PRENFLO煤气化工艺的开发和应用

第43卷第3期化肥设计June. 20052005 年6月Chemical Fertilizer Design●3●专题综论PRENFLO煤气化工艺的开发和应用郑振安(中国五环化学工程公司，湖北武汉430079)摘要:介绍了Prenflo煤气化工艺的开发过程，论述了Prenflo中试装置的工艺流程、气化煤种和试验结果;以西班牙Purtollano IGCC电站投煤量为2 600 t/d的Prenflo煤气化装置为例,总结了Prenflo 气化工艺自1988年迄今的商业化运行情况;从气化炉结构、煤气流动方向、氧气纯度和原料粉堞细度等方面对Prenflo和Shell 2种煤气化工艺进行了区别和对比。关键词: Prenflo煤气化工艺;试验;应用; ICCC; Shel煤气化工艺;区别中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1004 - 8901(2005)03 - 0003 - 05Development and Application for PRENFLO Coal Gasification ProcessZHENG Zhen-an .(China Wuhuan Chenical Enginering Corporation, Wuhan 430079 China)Abstract: Developmental process of Prenflo coal gasification process was introduced, the process flow of the Prenflo pilot test plant, coal kinds ofgaification and test result were discussed; taking the Pren0lo coal gasification plant with a consumned coal capacity of 2600 t/d in Spain PurtollandIGCC power station as an example, the commercial operation situation of the Prenflo coal gaifiction procss was sumaried since 1988 up to now;distinguishing and comparing for two kinds of Prenflo/Shell coal gasification processes were made from aspects of gasifier structure, coal gas flowdirection, oxygen purity and thick lager pulverized coal granularity etc.Key words: Prenflo coal gasification process; test; aplication; IGCC; Shell c∞al gasification process; distinguishing联合开发Prenflo 气化工艺, 1978~1981年, 在德1 PRENFLO 煤气化工艺的开发历程国汉堡建造投煤量为150 t/d的煤气化中试厂,并目前世界上先进的洁净煤气化工艺首推Texa-进行了大量的研究开发工作。在此基础上，1985co、Destec、 Shell 和Prenflo。这4种煤气化工艺的年克虏伯-考伯斯(Krupp-Koppers)公司在德国单台气化炉投煤量都达到了2 000~2 500 t/d等Firstenhausen建造了Prenlo煤气化工艺示范厂，级，都进行了250~300MW等级的整体化联合循由德国研究与技术部(BMFT)和欧共体(CEC)资环发电(IGCC)示范，气化炉都采用加压纯氧(体积助。1986 年该厂开始运行，投煤量为48 t/d,气化分数为95% )气流床气化工艺。4种煤气化工艺的炉操作压力为2.8~3.0 MPa。Shell 公司也在汉堡进料方式分为两大流派，即美国的水煤浆气化工艺中试的基础上，于1987年在美国休斯敦建造投煤(Texaco与Destec)和欧洲的干粉煤气化工艺(Shell量为250~ 400 t/d的工业化示范装置一壳牌煤与Prenflo)。气化工艺(SCGP-1)。因此，可以说Prenflo煤气Prenlo煤气化工艺起源于考伯斯-托茨克化工艺是Shell煤气化工艺的姊妹技术。(Koppers - Totzek)气化方法。Koppers - Totzek(简1992年Krupp - Koppers公司为西班牙Puer-称K-T炉)气化工艺是常压下的气流床气化，于tollano IGCC电站设计建造气化岛，采用Prenflo煤1941年开发，1950 年建立了第1台煤气化K- T气化工中国煤化工600 t/d,电站的炉，1974年建成的日产1000tNH3的煤气化合成净功率(LHV)。 该电站出CNMH G氨厂“采用了K-T工艺。1973 年在K - T工艺的基已于1921 rx心, 1yy0 十日币煤气发电。础.上开发了加压气流床气化工艺,并命名为Prenflo作者简介:郑振安(1939年-),男，福建厦门人, 1962 年毕业于华( Pressure Entrained Flow Gasification 的缩写)。.东化工学院，教授级高级工程师,副总工程师，现任公司总经理高1974年，考伯斯'Koppers)公司和壳牌(Shell)公司级顾问，长期从事化工工程的设计、开发和研究工作。●4●化肥设计2005年第43卷一起离开气化炉， 在进入煤气冷却器以前采用被净2 PRENFLO 中试装置化冷却后的粗煤气在气化炉顶部出口激冷高温粗煤2.1 工艺流程气的方法，将带出的熔融飞灰固化。激冷气压缩机Prenflo中试装置的工艺流程见图1,装置额定(10)用于提升净化冷却后粗煤气的压力。投煤量为48 t/d,气化炉操作压力为3.0 MPao被激冷的煤气_上升进人煤气冷却器回收热量产粉煤从贮仓(1)用低压氮气气动输送,经粉煤生高压饱和蒸汽,然后送人旋风分离器(11)将绝大泵(2)送至2台粉煤旋风过滤器(3)。全自动的锁斗部分飞灰分离下来。分离后的飞灰排入集灰罐(12)系统将粉煤从排放仓(4)直接送人进料仓(5),然后和灰锁斗(13)。用氮气将飞灰气动输送到灰过滤器用中压氮气以密相流动方式将粉煤吹人Prenlo气(14)和灰贮仓(15)。最后,粗煤气在两级文丘里洗化炉(6)的烧嘴，氧气和蒸汽也同时进人煤烧嘴。涤器(16)和洗涤塔(17)进一步净化和冷却。 洗涤塔气化炉内设置了强制循环系统的水冷壁内衬，循环出 口的粗煤气经粗煤气冷却器(18)用空气冷却,在水在吸收反应热的同时产生5.2 MPa压力的蒸汽。分离器(19)脱除水滴后送出界区。,该水/蒸汽系统与煤气冷却器(7)的蒸汽循环相连粗煤气的湿法净化采用洗涤水，用不同的泵将接。在煤气冷却器的过热段将2个系统产生的蒸汽洗涤水循环至各段洗涤器。将第- -级文 丘里洗涤器过热到约500 C。分离器(20)的灰浆水排入灰浆收集罐(21),并用灰气化过程生成的液态熔融渣在气化炉底部的渣浆泵(22)送人灰浆过滤器(23)脱除水,滤饼被收集池内被水淬冷后排人集渣罐(8),其中大块渣被安在贮槽。装在集渣罐内的破渣机破碎。颗粒状的渣经锁斗送出气化界区的粗煤气在现有的脱硫装置脱(9)排人渣槽。煤中剩余灰分形成的飞灰随粗煤气硫,产品煤气在炼焦厂用作燃料气。锅炉给水粉煤Lo0LP-N, .粗煤气。豆一3)[上20居”HP-N,iJ1304凸-LLP-N:飞灰滤饼图1 PRENFLO 中试装置流程图1-贮仓; 2-粉煤泵; 3-粉煤旋风过滤器;4-排放仓; 5-进料仓;6-气化炉; 7-煤气冷却器; 8-集渣罐; 9-锁斗; 10 -激冷气压缩机;11-旋风分离器; 12-集灰罐; 13-灰锁斗; 14- -灰过滤器: 15-灰贮仓; 16- -文丘里洗涤器; 17- 诜涤塔; 18-粗煤气冷却器; 19- 分离器; 20--第- -级文丘里洗涤器; 21-灰浆收集罐; 22-一灰浆过滤器2.2试验结果和含灰分40%的Ruhr煤1988年中试装置开始运行，不同煤种的气化气化含高灰分的煤种可以考验除尘系统和排灰特性比较见表1。操作的主要目的是研究氧/煤比、系统在满负荷时的能力，试验证明Prenflo 气化炉添加蒸汽量、氧气纯度以及设计的烧嘴结构对碳转可以” 中国煤化i直过试验可以得到气化率和冷煤气效率的影响。收集了超过6200 h的化炉H系，低灰煤(8%~试验操作数据，试验结果分析如下。10%CNM HG,高灰煤的(30%~(1)冷煤气效率达到80% ~83%，气化炉的总40%灰)为75% ~85%。效率达到95%。(3)气化含高氯组分的煤一德国 Ensdorf煤(2)气化含高灰分的煤一-Gottelborm 混合煤由于气化后氯化物在温度降低时易发生冷凝,第3期郑振安PRENFLO 煤气化工艺的开发和应用表1PRENFLO中试装气化煤种表2 Pittsburgh No.8 煤在中试装置t气化结果煤种CortelbronColonbiaCotelbonEnsbed PlstugO2 95%O 85%Mixed CoelNo.8_煤气组成(干基)，V/%元素分析，w/%0O23.383.73C76.275.0064.6575.9077.1o62.3459.594.75.004.19.105.th27.6526.00S(可燃的).00.841.60.002.4CH0.01N1.21.20.801.H2S+ cs0.7208.010.227.247.7Nh+ Ar5. 9049.951CI0.040.10 0.350.1100.00灰8.87.7021.028. 108.煤气热值HHV(干基)MJ.m-311.59511. 040硫, w/%煤气压力(wa)MPa0.992.35蒸汽消耗(waf)Akg. kg~ I0.11S(不可燃的) 0. 120.160.20.15(CO+ H2)/煤(waf)/m2.kg-12. 132.08S总1.111.001.262.50蒸汽产量(4.6 MPa, 305 C)/煤2.24挥发分，tw/% 36.836.536.038.1碳转化率/%99.499.0HHV热值30.9430.5424.8730.7931.88η=煤气的化学能量/%78.9077. s四煤的化学能量MI.kg-+灰熔点煤气的化学能量+蒸汽的热焰/995.2四95.0∞软化温度/C 1 1751 1501 1851 145注:①输送的气体为氮气;②基于HHV热值。半球温度/心1 3051 2751 3301 2901 230流动温度心1 4101 3651 3851 3151 295km,该电站于1992年开始建设,气化岛由德国克有可能堵塞煤气冷却器,试验考验了煤气冷却器及虏伯-伍德(Krupp-Uhde)公司负责工艺设计,包括清灰装置的承受能力,结果表明,煤气冷却器出口Prenflo 气化炉、煤气净化脱硫以及煤粉制备等(气的煤气温度稳定在300 C左右,确认了煤气冷却器化炉由德国Steinmille公司制造)。动力岛由德国西门子(Siemens)公司负责,采用Siemens V94.3型及清灰装置的设计。燃机，出力为200 MW,汽机出力为135 MW,总出(4)气化年轻的煤一Colombia 煤在严格操作条件下对进料系统进行试验，结果力为335MW,净出力为330MW。余热锅炉由西表明，含水分约5%的粉煤成功计量并进人气化炉。班牙BBE公司制造,采用双轴布置方案。空分岛(5)气化高煤化度(含高碳及低氧)的煤一美由法国Air Liguide公司提供。全厂DCS 控制系统由Siemens公司负责。IGCC 电站系统流程见图2。国Pittsburgh No.8煤电(现场用)电分别使用纯度为95%和85%的氧气进行气化，结果证明:纯度为85%的氧气作为气化剂时，其煤发中1-0气热值、碳转化率、冷煤气效率、总效率略低于纯氽热锅炉燕汽透平度为95%的氧气。这是因为需要加热增加的惰性锅炉给水氮气量而多消耗- -些能量的缘故,但空分系统耗功蒸汽水处理」明显减少。试验结果见表2。原水(6)材料试验包括大量不同材质的试验,为气原煤粉煤制备一PENLIOL 「脱硫au硫磺_化炉的设计提供了依据。渣/滤供(7)负荷变化试验表明，Prenflo 气化炉中试可达到每分钟2%~15%，而煤气中的CO2和煤气的圉2 Perollano IGOC电站系统流程图压力几乎不变。参与试验的烧嘴有4个,当50%负3.1 投煤量2 600 t/d的Prenflo煤气化装置荷时，只用2个烧嘴就可以很容易地操作。工艺流程见图3。(8)对喷射型和喷嘴混合型2种烧嘴进行了试3.1.1中国煤化工验，结果表明，前者的碳转化率比后者低1. 5%,YHCNMHGF燥系统,在磨煤其原因是由于气化剂和粉煤混合程度不同的影响。的同时将煤中的水分去除，粉煤被送人图3中(1)所示的旋风分离器和粉煤仓中，在此之前，系统都3 PRENFLO 煤气化工艺的应用在常压下进行。制粉系统要求:烟煤的粉煤细度西班秀的Oerollano IGCC电站距马德里约260R10o为25%，含水量的质量分数<2% ;褐煤的粉煤●6●化肥设计2005年第43卷细度R10o为25%，含水量的质量分数<6%。炉底部排渣口。被激冷的煤气继续上升进入第一级锅炉______ r---.-...-....煤气冷却器,煤气先从冷却器的中心圆筒上升至气化炉顶部,然后折转向下,经中心圆筒与炉壁间的粉煤013环形对流冷却区域从第-级冷却器的底部(即气化59炉的腰部)离开进人第二级煤气冷却器。第-级冷Q3Q10却器的环形冷却区有4层螺旋管换热器，热煤气在0_01112粗煤气管外流动,水在管内流动,并产生高压饱和蒸汽。第二级冷却器的内部也设置了多层的螺旋盘管洗涤水06查换热管束。Puertollano IGCC电站中的Prenflo第二图3 Prenflo 煤气化工艺流程图级煤气冷却器螺旋盘管共6层,上下共分3组。热1-旋风过滤器;2-锁斗;3- -进料仓;4- -PRENFLO气化炉;5- -破煤气经过第二级冷却器后一般被冷 却至约250 C。渣机/集流罐; 6-渣锁斗;7-媒气冷却器; 8-蒸汽汽包;9一过滤如图5所示, Puertollano电站的Prenflo气化炉器;10-飞灰锁斗; 11-飞灰贮仓; 12-洗涤塔; 13一激冷气压缩机外径约5.6 m,气化区的内径约3.82 m,第一级冷在常压的粉煤仓下有1个锁斗,用于将粉煤由却器外径约5.1 m,中心圆筒的内径约1.9m。气常压仓向加压的进料仓输送。加压锁斗及加压进料化炉和第- -级冷却器连成- -体,气化段高度约20仓的控制要求严格,务必使粉煤连续均匀地由常压m,气化炉总高约52 m,顶部标高约78 m。第二级仓到加压锁斗再到进料仓。在进料仓中充人高压氮煤气冷却器外径约4 m,总高约44. 32 m,其顶部气,利用高压氮气将进料仓中的粉煤以高浓度输送安装标高为50.32m。气化炉和冷却器都是德国比送人气化炉的烧嘴。Steinmiller 公司制造的。↓78.00m3.1.2气化炉和煤气冷 却器如图4所示, Prenflo 煤气化炉有4个烧嘴,对φ5100、称布置,从进料系统送来的粉煤与氧气(体积分数φ 1900上50.32 a为85%)和水蒸气一起喷人气化炉反应区进行反中5600、+46. 00 nr中4000应,反应区温度约1 500 C,焰心温度高达2000φ 3820-~y6C。因而，煤气中不含C1以上烃类、焦油和酚。反应区的炉衬通过水冷壁进行冷却,同时产生高压上26.00眼，饱和蒸汽,它与余热锅炉的高压蒸汽相连。-↓6.0且图5西班牙 Puertollano IGCC电站Prenflo气化炉结构尺寸1一喷嘴; 2-气化炉反应室; 3-中心圆简; 4- -冷却盘管; 5-粗煤煤气冷却器-气导管; 6-对流冷却器; 7-冷煤气出口3.1.3除尘和~ 飞灰再循环系统PRENFLO气化炉-粗煤气出口回收热量后夹带飞灰的粗煤气进入煤气处理系烧嘴'统先经过干式除尘器(旋风分离器或陶瓷过滤器)，使大部分飞灰从煤气中分离下来，飞灰经锁斗系统排渣口用氮气送回气化炉，以提高碳转化率,气化炉无飞图4 Prenflo 煤气化炉结构示意灰排出，只有玻璃状的粒化渣。经过干式除尘的煤从气化炉反应区排出的液态渣在底部渣池的水气大部分进入水洗涤塔, - -小部分用循环压缩机加中被淬冷成玻璃状渣粒并导人集渣罐,大块渣被破压后送至气化炉澌冷执煤气。经水 洗涤塔除尘后的渣机破碎,渣粒经锁斗排出,脱水分离后的渣被送粗煤中国煤化工ng/m,然后进入后人渣场或销售,水可以循环使用。续脱| YHC N M H G直经过滤压成灰饼。粗煤气在气化炉下部的反应区内形成后向上流3.2 运行情况动，在进入气化炉上部的煤气冷却器之前,通过采1992年, Prenflo 煤气化装置开始工程设计和用干法除尘后的冷煤气对高温煤气进行激冷，目的定货, 1994 年4月动工, 1996 年底完成建造和安是追使亮漫攥气夹带的熔融态飞灰凝固而落人气化装，1996年下半年到1997年上半年完成调试工作，第3期郑振安PRENFLO 煤气化工艺的开发和应用●7.1997年12月气化炉首次点火启动，1998年3月开统几乎是相同的;气化炉和煤气冷却器均采用水冷始燃烧煤气的运行。在1999年8月，该装置成功壁 和螺旋盘管换热器的结构。2种工艺的主要区别地进行了首次燃烧煤气发电的连续100 h运行。从初步分析如下:1996年7月到2001年4月电站已经累计运行了2100(1)气化炉的反应区二者几乎没有区别，但在h,燃烧煤气累计运行已达6000 h。气化炉最大负煤气冷 却器的结构上差别较大。Prenflo 气化炉的荷达到设计值的106%，燃气轮机最大输出功率为热煤气先在第- -级冷 却器中的中心圆简内上升,有197. 6 MW。燃烧煤气最大可用率已超过90%。利于熔融态灰渣的凝固和降落，有利于熔渣在中心在2000年2~3月进行了4种不同煤/石油焦垂直圆壁上顺利流下。这种结构延长了煤气在高温混合比燃料的试验，旨在验证气化过程的灵活性。区的停 留时间,对提高产渣率和碳转化率有利,但这期间总的运行时间超过525 h,并对试验结果进气化炉 内的换热面较多,气化炉的直径比Shell的行了分析,其中碳转化率为98. 4%~99.7%，全厂大， 且气化炉的阻力降增加。毛效率47. 12%，净效率达到42. 5%。(2) Shell气化工艺产生的煤气向上流动，被激50%煤和50%石油焦混烧时的试验数据见表冷后经中心垂直的激冷段和45°输气管连接独立的3。试验表明，实际运行数据与设计值相当接近。合成气冷却器，热煤气中熔融态飞灰凝固后也同样表350%煤和 50%石油焦混烧时的试验数据顺利降落到气化炉底部渣池，水冷壁结构相对简项设计值实际值单,气体流动不变向,阻力降相对较小。Prenflo 气原料性质C, w/%61.763.0化工艺产生的煤气先向上经中心圆简,再折返向下H, w/%2.9经4层螺旋管换热器冷却后出气化炉(煤气出口在.N, w/%.41.2气化炉腰部),再经水平输气管连接独立的煤气冷O, w/%3.5S,w/%3.33.4却器。Prenflo 的第二级冷却器和Shell的合成气冷灰分，w/%25.226.却器结构相似，但Prenflo 的第一级冷却器结构较水分，w/%2.00.6复杂。挥发分，w/%18.419.1 .(3) Prenflo 工艺采用85%纯度的氧气作为气Q;rv/MJ.kg~24.024.7煤气成分002, p/%3.91.9化剂，虽然其煤气热值、碳转化率、冷煤气效率、00, p/%60.560.0总效率略低于95 %纯度的氧气,但可减小空分系统H, q/%22.122.3的功耗。Shell 工艺的氧气纯度为95%，可保持气N2+Ar, p/%13.515.8化炉设备的紧凑性。H2S+COS, φ/%(4) Prenflo工艺对原料粉煤细度要求R1oo质量3.3运行 中出现的的问题及解决办法分数为25% (对烟煤),而Shell 工艺要求Rgo≤(1)压力供料锁斗粉煤下落不畅10%。这说明两种工艺对磨煤以及粉煤输送系统有问题产生的原因:在两级锁斗间有1根N2回不同要求，主要体现在磨煤系统功率消耗和对输送流管,由于管径设计得太小，导致N2流动阻力大,介质高压N2的流量与速度要求的差别。排气不畅而使粉煤下落不连续。解决办法是在回流5结语管上增加1个文丘里N2抽气器,以提高N2的回流速度,从而使排气畅通，粉煤下落连续而均匀。(1) Prenflo煤气化工艺从开发到商业化应用是(2)黑水处理系统的细渣过滤问题成功的，其工艺机理及过程和Shell 煤气化工艺十对于黑水细渣太多导致黑水系统出现磨损堵塞分相似。据有关资料报道，该工艺的主要技术经济的问题，解决办法是采取过滤措施,将黑水中的细指标具备与Shell工艺进行竞争的能力。渣脱除。(2)我国自上世纪80年代初引进Texaco煤气4 Prenflo 和Shell煤气化工艺的主要区别化工艺中国煤化工气化工艺，对今后我国应YHCNMHG具有重要意义。由Prenflo 和Shell两种煤气化工艺都是采用干粉于我国地域辽阔以及煤资源的多样性,需要对各种煤进料方式,工艺过程基于加压纯氧气流床反应机先进的洁净煤气化工艺进行研究和认识,因此,关理。工艺流程中的磨煤与干燥、粉煤加压与进料、注Prenflo煤气化工艺的发展是必要的。气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系收稿日期: 2005-02 -29