的根本原物理熱熱交換器。 物理熱因。為提高爐內溫度,可以在保證爐內不結渣的水蒸氣前提下預熱冷空氣,將燃燒溫度提高到1250~圖1余熱利用 閉環(huán)系統流程圖1280C,使氧花擺的燃燒溫度趨近煤的灰熔點(diǎn)。冶金能源Vol.26 No. 142ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan.2007力適當,不易堵塞,帶出物少;爐箅增加分布器表1固定床煤氣爐料層厚度與蒸汽分解率數量,以改善氣化劑的流體特性,確保各流層流煤層厚度/mm100015002000道氣體的合理分布;同時(shí)在易磨損部位增加肋蒸汽分解率/%35268筋,增加爐箅的耐熱、抗磨性能,提高高溫下?tīng)t箅的使，用壽命。600C以上,并要求溫度變化幅度小，這樣煤氣(5)改進(jìn)除渣系統成分才穩定,并且在較高溫度下有利于煤焦油的煤氣發(fā)生爐內溫度帶分布呈拋物線(xiàn)型,尤其.流動(dòng)。在生產(chǎn)操作中期望爐出溫度趨于一條水平在接近峰值處更易局部結渣熔結。影響煤的結渣直線(xiàn),因此當煤氣爐在不同負荷下操作時(shí),要求性的因素較多, 除與煤的灰熔點(diǎn)、灰粘度、礦物煤粒都能穩定持續的均勻加入爐內。熱風(fēng)加壓煤質(zhì)含量多少有關(guān),還與礦物質(zhì)的組成有關(guān)。針對氣爐增加了爐底風(fēng)壓,造成爐內空層氣壓的大幅煤氣發(fā)生爐的煤質(zhì)特性,加寬加高了排灰口, 并度提高,這也要求開(kāi)發(fā)適合這種制氣工藝的加煤優(yōu)化了主、輔灰犁曲線(xiàn)設計,使除灰過(guò)程進(jìn)行順裝置。利,爐內灰渣連續可靠排出。.針對這兩點(diǎn)開(kāi)發(fā)了-種新型的加煤裝置,三(6)加高爐體結構級密封氣缸聯(lián)動(dòng),利用PLC對產(chǎn)氣量、加煤量、應用熱風(fēng)加壓煤氣化技術(shù),爐內氣化強度比料層高度、排灰量等參數進(jìn)行綜合控制,并根據常規煤氣發(fā)生爐提高30%以上,因此需要增加發(fā)生爐的負荷確定加煤量,加煤量可以通過(guò)煤鎖爐內料層厚度,加大高徑比。爐內燃料層加厚的自動(dòng)開(kāi)啟時(shí)間來(lái)進(jìn)行調節,并在加煤的同時(shí)不后,煤的蓄熱能力加強,能充分吸收上升煤氣帶斷排灰,以保持發(fā)生爐內料位的相對穩定。來(lái)的大量顯熱,并使蒸汽和碳的接觸時(shí)間加長(cháng),5工業(yè)應用與結果提高了蒸汽分解率(見(jiàn)表1 )。爐膛高度增加后,生產(chǎn)中氣化劑沿床層分布均勻, 在高負荷操作下河北永年某軋鋼廠(chǎng)原有3臺固定床混合煤氣生產(chǎn)穩定,沒(méi)有吹翻、吹凹、漏炭現象,操作中發(fā)生爐生產(chǎn)熱臟煤氣,為軋鋼連續加熱爐提供燃增加了生產(chǎn)負荷的彈性調節,避免在氣化強度加料,煤氣質(zhì)量很差,管道堵塞嚴重。應用熱風(fēng)加大后,煤層太薄而使氧化層上移或外露,缺乏足壓煤氣化工藝對其成功改造后一直穩定運行。夠的碳參與還原反應,使大量的熱以熱氣流的物(1)該軋鋼廠(chǎng)常年使用山西大同煤為氣化煤理熱形式輸出。種,改造前后煤氣出爐溫度及組成如表2。(7 )優(yōu)化加煤裝置使用相同煤種, 不同煤氣化工藝的結果表.加煤量是控制發(fā)生爐煤氣出口溫度的主要因明,改造后的煤氣發(fā)生爐,由于提高了爐內反應素,熱風(fēng)加壓煤氣化工藝要求煤氣出口溫度達到溫度和出爐溫度，氣化反應快速且完全,空層處表2煤氣出爐溫 度及組成煤氣成分/%COHCH4CO2N2等煤氣熱值/k} m-3煤氣出爐溫度/C改造前2411.66.653.85114520改造后3016.52.53.7552. 7:6470630-氧化碳變換反應也很慢,因此生成的二氧化碳此燃燒反應進(jìn)行的相對完全, 爐內氣化溫度、煤量少,煤氣中CO、H2比值大，熱值顯著(zhù)提高，中國煤化工幅度提高,相比原來(lái)同時(shí)也使碳的轉化率、熱效率大大提高。TYHCNMHG(2 )爐體壓力加大后,爐內料層相應增厚,表3改造前后煤氣發(fā)生爐的氣化強度氣化強度大幅度增加,表3為改造前后煤氣發(fā)生按燃料重量/kx( m2h)1按氣體產(chǎn)量/m( m2h) 1爐氣化強度對比表。2568453751238(3 )盱煤氧發(fā)生爐的爐內操作溫度高,因Vol.26 No. 1冶金能源Jan.2007 .ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY43制氣設備,產(chǎn)生的焦油不僅密度小、粘度低,而度地提高了煤氣發(fā)生爐的煤氣產(chǎn)量、氣化效率,且灰分和雜質(zhì)含量也較少,明顯優(yōu)于普通煤氣發(fā)更主要的是增加了煤氣熱值,同時(shí)也解決了爐內生爐氣化所產(chǎn)生重質(zhì)焦油。保持出爐煤氣的高溫高溫結渣及焦油堵塞管路閥門(mén)問(wèn)題。在生產(chǎn)實(shí)踐狀態(tài)是必要的,當出爐溫度大于600C時(shí),可以中,煤氣爐達到了穩產(chǎn)、高產(chǎn)、低耗等符合現代保證焦油從煤中析出完全并呈霧狀與煤氣混成一生產(chǎn)的目的。體參與燃燒,增加煤氣的熱值,也解決了長(cháng)期以參考文獻來(lái)因焦油低溫沉淀堵塞管道和燒嘴而帶來(lái)的停產(chǎn)檢修等工作。1陳家仁,董耀.國內外煤炭氣化的動(dòng)向與中國特色(4)應用熱風(fēng)加壓氣化工藝操作的煤氣爐,的潔凈煤技術(shù).工廠(chǎng)動(dòng)力, 2003 ,(3): 33~40應用在該廠(chǎng)年產(chǎn)60萬(wàn)噸軋鋼連續加熱爐,爐子2寇公.煤炭氣化工程.北京:機械工業(yè)出版社,1992.3中華人民共和國機械工業(yè)部編. 發(fā)生爐煤氣的生產(chǎn)的工況指標如表4。原理與使用.北京:科學(xué)普及出版社, 19856結論4項友謙.固定床煤氣化過(guò)程的數學(xué)模型.煤化工,1999 ,(3): 8~11煤氣發(fā)生爐應用熱風(fēng)加壓煤制氣工藝,大幅Predrag T. RAdulovic ,M. Usman Ghani ,L. DouglasSmoot. An improved model for fixed bed coal combus-表4改造前后工況指標對比tion and gasification. Fuel ,1995 (4 )582 ~ 594工況指標鋼坯氧化燒損可比單位能耗 煙氣排放溫度6步學(xué)朋.煤加壓氣化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā).煤化工，改造前2.0% -2.5% - 3000MJ/t~ 450C2004 ,( 10): 44~48改造后.<1.5%. 2000M]/t< 250C張長(cháng)保編輯(上接第30頁(yè))250200鎂碳磚650m號150f色100/鏌碳磚200mm50p-0203405石棉板厚度/mm圖4爐殼等效應力隨石 棉板厚度的變化中國煤化工.MYHCNMHG手冊.北京:冶金工業(yè)出1楊治立,朱光俊,趙宏偉等.轉爐有效石棉板厚度版社,1991:58的計算.冶金能源, 2005 ,24(2):50~524楊世銘.傳熱學(xué)基礎(第2版) .北京:高等教育出2錢(qián)之榮,范廣舉.耐火材料實(shí)用手冊.北京:冶金工版社, 2003 : 200~ 204萬(wàn)雪編輯