Destec煤氣化工藝的特點(diǎn)

第42卷第6期化肥設計De.20042004年12月Chemical Fertilizer Design專(zhuān)題綜論Detec煤氣化工藝的特點(diǎn)鄭振安(中國五環(huán)化學(xué)工程公司,武漢430079)摘要:介紹了Dste煤氣化工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程和商業(yè)性應用實(shí)例,闡述了該工藝的技術(shù)特點(diǎn)和工藝過(guò)程,對 Detec和 Texaco2種煤氣化工藝的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了對比和總結。關(guān)鍵詞: Detec煤氣化工藝;技術(shù)特點(diǎn); Texaco煤氣化工藝;對比中圖分類(lèi)號:TQ546文獻標識碼:A文章編號:1004-8901(2004)06-0003-05Characteristics of Destec Coal Gasification ProcessZheng Zhen-anChina Wuhuan Chemical Engineering Corporation, Wuhan, 430079, ChinaAbstract: The developing process and the commercially applicable example were introduced the technical characteristics of this process andthe technology process were described comparison and summarization were made for technical gist of two kinds of coal gasification process i. e.Estee and Texaco processKey words: Destec coal gasification process; technical characteristics; Texaco coal gasification process; comparisonDetec煤氣化工藝原稱(chēng)Dow煤氣化工藝,是氣化爐原理的研究、在1979年建設36td試驗由美國Dw化學(xué)公司于1973年開(kāi)發(fā)的,1987年裝置和在1982年1600td的示范裝置。在此基成功應用于商業(yè)性的熱電廠(chǎng)。該工藝與 Texaco礎上于1987年在路易斯安那州的 Plaquemine的煤氣化工藝齊名,同樣是水煤漿進(jìn)料,加壓純氧工廠(chǎng)建成第1個(gè)商業(yè)性Dow氣化裝置IGCC項氣流床氣化工藝,因此 Detec不僅具有 Texaco目。以次煙煤為原料,每天處理約2400t,或其工藝的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)因其氣化爐結構及工藝過(guò)程的他相對應的煤,包括褐煤為原料,每天處理約特點(diǎn),工藝性能和技術(shù)經(jīng)濟指標比Tex工藝2900t。該裝置能力為31.8×10°kld中熱值煤略勝一籌。因此,有必要對 Detec煤氣化工藝進(jìn)氣并聯(lián)產(chǎn)2467td的蒸汽,發(fā)電160MW,其能一步認識,借鑒其優(yōu)點(diǎn),也許對今后潔凈煤氣化量平衡示意見(jiàn)圖1。技術(shù)的發(fā)展有所裨益。1開(kāi)發(fā)過(guò)程與商業(yè)性應用次煙煤219t/d318TJ84.2W(總)凈輸出160.9舅在70年代世界能源危機中,美國Dw化學(xué)23.3W去空公司為了競爭的需要,制定了以煤代替天然氣能104t/d4t/d源的計劃。擬定以燃氣透平技術(shù)和美國豐富的煤圖1LGm能量平衡示意圖資源作為推進(jìn)計劃的主要內容,為獲得更可靠和從1987年4月投運到1995年11月,該裝成本相當的未來(lái)能源奠定基礎。而煤的完全轉換置累積運行了34000h,積累了豐富的經(jīng)驗。必須具備一種可靠的煤氣化工藝來(lái)生產(chǎn)合成氣,以代替天然氣直接用于燃氣透平,即使用廉價(jià)的中國煤化工能源公司,占煤提供高效率的燃氣透平聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統。煤作者簡(jiǎn)CNMHG1人,192年畢業(yè)于氣化項目是由路易斯安那氣化技術(shù)公司(LGTD)華東化工學(xué)院,教授緩高級工程師,副總工程師,現任公司總經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)的,計劃歷時(shí)10年,包括在1975年理高級顧問(wèn),長(cháng)期從事化工工程的設計、開(kāi)發(fā)和研究工作?；试O計2004年第42卷有80%股份,將其擁有的Dow煤氣化工藝改名見(jiàn)圖3,為單系列,2臺氣化爐,其中1臺備用。為 Detec。1997年NGC公司收購 Detec公其成為NGC的子公司,現更名為 Dynegy PowerCorpo1995年, Vested能源公司和PSI公司在印第2段煤漿第安納州聯(lián)營(yíng)建成并投運了 Wabash River Igcc炭去循環(huán)第1段電站, Detec負責建造和經(jīng)營(yíng)氣化島25年,PSI氧氣負責建造和經(jīng)營(yíng)動(dòng)力島。機組的凈出力為261渣急冷水氣體61MW,氣化爐處理煤量為2500td2 Detec煤氣化工藝的特點(diǎn)圖2 Detec氣化爐2.1工藝概念等器氣Detec煤氣化工藝建立的裝置所提供的系統炭循環(huán)與燃氣透平緊密結合,提供安全、可靠的操作,并且滿(mǎn)足以下要求:酸性氣排出氣(1)加壓操作為燃氣提供足夠的壓力進(jìn)入透平,氣化爐在2.0~3.5MPa進(jìn)行操作。這有因粒循環(huán)利于減小氣體加工設備的尺寸,降低投資。(2)水煤漿進(jìn)料通過(guò)多種進(jìn)料系統的評圖3路易斯安那煤氣化流程圖價(jià),如機楲灰閘、螺旋式和水煤漿等,確定以水1渣脫水器;2-棒磨機;3氣化爐;4旋風(fēng)分離器;5-蒸汽煤漿進(jìn)料是最可靠的。鍋爐;6—蒸汽過(guò)熱器;7一給水預熱器;8濕式洗滌器;9硫回收系統;10—H2S脫除系統;11-焚燒爐3)適用于各種品質(zhì)的煤主要利用褐煤,也提供利用其他煤種的靈活性。3.1.1主要工序說(shuō)明(4)不污染環(huán)境潔凈運行,沒(méi)有烴類(lèi)副產(chǎn)(1)磨煤和水煤漿制備品產(chǎn)生,灰渣容易處理,可作為建筑或鋪路材料。水煤漿的制備是采用來(lái)自貯倉的煤和水混合22氣化爐的特點(diǎn)后棒磨而成,使用次煙煤時(shí)固體濃度為52%~Detec氣化爐如圖2所示,兩段氧氣氣化54%,水煤漿制備裝置距氣化爐裝置約1.2km連續排渣、內襯耐火磚。第1段在1320~1430(2)氣化和高溫熱回收℃的熔渣條件下操作,準確的溫度取決于熔渣的煤漿泵送到氣化界區的水煤漿進(jìn)料罐,為防粘滯特性。第1段為水平圓柱體,每端各有1個(gè)止堵塞采取了反沖洗管線(xiàn)和水煤漿回流的措施。水煤漿和氧氣的進(jìn)料燒嘴。80%的水煤漿和氧氣水煤漿用加壓泵送至水煤漿預熱器,加熱到氣化混合后噴入第1段。在圓柱體中央為熔渣的排出壓力下水煤漿沸點(diǎn)溫度以下28-56℃。煤漿泵口,經(jīng)過(guò)淬水段流出。第1段反應產(chǎn)生的熱煤氣具有在高壓下操作液固混合物的能力,并能控制由頂部進(jìn)入第2段。第2段為直立在第1段上的水煤漿進(jìn)入預熱器的流量。預熱后的水煤漿送入垂直圓柱體,為向上流動(dòng)型的氣化段,在此設置氣化爐,與氧氣通過(guò)燒嘴混合,氧氣由專(zhuān)用的1個(gè)燒嘴,20%水煤漿射入熱氣體,不加氧氣,1500td空氣裝置加壓提供。因煤的性質(zhì)而異利用氣體的顯熱把水煤漿的水分氣化,煤被加氧氣量需精確控制,以維持氣化爐溫度在設定范熱、高溫分解進(jìn)行部分氧化反應,這對于煤的有圍內。在此條件下,煤幾乎全部進(jìn)行部分氧化反效能轉化為化學(xué)能是有利的。由于吸熱過(guò)程使混應而獲得合成氣,主要成分包括H、OO、OO2和合煤氣溫度大幅度降低到1050℃左右。H2O,次煙煤(或褐煤)中的硫幾乎全部轉化為3 Detec煤氣化工藝過(guò)程HV凵中國煤化工在氣化爐中熔融,CNMH體渣通過(guò)破碎機3.1路易斯安那160Mw熱電聯(lián)產(chǎn)電站連續排出,渣和水減壓至適當壓力進(jìn)入常壓脫水160MW熱電聯(lián)產(chǎn)電站的 Detec煤氣化流程罐,采用3臺罐,其中2臺交替運行,脫水的渣第6期鄭振安 Detec煤氣化工藝的特點(diǎn)用車(chē)運出裝置,分離的水在界區內循環(huán)。(4)氣體的有效成分合成氣有效成分(CO由于 Detec煤氣化爐特有的二段反應,離開(kāi)+H2)高,甲烷含量低,適合作燃料氣和化工原第1段的熱氣體被引人二段的水煤漿冷卻,使氣料氣。典型的合成氣組成見(jiàn)表2?；癄t出口的合成氣溫度冷卻至1000℃左右,在表2典型的合成氣組成%(干基)二段反應后未轉化的碳經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器有效分離2CoOO2CH4N2HS+0s高熱值/km后返回到第1段。該廠(chǎng)包括備用氣化爐、旋風(fēng)分第1段346-2210.6離器和破渣機是為了保證裝置具有85%利用率。第2段41.35384618.460.111.480.149581從旋風(fēng)分離器出來(lái)的熱氣體進(jìn)入高溫熱回收裝(5)單爐氣化強度可處理煤量為1200置,該裝置由火管式鍋爐、蒸汽過(guò)熱器和給水預2200td(干)。熱器組成。合成氣中熱量被分級回收,鍋爐使合3.2 Wabash River260 MW IGCC電站成氣溫度由1038℃降至649℃,過(guò)熱器和預熱1995年 Detec能源公司和PSI公司聯(lián)營(yíng)建器使氣體溫度進(jìn)一步降至371℃,產(chǎn)生的過(guò)熱蒸成并投運了 Wabash Riⅳ ver IgCc電站,電站系統汽(371℃、4.5MPa)進(jìn)入工廠(chǎng)蒸汽系統。流程見(jiàn)圖4。(3)合成氣洗滌和低溫熱回收高壓蒸汽離開(kāi)高溫熱回收系統的合成氣進(jìn)入文丘里洗滌器和濕式洗滌塔系統脫除殘余固體顆粒,用循陶瓷環(huán)水洗滌。濕式洗滌塔在稍低于循環(huán)水的沸點(diǎn)下過(guò)濾器硫回收操作。洗滌后的排水呈稀薄漿狀物,經(jīng)凝聚、濃燃燒室縮后摻入氣化爐進(jìn)料水煤漿中。洗滌后的合成氣水媒|0t在脫除H2S前通過(guò)串聯(lián)的熱交換器以及強制通風(fēng)的翅片管空氣冷卻器被冷卻到49℃進(jìn)入脫硫氧氣淬冷水裝置。熱交換器產(chǎn)生低壓蒸汽,為酸性氣體氣提第1段渣/水孔透平塔、最終產(chǎn)品氣的再熱和預熱冷凝提供熱量。從合成氣分離的冷凝液脫除NH3、H2S和其他溶解圖4 Wabash River IGCC電站系統流程圖氣體后,經(jīng)冷卻回收到工藝及水煤漿制備裝置。3.21工藝過(guò)程改進(jìn)要點(diǎn)煤氣化裝置運行性能Detec公司總結了已運行8年的路易斯安那(1)處理不同煤種的能力操作初期使用懷熱電站煤氣化裝置的經(jīng)驗和教訓,重新設計wa俄叨州的次煙煤,正常生產(chǎn)使用西部次煙煤,海 bash River電站的氣化島,除保持原有特點(diǎn)外灣的褐煤曾作為替換原料。從次煙煤轉換成褐煤還進(jìn)行了一些改進(jìn),使其工藝性能和技術(shù)經(jīng)濟指進(jìn)料,裝置仍可保持相同的生產(chǎn)能力,說(shuō)明具有標得到進(jìn)一步改善,其要點(diǎn)如下適應不同煤種的能力。原料煤種分析數據見(jiàn)表1。(1)安裝2臺100%負荷的氣化爐,1開(kāi)1表1原料煤分析備,煤氣冷卻器只有1套。在煤氣冷卻器之前設媒種工業(yè)分析(應用基)%元素分析(干基%高熱值置1根與氣化爐高度相當的導流圓筒,垂直布/M·k1置,內襯耐火材料。導流圓筒的作用:①將粗煤固定炭揮發(fā)分水分灰分CHNS0灰分干基應用基氣導流至對流冷卻器的底部;②增加煤氣在高溫褐煤1673.5301.858251111692491.5區的停留時(shí)間,提高碳的轉化率;③具有一定的次煙煤32.932.328.95.968.25.01.00.716.68.328.120.0除塵作用(2)能量利用效率裝置碳轉化率達99%,從導流筒出來(lái)的煤氣進(jìn)入火管式對流煤氣冷冷煤氣效率,褐煤為69.2%,次煙煤為77%。卻器,熱煤氣在管內流動(dòng),水在管外流動(dòng),產(chǎn)生(3)環(huán)境保護性能產(chǎn)品中不含焦油、酚等11.03中國煤化工量90-110th,物質(zhì)。爐渣可作建筑材料。隨氣體夾帶的未轉化這部CNMHG煤氣被冷卻到碳經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后循環(huán)回氣化爐?；宜h(huán)371℃,然后進(jìn)入煤氣除塵和脫硫系統。該電站使用,排放污水量少,經(jīng)處理后符合排放標準。的煤氣冷卻器直徑約3m,造價(jià)和安裝費用較化肥設計2004年第42卷低,檢修和清洗方便。置運行。解決的措施:改進(jìn)對流冷卻器前煤氣管(2)提髙水煤漿的固體濃度達67%(煙煤或道的尺寸、形狀,使煤氣流速提高,減輕管道中次煙煤),氣化爐兩段氧氣(純度95%)氣化,提大塊沉積物的形成,從而避免這些大塊沉積物隨髙了煤氣的熱值,減少了氧耗,降低了煤氣的出氣流進(jìn)入煤氣冷卻器,并嚴格控制氣化爐操作溫口溫度,省去了龐大而昂貴的輻射式廢熱鍋爐,度。為了保險,在煤氣冷卻器入口管道上裝有濾使氣化爐造價(jià)降低。網(wǎng),以防止較大沉積物進(jìn)入煤氣冷卻器(3)排渣系統采用壓力螺旋式,實(shí)現連續排(3)原設計氣化爐耐火磚3年更換1次,因渣,轉動(dòng)部件少,沒(méi)有鎖斗。泄壓和破渣設備的調試和1996年運行中氣化爐啟動(dòng)次數多達100造價(jià)都比較低。次,造成液態(tài)渣對耐火磚的腐蝕加劇,導致氣化(4)采用干法除塵系統,容易實(shí)現飛灰再循爐第1段耐火磚進(jìn)行更換。環(huán),有利于碳轉化率的提高,同時(shí)降低后續的濕(4)陶瓷過(guò)濾器可靠性問(wèn)題式洗滌的負荷,減小灰水處理裝置的規模。1995~1996年陶瓷過(guò)濾器出現以下問(wèn)題煤氣經(jīng)過(guò)對流冷卻器后進(jìn)入2個(gè)并聯(lián)的陶瓷①由于陶瓷過(guò)濾元件固定方式問(wèn)題,導致陶瓷元管式過(guò)濾器,操作溫度371℃,粗煤氣中的飛灰件與管板間的密封失效,陶瓷元件移位破裂,停被過(guò)濾器收集后經(jīng)過(guò)1個(gè)壓力鎖斗,用高壓N2機檢修達100多天,改進(jìn)后采用管板式結構,有將飛灰送回氣化爐,以提高碳的轉化率。所好轉;②陶瓷元件之間有固體顆粒搭橋現象陶瓷過(guò)濾器及反吹和灰鎖斗的結構示意見(jiàn)圖嚴重影響過(guò)濾性能;③陶瓷元件內外壁積灰堵塞5。該設備分上下3組布置,每組內有7根1.5m嚴重,造成過(guò)濾器降劇增。主要原因是反吹氣和7根24m長(cháng)的燭狀陶瓷過(guò)濾元件,還有12流壓力太小,不能有效清灰;④由于過(guò)濾器內部根09m的陶瓷元件。反吹氣流是用高壓N2和煤氣流場(chǎng)不均勻,造成局部元件濃度太高,容易部分再循環(huán)煤氣,并被預熱到與被除塵煤氣的相使元件失效。當溫度。反吹氣流進(jìn)入1個(gè)脈沖吹掃貯氣罐,然1997年以后存在的問(wèn)題:①發(fā)現造成陶瓷后依次脈沖吹掃每個(gè)過(guò)濾元件。反吹氣流使附著(zhù)過(guò)濾器內、外壁堵塞的原因還有微量堿金屬在元在過(guò)濾器外壁的飛灰落下,進(jìn)入壓力鎖斗。該鎖件上發(fā)生相變沉積所導致;②使用髙硫煤時(shí),陶斗具有貯存1~3h運行飛灰的能力,收集的飛瓷元件也存在被腐蝕的問(wèn)題灰經(jīng)鎖斗送回氣化爐。解決措施:①改善過(guò)濾器內部含塵氣流的分配狀況,使每個(gè)元件的過(guò)濾人口條件均衡,清灰的狀況也基本一致,從整體上提高過(guò)濾器的運行性能;②建立1套兩級過(guò)濾的旁路試驗系統,在陶瓷過(guò)濾器陶瓷過(guò)濾器之后加裝1套金屬濾網(wǎng)除塵器。將原來(lái)的陶瓷過(guò)濾元件改為金屬過(guò)濾除塵元件,其可用率和可靠性在370℃左右還是較高的,但在運灰鎖斗行中也曾出現材料腐蝕損壞等問(wèn)題。圖5陶瓷過(guò)濾器結構示意圖4 Detec與 Texaco煤氣化工藝比較3.2.2運行中存在問(wèn)題及解決措施4.1工藝參數對比(1)曾出現2次連續排渣口堵塞,1次是因Texaco煤氣化工藝于上世紀50年代開(kāi)發(fā)成鍋爐給水故障造成停爐10h,使渣口結渣而堵功并投入商業(yè)應用,而 Detec煤氣化工藝是70塞;另1次是因水煤漿中粗大顆粒較多,使水煤年代開(kāi)發(fā)的。雖然兩者都是水煤漿進(jìn)料的加壓純漿供給波動(dòng),導致氣化不穩定而堵塞。2次堵塞氧中國煤化工tec氣化爐兩段氣均需進(jìn)行機械清除。解決的措施:嚴格執行運行化CNMH到一定程度的發(fā)操作規程,控制水煤漿質(zhì)量,保證氣化過(guò)程穩定。展和提高,因此其工藝性能和主要技術(shù)經(jīng)濟指標(2)煤氣冷卻器入口管道飛灰沉積,影響裝優(yōu)于 Texaco工藝。兩者對比見(jiàn)表3。第6期鄭振安 Detec煤氣化工藝的特點(diǎn)表3 Detec與 Texaco2種煤氣化工藝對比率卻能提高5%~10%。若采用3臺50%負荷氣項目Detec化爐(2開(kāi)1備)組成GCC方案,其總造價(jià)比單氣化工藝氣流床臺方案提高6%~7%,但可用率能提高10%。氣化壓力MP2.5-6.5表5煤氣化工藝運行參數及造價(jià)比較進(jìn)料方式水煤漿水煤漿氧氣純度,g/%95氣化爐1段燒嘴數個(gè)3(+1)熱回收方式全熱回收全熱回收全熱回收燒嘴壽命/d空分整體化程度/%氣化爐內襯火磚IGOC毛功率/MW573內襯壽命/a廠(chǎng)用電/Mw單爐最大投煤量td-12200-2400凈功率Mw碳轉化率,w/%熱耗(HⅣ)79397950冷煤氣效率%71~76熱機組凈效率(LH%47.246.9煤氣冷卻器系統對流鍋爐射鍋爐+單位造價(jià)/美元·(kW)11150-12001150-12001050-1對流鍋爐除塵方式陶瓷(金屬)水洗過(guò)濾器+水洗5結語(yǔ)除塵溫度/t排渣方式螺旋式,連續鎖斗,間歌1) Detec是一種潔凈的煤氣化工藝,已應用在美國建成并投運的2座IGCC電站,單爐投以次煙煤為原料煤量為2500td左右,各項技術(shù)經(jīng)濟指標具備與可行性研究對比其他先進(jìn)煤氣化工藝競爭的能力美國EPRI曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)以 Shell、 Texaco和(2)從 Detec煤氣化裝置生產(chǎn)的合成氣品質(zhì)Detec煤氣化工藝組成IGCC的預可行性研究的評價(jià),不僅適用于IGCC,也適用作為化工產(chǎn)其部分研究結果見(jiàn)表4。品的原料氣,如合成氨、甲醇、碳一化學(xué)品等。表4煤氣化工藝組成IGCC的預可行性研究對比3)由于 Detec氣化爐采用兩段氣化反應項目nell TexacoTexaco Estee其比氧耗、煤氣熱值、冷煤氣效率及碳轉化率等氣化爐氣化爐氣化爐氣化爐司收方式全熱回收全熱回收激冷全熱回收指標比 Texaco優(yōu)越;由于氣化爐出口溫度較低空分整體化程度/%只需要對流式煤氣冷卻器回收熱量,不需設置昂毛功率/MW貴的輻射式鍋爐,因而造價(jià)比 Texaco低;由于氣燃機功率Mw體處理工序采用先干洗除塵后水洗,故灰水循環(huán)汽機功率/MW廠(chǎng)用電/Mw量較小,濕灰量少,對環(huán)保有利凈化率Mw610(4)采用水煤漿進(jìn)料方式,其原料制備和加單位造價(jià)1376136012141202壓進(jìn)料工序相對簡(jiǎn)單,安全可靠,但因原料中含/美元·(kW)1水分35%~40%,因而氧耗比以干粉煤為原料的機組效率/%43.242.9氣化工藝高15%~25%。注:燃用的煤種ⅲnois“6煤;*按1997年美元價(jià)格,(5)氣化爐內襯耐火磚,沒(méi)有水冷系統,結針對采用未來(lái)GE公司的H型燃機,EPRI構簡(jiǎn)單,初投資較小,但由于爐內溫度較高,以也對3種氣化工藝做了可行性研究比較,見(jiàn)表5。及磨損及腐蝕等因素,耐火磚壽命僅2~3a。為由表4、表5可知, Nested煤氣化工藝應用保證耐火磚壽命,氣化區溫度不宜過(guò)高,適合于于IGCC在造價(jià)方面具有一定的優(yōu)勢,并且能保氣化灰熔點(diǎn)(煤灰流動(dòng)溫度FT)在1350℃以下證較高的機組效率。的煤種中國煤化工一定局限性Detec公司認為,若采用2臺負荷為75%80%氣化爐組成ICC,僅比單爐負荷為10%9為保證MHsCNMHG裝置的經(jīng)驗,以工,化需考慮備用。的方案在總造價(jià)方面提高3%,但氣化島的可用收稿日期:200408-11