煤氣化技術簡介50153.doc

煤氣化技術煤氣化已有100多年的發(fā)展歷史，先后開發(fā)了200多種氣化工藝或氣化爐型，有工業(yè)化應用前景的十余種。煤氣化可分為完全氣化和不完全氣化兩大類：完全氣化是指煤及其它固體原料與氣化劑進行一步法化學反應，生成可燃氣或合成氣；不完全氣化是指固體原料進行熱加工時，除生成可燃氣外還有含碳固體產物（如煤煉焦過程）。這些產物又可進行加工利用。國外為了提高燃煤電廠熱效率，減少環(huán)境污染，對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術作了大量工作，促進了煤氣化技術的開發(fā)。目前已成功開發(fā)出了對煤種適應性廣、氣化壓力高、生產能力大、氣化效率高、污染少的新一代煤氣化工藝，主要有荷蘭殼牌（Shell）的粉煤氣化工藝、德國克魯伯考柏斯（KruppKoppers）的Prenflo工藝，美國德士古（Texaco）和Destec的水煤漿氣化工藝以及德國黑水泵的GSP工藝等。本章著重介紹我廠油改煤改造工程所引進的Shell粉煤氣化工藝技術。第一節(jié) 煤氣化技術分類及其發(fā)展一、煤氣化技術分類最常用的氣化分類方法是按煤和氣化劑在氣化爐內的相對運動來劃分，大體可分成三種：逆流：固定床、移動床。煤（焦）由氣化爐頂部加入，自上而下經過干燥層、干餾層、還原層和氧化層，最后形成灰渣排出爐外；氣化劑自下而上經灰渣層預熱后進入氧化層和還原層（兩者合稱氣化層）。代表爐型為常壓UGI爐和加壓Lurgi爐，主要用于制取城市煤氣。固定床氣化的局限性是對床層均勻性和透氣性要求較高，入爐煤要有一定的粒(塊)度及均勻性。煤的機械強度、熱穩(wěn)定性、粘結性和結渣性等指標都與透氣性有關，因此，固定床氣化爐對入爐原料有很多限制。并逆流或返混流：流化床、沸騰床。氣化劑由爐底部吹入，使細粒煤（6mm）在爐內呈并逆流反應，通常稱為流態(tài)化或沸騰床氣化。煤粒( 粉煤 )和氣化劑在爐底錐形部分呈并流運動，在爐上筒體部分呈并流和逆流運動。為了維持爐內的“沸騰”狀態(tài)并保證不結疤，氣化溫度應控制在灰軟化溫度（ST）以下。要避免煤顆粒相聚而變大以致破壞流態(tài)化，顯然不能使用粘結性煤。由于爐內反應溫度低( 與氣流床相比)，煤的停留時間短( 與固定床相比 )，并逆流氣化對入爐煤的活性要求很高，只有高活性褐煤才適應。而爐溫低、停留時間短帶來的最大問題是碳轉化率低，飛灰多，殘?zhí)几撸一以蛛x因難。其次是操作彈性小(控制爐溫不易)。代表爐型為常壓Winkler爐和加壓HTW爐，此外還有U-Gas、KRW等流化床氣化爐也逐步走向工業(yè)化。并流或活塞流：氣流床、夾帶床。粉煤由氣化劑夾帶入爐并進行燃燒和氣化，受反應空間的限制，氣化反應必須在瞬間完成，為彌補停留時間短的缺陷，必須嚴格控制入爐煤的粒度（0.1mm），以保證有足夠的反應面積。在并流氣化反應中，煤和氣化劑的相對速度很低，氣化反應是朝著反應物濃度降低的方向進行，碳的損失不可避免，為增加反應推動力，必須提高反應溫度即反應速度，火焰中心溫度在2000以上，采用液態(tài)排渣是并流氣化的必然結果。代表爐型為常壓氣流床粉煤氣化K-T爐，水煤漿加壓氣化Texaco爐，處于工業(yè)示范階段的加壓粉煤氣化爐如SCGP、Prenflo等。各類氣化方法主要特點見下表。表2-1-1 各類氣化方法主要特點氣化方法固定床流化床氣流床典型工業(yè)爐UGILurgiWinklerHTWKTTexaco灰排出狀態(tài)干灰干灰熔渣原料煤特性對小顆粒煤對粘結性煤對煤的變質程度對灰熔點要求受限好受限褐煤高不受限不受限任何煤低受限無煙煤需攪拌褐煤高操作特性氣化壓力/MPa(a)氣化溫度(出口)/爐內最高溫度/耗氧量耗蒸汽煤在爐內停留時間常壓23常壓1.085090011008509001100低高15min常壓46.513501600 2000高低 無400 ST無低高90min1S5S煤氣成分H2COH2COCO2CH4N240327080.8203739202360273010120.5343630406575131512315890103545801520 90m 10 (max.) % 5.0m 90 %含水量 2%根據(jù)煤氣化爐生產能力和設計煤種，以及可能的煤質變化情況，煤的研磨及干燥系統(tǒng)設置2臺磨煤機，即2條煤的研磨及干燥（CMD）生產線，正常生產時兩條線同時運行。當一條線停運時，另一條線按設計能力運行，以滿足下游配套部分的生產要求。（一）原煤與石灰石粉貯存系統(tǒng)1. 原煤原煤貯存在原煤倉(V-1101A/B)內。來自V-1101A/B的原煤經重力式給煤機(X-1101A/B)計量稱重后通過落煤管進入磨煤機，為保證系統(tǒng)的安全，重力式給煤機始終保持在連續(xù)的氮凈化狀態(tài)。V1101A/B含塵氣體通過原煤倉放空過濾器(S-1101A/B)除塵后，由原煤倉排風機(K-1104A/B)排入大氣。為了監(jiān)控原煤的自燃，S-1101A/B出口設有一氧化碳含量在線分析報警（2個煤倉合用一個）。 V-1101A/B內裝有一個氮氣分配環(huán)。2. 石灰石粉石灰石粉貯存在石灰石粉倉(V-1102)內。80160目的石灰石粉由密封罐車卸至一中間粉倉，再經空氣提升機送入石灰石粉倉(V-1102)。V1102內的石灰石粉依靠重力進入石灰石粉配料箱后，通過改變配料箱出口旋轉給料機轉速使石灰石粉按照與煤一定的重量比依次通過旋轉給料機和石灰石粉噴射器進入磨煤機。V1102上部含塵氣體通過石灰石粉倉放空過濾器(S-1104)除塵后排入大氣。（二）研磨及干燥系統(tǒng)根據(jù)煤質特點，采用性能優(yōu)越的MPS中速磨，集研磨、干燥與動態(tài)分離于一體。中速磨煤機在研磨過程中，將連續(xù)對物料進行干燥。滿足細度要求的煤粉和氣體混合物經出粉管道進入粉煤過濾器S-1103A/B進行氣粉分離。煤粉的細度取決于循環(huán)氣速率、滾筒在磨盤上的壓力和S-1102A/B的可調速率。分離后的煤粉儲存在粉斗內，通過螺旋送入下游裝置粉煤儲罐V1201A/B。分離后的氣體（含塵量小于10 mg/Nm3）被循環(huán)風機K1102A/B抽走，一部分進入惰性氣體發(fā)生器F1101A/B循環(huán)使用，另一部分排入大氣。石子煤和其它不合格原料自動落入石子煤箱中（磨盤下的一個氣密閥系統(tǒng)）排出。為防止煤粉的侵入，通過密封風機(K-1103A/B)提供的空氣對磨煤機軸封和軸承進行密封。為避免煤粉自燃和粉塵爆炸，磨煤機在微負壓條件和低氧的惰性氣體環(huán)境下操作，通?？刂蒲鯕鉂舛仍? vol%以下，當S-1103A/B出口或磨煤機入口氧含量過高時，向循環(huán)回路中補充低壓氮氣。（三）惰性氣體發(fā)生器磨煤采用熱惰性氣體干燥，熱惰性氣體由惰性氣體發(fā)生器(F-1101A/B)經燃料氣（油）燃燒加熱產生，燃料量由研磨煤機出口溫度進行控制。燃料氣（油）燃燒所需空氣量由燃燒空氣鼓風機按比例提供。為了滿足低能耗的要求，K1102A/B出口大約80%的熱惰性氣體需循環(huán)回到F1101A/B。正常運行時F-1101A/B采用煉廠干氣和合成弛放氣的混合氣作為燃料，由燃燒空氣鼓風機(K-1101A/B)提供助燃空氣，柴油備作為備用燃料。開車期間（點火）采用液化石油氣作為燃料，助燃空氣為壓縮空氣。循環(huán)風機為系統(tǒng)的惰性氣體流動提供動力。二、加壓進煤來自CMD的粉煤和粉煤過濾器(S-1201A/B)過濾下的煤粉進入粉煤儲罐(V-1201A/B)，若粉煤儲罐達到允許的最高料位時，CMD將停止運行。煤氣化爐開停車期間，粉煤也將通過粉煤燒嘴前的循環(huán)線返回到V1201中。低壓氮氣連續(xù)通入粉煤儲罐以保證系統(tǒng)在惰性氣氛下操作。粉煤儲罐的操作壓力為0.02MPa(g)，操作溫度為80。粉煤依靠重力由V1201流入粉煤放料罐(V-1204A/B),V1201達到設定料位后即與所有低壓設備隔離開，然后加壓直至與粉煤給料罐(V-1205A/B)的壓力相同，此時打開這兩個罐間的壓力平衡閥。V1204是用高壓氮氣來加壓的，氮氣通過罐底部的通氣錐直接進入罐中，為保護通氣錐中的通氣板，氮氣加壓管線上設置了壓差控制閥以控制進入通氣錐的氮氣流量。粉煤靠重力由V1204流入V1205，當V1204達到設定的低料位后，關閉V1204底部的切斷閥，與高壓系統(tǒng)隔離，V1204開始卸壓。V1204卸壓分為三步，前兩步均通過限流孔板和切斷閥將氮氣經S1201排放到大氣中，第三步則通過V1204和S1201間的壓力平衡線來保證兩臺設備間的壓力平衡。V1204操作壓力為4.70.02MPa(g)，操作溫度為80。V1205內的粉煤從底部送往粉煤燒嘴。為維持V1205與氣化爐間的壓差，穩(wěn)定氣化爐的運行，V1205內不斷通入氮氣，并通過S1201排入大氣。同樣，為了保護罐底的通氣錐，氮氣管線上設置了壓差控制閥。V1205操作壓力為4.7MPa(G)，操作溫度為80。三、煤氣化及合成氣冷卻來自空分裝置的純氧經高溫鍋爐水預熱到180，與300的過熱工藝蒸汽充分混合后，和來自V-1205A/B的粉煤一起通過水平對稱布置的四個粉煤燒嘴噴入氣化爐(V-1301)內，在4.0MPa(G)的壓力下進行部分氧化反應。氣化爐內溫度高達1400-1700，在此高溫下，合成氣中基本不含C1以上的有機成分。同時由于氣化爐中部分固化的煤渣層形成的隔熱壁最大限度地阻止了熱量的流失，從而獲得較高的冷煤氣效率。反應后的高溫合成氣在氣化爐頂部出口被來自循環(huán)氣壓縮機(K-1301)的冷合成氣激冷至約900，然后經合成氣冷卻器冷卻至340后進入干法除灰單元。激冷循環(huán)氣壓縮機設計由調頻電機驅動。正常操作時，四個粉煤燒嘴同時運行。燒嘴負荷通過氣化爐的負荷調節(jié)器來調節(jié)，其入口的氧氣蒸汽比通常保持恒定不變。為了保證燒嘴的穩(wěn)定運行，延長燒嘴的使用壽命，本單元設置了燒嘴冷卻水（鍋爐水）系統(tǒng)。氣化爐還設置了點火燒嘴和開工燒嘴系統(tǒng)。粉煤氣化反應過程中所產生的大量高位能顯熱在氣化爐及合成氣冷卻器（SGC）中被回收以產生中壓過熱蒸氣。SGC是水管型廢鍋，特殊的設計使之能夠處理帶有不粘性粉煤灰的氣流。從氣化爐中壓汽包(V-1304)出來的271循環(huán)鍋爐水由中壓循環(huán)泵(P-1301A/B/C)分別送入氣化爐中壓蒸汽發(fā)生器(E-1320)即氣化爐水冷壁，激冷段中壓蒸汽發(fā)生器(E-1301)、傳導段中壓蒸汽發(fā)生器(E-1302)和SGC中壓蒸汽發(fā)生器(E-1303)，以產生5.5MPa(G)的中壓蒸汽，產生的汽水混合物在汽包中分離后，蒸汽送入SGC中壓蒸汽過熱器(E-1306)過熱至400。中壓過熱蒸汽除少部分送入公用工程系統(tǒng)供氣化裝置自用外，其余送往界區(qū)管網(wǎng)。汽包內部隔成兩個室，一個室與氣化爐水冷壁相連，另一個室則與氣化爐內其它的蒸汽發(fā)生器相連。采用這種設計可以通過監(jiān)測氣化爐不同部位的產汽量以評估氣化爐的運行狀況。氣化爐和SGC設置了清潔系統(tǒng)，主要設備是激冷段吹灰器、位于SGC內過熱器入口處的飛灰鼓風機和敲擊錘，清潔系統(tǒng)在PLC控制下按設定的程序進行工作。 四、除渣除渣系統(tǒng)負責對熔融煤渣進行冷卻、?；团欧盘幚?。1700左右的熔融爐渣向下流入氣化爐底部的灰渣激冷罐(V-1401)，迅速分解成灰渣小顆粒，灰渣顆粒向下流入收集罐(V-1402)中。為防止較大的煤渣顆粒被夾帶進水循環(huán)系統(tǒng)，90的灰水由循環(huán)泵(P-1401A/B)從收集罐頂部抽出，經水力旋流器(S-1403A/B)和循環(huán)灰水冷卻器(E-1401A/B)循環(huán)回到灰渣激冷罐。水力旋流器的目的是將激冷水中的固體顆粒含量控制在11.5wt%，而循環(huán)灰水冷卻器則利用循環(huán)冷卻水將灰水冷卻至50。渣由收集罐進入渣放料罐(V-1403)，在此過程中，灰水通過灰水泵(P-1402A/B)循環(huán)回到收集罐中，同時系統(tǒng)中補入高壓新鮮水以補充由水力旋流器底部排到廢水汽提及澄清單元的水。當所有的渣進入放料罐后，放料罐即與收集罐隔絕并開始卸壓，然后將渣全部排入爐渣脫水倉(T-1401)。由排放水罐(T-3302)來的40低壓新鮮/循環(huán)水通過排放水循環(huán)泵(P-3306A/B)送到放料罐中，沖洗和重新注水完成后，用高壓氮氣加壓至4.0MPa(G)，然后與收集罐重新連通。爐渣脫水倉中的渣由撈渣機(X-1402)撈出，并經送渣皮帶(X-1403)送往中間渣場。爐渣脫水倉中含細微顆粒的灰水通過灰渣水排放泵(P-1403A/B)輸送至澄清槽(S-1701)中。五、干法除灰干法除灰單元核心設備是帶有程序反吹系統(tǒng)的高溫高壓陶瓷過濾器S1501。來自合成氣冷卻器(V-1302)340合成氣送入S-1501過濾除灰后直接送往洗滌單元，過濾后的合成氣中灰塵含量約12(最大20)mg/Nm3。高溫高壓過濾器設置了反吹系統(tǒng)，利用7.8MPa(g)、225的高壓合成氣對濾芯進行反吹。高溫高壓過濾器過濾下來的飛灰通過飛灰收集罐(V-1501)落入飛灰放料罐(V-1502)，飛灰放料罐持續(xù)用5.2MPa(G)、225的高壓氮氣進行氣提。當飛灰放料罐中的飛灰量達到高料位時，高溫高壓過濾器與放料罐之間的閥門關閉，然后將放料罐中的氮氣粗合成氣混合氣通過放料罐過濾器(S-1502)送入火炬，直至將飛灰放料罐卸壓至大氣壓。放料罐過濾器的壓差利用5.2MPa(G)、225的高壓反吹氣來維持。卸壓完成后，飛灰放料罐與飛灰卸料冷卻罐(V-1504A/B)中的其中1個連通，飛灰落入飛灰卸料冷卻罐中。當飛灰放料罐中的飛灰達到低料位時，關閉二者之間的閥門，然后用高壓氮氣對飛灰放料罐加壓至與高溫高壓過濾器的壓力達到平衡，并重新連通飛灰放料罐和高溫高壓過濾器。在飛灰放料罐的卸壓及放料過程中，高溫高壓過濾器過濾下的飛灰落入其下部的飛灰收集罐(V-1501)中。在飛灰卸料冷卻罐中利用0.7MPa(G)、80的低壓氮氣對飛灰進行加壓氣提吹掃，以保證有毒合成氣不泄漏到大氣中并將飛灰溫度降至約250以下。氣提冷卻的氣體通過氣提罐過濾器(S-1503A/B)送入火炬。為防止火炬氣倒竄入飛灰卸料冷卻罐中，在火炬與飛灰卸料冷卻罐間設置了壓差開關。中間儲罐(V-1505)的作用僅僅是作為飛灰中間儲存用，緩沖時間為3個小時。飛灰由飛灰卸料冷卻罐進入中間儲罐，然后通過飛灰充氣倉(V-1508)送往灰倉(V-1507)并最終輸出到界區(qū)外。在該系統(tǒng)內，飛灰的輸送均是利用0.7MPa(G)、80的低壓氮氣。六、濕法洗滌來自高溫高壓過濾器(S-1501) 335的粗合成氣與來自洗滌塔(C-1601)底部的167洗滌水在文丘里洗滌器(J-1602)中充分混合后送入洗滌塔底部，氣/水混合物在此初步分離，氣體沿填料層上升，與從塔頂下來的洗滌水在填料層中充分接觸傳質傳熱，以除去粗合成氣中的HCl、HF和微量的固體顆粒。洗滌后離開塔頂?shù)?60被水飽和的粗合成氣分為三股，一股作為產品氣送往配套部分；一股作為激冷氣送循環(huán)氣壓縮機(K-1301)壓縮后循環(huán)到氣化爐頂部出口；還有一股送入反吹氣洗滌塔（C-1602）中用40的循環(huán)洗滌水進一步洗滌，離開洗滌塔頂?shù)姆创禋鉁囟葹?2，壓力為3.80MPa(G)，送往反吹氣壓縮機（K-3001）。洗滌塔底出來的循環(huán)洗滌水經洗滌塔循環(huán)水泵(P-1601A/B)加壓后分為三部分，一部分與來自反吹氣洗滌塔的洗滌水混合，經洗滌塔循環(huán)水空冷器(E-1601)冷卻后送入洗滌塔頂部；一部分循環(huán)水進入文丘里洗滌器；另一部分則送往廢水汽提及澄清單元，以防止腐蝕性成份、鹽和固體懸浮物在系統(tǒng)中累積。為提高粗合成氣中酸性成份的脫除效率，少量20wt%濃度的NaOH堿液加到文丘里洗滌器前，循環(huán)回路的PH值控制在7.58.0之間。本單元內設置了供氣化裝置開工用的蒸汽噴射器(J-1601)。七、廢水汽提及澄清送往該單元進行汽提處理的污水主要包括下列幾股物流，來自洗滌單元(1600)的酸性排放水，來自除渣單元(1400)的激冷排放水，來自密閉倒凈系統(tǒng)的排放液。這幾股廢水首先匯入汽