加壓灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)的研究與開發(fā)

1、第22卷第3期山西化工V o l.22N o.3 2002年8月SHAN X I CH E M I CAL I NDU STR Y A ug.2002加壓灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)的研究與開發(fā)王洋(中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所,太原030001摘要:在50.2m、壓力1.5M Pa、日處理量3t4t煤的加壓灰熔聚流化床粉煤氣化試驗裝置上進(jìn)行了府谷煤的氣化試驗?？疾炝藟毫?、溫度對煤處理量、碳轉(zhuǎn)化率、排灰碳含量、煤氣組成等工藝指標(biāo)的影響,證實(shí)氣化強(qiáng)度正比于操作壓力的0.70.75次方,同時進(jìn)行了高溫顆粒移動床除塵試驗。試驗運(yùn)行驗證了工藝的可行性。關(guān)鍵詞:煤氣化技術(shù);灰熔聚;研究引言中國一次能源以煤炭

2、為主,迫切需要發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。煤氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一,城市煤氣、化工合成用原料氣和先進(jìn)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)馐敲簹饣l(fā)展和應(yīng)用的主要對象。從當(dāng)前國內(nèi)外煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢上看,大型化、加壓、適應(yīng)多種粉煤、低污染、易凈化是煤氣化發(fā)展方向1。我國的先進(jìn)煤氣化技術(shù)以及相應(yīng)的煤氣高溫凈化技術(shù)都還處于開發(fā)階段,從1980年起,在中國科學(xué)院、國家科技部(原部委和計委的支持下,山西煤炭化學(xué)研究所開始了灰熔聚流化床氣化技術(shù)開發(fā)。經(jīng)歷了近20年的研究開發(fā),已取得可喜成果,2現(xiàn)“灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)”的工業(yè)化示范項目(常壓,100t (d臺已完成,正在積極推廣。為了適應(yīng)化工合成以及先進(jìn)發(fā)電技術(shù)的

3、發(fā)展需要,在“九五”期間作為中科院重點(diǎn)科研項目,進(jìn)行了加壓煤氣化技術(shù)的開發(fā)研究以及高溫顆粒過濾器的研究開發(fā),并取得了一定進(jìn)展。本文介紹了加壓灰熔聚流化床粉煤氣化小型試驗以及高溫顆粒移動床過濾除塵的試驗結(jié)果。1加壓灰熔聚流化床試驗裝置及工藝流程1.1試驗裝置及工藝流程加壓灰熔聚流化床粉煤氣化試驗裝置工藝流程如圖1(見第5頁所示,流程包括6部分:備煤、供氣、氣化、除塵、廢熱回收、粗煤氣除塵。加壓氣化爐設(shè)計壓力1.5M Pa(表壓,氣化爐內(nèi)徑為200mm,上部擴(kuò)大段內(nèi)徑為300mm,爐體總高度約4.7m。原煤經(jīng)螺旋給料器進(jìn)入氣化爐,粗煤氣從氣化爐流出后,經(jīng)旋風(fēng)分離器粗除塵后進(jìn)入廢熱回收系統(tǒng),在廢熱鍋

4、爐出口開有側(cè)線煤氣管路,側(cè)線煤氣進(jìn)入錯流式顆粒移動床煤氣精除塵試驗裝置系統(tǒng),進(jìn)行熱煤氣的精除塵試驗。這部分主要包括上、下除塵顆粒料罐、移動床除塵器、下料螺旋絞龍及測量系統(tǒng)等。1.2原料表1是試驗用煤的分析數(shù)據(jù),府谷煤屬于弱粘結(jié)性長焰煤,具有低硫、低灰、低灰熔點(diǎn)的特點(diǎn),灰分中CaO、Fe2O3的含量高,試驗用煤平均粒徑0.558mm。表1府谷煤工業(yè)和元素分析樣品工業(yè)分析M ad A ad V ad元素分析C ad H ad S L.ad O ad N ad府谷煤4.329.2229.3263.524.930.4016.690.92 2試驗結(jié)果與討論在5200mm加壓流化床氣化爐上共進(jìn)行47次試驗

5、,累計約300h,操作壓力0.5M Pa1.43M Pa(表壓,收稿日期:2002206227作者簡介:王洋,男,1940年出生,1962年畢業(yè)于北京石油學(xué)院,現(xiàn)為中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員,博士生導(dǎo)師,國家重大基礎(chǔ)研究項目(973首席科學(xué)家,國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家,山西省潔凈煤技術(shù)專家。主要從事化學(xué)反應(yīng)工程、流化床反應(yīng)器技術(shù)研究,開發(fā)了萘氧化制苯二甲酸酐、丁烯氧化脫氫制丁二烯及灰熔聚流化床煤氣化反應(yīng)器,近年主要從事流化床煤氣化反應(yīng)器的放大、煤氣化技術(shù)在含碳廢棄物處理中的應(yīng)用研究。溫度800980,進(jìn)料量60kg h 168kg h (氣化強(qiáng)度1910kg h m 25347kg

6、h m 2,最高壓力達(dá)到1.43M Pa (表壓,煤氣熱值大于5016kJ Nm 3。由于沒有飛灰返回裝置,碳轉(zhuǎn)化率在70%85% 。1皮帶輸送機(jī);2破碎機(jī);3埋刮板;4篩分機(jī);5回轉(zhuǎn)干燥爐;6埋刮板;7煤倉;8給料器;9斗提機(jī);10煤儲罐;11平衡斗;12進(jìn)料斗;13螺旋進(jìn)料器;14加壓氣化爐;15上灰斗;16下灰斗;17一級旋風(fēng)分離器;18二級旋風(fēng)分離器;19一級飛灰斗;20二級飛灰斗;21廢熱鍋爐;22空氣預(yù)熱器;23水洗塔;24砂子儲罐;25錯流移動床除塵器;26除塵絞龍;27砂子下儲罐;28空氣分氣缸;29蒸汽分氣缸圖15200mm 加壓灰熔聚流化床粉煤氣化工藝流程簡圖2.1壓力對氣

7、化的影響提高壓力,則提高反應(yīng)物的濃度,反應(yīng)速度增加,氣化強(qiáng)度增加。小型加壓流化床氣化爐試驗結(jié)果與理論預(yù)測值基本一致,在相同碳轉(zhuǎn)化率情況下,氣化強(qiáng)度上升,且與壓力的0.70.75次方成正比,見圖2。從煤氣組成上看,甲烷的含量隨壓力增加有所增加(從常壓的<1%提高到2.5%3.0%,因而煤氣的熱值也提高,但煤氣組成、煤氣熱值變化不明顯。氣化壓力增加,氣化反應(yīng)速度增加,在相同進(jìn)料量和反應(yīng)溫度條件下,碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率應(yīng)隨氣化壓力的增加而增加,見圖3(見第6頁。另外,隨著壓力增高,反應(yīng)速度增加,排灰中碳含量明顯下降,碳利用率增加。2.2溫度對氣化的影響溫度對加壓氣化反應(yīng)影響與常壓時相同,唯在小

8、直徑裝置上,因床層高徑比較大,粒子混合較差,床內(nèi)容易結(jié)渣,因而只考察了900970范圍 。圖2氣化強(qiáng)度與壓力的關(guān)系由圖4、圖5(見第6頁可見,隨著溫度升高,碳轉(zhuǎn)化率升高,排灰碳含量下降。2.3加壓氣化裝置的控制及運(yùn)行穩(wěn)定性加壓流化床氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行取決于操作氣速(影響床內(nèi)固體混合程度及空氣 蒸汽的配比。圖6(見第6頁是氣化爐連續(xù)運(yùn)行的典型曲線,試驗進(jìn)行10.5h ,進(jìn)煤1.5h 后氣化爐達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在連續(xù)運(yùn)行過程中,氣化爐壓力、溫度、床內(nèi)存料量、5第22卷第3期王洋,加壓灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù)的研究與開發(fā) 圖3碳轉(zhuǎn)化率、 冷煤氣效率與氣化壓力的關(guān)系圖4 碳轉(zhuǎn)化率與氣化爐床層溫度的關(guān)系圖

9、5 排灰碳含量與氣化爐床層溫度的關(guān)系圖6加壓流化床氣化爐試驗裝置典型運(yùn)行曲線空氣 煤比、蒸汽 煤比、進(jìn)氣量、煤氣產(chǎn)率以及煤氣組成都很穩(wěn)定。由圖中曲線可以看出,整個過程中床溫的波動范圍在30以內(nèi),煤氣各組分組成變化<2%。2.4高溫顆粒移動床除塵裝置試驗結(jié)果顆粒移動床除塵裝置設(shè)計壓力1.5M Pa ,設(shè)計溫度200,濾料厚200mm ,氣體流量120Nm 3 h ,試驗濾料為平均粒徑1.63mm 石英砂。當(dāng)氣化爐達(dá)到預(yù)定壓力穩(wěn)定運(yùn)行,且廢熱鍋爐出口溫度大于260時,開啟熱煤氣側(cè)線閥門,熱煤氣進(jìn)入除塵器,濾層溫度開始升高,當(dāng)進(jìn)口溫度穩(wěn)定后(170230,調(diào)整煤氣流量,進(jìn)行進(jìn)出口粉塵含量測定。

10、粉塵取樣裝置為自制等速取樣器,煤氣減壓后用轉(zhuǎn)子流量計計量,進(jìn)口粉塵收集用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)管(網(wǎng)孔直徑5m ,出口粉塵收集用玻璃纖維無膠濾筒(天津市樂星環(huán)保監(jiān)測儀器廠。在煤氣處理量達(dá)60Nm 3 h 80Nm 3h 、進(jìn)口溫度160220、進(jìn)口壓力1.0M Pa (表壓下,進(jìn)口煤氣粉塵含量平均在3.9g Nm 3,出口凈煤氣粉塵含量<100m g Nm 3,除塵效率>97%,見表2,除塵效率與冷試結(jié)果一致3。出口含塵量較高的原因可歸納為兩點(diǎn):a 過濾介質(zhì)厚度不足,濾料厚度(200mm 根據(jù)常壓冷試結(jié)果設(shè)計,而未考慮加壓工況下進(jìn)口煤氣粉塵濃度的增高;b 進(jìn)口粉塵粒徑小,粉塵粒徑為2.9m

11、4.0m 。表2高溫煤氣除塵數(shù)據(jù)試驗編號煤氣流量 Nm 3h-1砂子流量 kg h-1入口氣溫度 出口氣溫度 入口氣壓力(表 M Pa入口氣粉塵量 g Nm-3出口氣粉塵量 m g Nm-3除塵效率 %壓降kPa332143076.6250.62031191.043.377.5597.5933.0332154075.8625.31811221.048.095.6598.80342114581.7450.62001251.03.249.8098.427.3342124882.4150.62231261.032.723.7399.1212.5342133082.6850.62161271.041.

12、854.0097.0015.96山西化工2002年8月3結(jié)論加壓流化床粉煤氣化試驗表明:(a 在加壓流化床粉煤氣化正常工作條件下,氣化強(qiáng)度與壓力的0.70.75次方成正比(表壓01.4M Pa 。(b 與低壓氣化結(jié)果相比,提高壓力,碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率均有提高,排灰碳含量降低。(c 加壓流化床的平穩(wěn)運(yùn)行要求與常壓時幾乎一樣的床層膨脹比,以保證良好的混合、傳熱,在此條件下,調(diào)整相應(yīng)的進(jìn)煤量和氣化劑量,保持穩(wěn)定的氣化反應(yīng),即可保持氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。(d 氣化府谷煤時,煤氣熱值達(dá)到4598kJ Nm 35434kJ Nm 3,甲烷含量2.5%3.0%。(e 所設(shè)計的高溫顆粒移動床除塵器煤氣處理能力達(dá)

13、到60Nm 3 h 80Nm 3h ,除塵氣速0.1m s 0.2m s ,除塵效率>97%,出口煤氣粉塵含量<100m g Nm 3,還有待進(jìn)一步改進(jìn)。(f 根據(jù)試驗結(jié)果,可預(yù)測52.4m 流化床氣化爐單臺氣化能力達(dá)15000kg h (1.0M Pa 24000kg h (2.0M Pa ,即360t(d 臺570t(d 臺,能滿足大型合成氨廠的需要,并為IGCC 發(fā)展做好基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1沙興中,楊南星.煤的氣化與應(yīng)用.上海:華東理工大學(xué)出版社,1995.Research and D evelopm en t of the Pressur ized A sh Agglom er

14、a ti ng Flu id izedBed Coa l Ga sif ica tion TechnologyW ang Yang(I n stitute of Coa l Che m istry ,Ch i nese Acade m y of Sc iences ,Ta iyuan 030001Abstract :T he gasificati on test of Fugu coal w as carried ou t on a p ressu rized ash agglom erating flu idized bed coal gasifier (0.2m in side diam

15、eter ,1.5M Pa operating p ressu re ,3t 4t coal d .T he effects of p ressu re and temperatu re fo r coal th roughpu t ,carbon conversi on ,carbon con ten t in the ash ,compo siti on of raw gas etc .w ere investigated .A cco rding to the experi m en tal resu lts ,the gasificati on in ten sity p ropo r

16、ti on s to the 0.70.75pow er of operating p ressu re .T he h igh temperatu re moving bed de 2du sting experi m en t has also been done and the techno logy po ssib ility w as testified .Key words :coal gasificati on techno logy ;ash agglom erating ;research(上接第3頁I nvestiga tion of A sh Agglom era ti

17、ng Flu id ized BedCoa l Ga sif ica tion TechnologyW ang L ey i(Cen ter of Shanx i Che m ica l I ndustry I nfor ma tion ,Ta iyuan 030001Abstract :W ith the investigati on of “A sh A gglom erating F lu idized Bed Coal Gasificati on ”techno logy ,the key featu res and advan tages of th is p rocess have been in troduced in th is paper .Som e comparison s w ith si m ilar techno logies have been done and the oppo rtun ity and con test th is techno logy faced w ith has also been described .It w as po in ted ou t that the indu strializati on of th is techno logy w ill be a gre