50 MW循環(huán)流化床煤炭分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)開發(fā)

李 超，李廣民，夏芝香，澹臺姝嫻，方夢祥，駱仲泱

(1.浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.中國平煤神馬集團(tuán) 開封東大化工公司，河南 開封 475000)

0 引 言

我國油氣資源短缺，煤炭是唯一可以大規(guī)模轉(zhuǎn)化成油氣產(chǎn)品的資源。煤炭經(jīng)氣化轉(zhuǎn)化為油氣產(chǎn)品的技術(shù)路線目前存在轉(zhuǎn)化能耗高、煤質(zhì)要求高以及水耗高等問題。煤炭多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將煤的熱解、燃燒、化工合成等化學(xué)轉(zhuǎn)化過程有機整合[1]，在同一系統(tǒng)中以煤炭為原料進(jìn)行多種高附加值的化工、液體燃料、熱及電力等產(chǎn)品的生產(chǎn)制備，以實現(xiàn)煤高附加值資源化利用。國外代表性工藝有英國Cranfield大學(xué)的油頁巖多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、日本IHI雙流化床多聯(lián)產(chǎn)工藝及韓國科學(xué)與技術(shù)高等學(xué)院的內(nèi)循環(huán)煤氣化燃燒工藝等；國內(nèi)浙江大學(xué)[2-6]、中科院過程所[7-9]、中科院熱物理所[10]、中科院山西煤化所[11-14]、清華大學(xué)[15-17]等單位開發(fā)了基于多種反應(yīng)器的煤熱解多聯(lián)產(chǎn)工藝。上述工藝已進(jìn)行了大量實驗室研究，并部分完成了工業(yè)試驗，具有潛在的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。特別是浙江大學(xué)[4]開發(fā)的循環(huán)流化床煤炭熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)顯示了反應(yīng)器易放大、油氣產(chǎn)率高、熱利用效率高、易實現(xiàn)規(guī)?；こ虘?yīng)用等優(yōu)勢。

煤流化床熱解方面，浙江大學(xué)和中科院等進(jìn)行了煤處理量2～40 t/h煤熱解燃燒工業(yè)試驗研究，初步驗證了通過控制熱解溫度、氣氛和灰載體等提高油氣產(chǎn)率及品質(zhì)的方法；半焦燃燒方面，中科院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等已經(jīng)完成了1～50 MW循環(huán)流化床和煤粉鍋爐半焦燃燒/混燒工業(yè)試驗，表明循環(huán)流化床鍋爐在純燒半焦方面更具優(yōu)勢；含油含塵熱解煤氣高溫除塵目前是熱解工藝難點，已有研究表明，高溫旋風(fēng)分離、膜過濾、顆粒床過濾、高溫靜電除塵等在效率及壓降等方面各具優(yōu)勢，但在運行穩(wěn)定性和大型化方面需進(jìn)一步研發(fā)。上述研究為基于發(fā)電的煤熱解燃燒技術(shù)工業(yè)應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)，現(xiàn)階段急需開展工業(yè)示范以推進(jìn)工業(yè)應(yīng)用。

中國平煤神馬集團(tuán)是一家跨區(qū)域、跨行業(yè)、跨所有制、跨國經(jīng)營的特大型能源化工集團(tuán)，年產(chǎn)5 000萬t原煤，針對大量低品質(zhì)煤的高值化利用難題，中國平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司(簡稱開封東大)與浙江大學(xué)合作計劃將1臺260 t/h循環(huán)流化床鍋爐改造為50 MW煤炭分級利用多聯(lián)產(chǎn)裝置。筆者對該技術(shù)工藝流程進(jìn)行了論述說明，并以1 MW多聯(lián)產(chǎn)試驗裝置試驗結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行了50 MW循環(huán)流化床煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計工作，為該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試 驗

1.1 1 MW循環(huán)流化床煤炭分級轉(zhuǎn)化技術(shù)

1 MW雙循環(huán)流化床煤炭分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程如圖1所示，該系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，煤炭經(jīng)給料機給入干餾氣化(熱解)爐，氣化(熱解)流化床鍋爐常壓運行，運行溫度維持在550～700 ℃，煤炭在熱解爐內(nèi)受熱裂解，釋放出包含煤氣和煤焦油的高溫?zé)峤鈸]發(fā)產(chǎn)物，同時生成固體產(chǎn)物半焦，熱解爐流化介質(zhì)為煤氣，熱解所需熱量來自燃燒爐燃燒產(chǎn)生高溫灰。熱解揮發(fā)產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器、高溫靜電除塵器、冷凝塔以及凈化器分別去除揮發(fā)產(chǎn)物中的灰塵、焦油以及煤氣中水分，回收煤焦油和煤氣，獲得煤氣可作為城市煤氣及合成燃油的原料，部分粗煤氣經(jīng)風(fēng)機送回?zé)峤鉅t作為熱解爐流化介質(zhì)，煤焦油可以直接出售或進(jìn)一步深加工利用。熱解半焦送入燃燒爐燃燒，燃燒爐為常壓運行流化床鍋爐，以空氣為流化介質(zhì)，800～900 ℃運行，產(chǎn)生的水蒸氣用來發(fā)電、制冷或供熱，燃燒灰渣具有良好的活性，可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)建材，部分燃燒高溫灰作為熱源送入熱解爐加熱給煤，燃燒爐排出的煙氣經(jīng)凈化處理可以達(dá)到超低排放。

圖1 循環(huán)流化床煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)工藝流程Fig.1 Process flow diagram of coal multi-generationbased on CFB boiler

該“多聯(lián)產(chǎn)”技術(shù)能高效節(jié)能減排、投資省、運行成本低、燃料適應(yīng)性廣、灰渣活性高，具有較高的綜合利用價值，整體經(jīng)濟(jì)效益好[6]。

1.2 1 MW煤炭分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)試驗

浙江大學(xué)和開封東大以中國平煤神馬集團(tuán)的產(chǎn)煤為試驗煤種，在浙江大學(xué)1 MW煤熱解燃燒分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)試驗臺上開展多聯(lián)產(chǎn)試驗研究。

1 MW多聯(lián)產(chǎn)試驗裝置如圖2所示，該試驗裝置包括熱解爐、燃燒爐、返料系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、焦油煤氣分離回收系統(tǒng)等。首先保持燃燒爐單爐運行，待燃燒爐在900 ℃穩(wěn)定燃燒后，熱解爐開始鼓入空氣作為流化介質(zhì)，此時向熱解爐中加入石英砂作為流化床料，并關(guān)閉燃燒爐至燃燒爐返料器，開啟燃燒爐至熱解爐返料器，采用燃燒爐產(chǎn)生水蒸氣作為返料器輸送介質(zhì)，將燃燒爐內(nèi)高溫灰輸送到熱解爐加熱熱解爐內(nèi)床料，同時開啟熱解爐至燃燒爐返料器，啟動煤氣泵(羅茨風(fēng)機)，打開煤氣緊急排氣閥，保持熱解爐內(nèi)為負(fù)壓。熱解爐內(nèi)床料被來自燃燒爐的高溫床料連續(xù)混合加熱，當(dāng)熱解爐出口橫管溫度達(dá)到400 ℃以上時，關(guān)閉煤氣緊急排氣閥，開啟煤氣罐后閥門，使熱解爐內(nèi)出口排氣在熱解爐往復(fù)循環(huán)，即熱解爐進(jìn)入氣體排氣自循環(huán)狀態(tài)。之后通過絞籠向熱解爐持續(xù)給煤，此時將熱解爐床層壓力維持在7 kPa

圖2 1 MW多聯(lián)產(chǎn)試驗裝置Fig.2 1 MW coal multi-generation system

左右。熱解爐運行一段時間后，隨著原料煤被加熱發(fā)生熱解反應(yīng)析出的煤氣不斷聚集，熱解爐排氣中的煤氣含量升高，煤氣中N2和O2含量不斷降低，當(dāng)煤氣中N2和O2含量分別持續(xù)不高于5.0%、0.5%時，可進(jìn)入試驗工況。

進(jìn)入試驗工況后，原料煤在熱解爐內(nèi)熱解產(chǎn)生的高溫煤氣和焦油等揮發(fā)產(chǎn)物進(jìn)入熱解爐旋風(fēng)分離器及高溫靜電除塵裝置進(jìn)行高效除塵處理后進(jìn)入焦油冷凝系統(tǒng)，經(jīng)過冷凝系統(tǒng)處理實現(xiàn)焦油和煤氣的分離，焦油被冷凝回收，煤氣經(jīng)風(fēng)機送入儲氣罐，之后部分煤氣作為熱解流化床流化介質(zhì)。燃燒爐高溫?zé)煔庥蔂t膛出口排出，依次經(jīng)過旋風(fēng)分離器、過熱器、煙氣冷卻器、布袋除塵器等部件分別進(jìn)行灰顆粒脫除、降溫、冷卻、除塵處理后經(jīng)煙囪排出。燃燒爐排出的煙氣成分由紅外煙氣分析儀(Gasket)在線分析，煙氣中粉塵濃度和粒徑分布由自動煙塵測試儀采集測量，采用Agilent7890A氣相色譜儀對煤氣中H2、CH4、CO、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2、O2、N2等組分進(jìn)行檢測分析。整個系統(tǒng)的流體流量、壓力和溫度均由數(shù)據(jù)采集儀記錄并進(jìn)行自動調(diào)控。熱解爐試驗溫度工況設(shè)定為550、600、650、700 ℃，熱解爐給煤量維持在140～200 kg/h，給煤粒徑0～8 mm。

試驗煤種為中國平煤神馬集團(tuán)平頂山天安煤業(yè)股份有限公司的十一礦與張村礦混合煤(煤種1)及一礦與六礦混合煤(煤種2)。典型的燃燒爐和熱解爐的爐膛溫度分布如圖3所示，試驗工況中多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，燃燒爐爐內(nèi)高度方向溫度分布均勻，穩(wěn)定保持在900 ℃左右。熱解爐內(nèi)溫度沿爐膛高度方向呈略下降趨勢，但溫度差異極小，熱解爐出口處溫度保持在500 ℃以上，滿足試驗需求。

圖3 多聯(lián)產(chǎn)運行燃燒爐和熱解爐爐膛溫度分布Fig.3 Temperature of pyrolysis boiler and combustionboiler in the multi-generation system

1.3 1 MW煤炭分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)煤質(zhì)分析

煤種1、2的工業(yè)分析、元素分析、格金干餾分析、灰熔融溫度分析，分別見表1和表2。可知煤種1和煤種2的揮發(fā)分均較低，灰分較高，熱值偏低，格金干餾焦油產(chǎn)油率不高，灰熔融溫度較高，屬于低熱量劣質(zhì)煤。

表1 試驗煤樣工業(yè)分析和元素分析

表2 試驗煤樣格金干餾分析和灰熔融溫度分析

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 1 MW煤炭分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)揮發(fā)產(chǎn)物特性

煤炭熱解分級轉(zhuǎn)化揮發(fā)產(chǎn)物的釋放特性見表3。共進(jìn)行4個熱解運行工況，工況溫度分別為550、600、650及700 ℃。煤種1和煤種2熱解分級轉(zhuǎn)化產(chǎn)物煤氣的主要成分為CH4和H2，其次為CO、烷烴和烯烴組分和CO2，此外還含有量極少N2和O2。

表3 試驗工況煤氣產(chǎn)率計算

煤氣中N2體積分?jǐn)?shù)基本在5%以下，O2體積分?jǐn)?shù)基本在0.5%以下。煤種1所得煤氣中H2平均體積分?jǐn)?shù)在19%～29%，CH4平均體積分?jǐn)?shù)在35%～44%，CO體積分?jǐn)?shù)在4%～6%，C2～C6總體積分?jǐn)?shù)在9%～11%。煤種2所得的煤氣中H2平均體積分?jǐn)?shù)在25%～29%，CH4平均體積分?jǐn)?shù)在28%～43%，CO體積分?jǐn)?shù)在4.4%～5.4%，C2～C6總體積分?jǐn)?shù)在9.3%～11.2%。2種煤樣煤氣產(chǎn)率最高的工況熱解溫度為700 ℃，且該工況下兩者的煤氣產(chǎn)率非常接近，均為5.6%左右。

熱解溫度對焦油產(chǎn)率有一定影響，2個煤種的焦油產(chǎn)率在試驗溫度范圍內(nèi)隨溫度升高先提高后降低。2種煤樣的高焦油產(chǎn)率對應(yīng)的溫度在600 ℃左右，且煤種2的焦油產(chǎn)率為7.04%，高于煤種1，二者提油率均達(dá)到90%以上。

2種煤樣所含硫在熱解過程中相當(dāng)一部分以H2S等揮發(fā)產(chǎn)物的形式析出進(jìn)入煤氣或焦油中，還有一部分殘留在半焦中，在燃燒爐中以SO2形式析出。半焦燃燒析出的SO2含硫量占系統(tǒng)給煤含硫量較小，煤種1和煤種2平均約15%和4%，由此可知，煤熱解燃燒分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)半焦燃燒可較大幅度降低燃燒爐煙氣中SO2濃度。

2種煤熱解分級轉(zhuǎn)化過程中的部分氮元素以揮發(fā)物的形式釋放并擴散至揮發(fā)產(chǎn)物(煤氣和煤焦油)中，剩余部分氮元素殘留于半焦；其中擴散到煤氣中的氮元素以N2、NH3形式存在，擴散到焦油中的氮元素以吡啶等化合物的形式存在；殘留于半焦的部分氮元素經(jīng)燃燒以NOx形式存在，燃燒爐內(nèi)半焦燃燒后形成煙氣中NOx的N含量占給煤N含量的比例很低，煤種1平均為4.5%左右，煤種2平均為4.7%左右。因此，有必要在燃燒爐尾部煙道利用相關(guān)裝置和措施來降低NOx排放濃度。

煤種1與煤種2經(jīng)分級轉(zhuǎn)化產(chǎn)物半焦1與半焦2(600 ℃)的成分分析見表4，與分級轉(zhuǎn)化前相比，半焦灰分顯著上升，半焦揮發(fā)分、水分及熱值明顯下降。與原煤相比，半焦燃點上升，燃燒特性變差。

表4 半焦工業(yè)分析與元素分析

以中國平煤神馬集團(tuán)2個煤樣為原料，應(yīng)用于循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案切實可行。熱解爐在給入原料煤后穩(wěn)定運行，煤熱解產(chǎn)生揮發(fā)產(chǎn)物(煤氣、焦油)以及固體產(chǎn)物(半焦)，半焦被持續(xù)送入燃燒爐穩(wěn)定燃燒，該系統(tǒng)熱解爐的運行參數(shù)可通過物料循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)物料量實現(xiàn)，試驗過程熱解爐和燃燒爐協(xié)同運行情況良好，工況參數(shù)調(diào)節(jié)方便。

2.2 50 MW多聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計

2.2.150MW多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

針對開封東大對熱、電、煤氣等多種能源的需求，依據(jù)煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計了50 MW煤熱解燃燒分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)裝置如圖4所示。該裝置由熱解分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及兩系統(tǒng)之間的返料裝置耦合而成，熱解分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)由熱解流化床鍋爐、高溫靜電除塵器、焦油回收系統(tǒng)、余熱回收裝置及煤氣鼓風(fēng)機等組成，燃燒系統(tǒng)由260 t/h循環(huán)流化床燃燒爐和煙氣處理系統(tǒng)組成。

圖4 50 MW多聯(lián)產(chǎn)裝置流程Fig.4 Schematic of 50 MW multi-generation system

熱解流化床鍋爐運行溫度在550～700 ℃，采用煤炭熱解煤氣作為流化介質(zhì)，給煤粒徑在0～8 mm，原料煤經(jīng)給煤機送入流化床熱解爐熱解，反應(yīng)生成揮發(fā)產(chǎn)物(焦油和煤氣)，熱解產(chǎn)生的部分半焦和氣化介質(zhì)反應(yīng)生成水煤氣，剩余半焦經(jīng)返料裝置由熱解爐送入燃燒爐，與經(jīng)燃燒爐給煤口送入的煤炭混合燃燒，返料裝置采用高溫蒸汽為輸送介質(zhì)，運行溫度在900～950 ℃，采用空氣作為流化介質(zhì)，燃燒爐燃燒產(chǎn)生熱灰經(jīng)返料裝置送至熱解爐為給煤原料提供熱解所需熱源，燃燒爐燃燒產(chǎn)生的部分水蒸氣作為燃燒爐和熱解爐之間返料裝置的輸送介質(zhì)。

從熱解爐出來的高溫粗煤氣先送至三級旋風(fēng)除塵器預(yù)除塵，經(jīng)靜電除塵器除塵后，送至余熱回收裝置回收余熱，煤氣降溫后焦油析出，實現(xiàn)煤氣和焦油分離并回收焦油，部分煤氣經(jīng)煤氣風(fēng)機送回流化床熱解爐作為流化介質(zhì)，剩余煤氣作為城市燃用煤氣。

燃燒爐煙氣經(jīng)三級旋風(fēng)分離器分離處理后進(jìn)入尾部煙道經(jīng)過換熱器、省煤器、空預(yù)器、脫硫脫硝裝置在引風(fēng)機作用下送入煙囪排放，排煙溫度維持在125 ℃左右，燃燒爐產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽輪機并帶動發(fā)電機發(fā)電或作為工業(yè)及民用熱源。

該50 MW多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可在2種模式下運行：耦合運行(設(shè)計工況)與單爐運行。在耦合運行工況中，熱解爐和燃燒爐同時開啟，兩者協(xié)同耦合運行，當(dāng)原料煤給入系統(tǒng)后，系統(tǒng)同時生產(chǎn)熱、電、油及煤氣等產(chǎn)品。單爐運行工況中，該系統(tǒng)只開啟燃燒爐，全部原料煤給入燃燒爐，流化介質(zhì)為空氣，關(guān)閉燃燒爐和熱解爐之間的返料機構(gòu)閥門。在耦合運行和單爐模式下，該系統(tǒng)均能在額定工況下運行，但不同模式下運行溫度會有所差異。

2.2.250MW多聯(lián)產(chǎn)裝置主要設(shè)計參數(shù)

1)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

50 MW多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中燃燒爐一次風(fēng)和二次風(fēng)按0.6∶0.4配比，爐膛出口配置二級旋風(fēng)分離器，爐膛截面為矩形，規(guī)格為11.6 m×6.1 m，爐膛高度37 m。熱解爐爐膛出口配置三級旋風(fēng)分離器，除去高溫?fù)]發(fā)產(chǎn)物所攜帶的半焦顆粒和灰顆粒，熱解爐爐膛截面也為矩形，爐膛高度為15 m。

2)熱力特性

耦合運行和單爐運行的熱力特性參數(shù)見表5，可知該多聯(lián)產(chǎn)裝置額定主蒸汽參數(shù)為：主蒸汽溫度540 ℃，主蒸汽壓力9.8 MPa，主蒸汽流量260 t/h。耦合運行過程中，燃燒爐和熱解爐給煤量分別為4.6和70 t/h。當(dāng)熱解爐停運，只開啟燃燒爐時，燃燒爐給煤量為52.76 t/h，可見在耦合運行及單獨運行2種工況下均能實現(xiàn)額定蒸汽參數(shù)運行。

表5 多聯(lián)產(chǎn)裝置主要設(shè)計參數(shù)

3)煤氣產(chǎn)量和成分

50 MW煤炭熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)裝置揮發(fā)產(chǎn)物(煤氣、焦油)產(chǎn)量及組分見表6，可知煤氣的主要組分CH4和H2，體積分?jǐn)?shù)分別為41.97%、28.32%，其次為CO、CO2，烴類氣體及N2含量最低。該裝置在設(shè)計煤種條件下焦油產(chǎn)量3.16 t/h，煤氣產(chǎn)量35 262 Nm3/h，煤氣熱值為26.07 MJ/Nm3。與1 MW煤炭熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)裝置相比，50 MW多聯(lián)產(chǎn)裝置不僅可實現(xiàn)煤炭大規(guī)模熱解分級轉(zhuǎn)化，還能保持高揮發(fā)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率及煤氣熱值。

表6 50 MW多聯(lián)產(chǎn)裝置煤氣和焦油產(chǎn)量及成分

3 結(jié) 論

1)循環(huán)流化床煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可在同一系統(tǒng)中以煤炭為原料同時生產(chǎn)熱、電、多種高附加值化工產(chǎn)品和煤氣、液體燃料等產(chǎn)品。該技術(shù)燃料適應(yīng)性廣、反應(yīng)器易放大、油氣產(chǎn)率高、熱利用效率高、節(jié)能減排、投資省、運行成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、應(yīng)用前景廣闊。

2)1 MW多聯(lián)產(chǎn)裝置試驗表明，以平頂山天安煤業(yè)股份有限公司提供的十一礦與張村礦混合煤以及一礦與六礦混合煤為原料，應(yīng)用于循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案切實可行。熱解煤氣中H2、CH4、C2～C3含量很高，煤氣熱值為18～26 MJ/Nm3。2種煤樣的煤氣產(chǎn)率最高工況的熱解溫度為700 ℃，且該工況下2者煤氣產(chǎn)率非常接近，均為5.6%左右。2種煤樣高焦油產(chǎn)率對應(yīng)的溫度在600 ℃左右，焦油提取率達(dá)到90%以上。

3)完成了50 MW煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計，裝置本體由1臺260 t/h循環(huán)流化床鍋爐和1臺流化床熱解爐組成，煤氣產(chǎn)量35 262 Nm3/h，熱值26.07 MJ/Nm3，焦油產(chǎn)量3.16 t/h。