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(guó)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(yàn)裝置上進(jìn)行了府谷煤的氣化試驗(yàn)。考察了壓力、溫度對(duì)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(shí)進(jìn)行了高溫顆粒移動(dòng)床除塵試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)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(guó)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(duì)象。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(guó)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(guó)科學(xué)院、國(guó)家科技部(原部委和計(jì)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(xiàng)目(常壓,100t (d臺(tái)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(xiàng)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(yàn)以及高溫顆粒移動(dòng)床過濾除塵的試驗(yàn)結(jié)果。1加壓灰熔聚流化床試驗(yàn)裝置及工藝流程1.1試驗(yàn)裝置及工藝流程加壓灰熔聚流化床粉煤氣化試驗(yàn)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(jì)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(cuò)流式顆粒移動(dòng)床煤氣精除塵試驗(yàn)裝置系統(tǒng),進(jìn)行熱煤氣的精除塵試驗(yàn)。這部分主要包括上、下除塵顆粒料罐、移動(dòng)床除塵器、下料螺旋絞龍及測(cè)量系統(tǒng)等。1.2原料表1是試驗(yàn)用煤的分析數(shù)據(jù),府谷煤屬于弱粘結(jié)性長(zhǎng)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(yàn)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在5200mm加壓流化床氣化爐上共進(jìn)行47次試驗(yàn),累計(jì)約300h,操作壓力0.5M Pa1.43M Pa(表壓,收稿日期:2002206227

5、作者簡(jiǎn)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(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員,博士生導(dǎo)師,國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(973首席科學(xué)家,國(guó)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 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

6、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(chǔ)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(jí)旋風(fēng)分離器;18二級(jí)旋風(fēng)分離器;19一級(jí)飛灰斗;20二級(jí)飛灰斗;21廢熱鍋爐;22空氣預(yù)熱器;23水洗塔;24砂子儲(chǔ)罐;25錯(cuò)流移動(dòng)床除塵器;26除塵絞龍;27砂子下儲(chǔ)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(jiǎn)圖2.1壓力對(duì)氣化的影響提高壓力,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(yàn)結(jié)果

7、與理論預(yù)測(cè)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(duì)氣化的影響溫度對(duì)加壓氣化反應(yīng)影響與常壓時(shí)相同,唯在小直徑裝置上,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

8、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(yàn)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(yàn)裝置典型運(yùn)行曲線空氣 煤比、蒸汽

9、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(gè)過程中床溫的波動(dòng)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(dòng)床除塵裝置試驗(yàn)結(jié)果顆粒移動(dòng)床除塵裝置設(shè)計(jì)壓力1.5M Pa ,設(shè)計(jì)溫度200,濾料厚200mm ,氣體流量120Nm 3 h ,試驗(yàn)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(shí),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(cè)定。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(jì)計(jì)量,進(jìn)口粉塵收集用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)管(網(wǎng)孔直

10、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(cè)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(jì),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 4.0m 。表2高溫煤氣除塵數(shù)據(jù)試驗(yàn)編號(hào)煤氣流量 Nm 3h-1砂子流量 kg h-1入口氣溫

11、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kPa82.6850.62161271.041.854.0097.0015.96山西化工2002年8月3結(jié)論加壓流化床粉煤氣化試驗(yàn)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(shí)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)

12、定運(yùn)行。(d 氣化府谷煤時(shí),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(jì)的高溫顆粒移動(dòng)床除塵器煤氣處理能力達(dá)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(yàn)結(jié)果,可預(yù)測(cè)52.4m 流化床氣化爐單臺(tái)氣化能力達(dá)15000kg h (1.0M Pa 24000kg h (2.0M Pa ,即360t(d 臺(tái)570t(d 臺(tái),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)版社,1995.Research

13、and D evelopm en t of the Pressur ized A sh Agglom era 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 era

14、ting flu idized bed coal gasifier (0.2m in side diam 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

15、 tal resu lts ,the gasificati on in ten sity p ropo rti 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

16、;research(上接第3頁I nvestiga tion of A sh Agglom era ti 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

17、 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 great innovati