干煤粉加压气化技术的试验研究

第3期(总第112期)煤化工No.3( Total No.112 )2004年6月Coal Chemical IndustryJun.2004干煤粉加压气化技术的试验研究任永强’许世森2张东亮2夏军仓2朱鸿昌2郜时旺2( 1.西安交通大学,西安710049; 2.国电热工研究院,西安710032 )摘要介绍了投煤量为10kg/n-20kg/h加压气流床气化小型试验工艺条件的选择，并给出采用华亭煤在气化压力1. 5MPa,投干粉煤量15kg/h条件下取得的主要试验数据。试验煤气产率达到1. 94m*/kg,碳转化率96. 9%,冷煤气效率78. 5%,并列出相应的氧煤、汽耗。试验结果基本达到预期目的.积累了干粉煤气流床气化数据,并提出今后中试时值得注意的问题。关键词煤气化气流床ICCC 干法进料文章编号:1005-9598( 2004 )-03-0010-04中图分类号 :T0546.2文献标识码:A究成果，随后在山东黄县化肥厂推广应用(后停用)。引言自80年代以来,干煤粉加压气化工艺几乎停滞不前。到了90年代后期,随着IGCC等洁净煤发电技术煤气化技术是燃煤联合循环发电、煤化工、煤制的推广应用,国电热工研究院建立了国内第一套干煤油过程中的核心技术。煤气化方式可分固定床、流化粉加压气化小型试验装置并进行了试验研究。该装置床和气流床三种”"。其中干煤粉加压氧气气化(气流的气化能力为10kg/h ~20kg/h煤粉,压力为0. 5MPa~床)工艺具有煤种的适应性广、污染低、冷煤气效率及3.0MPa。研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉气碳转化率高等优点,适宜于开发单炉容量大的气化炉化状态下的气化数据库,形成- -套干煤粉加压气化评等特点田) ,代表了今后煤气化工艺技术的发展方向。价方法,并在此基础上提出中试装置的技术设计。干法进料加压粉煤气化工艺的前身是常压K-T炉,起源于德国Koppers公司( 1938年)。K-T炉最大1干粉加压气化试验流程单炉投煤量为500t/d, 主要用于生产合成氨,曾一度干粉加压气化试验装置的工艺流程如图1所示。占国外煤基氨厂总产量90%以上。但由于碳转化率、冷煤气效率均较低,氧、煤消耗较高,常压K-T炉逐步被加压操作的干粉炉所取代。20世纪70年代后期,相继开发的干煤粉加压气化炉型有Shell Koppers(原0.西德、荷兰合作)、Shel1/SCGP(荷兰)、Prenflo( 原化学软水西德)和GSP(原东德)。目前,Shel1和Prenflo气化9σ炉的单炉出力都达到了2 000t/d~2 500t/d等级5。取样口去火炬我国自20世纪60年代起就开展K-T炉的研究，1980年~1982年西北化工研究院进行过常压粉煤气化(仿K-T炉,1t/d)的试验研究,取得一些煤种的研自来本注:①“十五"国家高技术研究发展计划( 863计划)资助造水课题(课题编号:2003AA522030)。1-煤粉仓2-变压仓 3- 加压仓4- 螺旋输送机收稿日期:2004-03-015-氧气缓冲罐6- 计量泵7- 蒸汽发生器作者简介:任永强,男.1974年生,1997年毕业于北京科技8-氮气缓冲罐1 9- 氮气缓冲罐2 10- 电动往复泵大学，现为西安交通大学在职博士，主要研究气、固两相11-喷嘴12-气化炉 13-气液分离器 14-焦炭过滤器流煤气化和煤气净化技术。图1干煤粉加 压气化试验流程示意图2004年6月任永强等:干煤粉加压气化技术的试验研究- 11-含水质量分数<1%、有85%的细度<200目的粉煤另- -关键设备为燃烧器,是将煤粉(由N2夹带)、储于常压煤粉仓,靠重力落入变压煤仓,变压仓用N202和水蒸气混合均匀并喷人气化炉的关键设备,其设充压，充到与加压仓压力相等或略大时,粉煤落人加计加工水平直接影响气化指标。本试验采用两流式压仓,用螺旋加料机定量送出,被N2吹送人气化炉。气流喷嘴，如图3所示。向火面水夹套端部材料选用试验用O2经缓冲罐稳压后送往燃烧器外套管。化学Incone 1 600。由于煤粉以分散颗粒形态出现,不需像软水经计量泵升压，在电加热器内蒸发成过热蒸汽，重油和水煤浆那样要进行雾化，但从燃烧角度考虑，与氧气混合后进人燃烧器外套管。粉煤、氧气、水蒸气必须保证粉煤和气化剂混合良好,本设计气化剂喷出在燃烧器出口处着火并进行气流式火焰反应,生成以速度约20m/s ,煤粉(由N2夹带)流出速度为8m/s,热Co和H2为主的粗合成气。气化炉排出的高温气体和态试验表明,选用这种设计参数是合理的。熔渣在气化炉内从上向下进人激冷室,被激冷环喷出1的激冷水激冷后,熔渣迅速固化,工艺气被水饱和并由位于激冷室上部的煤气口引出，送往煤气净化系统;因为煤气中含有飞灰,经气液分离器用水进-步润湿洗涤,除尘、分离,除去残余的飞灰后将湿煤气分离出来，再经焦炭过滤器千燥、过滤,根据需要送到取样口或排放大气。在激冷室生成的灰渣留在水池中，定期排出炉外;黑水通过液位控制器自动排出界外。自来水用高压水泵升压后送往气化炉急冷室。在干煤粉加压气化试验装置中,气化炉是一关键设备,其结构如图2所示。气化炉是内衬耐火材料的压力容器。它有一个钢制承压外壳，上部为燃烧室,炉内衬四层耐火材料。这1-煤粉(由N夹带)人口2- 氧气和水蒸气人口些耐火材料,用以保护气化炉壳体不受燃烧高温反应3-冷却水入口4- 冷却水出口的影响，向火面耐火材料- -般选用高铬材料,以适应图3燃烧器结构示意圄工艺过程对耐火材料的苛刻要求。燃烧室直接与激冷室相连,激冷环置于燃烧室下部，激冷水从激冷环喷2气化试验研究出，既激冷了高温介质，也保护了金属部件。激冷室下部为水浴，从燃烧室出来的煤气夹带熔渣经过激冷2.1 试验方法环，被喷出的激冷水淬冷,熔渣凝结成固态渣,沉积在气化炉先用硅碳棒升温并恒温到1 000C，取出水池中。煤气通过激冷水室,由导气管通往煤气出口。:硅碳棒装上喷嘴。然后送人由氮气夹带的煤粉,1秒~2秒后送人氧气。在着火后送水蒸气。半小时后炉子升压至试验压力。稳定操作中采集数据(气相)、黑水。停炉后称重渣料,测定含碳量。2.2气化试验 原始参数2.2.1气化压力的选定 气化压 力选定为0. 5MPa~2. 0MPa,从中选择几个最有代表性的点。压力测点设在气液分离器顶部，该处离反应区最近,最具有代表性(气化反应区不能直接测压)。2.2.2煤质分析 本装置第-一个试验煤种为甘肃华亭煤，它具有灰熔融性温度低、灰粘度低、灰分低、挥发分高等优点.是气流床气化的理想煤种。华亭煤煤质指标如表1所示。1-急冷水入口2- 煤气和污水出口由于干煤粉气流床加压气化采用液态排渣技术，3-喷嘴入口4-气化区 5- 水浴为使炉渣顺利排出,要求灰渣的粘度小于250Pa.s。华圈2气化炉结构示意图- 12-煤化工2004年第3期表1华亭煤煤质指标项目指标项目M5. 74Cea63. 68低位发热量Qcs/MJ.kgt25. 37工业分析元素分析/910. 69/%Hat4. 28高位发热量Qrs/MJ.kg'26.5229. 14No0.70灰熔融性温度/9C:FC。54. 530od14. 39.D1 190Stma0. 52ST1 270F71 310亭煤的灰粘度-温度特性曲线如图4所示。在灰粘度为250Pa.s时,其对应温度为1 310C。10 0001 0001000主100011001 2001 3001 400150016001 700温度/C團4煤灰粘度-温 度特性曲线圄2.3气化工艺 条件选择在试验中控制汽煤比为0.3:1(质量比)左右。在气2.3.1煤粉物性要求 为保证煤粉输送顺利， 必须化别的煤种时,如为低挥发分烟煤或褐煤时将相应调保证煤粉的湿度和粒度在一-定的范围内。本试验中要节这个比例。如为褐煤，将降低汽煤比;如为低挥发分求煤粉含水质量百分数小于2%,要求粒度<100目、粒烟煤将适当提高汽煤比。度<200目的占85%并且其中粒度<325目的占70%。2.3.4人炉煤量 综合供氧能力、 气化炉容积等因2.3.2炉温为保证气化炉顺利排 渣和求取较好的素,气化炉设计投煤量为10kg/h-20kg/h。气化指标，气化炉应在高于灰熔融性温度下操作。根据夹带粉煤的氮气不宜过高,根据前述冷态输煤试国内外气流床气化操作经验，炉内温度应比灰渣流动验结果,每m2氮气夹带粉煤8kg-10kg，这与国外大型温度(FT)高出80C~100C，或者控制熔渣粘度在250装置的15kg/m3还有较大差距，这是由试验规模太小Pa.s以下,根据图4粘温曲线和灰熔融性温度数据,华所决定的。亭煤的热态试验的操作温度控制在1 350C-1 400C。2.4数据采集及处理几次热态试验表明，在该炉温下操作可达到顺利排渣2.4.1数据采集和较为理想的气化指标。在投煤量、汽煤比基本不变2.4.1.1气相粉煤气化的特点是气流床瞬间反的情况下,调节人炉氧量来控制炉温。应,一般当点火1小时后数据就趋稳定,试验中用气2.3.3蒸汽煤比 华亭煤是典型的烟煤 (长焰煤),相色谱定期分析气体成分( C02,02、CO H2.CH4、N2),2004年6月任永强等:干煤粉加压气化技术的试验研究- 13-H2S和COS未作分析。2.4.1.2渣样停车后称重,测定含水量.渣中含碳3结果与讨论量,从而求得炉底渣中含碳量(或称碳损失)。2.4.1.3污水样在运行中测量污水流量， 取污水经过3年工作,干煤粉加压气化试验已基本达到样,停车后测定污水含尘(飞灰)量,飞灰含碳量,计了预期目标。工作中一些体会如下,供大家讨论。算出污水中碳损失。3.1 干煤粉加压小试气化试验中，输煤系统是关键。2.4.2数据处理要注意煤粉的湿度,如果湿度较大，则容易发生架桥2.4.2.1煤气流量计因设计参数不准， 加上流量太现象，从而发生断煤。同时要注意煤粉的粒度问题，由小，引压管堵塞等问题,流量指示明显不准,本试验采于输送管较细,粒度过粗,则容易发生堵塞现象。如果用碳损失法间接计算煤气流量。是中试则可能不会发生输送管堵塞问题。2.4.2.2碳转化率根据碳损失计算:3.2由于该气化系统气化能力较小， 导致- +些问题碳转化率(%)=无法解决。气化炉较小,热损失较大,所以气化指标不人炉碳二渣中碳二污水中碳x100%。是很理想。另外由于管道较细,所以一些流量计计量人炉碳2.4.2.3煤气量根据碳转化率和煤气含碳组分(CO2 +不是很准，只能靠经验和理论计算来估算。在中试试验中,这些问题都可以解决。C0+ CH, + COS )计算而得:3.3加压下螺旋输送器性能也有问题，特别是当粉碳转化率x人炉碳(kg)=煤气量(CO2 +C0+煤含水量稍高,螺旋计量误差较大,导致试验数据波CH,+COS)x.4。动。建议中试取消这一-设 备,采用流态化(控制压差)COS因其量很少( 10*级)，对试验数据影响较小，式中忽略不计。3.4 小试热损失大,试验时间又短(仅几小时),采2.5主要试验数据(气化压力 15MPa,投煤t 15kg/h)用热壁结构,中试应改为全水冷壁。煤气成分(体积分数):CO26.2%, CO 55. 1%,CH, 0.1%, N2 6.1%;参考文献:煤气产率:1.94m/kg(干煤);[1]吴宗鑫,陈文颖.以煤为主多元化的清洁能源战略[M].碳转化率:96.9%;北京:清华大学出版社, 2001.90- 101.冷煤气效率( LHV ):78.5%; .[2] 焦树建.整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电( ICCC)比氧耗:312m*/1 000m2( CO+H2);[M]. 北京:中国电力出版社，196. 128.比煤耗: 567kg/1 000m2( C0+H2);[3]张东亮，许世森.煤气化技术的发展及在1GCC中的应比汽耗: 170kg/1 000m2( CO+H2)。用[J].煤化T, 2001, 29(1):10-12.Test and Studies on Pressure Coal Gasification with Dry-feedRen Yongqiang' Xu Shisen2 Zhang Dongliang2 Xia Juncang2Zhu Hongchang2 Gao Shiwang2(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;2.Thermal Power Research Institute of SPC, Xian 710032)Abstract This paper introduces the choices of trial test conditions for 10kg/h~20 kg/h pressurized entrained flowcoal gasifier, and shows the main test data with the operating pressure of 1.5 MPa and a feed of 15kg/h of pulverized drycoal. The test resul shows that the coal gas productivity is 1.94 m/kg，the carbon conversion 96.9%，and the cold gasefficiency up to 78.5%。Besides, corresponding consumption of oxygen, coal and steam is listed. This result meets the an-ticipated target and adds up to the entrained flow pulverized dry-feed coal gasifcation data. Furthermore, some noticeableproblems for foreseeable pilot test are put fonward.Key words coal gasification, entrained flow, IGCC, dry-feed