专论与综述

常压循环流化床(CFB)气化技术概况

佟浚芳,郭新宇(国家化工行业生产力促进中心,江苏昆山󰀁215337)

[摘󰀁要]介绍鲁奇公司的常压循环流化床(CFB)气化技术开发过程,以湿法为例介绍CFB生产合成气的基本流程。该工艺具有原料范围广,系统温度均匀,操作温度、压力低,氧耗低等特点,特别适合于日处理煤300~500t的装置。进行了UGI常压气化法、Texaco加压气化法和CFB气化法三种方法的工艺技术比较。[关键词]煤气化;合成气;循环流化床[中图分类号]TQ546󰀁2󰀁[文献标识码]A󰀁[文章编号]1004󰀂9932(2003)02󰀂0001󰀂06

[收稿日期]2002󰀂12󰀂05[作者简介]佟浚芳(1932-),女,辽宁沈阳人,高级工程师,长期从事煤气化研究工作。Asurveyofatmosphericcirculatingfluidiedbed(CFB)gasificationtechnologyTONGJun󰀂fang,GUOXin󰀂yu(ChinaNationalChemicalIndustryProductiveForcePromotedCenter,Kunshan215337,China)Abstract:ThisarticlepresentsthedevolopingprocessofLurgiatmosphericcirculatingfluidizedbed(CFB)gasificationtechnologyandtheprincipleprocessflowofCFBtoproducesyntheticgaswithanexampleofwetprocess.Thisprocesstakesthecharacteristicsofwiderangeoffeedstock,eventemperatureinsystem,lowoperationtemperatureandpressure,lowoxygenconsumption,etc.,beingparticularlyapplicableforunitsof300~500t󰀁dcoalprocessingcapacity.ItalsomakesacomparisononprocesstechnologyofUGIatmosphericgasificationprocess,TexacopressurizedgasificationprocessandCFBgasificationprocess.Keywords:coalgasification;syntheticgas;circulatingfluidizedbed󰀁󰀁传统的流态化是指细小的固体与具有一定流速的流体组成两相体系统,其中固体颗粒被上行的流体支撑而形成悬浮体系统,它的流动行为在许多方面具有与真实液体相同的性质,是一种流、固两相高效接触的技术。流态化技术已应用于许多工艺流程,由于工艺条件的差异,不同工艺过程对流态化行为又有其特殊的要求,循环流态化就是其中的一类。循环流态化是指以介于鼓泡床和输送床典型流速之间的流体速度使流、固两相并流向上的流动过程,过程中固体颗粒内的流动速度明显低于流体速度,致使流、固相间具有的滑动速度最大。这种伴有固体颗粒循环高速流动的流、固相接触体系具有最大的接触效率,并能获得较高的传热和传质速度。这对某些工艺过程能顺利、有效地进行极为重要。循环流化床反应器应用于煤的燃烧或气化工艺,由于煤粒在系统内不断循环,提高了气、固相接触效率,使煤燃烧或气化反应快捷而又完全,同时也满足了反应温度均匀的要求,解决了煤的粘结问题。常压循环流化床气化技术正是这种高效、无气泡的气、固相接触技术的体现,它既有流化床内部形成的内循环,又有被气第2期2003年3月中󰀁氮󰀁肥M󰀂SizedNitrogenousFertilizerProgressNo󰀁2Mar󰀁2003流夹带出床层的物料又返回床层的外循环,系统内物料具有多重循环,从而使气化反应进行得更为完全,碳转化率更高;整个反应系统温度均匀,大大降低了产品气中焦油含量,有利于环保。又由于该技术具有对原料适应范围广,操作灵活,装置设备简单等优点,近些年来受到有关方面的关注,是一项适合我国中小型合成氨厂技术改造和小城镇煤气化事业发展的较为理想的技术。本文对鲁奇公司的CFB气化技术作一剖析,以便全面了解这一技术。1󰀁CFB气化技术发展概况鲁奇公司在煤气化领域从事研究开发工作已有半个多世纪的历史,开发成功的气化方法也很多:固定床、沸腾床及气流床三大工业化的气化方法它都拥有,气化技术经验极其丰富。近20多年来,该公司经过反复的研究与开发,从冷模试验到工业示范先后建立了8套不同规模的装置,经过大量试验研究,终于开发成功了常压循环流化床气化技术。CFB气化技术主要开发过程及装置如下。(1)󰀁200mm的热模小试装置主要是进行各种原料的评价试验,它可为工程开发提供基础数据。(2)CFB中试装置规模为50kg󰀁h煤的中试装置,主要进行各种原料的试验,装备有各种控制系统,是较完整的工程开发装置,但鲁奇公司认为它仍不能提供工业化需要的工程数据。(3)󰀁700mm中试装置每小时处理煤100~200kg的CFB中试装置,此装置产出热量1󰀁5MW,如若煤的热值差时,要达到此热量,则需要处理500kg󰀁h。该装置设施齐全,类似工业装置,鲁奇公司在其上做了大量的试烧试验。至今已试烧过的原料有高硫煤、高灰煤、褐煤(含盐的褐煤、含木质素的褐煤)、烟煤、洗煤滤渣、石油焦、页岩油、树木废料、树皮、泥炭、牛粪、工业淤泥等50多种。该装置有完整的控制与操作系统,CFB技术的工程开发工作主要是由此装置完成的。(4)Pols纸浆厂的CFB装置奥地利最大纸浆厂󰀂󰀂󰀂Pols纸浆厂采用鲁奇公司CFB技术于1986年建成了第一套工业规模的气化装置,以废树皮为原料,规模为27MW,产品气用作石灰窑燃料。尽管该装置因产品气夹带粉尘较多,影响后续产品质量,近年来已停止运行,但这套装置为CFB技术的推广做了大量的工业化试验,如空气和煤的入口高度试验,旋风除尘器试验等。(5)德国柏林Rudersdorf公司的CFB装置此装置中CFB炉内径3󰀁5m、高25m,每天处理原料煤600t,正常产生热能为100MW。使用的原料有四种,包括煤、城市垃圾、废橡胶和城市污泥,因此该炉子有四种原料贮罐,四个进料口。该装置现已投产,每小时约产出燃料气50000m3,供水泥窑用,每天可生产水泥5000t。鲁奇公司在上述研究和开发的基础上,已在一些工厂建立了CFB气化装置,所生产的燃料气用于发电项目的有德国德斯堡电厂、柏林电厂,美国德克萨斯州TNP电厂和法国的电厂等。此外,该公司还试图建立采用不同固体燃料制取化工合成气的示范装置。前些年我国宣化化肥厂曾酝酿采用该技术取代现有的UGI固定层气化炉,随后山东德州化肥厂也曾考虑过CFB气化炉替代UGI炉,但因种种原因这项工作均未继续下去。鲁奇公司提供的CFB技术典型工艺数据如表1所示。表1󰀁CFB技术的典型工艺数据󰀁󰀁燃料种类树皮煤焦炭燃料组成󰀁%󰀁󰀁C39󰀁859󰀁669󰀁5󰀁󰀁H5󰀁03󰀁10󰀁5󰀁󰀁O35󰀁23󰀁60󰀁5󰀁󰀁N0󰀁61󰀁20󰀁8󰀁󰀁水分13󰀁66󰀁016󰀁0󰀁󰀁灰分5󰀁826󰀁512󰀁7工艺参数󰀁󰀁气化剂空气蒸汽󰀁O2CO2󰀁O2󰀁󰀁燃料气化剂用量󰀁m3󰀁kg0󰀁761󰀁20󰀁0󰀁400󰀁46󰀁0󰀁62󰀁󰀁燃料产气量󰀁m3󰀁kg1󰀁701󰀁901󰀁65气体组成󰀁%󰀁󰀁CO213󰀁615󰀁59󰀁6󰀁󰀁CO14󰀁638󰀁275󰀁8󰀁󰀁H214󰀁434󰀁711󰀁8󰀁󰀁CH44󰀁02󰀁50󰀁2󰀁󰀁CnHm1󰀁80󰀁1󰀁󰀁N235󰀁30󰀁50󰀁1󰀁󰀁H2O16󰀁38󰀁52󰀁5 2 中氮肥第2期󰀁󰀁综上所述,鲁奇公司的CFB技术经历了多层次的开发与应用,经过不断的改进与提高,已日臻完善。它具有新技术和产业化的特性,是比较成熟而又可靠的燃料气生产技术,同时也具备以煤为原料制取合成气的基础。2󰀁CFB气化工艺过程及关键环节(1)CFB气化工艺流程CFB气化工艺过程可分为干法和湿法两种流程,分别见图1和图2。

图1󰀁干法CFB工艺过程方框图󰀁

图2󰀁湿法CFB工艺过程方框图󰀁󰀁干法CFB工艺适用于生产工业燃料气,湿法则适用于城市煤气和合成气的生产。本文将对湿法工艺作一概略的描述。来自煤场的原料煤经破碎至<4~5mm,送至计量槽,再由螺旋进料器送入气化炉下部,与从底部进入的蒸汽、氧(纯度!98󰀁8%)等气化剂混合,进行气化反应。气化压力0󰀁2MPa,温度1050∀,气体停留时间4~6s,气体流速1~4m󰀁s。出口粗煤气温度900~950∀,粗煤气夹带出来的固体大部分在循环旋风分离器内脱除,并由带有气封的下灰管循环返回气化炉底部。由于新鲜原料、气化剂和大多数为炉灰的循环物之间能迅速混合,气化反应在气化炉底部附近立即开始。循环物和新加入的原料之比可高达40,因此碳转化率较高,底部灰经水冷螺旋出料器,由旋转阀排入灰仓送出界区外。气体离开旋风分离器时含尘量为25~50g󰀁m3,进入废热锅炉冷却至220~240∀,同时产生低压饱和蒸汽。锅炉给水是在汽包和蒸汽发生器之间自然循环。产生的低压饱和蒸汽在蒸汽过热器中过热到200∀左右,其中约1󰀁3作为气化炉用气化剂,余下部分送入工厂蒸汽管网。离开废热锅炉的粗煤气在多级旋风分离器和袋式过滤器中进一步除尘。多级旋风除尘器脱除的灰经喷射器送回气化炉。袋式过滤器排出的飞灰送去作燃料或加工成型煤。煤气再通过洗涤饱和塔洗涤脱除NH3、CN-、Cl-和其他水溶性化合物、灰尘,同时冷却至40∀,满足压缩机入口温度要求和气体含尘量少于5mg󰀁m3的要求。从洗涤塔排出的水在浓缩器内靠重力分离成有机相和水相。有机相(油相)连同浓缩器下部排出的灰渣一起返回气化工段,喷入气化炉;大部分水循环使用,部分废水送往水处理站。(2)CFB系统的关键组成部分CFB气化单元的基本结构如图3所示。CFB气化系统主要组成部分包括如下:#有耐火材料衬里的立式圆柱形气化炉,带有气化剂分布器和排灰的喷嘴筛板;∃耐火材料衬砌的旋风除尘器,并带有下灰管和气封罐;%气体冷却用废热锅炉、多级旋风分离器和袋式过滤器;&饱和塔、洗涤塔、文丘里管以及分离器等除尘辅助装置以满足下游工艺要求;∋燃料喂入系统及排灰系统(水冷式螺旋加料及出料器);(废水处理系统。(3)CFB气化技术的关键环节尽管循环流化技术是成熟的,CFB气化工艺设备也比较简单,但这一技术的一些关键环节还 3 第2期佟浚芳等:常压循环流化床(CFB)气化技术概况󰀁是引起业内人士的疑虑。疑虑主要有以下几方面:󰀁󰀁󰀁

图3󰀁CFB气化炉基本结构󰀁󰀁#CFB气化炉及废热锅炉的磨损,废锅的堵塞问题;∃循环流化床中气流的分布能否保证均匀流化;%能否保证循环流化床中物料单向循环,既做到床层密封又要确保不出现料堵的通畅稳定循环;&CFB的循环比调节和控制方法问题;∋现有工艺流程能否达到合成气进压缩机时粉尘含量<5mg󰀁m3的要求;(粗煤气含焦油以及工艺污水处理问题,其技术是否成熟?能否确保CFB气化工艺长期稳定运行,并可靠地应用于合成气及城市煤气生产?带着这些疑惑原化工部曾多次与鲁奇公司进行技术交流,并组团赴德、奥对CFB技术进行反复的实地考察,结论是:CFB气化技术的一些关键环节基本上得到解决,措施是有力的,技术上是成熟可靠的。尽管迄今尚未有采用CFB气化技术制取合成气的先例,但从它的开发过程和解决的一些关键问题来看,应该说它应用于合成气生产,在技术上是不成问题的。通过考察,有关人士还一致认为,这一技术对我国众多采用UGI固定层炉以无烟块煤为原料的中、小型氨厂技术改造有其独有的优势。3󰀁CFB气化技术特点目前国际上开发应用的煤气化方法,就床层类型而言,基本上可划分为三大类,其具有代表性并广泛应用的气化工艺有以下几种。固定层气化法:常压固定层间歇法(UGI法)、鲁奇干灰加压固定层法、英国不列颠煤气公司与鲁奇公司合作开发的BGL法。气流床气化法:德士古水煤浆加压气化法、美国陶氏化学公司的DOW煤气化法、Shell煤气化法以及德国Babcock公司的GSP加压法。沸腾床气化法:高温温克勒法(HTW法)、CFB法。属于沸腾床的CFB技术是以含碳>10%的各类含碳固体为原料,根据目的产品气要求可分别采用空气、蒸汽、氧气或二氧化碳作为气化剂, 4 中氮肥第2期