灰融聚流化床粉煤气化装置及其工业应用

1、第1期 2010年1月中 氮 肥M S ized N itr ogenous Fertilizer Progress No 1Jan .2010灰融聚流化床粉煤气化装置及其工业应用张红潮(陕西秦晋煤气化科技有限公司,陕西西安 710075摘 要介绍了灰融聚流化床粉煤气化技术的原理、工艺流程、特点及在国内几套装置的应用情况。重点讨论了天津碱厂项目。关键词灰融聚;流化床;粉煤气化中图分类号TQ 546文献标识码B文章编号1004-9932(201001-0018-05收稿日期2009 07 31作者简介张红潮,男,高级工程师,从事化肥生产管理及技术工作35年,原任陕西秦能天脊科技有限公司、陕西秦晋

2、煤气化工程设备有限公司副总经理。As h agglo merated Fl ui dized Bed Gasifier and Its Industrial ApplicationZ HANG H ongchao(Shaanx i Q i n jin Coal Gasi f ication T echnology Co ,L td,X i an 710075,China K ey W ords :ash agg lo m erated ;fl u i d ized bed ;pu l v erized coal gasification 灰融聚流化床粉煤气化技术是由陕西秦晋煤气化工程设备有限公

3、司为主体研发的具有国内自主知识产权的先进的煤气化技术(C AGG TM。其工业示范装置在陕西城化成功运行之后,相继有天津碱厂、平煤集团飞行化工公司、太化股份公司合成氨分公司、山西潞化公司等采用此CAGG TM技术用于生产合成氨和甲醇原料气,产出符合合成氨和甲醇生产的工业原料气,且实现了安全、长周期、稳定连续运行。1 C AGG T M 装置的优点(1气化炉为单级流化床,结构简单,炉内无转动部件,容易制造和维修;(2气化炉内中心高温区可使灰粉粘聚成灰球,使煤粉和灰球有效分离,提高了碳的转化率,降低了灰渣中的含碳量;(3气化炉内分布板可使床层物料充分流化,有效地防止炉内结疤,保证气化炉的稳定运行;

4、(4煤气中夹带的细煤粉尘经第一级旋风除尘器分离捕集,并返回炉内再行气化,进一步提高了碳的转化率;(5高温煤气经余热回收系统充分回收煤气的显热,提高了煤气化过程的总热效率,同时产生的水蒸气自给有余;(6煤气中不含焦油,酚含量低,污水容易处理,污水处理后可循环使用;(7煤种适应性宽,可使用褐煤、烟煤、无烟煤等,故容易实现原料本地化。2 工艺简述2 1 原 理CAGG TM装置的主体是气化炉。气化炉的下部密相区内径为3000mm,上部稀相段内径为4200mm,总高18500mm ,内衬由保温层轻质材料层和耐火砖砌筑(或耐高温浇注料浇而成。下部设有气体分布器,用于通过水蒸气和氧气,使炉内物料流化。分布

5、器下部设有环管和中心管,环管通氧气和水蒸气,用于控制气化反应后形成的灰渣排放;中心管通入氧气,使床内形成局部高温区。原料煤从靠近分布器上部入炉,生成的煤气由气化炉顶部出炉,经冷却器后进入第1期张红潮:灰融聚流化床粉煤气化装置及其工业应用19一级旋风除尘器,分离、捕集到的煤粉经料脚返回气化炉底部,循环使用。炉内中心管内气体氧浓度较高,在炉内形成高温区,从而使得煤粒迅速完成破裂、脱挥发分、热裂解、燃烧、气化。气化后形成的灰粉相互碰撞、粘结、增大并形成灰粒(渣,通过环管排出炉外。CAGG TM装置工艺设计的关键是必须建立由一级旋风除尘器捕集到的煤粉经料脚返回炉内的良好循环,并在外力和高温条件下能顺利

6、地加入粉煤和排出灰渣。2 2 流 程(见图1 图1 流化床工艺流程简图2 2 1 煤的干燥粉碎原料煤在滚筒干燥机内用烟煤燃烧生成的烟道气干燥,干燥后煤中水的质量分数!6%,再经破碎、筛分使干煤的粒度达到入炉煤的要求:粒度06mm ,最大8mm,其中粒径<0 14mm 煤的质量分数在10%15%,<1 0mm 煤的质量分数!40%。2 2 2 煤的输送系统干燥后符合要求的煤由提升机(皮带输送机输送到气化炉的加煤仓。2 2 3 加煤系统煤仓中的煤经由中间料仓间歇加入煤锁,再经由煤锁、螺旋给料机连续加入气化炉内。2 2 4 气化系统气化系统由气化炉,气体分布器和上、下渣锁等组成。在气化炉

7、内,煤粉和回收的返料经气体分布器送入的气化剂(氧气和水蒸气充分流化,产生的高温煤气从炉顶出炉,排出的灰渣(温度800850进入渣锁。灰渣在上、下渣锁内经冷却后进入排渣系统。2 2 5 灰渣输送系统冷却后灰渣用车运走。天津碱厂炉内排出的灰渣直接喷水排放至露天灰渣场。2 2 6 煤气热回收和除尘系统离开气化炉的高温煤气经过气体冷却器(第一废热锅炉回收煤气显热并产生饱和蒸汽,再依次经过第一、二旋风分离器除尘,之后依次通过蒸汽过热器、第二废热锅炉、软水加热器继续回收煤气显热,使煤气温度降到200左右。经深度除尘后的煤气进入洗涤塔洗涤除尘,煤气温度降到40左右,经静电除尘后送入后续工段使用。第一旋风分离

8、器捕集到的煤粉返回气化炉气化;第二旋风除尘器分离的细灰经上、下灰锁冷却后进入细灰仓,定期外运(销售。3 试车和运行情况3 1 陕西城化股份有限公司工业示范装置3 1 1 项目设计(1规 模2400mm 气化炉1台,产气量9000m 3/h ,合成氨产能20kt/a 。(2原料煤设计煤种 彬县烟煤;生产用煤 彬县烟煤、华亭烟煤、铜川烟煤20 中氮肥第1期以及宁夏无烟煤;试验用煤 大同烟煤、唐安无烟煤以及平顶山高灰劣质煤。(3气化炉工艺参数压力 0 03M Pa;温度 1050;投煤量 4 2t/h。3 1 2 运行情况2001年6月投入运行,完成示范任务后于2004年12月底停运。累计运行超过2

9、0000h,最长连续运行3780h。运行期间煤气中有效气(CO+H2体积分数68%70%,碳转化率为90 6%。3 2 天津碱厂合成氨原料油改煤项目天津碱厂合成氨原料油改煤项目为国家发改委安排的合成氨原料煤本地化改造项目之一。该项目合成原料气由油造气工艺改为国内自主研发具有自主知识产权的灰融聚流化床粉煤气化工艺(CAGG TM,配套合成氨产能为80kt/a。改造内容包括:煤的存储、精制、气化,灰渣处理,气体预精制(包括静电除尘、脱硫、脱碳等,洗涤水处理,原料气压缩等。项目于2004年4月28日开始建设,2006年初建成,2006年6月投产试运行。该项目工艺装置包括:(11套能力为200kt/a

10、的煤处理装置;(2配套合成氨产能为40kt/a的气化系统2套及配套的洗涤水处理系统;(3配套合成氨产能为80kt/a的原料气预精制及压缩装置1套。3 2 1 项目(气化装置设计(1规 模3000mm气化炉2台,单炉产气量18000 m3/h,配套合成氨产能80kt/a。(2煤 种大同粘结性烟煤。(3工艺参数压力0 05MPa,温度1050,投煤量9t/h。3 2 2 运行情况天津碱厂CAGG TM装置于2006年6月投料试运行,至今已正常运行3a多。2006年8月2日国家发改委在天津碱厂召开了有关项目单位、工程设计单位以及技术专利商等参加的灰融聚改造项目协调会,天津碱厂在会上介绍了CAGG T

11、M装置2006年7月31日前的运行情况。(13月8日#7月31日共稳定运行145d,实现了长周期、安全、稳定运行。(2主要工艺指标气体成分(体积分数 C O+H270% 73%(最高达75%,C H41 2%2 2%,CO2 23%26%;投煤量 810t/h;煤气产率 1 6m3/kg;炉渣残碳质量分数 5%10%;操作温度 9801020;氧煤比 0 380 40;汽煤比 0 91 0(吨氨副产蒸汽0 25t;吨氨煤耗 2 1t(原料煤中灰分质量分数在20%以上,依据原料煤场用煤量计,未扣减除去的粉末煤及其他故障排放煤等;吨氨电耗 760k W h(包括水煤气压缩机用电。在协调会上,国家发

12、改委充分肯定了灰融聚流化床粉煤气化技术(CAGG TM在天津碱厂的成功运行。认为灰融聚流化床粉煤气化技术成熟,能够实现长周期、安全、稳定运行,并力促灰融聚流化床粉煤气化技术的推广。CAGG TM气化装置运行期间1#炉部分工艺数据见表1(说明:由于2#炉连续运行52d后按计划进入停车检修,余下的时间由1#炉加1台油炉维持正常运行生产。测定时以油炉吨氨耗油810kg为标准计算,即在测定期内生产的合成氨量减去油炉耗油折算出的的合成氨量为煤气化炉所生产的合成氨量。装置运行500多天后,12月21#28日的部分操作数据见表2。表2中数据是原料煤灰分质量分数为24% 27%时的运行数据,设计值是按照煤中灰

13、分质量分数为12%时试烧煤的数据设计的。若将实际使用的原料煤折算成相当于设计时的原料煤,实际运行数据基本达到设计指标。由于实际生产中使用的原料煤灰分较高,故造成消耗偏高。第1期张红潮:灰融聚流化床粉煤气化装置及其工业应用21表1 1#炉部分工艺数据时 间投煤量/kg h-1CO+H2/%产气量/m3h-1吨氨煤耗/kg耗蒸汽/kg h-1灰渣残碳/%17日8:00#20:00850070143001730表2 12月21#28日部分运行参数CO224 3024 4224 6323 9324 7124 2524 6 CO30 430 1229 7529 9830 330 330 1 H240 1

14、340 3640 0340 3939 4740 6339 94 CH41 991 941 932 22 52 062 31 N22 853 023 353 473 252 573 54 O20 10 10 110 120 10 080 08 CO+H26870 5370 469 7870 2569 7270 9370 043 2 3 开车过程中存在的问题和改进天津碱厂CAGG TM装置是在陕西城化2400 mm CAGG T M装置的基础上进行的放大设计。在天津碱厂开车和运行过程中相继暴露出许多问题:(1第一废热锅炉设计换热面积偏小,易超温,从而使气化炉无法按设计温度满负荷运行;(2气化炉热力

15、管道(第一废热锅炉出口至旋风除尘器进口管道原设计为双层,内层为耐热钢板卷制而成,与外管间填充多晶纤维隔热材料,但内层耐热钢板不耐磨,使用中易磨穿,从而使热力管道易过热,但热力管道受气化炉框架结构载荷所限不易改造;(3第二废热锅炉原设计不合理,存在材料及制造质量问题,使用中易磨穿,影响运行;(4操作过程中气化剂用量大,特别是蒸汽用量较大;(5气体分布器的中心管易断裂,达不到使用期。天津碱厂本着%坚定信心、抓住关键、立足创新、建成精品&的思想,按照%精心组织开起来、优化指标稳定住、系统改进再提高&的工作要求,经过多次开停车摸索实践,通过技术和设备改造,使装置在安全、长周期、稳定、连

16、续运行方面取得了突破性进展。3 3 平煤集团飞行化工公司项目平煤集团飞行化工公司合成氨原料煤改造项目为国家发改委安排的合成氨原料煤本地化改造项目之一。该项目采用灰融聚粉煤气化技术22 中氮肥第1期(CAGG TM,以平煤集团粉煤替代原生产系统的无烟块煤作为主要原料。3 3 1 项目设计(1规 模3000mm气化炉4台(分一、二期,单炉产气量18000m3/h,装置合成氨产能160 kt/a。(2原料煤平顶山高灰劣质烟煤,灰分33 61%,灰熔点(ST>1500。(3工艺参数压力0 05MPa,温度1150,投煤量10 6t/h。3 3 2 开车情况2007年8#9月进行投料试车。先后2次

17、采用57%的富氧空气投料试车,2次开车后均因排渣阀不耐高温而抱死不能排渣而停车。供货商虽多次来厂维修,仍未能解决问题。10月公司将另1台气化炉的高温切断阀调用改作排渣阀并采用纯氧重新投料试车(当时公司停供了原来供固定床的氧,开1台灰融聚粉煤气化装置,投料成功,但各项指标未作调整,当时制得的煤气中CO+H2体积分数在60%以上。目前公司正在积极准备建空分系统,待具备开车条件时再开车。3 4 太化股份合成氨分公司合成氨改造装置3 4 1 项目设计(1规 模3000mm气化炉1台,单炉产气量17000 m3/h,装置合成氨产能40kt/a。(2煤 种贫煤,灰分25%,灰熔点(ST>1450。(

18、3工艺参数压力0 05M Pa,温度1150,投煤量9 35t/h。3 4 2 开车情况该项目2007年上半年进行投料试车。试车采用价格便宜的高灰熔点、高碳、低活性、热稳定差的劣质煤。试车中由于煤的热稳定性差,煤入炉后易破裂,炉温不易控制,消耗高,制取的煤气中C O+H2体积分数为63%65%,但装置运行基本成功。停车后对暴露出的问题进行了整改,因公司内部体制发生变更,太化股份公司将太化股份合成分公司灰融聚粉煤气化装置划入新成立的太恒达化工股份有限公司用于生产甲醇,直到2008年11月下旬才再次投料并一次开车成功,煤气中C O+H2体积分数为62%65%,经进一步优化后,目前煤气的CO+H2体积分数已达68%69%,实现了装置安全、稳定、长周期、连续运行。这套装置对上煤方式、排渣方式及细灰排放等均做了改