剑三特效外观2017:碎煤加压固定床气化技术进展,中国造气网,煤气化,造气,固定层,水煤浆,粉煤气化,富氧气化,...

1 碎煤加压固定床气化技术发展历程    碎煤加压固定床气化技术最早为德国鲁奇(Lurgi)公司开发，鲁奇气化炉由此得名。鲁奇炉的改进是鲁奇气化技术发展的核心，主要经历了三个阶段。第一阶段(1930年～1954年)，第一代气化炉直径2.6 m，主要用于生产城市煤气，气化炉的结构特点是有内衬和边置灰斗，不设膨胀冷凝器，气化剂通过炉篦的主动轴送入，该炉型只能气化非黏结性煤，且气化强度较低，产气量5000 m³／h·台～8000 m³／h·台，我国云南解放军化肥厂引进的就是第一代鲁奇炉。第二阶段(1954年～1969年)，第二代鲁奇炉扩大了用煤范围，可气化弱黏结性烟煤，取消了内衬，改进了布气方式和增加了破黏装置，边置灰斗调为中置灰斗，气化炉直径扩大到2.8 m、3.7 m两种，单炉生产能力得到提高，产气量分别达14000 m³／h·台～17000 m³／h·台、32000 m³／h·台～45000 m³／h·台。第三阶段(1969年至今)，为了进一步扩大用煤范围，使之达到气化一般黏结性煤的目的，推出了Mark-Ⅳ型气化炉，改进了布煤器和破黏装置，可气化除焦煤外的所有煤种，气化强度进一步得到提高，气化炉直径3.8 m，产气量35000 m³／h·台～65000 m³／h·台，我国原山西化肥厂和义马煤气厂引进的均为第三代Mark-Ⅳ型鲁奇炉。此后，南非萨索尔(Sasol)在1980年开发了Mark-Ⅴ型气化炉，气化炉内径4.7 m，产气量达10万m³／h·台。液态排渣的BGL气化技术也是Lurgi气化炉的升级版，BGL在气化强度、煤气组成、煤气水产率方面均有很大的提高和改善。2  碎煤加压固定床气化技术工艺流程及特点典型的碎煤加压固定床气化技术工艺流程见图1。     5 mm～50 mm块煤经煤溜槽加入气化炉上部煤锁，煤锁充压至与气化炉压力相同时，打开煤锁下阀，煤靠重力加入气化炉。过热的水蒸气和氧气在混合器混合后，从气化炉底部经炉篦进入气化炉，在约3.0 MPa、1000 ℃的条件下，与煤发生气化反应，生成以CO、H₂、CO₂、CH₄为主要成分的煤气。从气化炉出来的粗煤气，根据煤种不同，温度在220 ℃～600 ℃，经喷冷器后温度降至200 ℃左右，进入废锅回收余热，温度降至180 ℃，粗煤气经气液分离后进入下游工序。废热锅炉可产生0.5 MPa～0.6 MPa的低压蒸汽。从喷冷器洗涤下来的含焦油和尘的煤气水随煤气一起进入废热锅炉底部的分离器，初步分离油水。一部分含尘煤气水由循环泵返回到洗涤冷却器，其余送煤气水分离单元，喷冷循环水量的损失由煤气水处理工段的高压喷射煤气水补充。气化炉气化产生的灰渣周期性排进灰锁斗，灰锁斗用过热中压蒸汽充压。在灰箱减压卸灰操作过程中，含有灰尘的水蒸气进入膨胀冷凝器，膨胀冷却器充满冷却水，冷却吸收泄压蒸汽。    碎煤加压固定床气化技术主要有以下特点：    (1)气化原料方面，一般采用5 mm～50 mm的块煤进料，且下限率不能过高。一般要求煤的反应性好、无黏结性和弱黏结性、机械强度较高、灰熔融性温度较高。因此适宜的煤种为褐煤、次烟煤、贫煤和无烟煤，对一些水分较高(20％～30％)和灰分较高(如30％)的劣质煤也适用。与气流床工艺相比，鲁奇炉采用碎煤为原料，入炉煤的处理费用低。    (2)气化为干法排灰，使用纯氧气化，为防止结渣，采用较高汽氧比，因此氧耗较低，约为气流床氧耗的70％，可在空分制氧设备上节省大量投资。    (3)煤气中CH₄含量较高，达10％左右，适合于生产城市煤气和代用天然气(SNG)，将CH₄转化为CO和H₂后也可以用于生产化工产品，比如甲醇和氨。    (4)粗煤气中H₂／CO为2.0，不经变换或少量变换即可用于F-T合成、甲醇合成、天然气合成等产品生产，对比气流床气化减少了CO变换工序。    (5)该工艺最重要的工艺操作参数为汽氧比，与气流床强调的氧煤比有一定区别，但目的相同，就是控制一定的气化炉温度。汽氧比的确定通常根据煤样的温度(ST)、反应活性、灰渣状态和煤气组成质量。    (6)固定床气化气、固两相逆流接触，通过逆流操作实现高的“冷煤气”热效率，逆流操作使粗煤气和灰渣均以较低的温度离开气化炉，与气流床相比，在高温煤气和高温液态渣的热回收方面有优势。    (7)气化工艺成熟，设备国产化率高、造价较低，在投资上较气流床占有较大优势。(8)气化和煤气冷却过程会产生一定数量的含有重焦油、轻焦油和酚的煤气水，煤气水处理流程复杂，处理费用高。但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工产品，当装置规模较大时，将有一定优势。南非SASOL公司约20％的产品直接来源于气化过程中副产品的回收和加工。3  碎煤加压固定床气化技术的国内外工业应用该气化技术在国外主要用于南非萨索尔煤炭间接液化、美国大平原生产代用天然气、欧洲生产城市煤气、合成甲醇，也曾用于联合循环发电。在我国则主要用于生产城市煤气并联产甲醇、合成氨、甲醇／二甲醚、煤间接液化及生产天然气，使用的煤种以褐煤和次烟煤为主，原山西化肥厂使用贫瘦煤。表1为国内碎煤加压固定床气化技术的使用情况。 3.1  该技术在天脊煤化工集团公司的应用    20世纪80年代初，山西化肥厂从西德鲁奇公司引进了4台MARK-Ⅳ型气化炉，1983年7月正式开工建设，1987年7月化工投料试车，生产初期运行并不顺利，从1987年到1998年10年间，经历了打通流程、低负荷徘徊(合成氨平均日产642.54 t)、精投料促连续运转促高产(从使用小煤窑煤到改用王庄洗精煤)和完善达标4个阶段后，终于使合成氨生产水平达到平均950 t／d以上，2000年初结束试生产历史，顺利通过交工验收。该厂鲁奇气化炉设计运行采用3开1备(后于1998年增加了1台国产气化炉，运行模式变为4开1备)，单台气化炉生产能力为36000 m³／h·台。特别值得一提的是原料问题，山西化肥厂设计原料为王庄矿贫瘦煤，在运转初期，受王庄块煤供应量影响，掺烧了部分小煤窑煤，结果煤质波动大，气化炉操作难以稳定，频繁跳车，三炉并运率不足80％，单炉平均负荷也只有81％，严重制约着后续生产，最终在采用王庄洗精煤后才解决了这一问题。3.2  该技术在义马煤气厂的应用    义马气化厂于1997年开工建设，一期2001年建成投产，二期于2006年9月建成投产。设计生产规模为净煤气264万m³／d，外供城市煤气180万m³／d；联产甲醇24万t／a，二甲醚20万t／a。同时副产煤焦油、粗酚、中油、液氧等8万t／a。义马煤气厂现有5台Mark-Ⅳ型气化炉，运行压力3.0 MPa，主要使用当地义马长焰煤，入炉煤粒度在5 mm～50 mm(占80％以上)，灰分在15％～30％，水分在10％左右。单台气化炉可产粗煤气3.8万m³／h～5万m³／h。3.3  该技术在南非萨索尔的应用    萨索尔是南非煤炭石油和天然气股份有限公司的简称，是南非政府1950年针对其多煤少油的资源条件，为满足国内对碳氢燃料的需求，发展煤基合成油工业成立的能源公司。萨索尔是世界唯一以煤为原料采用间接煤炭液化生产工艺(即费托合成)商业化大规模生产合成燃料的公司，也是目前世界上应用鲁奇炉最多的公司。    萨索尔煤气化全部采用鲁奇固定床气化炉，最初安装了10台直径3.6 m的Mark-Ⅲ型气化炉；1966年又增加了相同的3台；1978年增加了3台Mark-Ⅳ型，能力55000 m³／h；1980年增加了1台Mark-Ⅴ型，能力90000 m³／h；后来Ⅱ厂和Ⅲ厂建立时各安装了40台(36开4备)Mark-Ⅳ型气化炉，能力达65000 m³／h。目前萨索尔共拥有97台鲁奇气化炉。3个工厂每年需要的煤炭达到4670万t，其中Ⅱ厂和Ⅲ厂耗煤 4050万t，Ⅰ厂耗煤620万t。萨索尔Ⅰ厂所用的煤来自Sigma煤矿，属低品质煤，灰分达35％以上，入炉煤粒度6 mm～38 mm，粒度分布见表2。 正常操作时，单台炉日产气量88万m³，气化炉需要提高负荷时，可增加到116万m³／d，气化炉从冷态投煤到产出煤气需要12 h。Ⅱ厂和Ⅲ厂原料煤来自 Bosjesspruit煤矿，煤质较Sigma煤矿要好。Ⅱ厂和Ⅲ厂40台气化炉分成两列，每列又分成两组，每组10台。气化炉操作压力2.7 MPa，日耗煤2.5万t～3万 t，蒸汽3.0万t～3.6万t，氧气0.8万t～0.9万t，产生灰渣0.5万t。3.4  该技术在美国大平原的应用    美国大平原煤气厂是世界上第1座由煤气化经甲烷化合成SNG的大型商业化工厂。该项工程是美国自然资源公司于20世纪70年代初提出的，原计划建 1座日产代用天然气778万m³的工厂，后因融资问题，将原计划分为两个阶段建设。第一期的设计能力为日产代用天然气389万m³，于1980年7月动工， 1984年4月完工并投入试运转，1984年7月28日生产出首批天然气并送入美国的天然气管网，输送距离 51.5 km、管道直径DN600 mm。从1984年到2005年，该厂已累计运行7725 d，运转率高达98.7％。气化厂拥有14台Mark-Ⅳ气化炉(12开2备)。单台气化能力在50000 m³／h，处理煤量1166 t／d，年处理煤量为466.2万t／a，至今已运行24 a。SNG热值 972Btu／scf(36.2 MJ／m³)。大平原煤气厂的成功运营得益于技术的可靠性、前期工作的论证以及副产品的综合利用。在1974年北达科他褐煤送南非萨索尔进行了工业性试烧，得到了北达科他褐煤不经干燥直接气化可行的结论以及气化炉的生产能力、入炉煤粒度、蒸汽／氧气耗量等关键设计数据。从2000年开始，气化厂成功的将低温甲醇洗(RECTISOL)出来的60％的CO₂卖给了加拿大一家油田生产企业，不仅增加了石油产量，而且真正实现了CO₂捕集(参考资料： 2006.4，US DOE：Practical Experience Gained During the First Twenty Years Of Operation Of the Great Plains Gasification Plant and Implications for Future Project)。3.5  典型运行工艺指标上述工厂的典型工业运行指标见表3。 4  碎煤加压固定床气化技术在现代煤化工行业的应用分析    煤的气化是现代煤化工技术的核心，煤气化可得到合成气CO和H₂，再由合成气可合成生产氨、甲醇、含氧化学品、油、天然气等多种碳一化工产品和能源产品。近30年来，国内外煤气化技术快速发展，以气流床气化技术为代表的现代煤气化技术为煤化工的建设提供了强大的支持。    煤化工的发展要受煤种条件的限制，尤其在我国蒙东、黑龙江、云南等部分地区，煤种多为高水分的褐煤，对于气流床气化存在干燥的技术和经济问题，而碎煤加压固定床气化不用干燥直接气化褐煤已有成熟的应用经验，如我国小龙潭褐煤和美国北达科他褐煤。    在气化装置的投资上，气流床气化装置投资巨大，包括干粉和水煤浆在内，单台气化炉投资均在亿元以上，而单台鲁奇炉投资仅在3000万元～5000万元之间，若将空分制氧装置计算在内，则投资相差更大。    在规模适应性上，气流床气化炉适合于大型化，比如甲醇规模要在50万t／a以上，而鲁奇炉产气能力适中，可灵活地适用于不同工业规模。    在三废排放上，主要指气化废水，气流床气化要优于固定床气化。但据报道，在大平原和萨索尔厂，气化废水经酚、氨回收后进入生化处理，处理后的水可作为循环水补充水，循环水排污水经多效蒸发后，浓缩液返回到气化炉气化，基本达到无废水排放。    从煤气用途分析，因鲁奇炉粗煤气含10％左右的CH₄，更适合于生产代用天然气(或城市煤气)或联产甲醇(或DME)，如义马煤气化厂、新疆广汇等厂家的生产模式，若单独做合成气，需要先将CH₄转化。碎煤加压固定床气化是一项成熟的技术。根据煤的性质和气化工艺分析，我国水分含量高的褐煤，更适合用于碎煤加压固定床气化。5  煤样的试烧北京煤化工研究院(BRICC)从1950年开始煤气化技术的研究，20世纪80年代在实验室建立了由美国福斯特·惠勒公司设计制造的内径100 mm、外径 300 mm的加压固定床气化炉，气化炉设计压力为5.0 MPa，最高运行压力可到3.2 MPa，操作温度根据煤质条件可在1000 ℃左右，气化炉系统工艺流程见图2。    经破碎、筛分制备成6 mm～13 mm的原料煤加入加压煤箱，煤由输煤螺旋送入气化炉。蒸汽和氧气经计量、混合后，经两级过热进入气化炉，与灰渣层换热后与炽热的煤焦发生气化反应。气化灰渣经螺旋输灰器排入灰箱。气化产生的高温煤气在与新加入的煤料换热后离开气化炉，在间接式煤气冷却器中被冷却，分离出冷凝液后，经沉降罐进一步脱除夹带的液固杂质。煤气经背压式压力控制器自动减压、计量后，点火炬放散。煤气组分由HP5890气相色谱仪进行分析。煤气冷却水定期由系统排放并收集计量和进行取样化验。若进行黏结性煤试烧时，可在气化炉顶部安装搅拌耙。气化炉气化段每隔100 mm高度，在相对称两侧分别装有热电偶共近20根，可随时跟踪、检测气化炉内料层温度的变化情况。试验的温度、压力、压差、流量等重要参数由计算机控制系统集中采集和显示。装置建成后，在该装置上先后进行过云南先锋、龙口、义马、依兰、焦作、晋城等数十种典型的不同变质程度中国煤种和泰国、朝鲜等国外煤种的气化试验，积累了丰富的试验经验并取得大量试验结果。表4为在该装置上得到的典型煤种试验结果。试验结果表明，一般随着煤种变质程度的提高，气化强度下降，煤气中CH₄含量下降，CO含量增加，CO₂含量下降；煤气产率增加，焦油产率下降；汽氧比下降，煤气热值提高。对比小试和煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院φ650 mm加压气化炉(设计压力3.2 MPa，运行压力 2.0 MPa)中试结果可见，小试操作所用汽氧比比中试试验的要低，这是由于小型气化炉气化过程散热量较大，为提高操作温度需增大氧气供应量所致。在煤气组成中，小试所得的CH₄含量较中试的数据低，这与小试气化炉中料层厚度较薄有关。     经过摸索，利用φ100 mm气化装置试验数据，结合加压低温干馏、加压活性等测试试验，试验结果经适当修正，可为加压气化工程的可行性研究和工程设计提供基础参考数据。