氣流床煤氣化的部分水激冷流程研究

第38卷第2期化學(xué)工程Vol. 38 No.22010年2月CHEMICAL ENCINEERING( CHINA)Feb.2010氣流床煤氣化的部分水激冷流程研究彭宇慧，代正華，龔欣， 郭曉鐳，王輔臣,劉海峰(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海200237)摘要:提出了采用部分水激冷的方式冷卻氣流床氣化爐氣化室出口的高溫合成氣和融渣模擬計算了(1)水煤漿氣化+耐火磚襯里.(2)粉煤氣化+耐火磚襯里.(3)粉煤氣化+水冷壁襯里3個(gè)氣化工藝的性能指標。結果表明:采用部分水激冷方式的出廢熱鍋爐的氣體流最遠小于用合成氣激冷方案的Shell和Prenflo流程,這將有助于減少后續的設備尺寸;激冷水溫度對合成氣和廢熱鍋爐蒸汽的總熱效率無(wú)明顯影響,可以采用低溫的激冷水以減少出廢熱鍋爐的氣體流量以及后續的設備尺寸;工藝(1)的總熱效率約為84% ,低于采用高溫輻射鍋爐的Texaco流程;工藝(2)、(3)的總熱效率約為90% ,與采用合成氣激冷方案的Shell和Prenflo流程相當。部分水激冷的方式適合于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電( ICC)的粉煤氣化。關(guān)鍵詞:部分水激冷;氣流床;煤氣化;ICCC中圖分類(lèi)號:TQ 54文獻標識碼:A文章編號:1005-9954( 2010)02 0083-04Water partially quenching process of entrained-flow gasificationPENG Yu-hui, DAI Zheng-hua, GONG Xin, GUO Xiao-lei, WANG Fu-chen, LIU Hai-feng(Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract: Water parially quenching process of entrained-low gasification to cool the high temperature syn-gas andmelt slag at gasifter outlet was put forward. The performance of three water partially quenching processes ofentrained -flow gasification with raw gas cooler was simulated, including (1) coal-water slury (CWS) gasification +firebrick lining, (2) pulverized coal gasification + frebrick lining and (3) pulverized coal gasification + waterlining. The simulation results indicate that the gas flow from raw gas cooler by such processes is less than that byShell and Prenflo; the quenching water temperature has lttle effect on the process gross heat efficiency which iscomposed of the low heat value of sin-gas and the net heat duty of raw gas cooler, so the low temperature ofquenching water is proper which can decrease the gas flow and purging equipment size behind raw gas cooler; thegross energy efficiency of CWS gasification (1) is about 84%，which is lower than Texaco process with hightemperature radiant cooler; the gross heat eficiency of pulverized coal gasification (2) and (3) is about 90%，which is similar to the Shell and Prenflo process with cooled syn-gas quenching. So, the water partially quenchingpreprocess is propitious to the pulverized coal gasification for ICCC power generation.Key words : partially water quenching; entrained-Alow gasification; coal gasification; IGCC整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電( ICCC)是目前先進(jìn)部分轉化為飽和水蒸氣與合成氣一起進(jìn)人下游變潔凈燃煤發(fā)電中相對較為成熟的技術(shù)2]。氣流換工序;而對于ICCC發(fā)電系統, Texaco技術(shù)田]床氣化是ICCC發(fā)電的主要裝置,出氣流床氣化室(GE)采用的輻射鍋爐來(lái)冷卻高溫煤氣將大大增的高溫合成氣和融渣的顯熱量占人爐煤熱值的加了設備投資;Shell和Prenflo技術(shù)[451采用凈化15%- 30%，如何充分利用這部分熱量對IGCC系后冷卻的合成氣壓縮后將高溫合成氣冷激至約統的凈效率有很大影響。對于化工合成,可采用900 C,同樣大大增加了設備投資和能量消耗。本完全水激冷的方案,將合成氣的溫度降至200--文在中國煤化工噴嘴對置水煤漿300C,來(lái)自氣流床氣化室的高溫合成氣的顯熱大和粉FYHCNMHG出了采用部分激基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(2004CB21770) ;教自部新世紀入才支持計劃(NCET05-0413)作者簡(jiǎn)介:彭宇慧(1984-).女.碩上:研究生.研究方向為氣流術(shù)粉煤氣化E mail:grace. peng@ ariquide. com;代正華( 1977-).男.博士，副研究員.通訊聯(lián)系人,E-mail:chinadai@ ecust. edu. cn?！?4..化學(xué)工程2010 年第38卷第2期冷的方案冷卻高溫合成氣和融渣的方式,以適合方式實(shí)現合成氣與融渣的分離;廢熱鍋爐采用的IGCC發(fā)電的需求。是由若千個(gè)換熱器串聯(lián)而成的連續換熱器模型,以鍋爐水為冷卻介質(zhì)以實(shí)現高溫合成氣的逐級1工藝流程及數學(xué)模型冷卻。1.1 工藝流程煤分解熱氧氣, 載氣,水蒸氣部分水激冷的氣流床煤氣化工藝流程如圖1所[煤高溫分解單園C.H.O.N.S然古布斯反應器單園+規俞裘示。氣化爐可以水煤漿或者以粉煤為原料,水煤漿通過(guò)泵送至噴嘴進(jìn)入氣化爐,粉煤通過(guò)載氣輸送至操作壓力熱損失噴嘴進(jìn)入氣化爐。以粉煤為原料時(shí),載氣可以是N2圖2煤氣化的計算流程或者CO2。氣化劑為來(lái)自空分裝置的O2 ,CO2或者Fig.2 Simulation process of coal gaifcation中壓過(guò)熱蒸汽,經(jīng)噴嘴進(jìn)入氣化爐。氣化爐可采用耐火磚結構或者水冷壁結構。出氣流床氣化室的高2模擬分析溫合成氣和融渣與激冷水混合,溫度降至約2.1煤質(zhì)分析及 工藝條件900 C ,融渣迅速固化,大部分粗渣進(jìn)入激冷室下部煤質(zhì)是氣流床氣化方案選擇的重要依據之- -,的水浴中,小部分細灰隨合成氣進(jìn)人廢熱鍋爐。廢如煤的灰熔點(diǎn)決定了耐火襯里的型式(耐火磚或者熱鍋爐生產(chǎn)過(guò)熱中壓蒸汽,合成氣在廢熱鍋爐中被水冷璧)。本文分別選擇2種有代表性的煤種,低冷卻至約350 C。出廢熱鍋爐的合成氣及細灰進(jìn)入灰熔點(diǎn)的山東北宿精洗煤和高灰熔點(diǎn)的貴州無(wú)煙煤為研究對象。下游工序進(jìn)一步洗滌、除塵和脫硫。根據表I給定的煤質(zhì)分析數據確定了3種氣化微冷水鍋爐水方案,如表2所示。為保證氣化爐能順利排渣,氣化1.水鑫華士區(化省→[微凈省一廢熱鋼好+想俞虞溫度需高于煤的灰熔點(diǎn)50 9C以上,且若以耐火磚為2-粉煤+載氣+水熊氣酒中壓過(guò)熱蒸汽耐火襯里,氣化溫度需小于1 400 C ,若以水冷壁為圈1帶廢熱鍋爐的部分漱冷的氣流床煤 e化工藝流程耐火襯里,氣化溫度小于1700 C。對耐火磚襯里的Fig. I Water partial quenching process of entrained-flow coal氣化爐,設定氣化爐熱損失為人爐煤熱值的0.5% ;對gaification with exhaust boiler水冷璧襯里的氣化爐,設定氣化爐被水冷壁移走的熱量為人爐煤熱值的2%。氣化爐的碳轉化率設為.2 數學(xué)模型及模擬計算的依據99%。當采用N2作煤粉輸送載體時(shí),由于僅用氧氣煤氣化過(guò)程最關(guān)鍵的單元為氣化室,它是一作氣化劑不能在 設定的氣化溫度下使氣化爐達到設個(gè)基于Gibbs自由能最小化原理的反應器,應用定的碳轉化率,需要向爐內噴人蒸汽作為輔助氣化Gibbs自由能最小化方法對煤氣化進(jìn)行熱力學(xué)分劑。本文計算中采用4.5 MPa(g) ,300 C的水蒸氣作析的計算流程如圖2所示,其中包含煤裂解和為輔助氣化劑。進(jìn)人激冷室的激冷水量設定為能將Gibbs反應器2個(gè)單元'9],整個(gè)流程采用Wegstein高溫合成氣和融渣激冷至900 C。廢熱鍋爐的熱損法求解。激冷室采用的是閃蒸模型,通過(guò)閃蒸的失設定為人爐煤熱值的0.5%。表1煤質(zhì)分析數據'Table 1 Coal analysis data質(zhì)量分數/%灰熔點(diǎn)/低溫熱值/MVM。ASH,C。NC]。S,0,(k.kg"')北宿煤10.4 42.1150.57 7.32 74. 735. 131.21 0.21 2.638.77 1 23026 510貴州煤.59.598.5 31.91 61.28 2.040.75中國煤化工5021 130* M,為全水.FC為固定碳, VM為揮發(fā)分,ASH為灰分,C為碳,H為氫,N為:MYHCNMHG彭宇慧等氣流床煤氣化的 部分水激冷流程研究●85●表2氣化方案.Table 2 Gasification schemes壓力(g)/MPa溫度/C煤種輸送方式耐火襯里備注方案14.01 300北宿煤水煤漿耐火磚水煤漿質(zhì)量分數為60%方案2粉煤+Nz煤粉中含水質(zhì)量分數為2%方案31 600貴州煤粉煤+N2.水冷壁2.2不同氣化方案 下氣化參數的比較氣化溫度,且方案3采用水冷壁襯里較方案2采用表3列舉出了不同氣化方案所對應的工藝指耐火磚襯里有更高的熱損失,故方案2的比氧耗和標。由于水煤漿氣化需要通過(guò)燃燒提供能量將煤漿冷煤氣效率優(yōu)于方案3。同時(shí)表3列舉了以1 t煤中約40%的水轉化為高溫蒸汽,在不考慮水蒸氣參為基準、采用25 C激冷水的不同氣化方案中各工藝與反應的情況下,使水氣化的這部分能量約相當于流股的氣體流量。從表3可以看出，激冷室和廢熱煤熱值的11%。故對于采用同樣煤質(zhì)和氣化溫度鍋爐出口氣體流量?jì)H比氣化室出口流量相應增加了的粉煤氣化的各項工藝指標優(yōu)于水煤漿氣化,即21%,18.5%和37%,遠小于用合成氣冷激方案的表3中方案1和方案2所示。方案2和方案3均為Shell和Prenflo 流程(45] ,有助于減少后續的設備粉煤氣化,由于方案3的氣化溫度遠高于方案2的尺寸。賀3 不同氣化方案的工藝參數Table 3 Process parameters of different gasifcation processesCO +H2有效氣中.有效氣中冷煤氣氣化室出口廢熱鍋爐出口激冷室進(jìn)口(干基)體積比氧耗/干煤比煤耗/每t煤合成每1煤合成激冷水(25 C)效率/%分數/%(10~)m' .m=3) (10-kg.m~3)氣量/m'流量/(kg.h-')_84.335354873.22 8003382，47091.828848583.42 3072 73333889.832567380.21 7042 3405122.3不同氣化方案下的激冷水量2.4不同氣化方案 下的廢熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量以將氣化室出口合成氣和融渣冷卻至900 C為前設進(jìn)人廢熱鍋爐的鍋爐水的工藝條件為提,以1 t干基煤為基準對應的激冷水流量與激冷水溫6.0 MPa,180 C,廢熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽參數為度之間關(guān)系如圖3所示。在同一-激冷水溫度下，方案15.0MPa,400C。以將廢熱鍋爐出口合成氣冷卻至的激冷水量高于方案2,原因在于方案1與方案2氣化約350 C為前提，以同為1 t干基煤為基準對應的激室出口氣體和融渣的溫度雖相同,但由于方案1采用冷水溫度與蒸汽產(chǎn)量之間關(guān)系如圖4所示。方案1水煤漿氣化,氣化室出口氣體流量高于采用水煤漿氣的蒸汽產(chǎn)量高于方案2和方案3,同樣原因在于方.化的方案2。方案3的激冷水流量高于方案1,原因主案1的出激冷室的氣體流量高于方案2和方案3。要在于方案3氣化室出口氣體和融渣的溫度高于方案但改變激冷水溫度對蒸汽量不敏感，相應的蒸汽產(chǎn)2。對同一個(gè)氣化方案,激冷水溫度從25 C到接近飽和量?jì)H增加了5%。狀態(tài)的激冷水量增加值均約為27%。1.3p700, 650。600↑女乃案了口方案2x 550女方案3;500廈450g-8-8-8-8=8-t 40中國煤化工75 200 225300255075100125150175200225激冷水湖度/CYHCNMH G的關(guān)系圈3激冷水流與激冷水溫度的關(guān)系Fig.4 Relation of steam output andFig.3 Relation of quenching water flow and lemperaturequenching water temperature●86●化學(xué)工程2010 年第38卷第2期2.5不同氣化方案下的系統熱效率的粉煤氣化。根據式(1)可以計算煤氣化過(guò)程的總熱效率η。方案1的總熱效率約為84%,低于采用高溫輻射鍋參考文獻:爐的Texaco流程[)] ,原因在于出廢熱鍋爐的合成氣[1]焦樹(shù)健. 整體煤氣化燃氣~蒸汽聯(lián)合循環(huán)[ M].北京:中流量高且水蒸氣的含量高,其中顯熱約為人爐煤低國電力出版社，1996.[2]ZHENG Ligang, FURINSKY E. Comparsion of Shell,熱值的15%。方案2和方案3的總熱效率約為T(mén)exaco, BGL and KRW gasifiers as part of ICCC plant90%,總熱效率與采用合成氣激冷方案的Shell和computer simulations[J]. Energy Conversion and Manage-Prenfo流程45)相當。ment, 2005 ,46(11):1767-1779.E'+OHη=- E(1)[3] MCDANIELJ E, SHELNUT C A. Tempa etrice compa-ay polk power station IGCC project status[ C] // Gasificar式中:E'為氣化生成的煤氣的化學(xué)能, AH為氣化爐tion Technologies Conference: Operating Experience,和熱煤層顯熱利用系統中產(chǎn)生的蒸汽之焓值增量,Progress Reports. USA: Gasification Technology Council,E為氣化用煤的化學(xué)能。1999.[4] EURLINGSJ ThG M, PLOEG J E C. Process perfor-3結論mance of the SCGP at Buggenum ICCC[ C] // Gasifica-(1)耐火磚襯里的粉煤氣化的冷煤氣效率最tion Technologies Conference: Economics, Perfomanceand Reliabiliy. USA: Gasification Technology Council,高,水冷壁襯里的粉煤氣化次之,水煤漿氣化最低。(2)采用部分激冷方式的出廢熱鍋爐氣體流量[5] MENDEZ-VIGO1, PISA J, CORTES J, et al. The puer-遠小于用合成氣激冷方案的Shell和Prenflo 流程,tllano IGCC plant: status update [C] // Gasification有助于減少后續的設備尺寸。Technologies Conference: Operating Experience, Progress(3)對不同的氣化方案,激冷水溫度從25 CReports. USA: Gasification Technology Council, 1998.到接近飽和狀態(tài)的激冷水量增加值均約為27%，[6]于遵宏 ,龔欣,吳韜，等.多噴嘴對置式水媒漿或煤而蒸汽產(chǎn)量的增加值僅約為5%,即激冷水溫度對粉氣化爐及其應用:中國, 98110616. 1[P].系統的總熱效率無(wú)明顯影響,可以采用低溫的激1998 07 _08.冷水以減少出廢熱鍋爐的氣體流量以及后續的設[7] 于廣鎖,龔欣，劉海峰,等.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)[J].現代化工,2004 ,24 (10) :4649.備尺寸。(4)水煤漿氣化的總熱效率約為84% ,粉煤氣[8]龔欣,郭曉鐳 ,代正華,等.新型氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)[J].現代化工,2005 ,25(3):51-52.化的總熱效率約為90%,與采用合成氣激冷方案的[9]代正華 ,龔欣,王輔臣,等氣流床煤氣化的Gibe自由Shell和Prenflo流程相當。能最小化模擬[J].燃料化學(xué)學(xué)報, 2005,33 (2):(5)部分水激冷的方式適合于用于ICCC發(fā)電29-133.《化學(xué)工程》期刊進(jìn)入美國《化學(xué)文摘》引文頻次最高的1 000種期刊表根據中國科學(xué)技術(shù)期刊編輯學(xué)會(huì )國際交流工作委員會(huì )和中國高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報研究會(huì )外事工作委員會(huì )統計,美國《化學(xué)文摘》數據庫總計有10 000種以上期刊，中國期刊已經(jīng)超過(guò)1305種,美國《化學(xué)文摘》2008年引文頻次最高的1 000種期刊表中,《化學(xué)工程》進(jìn)入《化學(xué)文摘》千刊表中,總排名第571名。中國煤化工》編輯部MYHCNMHG