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两段炉(TPRI)气化技术概况

    11月28日,阳煤丰喜化工企业经理办公会议对3000吨/年J酸复产进度做了安排,计划12月底打通J酸工艺流程,明年元月试产。
    据悉,2008年6月,该企业3000吨/年J酸项目投料试产两个月,迫于市场压力停产。今年企业2-萘酚项目成功复产后,在对2-萘酚下游产品J酸市场的跟踪和调研中,发现J酸行情看涨,且企业有一定客户源。通过经济效益核算,明确利润目 两段炉(TPRI)气化技术概况
    1、技术概述
    荷兰 Shell 和德国 Prenflo气化炉均为以干煤粉形式进料的气化装置,但它们只有一级气化反应,为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞,不得不在后续工艺中采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷,其热量损失很大,气化炉的碳转化率、冷煤气效率和总热效率等指标均比较低,并且由于煤气流量较大,造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大。
    为了解决这一问题,中国华能清洁能源技术研究院(下简称华能清能院)(原西安热工研究院有限企业(TPRI))开发出了一种新型的两段式干煤粉加压气流床气化炉,基本设计思路是采用上下两个炉膛,下炉膛是第一反应区,高温区,煤粉、水蒸气和氧气主要在此反应气化;上炉膛为第二反应区,低温区,喷入过热蒸汽和煤粉。该装置中上段炉的作用一是代替循环合成气使煤气急冷,二是利用下段炉煤气显热进行进一步反应,提高总的冷煤气效率和热效率。渣口设在下炉膛底部高温段,采用液态排渣。
    TPRI于1997年建成了国内第一套干煤粉加压气化特性试验装置,该装置的气化能力为 0.7~1.0t/d 煤粉,压力为3.0MPa。利用该装置完成了14种中国典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。2004年,在陕西渭河化肥厂完成36-40t/d两段式干煤粉加压气化中试装置,压力3.0MPa。有激冷和废锅两种流程。在该装置上完成了若干种煤的气化试验研究,取得了充分的煤气化过程数据。试验煤种的灰分试验范围为5%~30%,挥发分试验范围为8%~40%,灰熔点试验范围为1100℃~1600℃,覆盖了从褐煤、烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。
    2、技术特色
    该气化炉工艺原理相当于干煤粉的E-Gas炉,属气流床炉型。炉体外壳为一直立圆筒(图1),炉膛采用水冷壁结构,炉膛分为上炉膛和下炉膛两段,下炉膛是第一反应区,用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上,渣口设在下炉膛底部高温段,采用液态排渣。上炉膛为第二反应区,其内径较下炉膛的内径小,且较高,在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次煤粉和水蒸气进口。运行时, 由气化炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或富氧)、蒸汽,所喷入的煤粉量占总煤量的80%~85%;在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和煤粉,所喷煤粉量占总煤量的15%~20%。该装置中上段炉的作用一是代替循环合成气使温度高1400℃的煤气降温至约900℃(灰熔点以下),从而省去冷煤气激冷过程。二是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化,提高总的冷煤气效率和热效率。
    流程简述:
    水分低于2%、细度85%小于200目的粉煤首先储存于常压煤粉仓,经过计量仓后靠重力落入煤粉变压仓。变压仓用N2充压,当与煤粉输送仓压力平衡时.煤粉落入输送仓,然后被N2输送至气化炉一段和二段喷嘴,氧气经预热后与过热蒸汽混合进入一段喷嘴。粉煤、氧气、水蒸汽在气化炉一段反应区着火并进行气流式火焰反应,反应压力达到3.0 MPa。生成以CO和H2为主的高温粗煤气,二段喷入的煤粉和蒸汽遇到高温粗煤气后发生煤的热解、挥发分的燃烧和裂解、碳的燃烧和气化等多种反应,并将高温粗煤气冷却至900 ℃以下。而后,煤气由气化炉顶部进入废热锅炉,在冷却降温后进入旋风分离器进行干法除尘。旋风分离器收集的飞灰被返回气化炉一段煤粉仓进行返炭气化,以便提高气化炉总的碳转化率,经过干法除尘的煤气在洗涤塔内进行水洗,进一步降温和除尘。洗涤后的煤气送往后工段。气化炉水循环系统采用强制循环,运行压力为4.0MPa,高于气化反应压力。脱氧水经循环水泵升压后进入位于气化炉顶部的废热锅炉。经过换热后的脱氧水出废热锅炉,依次进入气化炉一段水冷壁、二段水冷壁。水在水冷壁内吸热后仍将以不饱和水的状态离开水冷壁,以避免出现传热恶化,损坏水冷壁管,然后在水闪蒸罐中闪蒸。在水冷壁管靠近炉中心侧有密集的抓钉,用来固定碳化硅耐火层。耐火层厚度为20~40mm,因有水冷壁管冷却,耐火层表面温度低于液态渣的凝固温度,会在耐火层表面结一层凝固渣层,最后形成流动渣膜,对耐火层起到保护作用。煤气化反应过程生成熔融态的炉渣,在气化炉水冷壁的内壁上附着,并形成一层渣保护层,“以渣抗渣”。随着渣层的增厚,上层熔渣在重力作用下.向下流动进入气化炉底部的水域内,被水激冷后,定期从气化炉底部经渣锁斗排至渣池环形空间位于气化炉压力容器和水冷壁之间。气化炉运行时充氮气进行保护,压力略大于气化炉内操作压力,设计环形空间是为了容纳水的输出/输入管和联箱。并且,环形空间还有利于检修。为保护气化炉喷嘴,防止气化炉内的高温对喷嘴造成过热损坏,设有喷嘴冷却水系统。喷嘴冷却水槽的软水经喷嘴冷却水泵分别打入一段喷嘴和二段喷嘴。出喷嘴的冷却水经减压后进入喷嘴冷却水冷却器进行冷却,然后返回喷嘴冷却水槽循环使用。
    为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的不同要求,两段式干煤粉加压气流床气化炉根据下游工艺的不同要求,可以采用有废锅和无废锅两种形式,即适合于煤化工工艺的煤气激冷流程和适合于发电工艺的废锅流程。在激冷流程中,用激冷水将煤气直接冷却至 300℃以下,这种工艺方式的系统比较简单,投资较少(图2)。此工艺流程适用于化工领域及多联产。如果使用废锅流程(图3),则粗煤气中15%~20%热能被回收为中压或高压蒸汽,气化工艺总体的热效率可以达到98%。此工艺过程比较适合于 IGCC 项目。用于发电时, 二段喷煤粉, 用于激冷降温, 此时合成气中甲烷较多;用于化工生产时, 二段停用, 此时合成气组分与壳牌类似。标后,该企业决定启动3000吨/年J酸复产计划,为明年发展赢得优势和主动。

图1  两段式干煤粉加压气化炉结构示意

                                        图2 两段炉废锅流程示意图

           图3  两段炉激冷流程示意图

   
       
   
主要特点:
    两段式加压气化工艺的特点有:干煤粉、上行废锅、多喷嘴、水冷壁、两段喷烧。主要优点是:
   (1)与Shell炉对比,用二段气化代替冷煤气激冷,提高了热效率,减少了煤气流量,从而煤气冷却器、除尘、水洗涤装置尺寸减小1/2。
   (2)与Shell炉对比,由于取消了冷煤气激冷,从而省略了冷煤气加压返回的设备投资,系统自耗功大幅度降低。
   (3)气化温度范围1300~1700℃,气化反应压力0.5~4.0MPa,碳转化率达99%以上,有效气体成份(CO+H2)达90%以上。不产生焦油、酚等凝聚物,不污染环境,合成气质量好;
   (4)煤种适应性好,可气化褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤以及高灰分、高灰熔点煤,运行稳定可靠;
   (5)气化炉采用水冷壁结构,以渣抗渣,无耐火砖衬里,维护量少,无需备炉。水冷壁寿命长达20年,烧嘴寿命长达10年;
   (6)由于上炉膛不喷氧,所以氧耗较低。与国外先进干法气化技术相比,冷煤气效率提高了2-3%,比氧耗低10-15%;与水煤浆气化技术相比,冷煤气效率提高7-10%,比氧耗降低20%-30%;
   (7)两段式干煤粉气化炉可配套适合于化工领域的激冷流程和适合于电力领域的废锅流程;
   (8)气化系统全部国产化,比国外先进干法气化炉造价低40%左右。
   主要气化技术指标:
   已经建成的36~40吨/天的两段式干煤粉加压半工业性装置(国家863重点项目—“干煤粉加压气化技术”),通过了168小时连续运行考核试验,累计运行达2200小时以上,达到了如下的技术指标:
   •碳转化率≥98%
   •比氧耗:300Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)
   •比煤耗:520kg/1000Nm3(CO+H2)
   •冷煤气效率≥83%
   •有效气成份(CO+H2)≥91%
 典型煤种的气化合成气成分:
 表1  两段炉合成气体成分
        煤种        褐煤    
烟煤     贫煤    无烟煤
        CO(%)     61.9    62.38    62.36    69.93
        H2(%)     27.84   29.36    28.98    21.78
       CH4(%)     0.05     0.26     0.14     0
       CO2(%)     3.59     2.76     4.29     4.52
       H2S+COS(%) 0.11     0.37     0.24     0.14
       N2(%)      6.51     4.87     3.99     3.61
    煤种要求:
    范围:褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等; 水分:4%~35%;
 灰分:5%~31%;
 灰熔点:1200℃~>1500℃。
    与进口Shell及Texaco气化气体成分比较,表2。
 表2 气体成分比较
     
    3、主要问题
    两段喷干煤粉加压气化工艺的主要问题是:
   (1)干粉进料的普遍问题如:气化压力低、粉煤制作、输送过程能耗大、安全性、环保型不如液态进料。另外合成气惰性组分含量高。
   (2)实际工业运行时间短,对高灰熔点劣质煤适应性未检验。
    4、实际应用
    该技术目前有两套运行的工业装置,主要项目有:
   (1)2000 t/d级(废锅流程)已经应用于华能集团位于天津的“绿色煤电”250MW IGCC电站项目,为该气化炉首次工业化应用,于2012年4月17日气化装置一次投料成功。主要运行指标:
        •气化炉处理煤量: 2000t/d (全废锅流程)。
 •煤种:神木烟煤
 •操作压力: 3.0MPa
 •操作温度: 1400~1600℃
 •输送气体:N2
 •有效气流量(CO+H2): 137000Nm3/h
 •比氧耗:310 Nm3/1000Nm3(CO+H2)
 •冷煤气效率:83%
 •有效气成份(CO+H2):91%
 •发电功率: 250MW
    2012年10月全部生产流程打通,IGCC机组并网发电。10月30日至11月7日,绿色煤电项目进行了IGCC全厂长周期运行考核试验。考核试验中,IGCC全厂连续运行175小时,气化装置连续运行193时。截至2012年11月17日,绿色煤电项目气化装置已经累计开车十四次,累计运行817小时,其中最长连续运行193小时(8天)。 长期稳定运行时,负荷达到86%,气化炉压力达到3.0MPa,合成气产量达到118516Nm3(有效气)/h。最高负荷达到97.4%,合成气产量达到133671Nm3(有效气)/h。
    2012年12月7日投入正式运营。
   (2)1000吨/天级(激冷流程)已经应用于内蒙古世林化工有限企业年产30万吨甲醇项目,气化炉处理煤量: 1000t/d (激冷流程)。
     •煤种:鄂尔多斯烟煤
?     •操作压力: 4.0MPa
?     •操作温度: 1400~1500℃
?     •输送气体:CO2
?     •有效气流量(CO+H2):71500 Nm3/h
?     •比氧耗:310 Nm3/1000Nm3(CO+H2)
?     •冷煤气效率:83%
?     •有效气成份(CO+H2):91% 
 2012年8月9日,两段式干煤粉加压气化技术首个用于化工领域的工业装置,由内蒙古世林化工有限企业采用的两段式干煤粉加压气化技术激冷式流程的1000吨/天级两段式干煤粉加压气化装置,用于生产30万吨/年甲醇一次投料成功,产出符合合成甲醇需要的合成气。截至10月28日,内蒙古世林项目气化装置已经累计开车八次,累计运行919小时,其中最长连续运行703小时(29天7小时)。 长期稳定运行时,负荷达到80%,气化炉压力达到3.0MPa,合成气产量达到57000Nm3(有效气)/h。2012年12月9日产出合格甲醇产品。目前稳定运行。
   (3)华能呼伦贝尔60万吨甲醇项目,2800t/d,激冷流程,设计中。
   (4)山西华鹿20万吨甲醇项目,1000t/d,激冷流程,设计中。
   (5)山西华鑫30万吨甲醇项目,1000t/d,激冷流程,设计中。
   (6) 2009年3月29日,华能集团西安热工研究院在上海与美国未来燃料企业(Future Fuels Technology LLC)及其下属的子企业(Future Power PA Inc)企业在上海签订了“两段式干煤粉加压气化技术”的使用许可原则性协议,在宾夕法尼亚筹建一座150MW IGCC电站,处理能力1200t/d,采用激冷流程。项目拟在2010年开始建设。西安热工院将承担气化岛设计、气化专有设备供货及IGCC系统设计等工作,美国未来燃料企业将向西安热工院支付专利使用费、设计及设备费。这是我国煤气化技术的第二次进入美国市场。2009年7月15日签署正式协议。该项目目前停止。

 

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