煤气化技术的比较与选择

煤气化技术的比较与选择

在固定床、流补偿床和气补偿炉中，煤气表中的气、气反应后总结的组成、温度和灰渣的性质状态具有各自的特点，不同的是，对安装前的煤炭品种和质量要求也不同。在此对三种气化技术进行比较和讨论,希望有助于提高大家对三种气化技术的认识。1三种煤气化技术对原料煤种和煤质的要求固定床、流化床、气流床煤气化技术气化炉对原料煤种和煤质的要求见表1。2提高碳转化率的方法2.1煤炭灰渣的残炭固定床技术的残碳主要在灰渣中,提高碳转化率的关键在操作方法。块煤焦固定层间歇制气工艺以固态灰渣形式排灰,其灰渣量占煤炭灰分总量的96%,灰渣中的残炭在6%～26%;吹风阶段有飞灰排出,其量约为灰分总量的1%～3%,飞灰残炭则在55%～65%。灰渣残炭和飞灰残炭的含碳量大与工艺管理和操作手法以及造气炉的炉箅结构性能和炉条机调节关系较大,尤其是管理水平和操作水平。2.1.1自动优化控制工艺的缺失固定层煤气炉的气化反应是在气化火层上进行的。影响碳转化成CO+H2的量的因素是气化火层的位置、厚度和炭温度。块煤焦固定层间歇气化造气炉内,气化火层炭温度最高达到灰熔点,气相温度最高达到1800℃,难以实现对气化火层温度、位置、厚度的检测。故一次风和入炉蒸汽的加入量、气化火层的厚度和位置的确定,全凭操作者根据经验来判断,未能完全实现自动优化控制。要使固定层炉蒸汽分解率尽可能大,气化火层的炭温度必须达最高,而炭最高温度只能是在灰熔点。火层温度则靠吹风阶段提起来,靠合适的吹风量来建立一定厚度的火层,通过调节上、下吹制气来调整火层厚度和位置。入炉原料煤种、煤质不同,气化工艺各不相同。即使同品质的煤,各家的操作工艺也不尽相同。比如同样烧神木半焦,原化和内蒙乌拉尔山化肥厂的操作控制工艺差距就很大。由于操作工艺不一样,气化层的位置、厚度、火层温度都不一样。同样的原料其灰渣残炭肯定也不一样。而固定层炉的飞灰量及飞灰残炭在吹风烟气中,吹风烟气余热回收搞得好的生产厂,这部分损失也就较小。2.1.2排放速度比较炉箅结构和转动速度关系到气化剂引入的量和在炉膛内的分布,关系到炉膛内碳的转化完全程度和灰渣的排放速度。炉箅的结构件进炉后结构形状是固定的,但炉箅结构上各功能件的位置,则靠炉条机运转来调整。功能件只有在运转过程中,才能对炉箅本身的布风和炭层的推进、灰渣的松动、推落、切割、破碎、排出等发挥作用。这些作用发挥得如何,不仅关系到炉子的产气量大小,更关系到炉内碳转化率的高低。2.2气体流速小、含碳量高流化床工艺提高碳转化率的措施是回流燃烧和通二次气化剂。流化床煤气化炉以10mm以下的小颗粒煤作为气化原料,气化剂同时作为流化介质。当固体颗粒处于流化状态时,床层有明显上界面。生成的煤气夹带着相当数量的气流极限速度小于气体流速的细小颗粒由炉顶离开气化炉,一般包括灰分总量70%的灰渣颗粒和部分未完全气化的炭粒。部分密度增大后的大颗粒,约占灰分总量30%的灰渣,则由底部排出气化炉。由于流化床炉膛内温度梯度很小,床层温度低而均匀,顶部飞灰和底部排灰的含碳量均比较高(通常顶部飞灰残炭<30%,底部排灰残炭<10%)。针对如何提高流化床工艺炭利用率问题,国内外的研究者做了大量研究工作。目前在流化床气化炉后,多采用高温旋风除尘器将粗颗粒飞灰进行分离,使其返回到气化炉内再次参加反应。有的气化炉还在炉内气化床层上部的自由空间通入二次气化剂,以便将煤气夹带的煤粉和流化床下段产生的裂解产物进一步气化和燃烬,例如在用的恩德炉。2.2.1增设高速喷泉区、增加密度中科院山西煤化所开发的灰熔聚工艺类似于美国的U-gas工艺。它通过在均匀的流化床气化炉内增加一个形成稀相的高速喷泉区,在喷泉顶部,利用在高温和气流作用下形成的物料内循环团成灰球,当这些灰球长大到能够克服高速上升气流的阻力时,便与气流分离而落下排出。这就较好地解决了炉底排灰含碳高的突出问题。灰熔聚气化炉排出的灰绝大部分呈油菜籽一样的细小球形颗粒状。2.2.2传热、传质速度CFB工艺能同时使气化炉底部排灰和煤气夹带飞灰的含碳量大幅度降低。德国鲁奇公司将循环流化床燃烧锅炉技术移植到煤气化领域。CFB炉内气体流速达5～7m/s,接近气流床气速,气化炉内气体的停留时间为4～6s,具有优越的传热、传质速度。同时,煤气带出的固体颗粒分离后返回气化炉,进行外循环,加上喇叭状炉床内形成的内循环,使循环的固体量与原料煤加入量之比高达40。在此条件下操作,气化炉底部排灰和煤气夹带飞灰的含碳量均可降到3%以下,大大提高了碳的转化率。2.3煤中的熔渣在烟气床内的释放特性气流床工艺的碳转化率达95%～99%。气流床气化炉底部的渣和顶部出口飞灰已不具危害性,煤中的多数矿物成分在气流床内是以熔渣的形态离开气化区的,煤中的灰至少有90%以渣的形式排出。气化炉的高温(超过1500℃)确保了熔渣能够沿着水冷壁自由地注入气化炉底部的一个注满水的间隔间。冷却后的合成气经过滤或旋风分离和水洗净化后,其所含飞灰降到1mg/m3以下。3气化炉烟气冷煤气的效率以固定床气化炉最高,合成气成分也是固定床的最适宜。化肥厂煤气化的目的是为了生产合成气,许多厂还同时联产甲醇,要的就是CO+H2,最关注的自然应是单位煤量产生的煤气有效成分量,即炉子的气化效率。原料气的组分要求:合成氨为n(H2)/n(N2)=3;甲醇为[n(H2)-n(CO)]/[n(CO)+n(CO2)]=2。固定床炉的冷煤气效率高达85%以上,蒸汽分解率甚至达50%以上。煤气进洗气箱水封前的温度和灰渣排出炉的温度均控制在250℃以下,以减少热流失,从而确保了炉内有比较高的煤气产率。流化床工艺的气化效率在70%～80%,蒸汽分解率在38%。壳牌干粉气流床炉的气化效率可达80%～83%。这是因为该炉的操作温度高,碳转化率高(达99%以上),而且气化炉膜式壁炉渣层的存在起到了热隔离的作用,减少了炉内热的流失,从而也保持了较高的冷煤气效率。不同煤气化工艺气化炉出口典型气体体积组分见表2(数据选自各种宣传资料)。气流床技术Texaco水煤浆气化工艺的冷煤气效率实际仅为74%～77%,其气化效率低的原因是水煤浆气中含有30%～40%的水,这些水在煤气化过程中要消耗能量才能转化成蒸汽。采用水煤浆制气工艺制取的合成气里,水汽/干气在1.2左右,热量损失较大。正因为如此,水煤浆气化炉操作温度只能在1200～1400℃。也正因为如此,水煤浆气化炉粗煤气中的H2含量才会比较高。干粉气化的SCGP工艺,气化剂是氧气,进炉的煤粉是烘干的。通过干煤粉与一定量的氧气(只用完全燃烧所需氧的20%～30%)发生反应,煤中的小部分碳完全氧化成CO2就可以使气流温度达1500～1700℃,保证了煤的完全气化。煤气中的H2由煤中的碳氢化合物部分氧化得到。仅在需要调节气体成分时才加入一些水蒸气,而水蒸气的加入还可避免温度过高。正因为如此,Shell炉产煤气H2含量相对比较低而CO含量相对很高。表3是一组用于制氨合成气时各类气化炉床出气的主要组分数据对比。固定床工艺的煤气组分是最适宜于我国现有的合成氨和合成甲醇工艺的。4余热利用技术综合比较,以气流床最好。气流床工艺,由于气化温度高于其他气化炉,可获得高纯度的合成气。出炉气经过干法和湿法除灰净化后,残留的飞灰含量低于0.1mg/m3,经过合成气处理工艺后,硫、少量氨和氰化氢全部脱除。脱除的CO2可作为尿素等后工序的原料;洗涤水也可循环使用;污水则被送到汽提装置中回收处理;渣和飞灰送其他工序综合利用;由气化炉和合成气冷却器产生的蒸汽则用于驱动空分装置的压缩机或用于发电等。块煤焦固定床间歇制气工艺,为提高其热效率和减少对环境的污染,技术上已有了不少进步。吹风烟气除加二次风外,还尽可能将在单炉系统的余热回收到气化炉之外,引到吹风气集中余热回收系统,回收合成废气的潜热,采用热电结合,先发电,后用作入炉蒸汽,进一步提高热效率和环境效益及整体经济效益。吹风烟气的最终排放温度可达到75℃以下,含尘和CO在国家环保规定的指标之内。一些生产厂(如资江氮肥厂等)将造气灰渣中的大块渣卖给水泥厂,筛下的灰渣用作沸腾锅炉的燃料,而锅炉的最终灰渣又送到砖厂制砖,较好地实现了废渣的综合利用。5组制气工艺的进步随着气流床和流化床技术不断在我国落户,也促进了我国块煤焦固定床技术的进步,其表现主要体现在以下几个方面。(1)小籽煤造气和白煤粉、焦粉型煤造气以及半焦、型煤焦、气化焦的推广应用已使块煤焦原料紧张状况大大改善。(2)先进的操作思路:“合适吹风量”、“油压阀动作时间合理化”、“尽可能减少气化炉出口气阻力”已使固定床工艺炉况稳定性好转,单炉产气量增加,设备停修率降低。(3)工艺的调整加上带旋、角、掌、刀的新型宝塔炉箅的推广应用以及操作人员调控水平的不断提高,使灰渣残炭含量逐渐下降,碳转化率逐渐提高。(4)单炉蒸汽自动调节阀及炉况寻优器和计算机技术的引入,使制气操作的自动化水平有了较大提高。(5)自动加焦机和下炭不停炉自动油压阀的逐渐推广,提高了单炉系统制气时间的利用率。(6)满炭层、低炉上温度加吹风气集中余热回收和合适炭层、适中炉上温度、加足二次风的单炉系统余热回收并行推进,既保持了固定层造气炉较高的气化效率,又提高了热效率和跟环境的亲和力。固定床技术的进步反过来又促进着流化床、气流床技术的国产化进展,并影响着引进技术的专利费用的下降。目前我国采用的流化床工艺主要有恩德炉和灰熔聚。规模适中、装置简单、投资不太大是它诱人之处;煤的高活性和低粘结性要求,以及煤气中CO2含量、CH4含量、含尘量都比较高是影响它推广的主要障碍。目前我国采用的气流床工艺主要有Texaco炉和Shell炉。他们在技术上的先进性主要体现在整体工艺效率高和环保性能好,但投资相对较大。6提高煤调湿的积极性固定床技术由于主气化层建立在灰熔融的高温区附近,煤在炉内停留时间长,气化剂在炉内的气流速度低,吹风蓄热,加上采用上、下吹轮番制气,使得炉内热利用率高、蒸汽分解率高,煤气初净化容易,排灰和排气温度都低,炉内热损失少。故具有省氧、省蒸汽、省投资且气化效率高的优势