第1期(总第90期)煤 化 工No.1(Tota l No.90) 2000年2月 Coa l Che m ica l I ndustry Feb.2000干法粉煤加压气化技术的开发现状和应用前景门长贵 西北化工研究院 710600 摘 要 干法粉煤加压气化是一种高效低污染的先进煤气化方法。
本文简要介绍了干法粉煤加压气化的工艺原理、技术特点及开发现状,并指出了这种煤气化工艺技术在联合循环发电和煤化工等领域内的应用前景。
关键词 干法粉煤气化 技术特点 开发现状 应用前景引 言目前我国一次能源消费中煤炭约占75%,在今后相当长的一段时间内煤炭仍是我国的主要能源,国家已把煤的高效、洁净利用技术列入21世纪的发展计划,因此发展先进的煤气化技术是当前的重要课题。
近年来,为了减少环境污染,提高煤炭的利用率,增加装置的生产能力,降低氧耗和煤耗,拓宽原料煤种的使用范围,充分利用煤炭资源,先后成功地开发出了新一代先进的煤气化工艺技术,有代表性的主要为鲁奇公司的碎煤移动床熔渣气化(B GL)工艺,水煤浆进料的T exaco气化工艺,干法粉煤进料的SCGP(Shell)气化工艺和P renflo、GSP工艺。
上述几种煤气化工艺中,干法粉煤进料的加压气化工艺因其技术经济性具有明显的优势和较强的竞争力,预计它是今后煤气化工艺技术的发展方向。
1 干法气化的原理及技术特点原料煤经破碎后在热风干燥的磨机内磨制成< 100Λm(90%)的煤粉,由常压料斗进入加压料斗,再由高压惰性载气送至气化炉喷嘴,来自空分的高压氧气预热后与过热蒸汽混合送入喷嘴。
煤粉、氧气和蒸汽在气化炉高温高压的条件下发生碳的部分氧化反应,生成CO与H2总含量大于90%的高温煤气,经废热回收、除尘洗涤后的粗合成气送后序工段。
干法气化工艺具有如下技术特点:(1)对原料煤的适应性广,可气化褐煤、烟煤、无烟煤及石油焦。
对煤的反应活性几乎没有要求,对高灰熔点、高灰分、高水分、高含硫量的煤种同样也适应。
(2)氧耗和煤耗低,与湿法进料的水煤浆气化工艺相比较,氧气消耗降低15%～25%,原料煤消耗降低10%～15%。
(3)单位重量的原料煤可以多产生10%的合成气,合成气中的有效气体成分(CO+H2)高达94%左右。
(4)原料煤能量的83%转换在合成气中(水煤浆气化工艺只有70%～76%),约15%的能量被回收为蒸汽。
由此可见干法气化的热效率高。
(5)干法气化工艺的气化炉一般采用水冷壁结构,以渣抗渣,无昂贵的耐火砖衬里,水煤浆气化工艺气化炉耐火砖的费用约为10美元 tN H3,因多喷嘴操作,干法工艺气化炉运行安全可靠。
(6)单台气化炉生产能力大,目前已投入运行的气化炉操作压力3.0M Pa,日处理煤量2000t。
如Shell干法进料气化工艺可采用多喷嘴加料(4只～8只),喷嘴的设计寿命可保证达到8000h,气化装置可以长周期运行。
(7)碳转化率高,可达99%,气化炉排出的熔渣为玻璃状的颗粒,对环境没有污染。
气化污水中不含酚、氰、焦油等有害物质,容易处理,可做到零排放。
(8)工艺操作采用先进的控制系统,自动化程度高,利用专有的计算机控制技术可使工艺操作处于最佳状态下运行。
2 干法气化技术的现状第一代干法粉煤气化技术是K2T炉,目前在南非和印度等国仍有部分装置在运行,该炉型为常压气化,已基本停止发展。
我国80年代由西北化工研究院在临潼完成了K2T炉的中间试验,后在山东黄县化肥厂建设了一套同类示范装置,因气化炉耐火材料等问题而中止开发。
同时广西化工研究所在某小化肥厂建设一套涡流式粉煤气化中试装置,后因各种原因也未完成开发任务。
从80年代起国外开始进行第二代干法气化工艺的开发研究,即干法粉煤进料的加压气化技术。
最先由荷兰的Shell公司和西德的K rupp2kopp ers合作开发Shell2Kopp ers气化工艺。
第一套投煤量6t d的小试装置建在荷兰的阿姆斯特丹,主要是探索Shell2Kopp ers煤气化工艺的基本原理、测试原料处理方式及不同煤种的气化行为,共进行了21种原料煤的气化实验,累计运行13000h。
1978年又在西德的H arbu rg建成一套投煤量为150t d,操作压力3.0M Pa的试验装置,共进行了6000多小时的运行试验,其中包括1000h的连续运转,完成了工艺开发和过程优化任务。
主要工艺特点是密封料斗进煤和粉煤浓相输送技术,气化炉采用水冷壁结构。
在完成该装置的技术开发研究之后两合作者开始单独开发干法气化工艺。
Shell公司进行SCGP气化工艺研究、K rupp2Kopp ers进行P renflo的粉煤加压气化工艺研究。
2.1 SCGP气化工艺1987年Shell公司在美国的休斯顿附近D eer Park建成了一套投煤量为250t d～400t d示范装置,主要任务是验证SCGP工艺技术,包括工艺特性和设备可靠性,开发工业化生产的操作运行经验,试验各种煤种的适应性。
该装置累计运行15000多小时,其中连续运转时间为1500多小时,共试烧了褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦等不同水分、灰分、灰熔点的16个煤种,为工业化生产装置提供了可靠的依据。
经对各种煤气化工艺的技术经济性进行详细的分析、研究比较,荷兰国家电力局采用SCGP工艺于1993年底在D em ko lec南部的B uggenum建成一座发电能力为300MW的煤气化联合循环发电装置,气化装置的设计能力为单炉投煤量2000t d,气化压力为2.8M Pa。
生产运行的结果表明:SCGP工艺碳的转化率高达99%以上,生产负荷可在40%～100%之间进行调整,气化装置的运转率在95%以上。
SCGP粗煤气的主要组成见表1。
表1 SCGP粗煤气的组成组分CO H2CO2CH4N2+A r H2S+CO S 体积分数 %65301.6<0.12.50.9 SCGP气化工艺的流程如图1所示。
图1 SCGP气化工艺流程示意图2.2 P renflo气化工艺1986年K rupp2Kopp ers在萨布吕肯郊区建成一座投煤量为48t d,气化压力3.0M Pa的P renflo 中试装置,该工艺的气化炉形式和常压K2T炉基本相似,是在常压K2T炉工艺技术的基础上开发的加压气化工艺,它的一项重大技术改进是从一个加压密封的加煤斗引出两根输煤管,分别把煤粉送至和气化炉相对称的两个炉头所安装的喷嘴将煤粉加入气化炉。
该装置共进行了20多次试验,累计运行了2000多小时,试验了不同水分、灰分、硫分、反应活性的多个煤种,气化炉采用水冷壁结构。
经过两年的试验研究,在完成了各项试验任务后又在西班牙的Puerto llano建立了一套新装置。
P renflo工艺的主要试验结果见表2。
表2 P renflo工艺的主要试验结果项 目试验结果煤气组成 %COH2CO2CH4H2S+CO SN2+A r65.331.62.00.20.9碳转化率 %比氧耗比煤耗冷煤气效率 %99300m3 1000m3(CO+H2)512kg 1000m3(CO+H2)82.5 P renflo的工艺流程如图2所示。
・71・2000年2月 门长贵:干法粉煤加压气化技术的开发现状和应用前景图2 P renflo工艺流程示意图2.3 GSP气化工艺前东德黑水泵煤气化联合企业从1976年开始研究开发干法粉煤加压气化工艺技术,将该工艺命名GSP。
1980年在F rlberg燃料研究所建成两套试验装置,W100(气化压力3.0M Pa)和W500(气化压力3.0M Pa)对粉煤浓相输送、粉煤加料、工艺特点进行试验研究,所用原料煤种大多为褐煤。
1983年又建成一套名称为W30(气化压力3.0M Pa)的大型试验装置,装置累计进行了20000多小时的运行试验,并且完成灰熔点1500℃的高灰熔点褐煤的气化试验。
GSP气化工艺的褐煤试验结果见表3。
表3 GSP气化工艺的褐煤试验结果项 目试验结果煤气组成 %COH2CO2CH4H2S+CO S N2+A r 56.2 32.5 6.7 0.1 0.4 4.1碳转化率 %比氧耗比煤耗比汽耗冷煤气效率 %98360m3 1000m3(CO+H2) 675kg 1000m3(CO+H2) 170kg 1000m3(CO+H2)73 GSP气化工艺的加料系统采用惰性气流输送,两个加压的进料煤斗交替工作,这是该工艺的一个主要技术特点。
气化炉为直立圆筒的水冷壁结构,类似于重油气化炉和水煤浆加压气化的炉型。
粉煤、氧、蒸汽从位于气化炉顶部的喷嘴送入,高温煤气和熔渣并流由气化炉的下部排出进入净化系统。
GSP气化工艺流程如图3所示。
图3 GSP气化工艺流程示意图近年来,西北化工研究院正在着手进行干法粉煤气化技术的开发研究,已建成一套类似于GSP的干法气化小型试验装置,投煤量为15kg h～20kg h,气化炉采用GSP炉型,由于装置规模较小,热损失大,炉内为全耐火材料结构,主要进行干法加压进料技术和工艺条件、不同煤种的探索试验。
若国家给・81・煤 化 工 2000年第1期予支持的话,计划将本院原有的一套水煤浆加压气化中试气化炉改造为干法进料的GSP 工艺进行干法气化技术的开发研究,可以节省干法气化试验装置的建设费用。
3 应用前景干法粉煤气化的应用前景十分广泛,其主要应用范围如下。
目前,我国煤炭发电量占总发电量的76%,预计到2020年虽然我国的水电和核电将有较大的发展,但煤电仍将占总发电量的73.2%,因此洁净煤发电将为干法粉煤气化技术提供广阔的市场。
国家计划在2000年左右建立具有相当规模(200MW ～400MW )技术先进的洁净煤气化联合循环发电的示范电站,为21世纪的推广应用做技术准备。
利用SCGP 气化工艺在荷兰南部B uggenum 建成的联合循环发电装置,整个发电装置的净热效率达46%～47%,下世纪将达50%,由此可见干法粉煤气化技术是提高煤炭利用效率和经济效益的有效途径。
这一方面尤为重要,因为我国能源利用率较低是目前急待解决的问题,其整体能源利用率还不到30%,造成了极大的能源浪费,采用先进高效的煤气化技术是解决这一问题的方法。
另一方面燃煤电厂锅炉大量排放的烟尘、SO 2、NO x 、CO 2给环境保护造成了很大的压力。
国家已把降低污染、保护环境列为重要的议事日程,提高效率减少污染将是煤炭综合利用的基本原则,发展洁净煤技术是唯一可行的选择,因此可以说洁净煤技术是中国能源的未来,这就为先进高效的干法粉煤气化技术提供了广阔的应用前景。
我国的化学工业是以煤化工起步的,近年来虽然石油化工有了很大的发展,但由于资金和原料的限制,石油化工的产品远不能满足市场的需求。
在相当长的一段时间内还很难改变以煤炭为主的局面。