科達(dá)低壓氣流床技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用分析

葉春雨，畢大鵬，黃成龍，劉淑媛，彭 敏

(安徽科達(dá)潔能股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

科達(dá)低壓氣流床技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用分析

葉春雨，畢大鵬，黃成龍，劉淑媛，彭 敏

(安徽科達(dá)潔能股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

歷經(jīng)4年研發(fā)與工業(yè)化放大實驗，安徽科達(dá)潔能股份有限公司完成低壓氣流床技術(shù)的研發(fā)和工業(yè)示范，實現(xiàn)了氣流床技術(shù)在常低壓領(lǐng)域的首次商業(yè)運用，該技術(shù)具備比氧耗低、比煤耗低、煤種適用性強(qiáng)、熱回收率高、使用壽命長、清潔性高和自動化程度高等諸多優(yōu)點。生產(chǎn)的煤氣含塵量≤10 mg/Nm3,采用純氧氣化，煤氣熱值≥10.45 MJ/Nm3，有效氣體(CO+H2)含量≥85%，碳轉(zhuǎn)化率≥98%，冷煤氣效率≥78%。科達(dá)低壓氣流床技術(shù)為工業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域和化工行業(yè)提供了一種經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、環(huán)保特性好的能源解決方案。

科達(dá)低壓氣流床技術(shù)；經(jīng)濟(jì)性；冷煤氣效率；熱值；碳轉(zhuǎn)化率

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.012

能源是人類生存和文明發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。我國 “富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了長期以來以煤炭為主的能源格局不會發(fā)生很大變化[1,2]。煤炭作為我國主要能源，支撐著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但由于受技術(shù)、規(guī)模等的限制，傳統(tǒng)的煤炭利用方式綜合利用效率低，更對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，清潔高效利用煤炭對我國的能源安全和環(huán)境保護(hù)都有重要意義。

煤的清潔高效利用技術(shù)是指在開發(fā)、利用煤炭的過程中，以減少污染和提高利用效率為目的的加工、燃燒、轉(zhuǎn)化及污染控制等技術(shù)的總稱。而煤氣化技術(shù)在煤的清潔高效利用中起到重要作用，已經(jīng)在化工生產(chǎn)、液體燃料合成、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)工業(yè)化的煤氣化技術(shù)主要有固定床、流化床和氣流床技術(shù)，其中氣流床技術(shù)由于處理量大、碳轉(zhuǎn)化率高和冷煤氣效率高等優(yōu)點逐漸成為煤氣化技術(shù)發(fā)展的主要方向[3]。目前國內(nèi)外工業(yè)化的先進(jìn)煤氣化技術(shù)主要有Shell干粉氣化、GSP干粉氣化、Texaco水煤漿氣化、OMB水煤漿氣化、水煤漿水冷壁氣化等[4]。這些煤氣化技術(shù)無一例外均為高壓氣化技術(shù)，主要針對下游為高壓合成的大型煤化工項目[5]。但針對中小型化工項目的氣頭改造和工業(yè)領(lǐng)域高熱值燃料的需求，目前尚無適用的氣流床技術(shù)，安徽科達(dá)潔能股份有限公司(以下簡稱“科達(dá)潔能”)針對這一市場空白，歷時4年，經(jīng)過前期調(diào)研、流程設(shè)計、模擬計算、設(shè)備設(shè)計、小試中試和工業(yè)化應(yīng)用，成功開發(fā)了科達(dá)低壓氣流床氣化技術(shù)，為工業(yè)領(lǐng)域散煤的清潔高效利用提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保的解決方案。

1 科達(dá)低壓氣流床技術(shù)簡介

1.1 技術(shù)簡介

科達(dá)低壓氣流床技術(shù)，突破了傳統(tǒng)氣流床均采用高壓(>4 MPa(g))氣化的特點，轉(zhuǎn)而采用常低壓(<1 MPa(g))設(shè)計，這樣一方面降低了系統(tǒng)的成本、提高了系統(tǒng)的安全性，同時有利于與下游用戶匹配，為用戶提供了高效、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)用氣解決方案?？七_(dá)低壓氣流床氣化系統(tǒng)按照單爐產(chǎn)能劃分，現(xiàn)有爐型為10～100 kNm3/h，氣化壓力在0～1.0 MPa(g)，負(fù)荷彈性目前控制在50%～110%之間。整個工藝包含磨煤系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、氣化爐、熱回收系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫鹽水系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)和富氧空氣系統(tǒng)等，具體流程見圖1。原煤經(jīng)過破碎、篩分后通過皮帶輸送至磨煤系統(tǒng)，在磨煤系統(tǒng)進(jìn)行研磨和干燥后形成粒徑<100 μm的煤粉，經(jīng)煤粉輸送系統(tǒng)送至氣化爐。氣化爐以煤粉為原料，純氧或富氧作為氣化劑，氣化劑與煤粉在煤燒嘴前部高溫反應(yīng)區(qū)接觸，并以水蒸氣作為緩沖劑，快速發(fā)生氧化還原氣化反應(yīng)，煤粉燃燒產(chǎn)生的爐渣在爐內(nèi)超過1 500 ℃的工況下，以熔融態(tài)沿爐壁向下流動，經(jīng)水淬冷后排出爐膛。粗煤氣依次通過水冷壁、換熱器多級降溫，最終由布袋除塵器除去煤氣夾帶的飛灰，除塵后的煤氣并入管網(wǎng)送入脫硫系統(tǒng)或直接送往用戶后在后系統(tǒng)脫硫。

圖1 科達(dá)低壓氣流床工藝

1.2 核心設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 多功能組合式燃燒器

燃燒器是氣化爐的核心，決定了氣化反應(yīng)的最終結(jié)果。傳統(tǒng)的燃燒器需要設(shè)置開工和氣化兩個燃燒器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，科達(dá)低壓氣流床燃燒器集點火功能和氣化功能于一體，在點火期間，先通入液化氣和氧氣/富氧，待爐內(nèi)達(dá)到一定溫度后，投入煤粉，穩(wěn)定運行后將液化氣通道關(guān)閉。

本燃燒器由外至內(nèi)依次設(shè)置水冷夾套、富氧空氣通道、天然氣通道和煤粉通道，在煤粉通道內(nèi)部設(shè)置有新型特殊結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)煤粉在通道內(nèi)的均布和強(qiáng)化燃燒器出口物流的混合。該組合式燃燒器混合效果好，結(jié)構(gòu)簡單，制造難度低，同時，每支燃燒器設(shè)立獨立的冷卻通道，避免燃燒器的高溫腐蝕，延長了燃燒器的使用壽命，正常運行可保證8 000 h以上。

1.2.2 旋流撞擊強(qiáng)化混合技術(shù)

科達(dá)低壓氣流床采用了旋流撞擊的理念，沿著氣化爐圓周設(shè)置多個燃燒器，多個燃燒器以切圓的方式互相支撐，使煤粉顆粒與氣化劑發(fā)生旋流碰撞，在強(qiáng)化混合的同時延長了顆粒的停留時間，提高了碳轉(zhuǎn)化率，同時顆粒在離心力的作用下更容易到達(dá)氣化爐內(nèi)壁面，有利于爐內(nèi)掛渣，另外，多支燃燒器的設(shè)計有利于負(fù)荷調(diào)節(jié)，在特殊工況下可采用單燃燒器、雙燃燒器和三燃燒器運行，保證特殊條件下不停車，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2.3 列管膜式水冷壁技術(shù)

利用以渣抗渣的原理，爐膛摒棄了耐火磚結(jié)構(gòu)，采用列管式水冷壁技術(shù)，并在水冷壁內(nèi)側(cè)砌筑碳化硅耐火材料。在實際運行時，高溫熔渣到達(dá)爐膛表面，由內(nèi)到外依次形成：液態(tài)渣層、固態(tài)渣層、耐火材料和水冷壁。由于熔渣的導(dǎo)熱系數(shù)極低，渣層形成了良好的保護(hù)層，有效保護(hù)了水冷壁，提高了設(shè)備在高溫運行下的安全性和使用周期，正常運行可保證水冷壁的使用壽命10年以上，同時由于破除了耐火磚的高溫沖刷限制，對于高灰熔點(>1 400 ℃)的煤種也有較好的適應(yīng)性。

1.2.4 梯級余熱回收技術(shù)

為了實現(xiàn)氣化爐整體較高的熱效率，需要盡可能地充分利用系統(tǒng)的熱量。煤氣中的高溫、中溫與低溫余熱具有不同的能量品位，對其進(jìn)行余熱回收時應(yīng)注意冷熱流的合理匹配，盡量使整個過程接近于全逆流換熱，從而降低不可逆損失，提高效率，實現(xiàn)能量的梯級回收與利用。高溫煤氣自氣化爐出來后，依次經(jīng)過輻射廢鍋、過熱器、對流廢鍋和省煤器，充分回收煤氣不同品位的顯熱，同時副產(chǎn)4.0 MPa(g)和0.8 MPa(g)飽和蒸汽外售或系統(tǒng)自用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2 主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)

2.1 用煤指標(biāo)

科達(dá)低壓氣流床氣化技術(shù)煤種適應(yīng)性好，可以燃用高灰、高硫和高灰熔點的“三高”煤，同時對于低揮發(fā)分的焦炭、半焦和飛灰也有較好適用性，主要用煤指標(biāo)見表1。

表1 科達(dá)低壓氣流床工藝用煤指標(biāo)

2.2 干煤氣成分及熱值

煤氣成分主要與原煤、氧氣濃度、輸送介質(zhì)等條件有關(guān)，科達(dá)低壓氣流床氣化系統(tǒng)基于不同用戶的需求，可以采用從富氧到純氧較寬的濃度范圍(氧氣濃度60%～100%)，也可采用N2和CO2多種介質(zhì)輸送，基于典型煤種和正常工況，干煤氣成分和熱值見表2。

2.3 煤氣雜質(zhì)成分及含量

脫硫后，煤氣中H2S含量<20 mg/Nm3，達(dá)到二類天然氣的環(huán)保要求，滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)θ剂系男枨蟆＝?jīng)過干式除塵，燃?xì)夂瑝m<10 mg/ Nm3，滿足國家對燃?xì)獾沫h(huán)保要求。

表2 干煤氣成分及熱值

2.4 煤炭利用水平

在純氧條件下，采用科達(dá)低壓氣流床進(jìn)行氣化，煤氣熱值≥10.45 MJ/Nm3，有效氣體(CO+H2)含量≥85%，碳轉(zhuǎn)化率≥98%(已考慮污泥中微量碳)，冷煤氣效率≥78%。煤炭利用水平可以與國內(nèi)外成熟的加壓氣化水平相媲美，但投資成本顯著降低，同等制氣規(guī)模的科達(dá)氣化系統(tǒng)投資僅為國內(nèi)主流的加壓氣化技術(shù)的50%左右。

3 工業(yè)示范裝置運行情況

2014年10月，科達(dá)潔能在沈陽法庫建設(shè)了2套10 000 Nm3/h的工業(yè)化示范裝置，為法庫陶瓷工業(yè)園集中供氣，裝置于2015年7月首次試車，并順利通過168h滿負(fù)荷考核。同時，在該示范裝置上進(jìn)行了煤粉、蘭炭和循環(huán)流化床飛灰等3種氣化原料的工業(yè)化運行，結(jié)果均取得了良好的運行效果。

3.1 氣化原料分析數(shù)據(jù)

科達(dá)低壓氣流床工業(yè)示范裝置分別采用煤、蘭炭和循環(huán)流化床飛灰等3種原料，3種原料分析數(shù)據(jù)分別見表3和表4。

表4 氣化原料熔融點分析數(shù)據(jù)

3.2 煤氣分析數(shù)據(jù)

3種原料在純氧氣化工況條件下，煤氣成分及熱值見表5。

表5 純氧氣化條件下煤氣成分及熱值

3.3 灰渣分析數(shù)據(jù)

三種原料氣化工況下灰渣分析數(shù)據(jù)見表6。

表6 純氧氣化條件下灰渣分析數(shù)據(jù)

3.4 物料平衡及不同工況下運行指標(biāo)

如表7所示，3種不同原料氣化工況，投料量分別為5.0 t/h、4.0 t/h和4.3 t/h。3種工況條件下的碳轉(zhuǎn)化率分別為98.28%、 98.76%和 98.06%。冷煤氣效率分別為78.79%、81.84%和78.13%。表明該套工業(yè)化示范裝置對于不同原料均能取得十分高效的氣化效率，能夠很好地處理循環(huán)流化床飛灰。對于二次利用循環(huán)流化床飛灰，提高煤炭利用效率，具有十分顯著的優(yōu)勢。

表7 科達(dá)低壓氣流床中試裝置運行指標(biāo)(純氧)

4 結(jié)語

(1)科達(dá)低壓氣流床技術(shù)突破了傳統(tǒng)氣流床技術(shù)均采用高壓的限制，實現(xiàn)了氣流床技術(shù)在常低壓領(lǐng)域的首次商業(yè)化運用，為中小型煤化工行業(yè)的氣頭改造和工業(yè)領(lǐng)域高熱值燃料提供了清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

(2)科達(dá)低壓氣流床技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率>98%，冷煤氣效率>78%，煤氣中有效氣體含量>85%，各項氣化指標(biāo)與國內(nèi)外先進(jìn)的高壓氣化技術(shù)相媲美，但所需投資顯著降低，具有良好的商業(yè)推廣前景。

(3)科達(dá)低壓氣流床氣化技術(shù)煤種適應(yīng)性好，可以燃用高灰、高硫和高灰熔點的“三高”煤，對于低揮發(fā)分的蘭炭和飛灰也有較好適用性。同時，也可進(jìn)行煤、蘭炭和循環(huán)流化床飛灰的摻混氣化。

[1] 李戰(zhàn)學(xué)，韓喜民，等.水煤漿水冷壁氣化技術(shù)綜述[J].中氮肥，2012(2)：7-10.

[2] 汪家銘.水煤漿水冷壁氣化技術(shù)及其應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)，2012，30(10)：30-33.

[3] 武金鋒,徐蕊，等.煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].氮肥技術(shù)，2009，30(4)：13-15.

[4] 趙麥玲.煤氣化技術(shù)及各種氣化爐實際應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].化工設(shè)計通訊，2011，37(1)：8-14.

[5] 汪壽建.現(xiàn)代煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢及應(yīng)用綜述[J].化工進(jìn)展，2016，35(3):653-664.

Analysis of Keda Entrained-Flow Gasifier Technology and Its Industrial Application

YE Chun-yu, BI Da-peng, HUANG Cheng-long, LIU Shu-yuan, PENG Min

(AnhuiKedaCleanEnergyCo.,Ltd.,Ma'anshanAnhui243000China)

After 4 years of research and development as well as the industrial amplification experiment, Keda has completed the research and development and industrial demonstration, realized the first commercial use of the entrained-flow gasifier technology in the atmospheric low pressure field.This technology has such advantages as low oxygen consumption ratio, low coal consumption ratio, strong coal adaptability, high heat recovery rate, long service life, high cleanliness and high degree of automation, etc.The production of gas containing dust is less than 10 mg/Nm3; Using pure oxygen gasification, gas calorific value is greater than or equal to 10.45 MJ/Nm3, the effective gas (CO+H2) content is more than 85%, the carbon conversion rate greater than 98%, the cold gas efficiency more than 78%.Keda entrained-flow gasified under low pressure provides an economical and clean resolution for the industrial fuel field and chemical industry field.

KEDA entrained-flow gasifier under low pressure，economical efficiency，cold gas efficiency，heating value，carbon conversion rate

葉春雨(1989年-)，湖北隨州人，2014年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事工藝開發(fā)相關(guān)工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.012

TQ 546

B

1004-8901(2016)06-0042-04

2016-07-20