淺談煤加壓氣化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)

高源(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司， 250014)

淺談煤加壓氣化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)

高源(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司， 250014)

伴隨我國(guó)能源需求量的日益增加，對(duì)煤加壓技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提出更高的要求。從我國(guó)當(dāng)前煤加壓氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀看，取得較多突破性成就，在加壓固定床、加壓流化床等技術(shù)上應(yīng)用都較為廣泛，且強(qiáng)調(diào)在氣化爐上不斷完善。本次研究將對(duì)加壓固定床氣化技術(shù)、加壓流化床氣化技術(shù)研發(fā)情況以及煤加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)相關(guān)建議進(jìn)行分析。

加壓固定床氣化；加壓流化床氣化；干煤粉加壓氣化爐

0 前言

作為城市煤氣、工業(yè)燃料氣、化工合成氣生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵性技術(shù)之一，煤加壓氣化技術(shù)可納入潔凈煤技術(shù)范疇中。近年來(lái)，在燃料電池(IGFC)、加壓流化床鍋爐與循環(huán)發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用(PFBC)以及煤氣化技術(shù)與循環(huán)發(fā)電技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用(IGCC)下，使煤基發(fā)電、煤基化工領(lǐng)域中煤加壓氣化技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，但值得注意的是，相比發(fā)達(dá)國(guó)家煤加壓氣化技術(shù)發(fā)展，我國(guó)無(wú)論在技術(shù)研發(fā)或利用層面仍有一定的滯后性，需立足于當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，加大研發(fā)力度。因此，本文對(duì)煤加壓氣化技術(shù)研發(fā)的相關(guān)研究，具有十分重要的意義。

1 加壓固定床氣化技術(shù)

煤加壓氣化技術(shù)中，加壓固定床氣化技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較早，我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)從常壓固定床發(fā)生爐氣化試驗(yàn)上著手，對(duì)固定床加壓氣化技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用，取得良好的效果，為后期煤加壓氣化技術(shù)的研發(fā)提供重要指導(dǎo)。其中最為典型的加壓固定氣化技術(shù)以Φ100mm加壓小試氣化技術(shù)、Φ650mm中試氣化技術(shù)研究為主。

1.1 Φ100mm加壓小試氣化技術(shù)研究

Φ100mm加壓小試氣化技術(shù)的研發(fā)，主要為解決中試氣化技術(shù)下試驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，不利于大量煤種試驗(yàn)的開(kāi)展。從該技術(shù)下的裝置看，氣化爐以5.0MPa作為設(shè)計(jì)壓力，3.0MPa作為運(yùn)行壓力，在出灰、進(jìn)料裝置上都較為完善，可長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)。加之設(shè)計(jì)中為防止有爐內(nèi)懸空、掛料情況發(fā)生，可將攪拌破粘裝置設(shè)置于爐頂部，并將自動(dòng)分析系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)配置其中，有助于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集。該裝置近年來(lái)在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)投入應(yīng)用，在多次煤種試驗(yàn)中能夠發(fā)現(xiàn)，在煤種變質(zhì)程度較高情況下，煤氣CH4含量保持降低趨勢(shì)，且此時(shí)氣化強(qiáng)度不高，降低焦油生產(chǎn)率，提高產(chǎn)氣率。同時(shí)，在降低汽氧比情況下，煤氣中CO2、CO分別處于下降、增加趨勢(shì)，此時(shí)煤氣熱值上升。對(duì)于這些試驗(yàn)結(jié)果，一定程度上可反映出小試氣化技術(shù)操作汽氧比較低，主要?dú)w因于氣化中有較大的散熱量。正因散熱量大，導(dǎo)致氣化爐消耗蒸汽時(shí)，煤氣氧耗問(wèn)題較為嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)，解決該問(wèn)題中可考慮輔以加壓活性試驗(yàn)、加壓低溫干餾試驗(yàn)，其獲取的數(shù)據(jù)能夠用于加壓氣化工程研究。

1.2 Φ650mm中試氣化技術(shù)研究

該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早，自上世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)便有研究強(qiáng)調(diào)在民用煤氣生產(chǎn)方面引入Lurgi氣化技術(shù)，由此便出現(xiàn)Φ650mm中試氣化技術(shù)。技術(shù)應(yīng)用中采用中試裝置氣化爐，以2.0MPa～2.5MPa作為運(yùn)行壓力，2m燃料層高度，且保持850m3/m2·h～1500m3/m2·h氣化強(qiáng)度，可達(dá)到200kg/ h～500kg/h耗煤量。從近年來(lái)Φ650mm中試氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)較多地區(qū)的應(yīng)用情況看，取得的成果較為理想。實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，裝置運(yùn)行較為穩(wěn)定，即使工藝條件不同，汽氧比仍可達(dá)到最佳，且應(yīng)用過(guò)程中無(wú)需將攪拌裝置配置其中，可投入實(shí)際使用中[1]。

2 加壓流化床氣化技術(shù)研究

煤加壓氣化技術(shù)應(yīng)用中，需考慮到實(shí)際加工生產(chǎn)中可能有低熱值褐煤、高硫煤等，且大多煤在成漿性上較差，灰熔點(diǎn)較高，如何保證高效清潔利用，便需通過(guò)煤加壓氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而其中的技術(shù)便體現(xiàn)在加壓流化床氣化技術(shù)層面，要求技術(shù)應(yīng)用中將煤加壓氣化中存在的相關(guān)問(wèn)題解決，如煤氣化裝置運(yùn)行不穩(wěn)定、能耗過(guò)大、碳轉(zhuǎn)化率低以及合成氣帶灰嚴(yán)重等。對(duì)此，本文在研究中主要從Φ300mm中試氣化技術(shù)、Φ100mm小試氣化技術(shù)兩方面著手，其各自應(yīng)用特征如下。

2.1 Φ300mm中試氣化技術(shù)

煤加壓氣化技術(shù)不斷發(fā)展下，我國(guó)過(guò)去幾年在IGCC、PFBC技術(shù)研發(fā)力度上不斷加強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)在加壓流化床裝置上不斷完善。裝置應(yīng)用下，有5t/d處理煤能力，450mm擴(kuò)大段直徑、300mm密相段內(nèi)徑、2.5MPa設(shè)計(jì)壓力，在產(chǎn)氣量上也可達(dá)到生產(chǎn)要求，保持為500m3/h～800m3/h。同時(shí)，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，以完全氣化、部分氣化兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，都可發(fā)現(xiàn)所獲取的空氣氣化煤氣熱值較為理想，且灰渣含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)被控制在10%以內(nèi)。對(duì)于Φ300mm中試氣化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析，其在裝置配置上將分析系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)以及儀表等引入其中，且氣化爐本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化要求[2]。

2.2 Φ100mm小試氣化技術(shù)

固定床生產(chǎn)中強(qiáng)調(diào)使用塊煤，但機(jī)械化采煤中要求粉煤，此時(shí)便需考慮將粉煤流化床技術(shù)引入其中。對(duì)于Φ100mm小試氣化技術(shù)，其出現(xiàn)時(shí)間早于Φ300mm中試氣化技術(shù)，主要采用小型氣化試驗(yàn)爐。氣化爐設(shè)計(jì)中，4m左右高度，3.0MPa設(shè)計(jì)壓力，即使在純氣氧化條件、富氧氣化條件、空氣氣化條件下，也能保證試驗(yàn)不中斷。從該技術(shù)實(shí)際投入使用情況看，可發(fā)現(xiàn)在壓力、甲烷含量增加下，可取得較高的煤氣熱值，有助于提高氣化效率。由于氣化劑中氧氣濃度保持較高，將增加煤氣內(nèi)有效成分，這樣在55%～60%富氧濃度下，(CO+H2)/N2≥3，該結(jié)果對(duì)于氨的生產(chǎn)較為適用。同時(shí)，在二甲醚合成、甲醇合成等要求上，純氧水蒸氣氣化煤氣都可滿足[3]。

假若對(duì)加壓固定床氣化技術(shù)、加壓流化床氣化技術(shù)比較，可發(fā)現(xiàn)后者應(yīng)用中對(duì)于褐煤、低階煤等，在生產(chǎn)能力上將超出固定床許多，加之原料制備流程簡(jiǎn)單，且實(shí)際生產(chǎn)中有較好的環(huán)境特性，無(wú)焦油類(lèi)物質(zhì)產(chǎn)生，所以其優(yōu)勢(shì)更加明顯，這也是其成為當(dāng)前煤化工領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的主要原因。

3 煤加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)

盡管我國(guó)近年來(lái)在煤加壓氣化技術(shù)研發(fā)方面取得較多突破性成就，但由于技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域范圍較廣，需考慮到滿足不同生產(chǎn)要求，這便意味煤加壓氣化技術(shù)在未來(lái)發(fā)展中仍應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用，特別在單噴嘴、多噴嘴氣化爐開(kāi)發(fā)上更應(yīng)加強(qiáng)。

3.1 干煤粉加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)要求

當(dāng)前煤加壓氣化技術(shù)應(yīng)用中，大多能夠維持在4.0MPa氣化壓力，為促進(jìn)氣化效率的提高以及裝置投資規(guī)模的控制，技術(shù)開(kāi)發(fā)中可考慮從高壓干煤粉氣化技術(shù)上著手，其在氣化壓力上要求6.5MPa。同時(shí)，技術(shù)開(kāi)發(fā)中應(yīng)注意在單爐投煤量上增加，最基本的為1000t/d以上，以2000～3000t/d單爐投煤量最為適宜。另外，技術(shù)開(kāi)發(fā)中也需考慮其他較多要求，如比氧耗的控制，應(yīng)在350m3O2/1000cm3(CO+H2)以內(nèi)，再如有效氣成分、冷煤氣效率、穩(wěn)定碳轉(zhuǎn)化率，需分別達(dá)到89%、79%、98%以上，這樣才能與發(fā)達(dá)國(guó)家煤氣化技術(shù)的發(fā)展保持同步。除此之外，考慮到煤加壓氣化技術(shù)涉及到較多關(guān)鍵性技術(shù)，所以在開(kāi)發(fā)中需對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)給予高度重視，如煤炭間接液化相關(guān)技術(shù)、煤制天然氣相關(guān)技術(shù)、IGCC相關(guān)技術(shù)以及煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等，同時(shí)，配套的裝置如氣化爐等需進(jìn)一步完善，這樣才能推動(dòng)煤加壓氣化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中[4]。

3.2 單噴嘴干煤粉加壓氣化爐開(kāi)發(fā)

無(wú)論采用哪種煤加壓氣化技術(shù)，氣化爐裝置的應(yīng)用都起到關(guān)鍵性作用，如加壓流化床氣化技術(shù)、加壓固定床氣化技術(shù)中，在裝置試驗(yàn)操作或具體投入應(yīng)用中，都強(qiáng)調(diào)氣化爐作用的發(fā)揮，其性能是影響技術(shù)應(yīng)用效果的管件。這就要求煤加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)中做好氣化爐開(kāi)發(fā)工作。從單噴嘴氣化爐開(kāi)發(fā)看，以HT-L氣化爐為例，在氣化壓力上為4.0MPa，研發(fā)中需以6.5MPa作為目標(biāo)。當(dāng)前單噴嘴氣化爐應(yīng)用中，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，部分爐型達(dá)到750t/d投煤量，也有爐型可保持1600t/d投煤量。實(shí)際研發(fā)中，可繼續(xù)在氣化效率上加強(qiáng)，使單爐投煤量提高。同時(shí)，研發(fā)中需考慮是否滿足各類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)需求，如甲醇項(xiàng)目、合成氨項(xiàng)目等。這樣在單噴嘴干煤粉加壓氣化爐開(kāi)發(fā)下，更有助于生產(chǎn)率的提高。

3.3 多噴嘴對(duì)置式加壓氣化爐開(kāi)發(fā)

與單噴嘴氣化爐比較，多噴嘴對(duì)置式氣化爐在流場(chǎng)特征上較為明顯，可實(shí)現(xiàn)以渣抗渣，氣化爐渣口在渣、氣同時(shí)下行中可被沖刷，氣化爐排渣口堵渣問(wèn)題因此被解決，同時(shí)，傳統(tǒng)氣化爐裝置應(yīng)用中高灰分、高熔點(diǎn)煤粉易在排渣口堵塞情況將被改善，加之爐水循環(huán)冷卻，使水冷壁承受的溫度降低。當(dāng)前多噴嘴對(duì)置式氣化爐開(kāi)發(fā)中，常見(jiàn)的以四噴嘴氣化路方式為主，其開(kāi)發(fā)應(yīng)用下優(yōu)勢(shì)更加顯著，如調(diào)節(jié)負(fù)荷方便等，若將帶壓連投技術(shù)引入其中，更能滿足裝置的靈活性、大型化要求。為提高多噴嘴對(duì)置式應(yīng)用效果，后續(xù)研發(fā)中，需注意引入更多技術(shù)如遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、工程放大技術(shù)、排渣工藝以及煤粉密相輸送技術(shù)等[5]。

4 結(jié)論

煤加壓氣化技術(shù)的應(yīng)用是我國(guó)當(dāng)前較多工業(yè)領(lǐng)域中生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)。具體研發(fā)中，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)加壓固定床氣化、加壓流化床氣化等技術(shù)應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)與不足，明確未來(lái)研發(fā)中加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)要求，注意在單噴嘴氣化爐、多噴嘴對(duì)置式汽化爐等裝置上建設(shè)完善。這樣才能真正發(fā)揮煤加壓氣化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為生產(chǎn)工作的開(kāi)展提供技術(shù)保障。

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[2]徐才福,夏吳,張宗飛,等.WHG氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì),2015,(02):1-4+32.

[3]劉樂(lè)利.新型干煤粉加壓氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)及示范工程建設(shè)淺析[J].煤炭加工與綜合利用,2014,(02):34-36.

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[5]成雷.粉煤加壓氣化爐燒嘴技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)[J].大氮肥,2011,(02):122-124.