收稿日期:2001Ο02Ο15作者简介:步学朋(1962-),男,山东济南人,硕士,高级工程师,从事煤炭气化的研究工作。
特约专稿煤炭加压气化技术的研究及开发步学朋,彭万旺(煤炭科学研究总院北京煤化学研究所,北京 100013)摘 要:简要介绍了北京煤化学研究所在加压固定床气化———包括D 650mm 中试和D 100mm 小试气化技术,D 300mm 和D 100mm 加压流化床气化技术,加压气流床气化数学模拟等方面的研究和开发情况,给出了典型煤种在不同气化炉、不同操作条件下的试验数据,讨论了我国煤炭气化技术的发展前景。
关键词:固定床气化;流化床气化;加压气化;气流床气化中图分类号:TQ546 文献标识码:A 文章编号:1005Ο2798(2001)03Ο0014Ο05 煤炭气化是将固体煤炭转变为煤气,它广泛应用于生产化工合成气(如合成氨、甲醇等)、工业燃料气、城市煤气等领域,是洁净煤技术的重要组成部分。
随着煤炭液化技术的发展和商业化以及先进的整体煤气化联合循环发电技术(IGCC )、第二代PF 2BC 及燃料电池(IGFC )的开发应用,煤炭气化技术将起到越来越重要的作用。
煤炭科学研究总院北京煤化学研究所从50年代开始,先后开展了煤炭地下气化、常压移动床发生炉气化试验研究、D 200mm 文氏管排灰流化床气化炉试验、单双筒熔渣池气化炉研究,开发了D 116m 水煤气两段炉和D 0185m 、D 2m 一段、两段发生炉及上下鼓风反火炉并用于矿区气化、制备工业燃料气等。
80年代以来,又开展了煤炭加压气化技术研究,下面将简要介绍这方面的研究及开发情况。
1 加压固定床气化技术研究开发111 D 650mm 中试气化技术70年代末,北京煤化所承担国家科委建立中试气化试验装置的任务,1983年进行设备安装,中试装置的气化炉内径为650mm ,燃料层高度为2m ,运行压力为2～215MPa (最高3MPa ),气化强度(煤气)为850～1500Nm 3/h ・m 2,耗煤量为200～500kg/h ,炉出口温度上限为560℃。
1984年5月开始煤种试验,先后成功地进行了沈北、蔚县、黄县、依兰、窑街等五个典型中国煤种的半工业性试验,累计运行1000多小时。
D 650mm 气化炉试验操作稳定,结果重现性好,取得的数据完整可靠。
其中龙口褐煤、蔚县长焰煤和依兰煤的气化试验结果分别为相应的三个城市煤气化工程项目的可行性研究报告所采用,窑街长焰煤的试验结果则直接被国外设计单位所采用,作为兰州城市煤气工程设计的依据。
表1为典型试验结果及依兰煤与东德的D 316m 气化炉上进行的工业性试验结果对比。
可见D 650mm 加压中试装置操作比较稳定,结果波动较少。
对照依兰煤中试和工业装置两个试验结果,可见在近似的操作条件下,其一致性很好,粗煤气中主要组分差异小于3%。
在中试装置上进行不同工艺条件对比试验所得出的最佳汽氧比(510kg/Nm 3)及不需要搅拌装置等结论完全被P KM316m 炉试验结果所证实,主要消耗指标十分接近。
由此可以认为,D 650mm 中试结果用于工业设计是可靠的。
112 D 100mm 加压小试气化及煤炭加压气化基础特性研究由于中试费用较高,为进行大量煤种试验,有必要开发小型试验装置。
为此北京煤化所牵头承担“七五”“中国煤种资源数据库”的攻关工作,作为其中一部分,北京煤化所开展了“煤炭加压气化基础特性研究”,开发了D 100mm 固定床气化小型试验装置。
气化炉设计压力为510MPa ,运行压力为310MPa ,气化炉高度为315m ,气化炉配置操作参数、气体组成等在线检测分析系统,可采集完整的试验数据。
在该装置上先后进行了从云南先锋、龙口褐煤到焦作、晋城无烟煤等40余种典型不同变质程度中国煤种的气化试验,积累了丰富的试验经验和取得大量试验结果。
气化炉操作参数指标及同期进行的煤炭加压低温干馏、加压活性和加压结渣性、煤加氢气化等多项基础理论研究成果已输入国家煤种资源数据库中。
表1 D650mm加压中试气化炉试验结果及与D316m气化炉数据对比项 目蔚县煤龙口煤沈北煤窑街煤依兰煤D650mm PKM D316m 入炉煤粒度/mm10～4010～4010～406～4010～4010～40操作压力/MPa210210210～215210210～215215汽/氧/(kg・Nm-3)618715～718615～618610～711416～510416～510 CO228138～2913332.58～34.0031.92～32.3531.6～33.7327.6426～29粗 O20.31～0.320.30.4～0.50.30.370.2～0.4煤 CO19.56～20.6113.98～14.6815.45～15.6515.37～18.3620.2318～21气 H237.44～38.9338.11～38.6339.13～41.4539.0～39.6839.7241～42组 CH49.57～11.3911.71～12.09.93～11.019.80～10.3110.339.0～10.0成 N20.25～0.390.52～0.590.13～0.640.1～0.30.51 1.0～1.2 /% C n H m0.64～0.990.65～0.990.50～0.750.48～0.61 1.12 1.0～1.5 H2S0.34～0.380.30～0.310.25～0.400.14～0.17 1.21 1.8～2.3煤气热值/(MJ・Nm-3)10.91～11.0710.45～10.7010.30～10.7010.17～10.4111.38—氧耗/(Nm3・kg-1)0.30～0.310.18～0.200.13～0.140.204～0.2340.220.22汽耗/(kg・kg-1) 2.03～2.10 1.37～1.520.83～0.94 1.36～1.60 1.11 1.14粗煤气产率/(Nm3・kg-1) 1.96～1.99 1.25～1.26 1.98～1.01 1.35～1.45 2.093 1.953焦油产率/(kg・kg-1) 2.90 3.53 4.0～5.62 3.95～4.067.17轻油产率/(kg・kg-1)0.19 1.060.66～0.730.66～0.83 1.44冷煤气效率/%85.979.3～81.974～79.576.97～80.5977.7 3 无水无灰基煤表2 D100mm气化炉典型试验结果及与中试装置对比项 目龙口煤窑街煤义马煤大同煤阜新煤鹤壁煤官地煤晋城煤气化炉直径/mm100650100650100100100100100100操作压力/MPa 2.1 2.1 2.1 2.1 2.2 2.1 2.1 2.1 2.2 2.1较佳汽氧比/(kg・m-3) 5.47.5 4.56 5.1 5.1 5.4 5.7 4.97 5.6 H236.738.4238.1239.2839.4735.5336.2840.3341.2336.96粗 CO15.3714.3420.3616.8516.9322.7117.2021.1723.0923.47煤 CH48.311.867.8710.058.927.937.05 4.89 6.74 4.75气 CO237.933.432.3632.6233.2532.9738.6032.1226.8133.96组 O20.530.300.080.300.120.040.070.100.110.04成 N20.450.550.460.200.310.74/% C n H m0.620.820.560.550.560.30 H2S0.130.310.190.150.440.040.290.920.980.07煤气产率/(m3・kg-1)3 1.95 1.98 2.01 2.02 1.93 2.26 2.13 2.45 2.80 2.70焦油产率/(g・kg-1) 3.57 3.53 4.90 4.00 3.40 3.12 4.02 1.160.650.21汽耗/(kg・m-3) 1.70 1.82 1.54 1.53 1.38 1.834 2.083 1.8420.178 2.219氧耗/(m3・m-3)0.290.240.280.230.1870.360.3860.3230.8870.396 3 无水无灰基 表2给出部分煤种的典型试验结果及两种煤与中试试验结果的对照。
可见一般随着变质程度提高,气化强度下降,煤气中CH4含量下降,产气率增加,焦油产率下降,汽氧比下降,煤气中CO含量增加,CO2含量下降,煤气热值提高。
对比小试和中试结果可见,小试操作所用汽氧比比中试的要低,这是由于小规模气化炉散热量较大的原因。
在煤气组成中,小试所得的甲烷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。
也是由于小炉体散热损失较大,在蒸汽消耗的同时,单位煤气氧耗小试结果比中试的高。
经过对比,认为利用D100mm气化装置,结合加压干馏、加压活性等测试试验,试验结果经过数学模型的适当修正,可为加压气化工程的可行性研究提供基础参考数据。
义马煤试烧结果用于加压气化厂的可行性研究;官地煤试烧目的是为太原化肥厂规划中的技改项目之用,在其试烧过程中,德国P KM专家跟踪了试验全过程,试验结果令外方专家非常满意。
淮北天然焦试烧结果用于濉溪县化工工业公司D2400mm造气炉生产,前岭煤、鹤壁煤、新汶煤煤种试烧用于地下气化可行性研究及煤气利用途径选择。
2 加压流化床气化技术研究211 D100mm小试气化技术机械化采煤技术的应用导致粉煤比例越来越大,因此粉煤流化床气化技术受到重视。
早在60年代,煤化所曾建立D200mm流化床气化炉,进行过流化床灰熔聚气化研究[1]。
“七五”期间,在加压固定床小型气化炉建立的同时,开发了D100mm加压粉煤流化床小型气化试验炉。
气化炉设计压力为310MPa,高度为4m,可非常灵活地进行空气气化、富氧气化和纯氧气化等多条件长时间连续操作试验。
先后进行了扎赉诺尔、蔚县、神木、东山、晋城、华亭、大同、淄博、淮北等煤种的气化试验[2]。
表3为部分煤种典型试验数据。
可见,随着压力提高,煤气中甲烷含量增加,煤气热值增高,气化效率提高。
年轻煤气化所得煤气热值较高,但煤气产率低于变质程度高的煤。
提高气化剂中氧气浓度,煤气中有效成分增加,一般在富氧浓度为55%～60%时,加压流化床气化制得的煤气正好适合于合成氨生产要求。
表3 D100mm加压粉煤流化床小型气化炉典型试验结果项 目扎赉诺尔蔚 县华亭东山晋城试验压力/MPa 1.50.75 1.45 1.50.75 1.050.500.50 1.50.52 1.5 1.1汽氧比/(kg・m-3)0.850.82 1.92 1.140.94 1.19 1.32 1.82 1.19 1.640.86 1.54氧气浓度/%2160纯氧2160纯氧54.599.021纯氧21纯氧反应温度/℃920905880920900960——980104010301050煤 H214.0726.4839.5615.2028.7935.9229.8736.4314.8726.1212.5737.11气 CO16.6928.0827.2214.3024.6729.1118.8824.1913.4935.8315.9030.61组 CH4 2.29 4.20 6.57 2.70 4.32 5.66 1.75 1.98 1.96 2.700.55 1.71成 CO211.9423.0125.7114.6125.1427.8126.036.2113.6034.1511.9129.83 /% N254.8317.980.7252.2615.780.3621.620.355.690.6558.870.50煤气热值/(M J・m-3) 4.8248.63211.133 5.2678.99911.016 6.237.69 4.438.92 3.8379.28煤气产率/(m3・kg-1) 2.10 1.12 1.22 2.90 1.74 1.58 3.23 2.41 4.78 1.90 3.60 1.78气化效率/%50.048.0467.3861.6263.1870.1469.6571.4063.2350.8448.8258.50212 D300mm加压流化床中试气化试验“八五”期间,为开展我国的第二代PFBC和IGCC技术的研究工作,北京煤化学研究所与上海发电设备成套研究所联合承担了“联合循环发电关键技术研究”的国家攻关项目。