晉城無煙煤循環(huán)流化床富氧氣化特性研究

上官岳鋒,丁國建,朱之明,劉建園

(晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司, 山西高平 048400)

煤氣化是高效潔凈利用煤炭的主要途徑之一,也是現(xiàn)代煤化工能源工業(yè)生產(chǎn)中最關(guān)鍵的工藝過程之一。循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、運行成本低、負荷調(diào)節(jié)范圍大、啟停爐方便、運行穩(wěn)定可靠、檢修維護少、易于實現(xiàn)大型化等優(yōu)點,目前在合成氨、鋼鐵、有色冶金及焦化等多個行業(yè)得到了廣泛推廣應(yīng)用。晉城無煙煤具有“五高四低”的特征[1],具體為:抗碎強度高、熱穩(wěn)定性高、固定碳含量高、灰分含量高、灰熔點高、水分含量低、反應(yīng)活性低、可磨指數(shù)低、黏溫特性低。本文主要研究晉城無煙低硫末煤和高硫末煤在循環(huán)流化床氣化爐中的富氧氣化特性。

1 循環(huán)流化床氣化原理

氣化技術(shù)按煤與氣化劑的相對流動方式可分為并流、并逆流和逆流三大類,與其相對應(yīng)的則是氣流床、流化床和固定床氣化爐[2]。循環(huán)流化床氣化爐以 0～10 mm粉煤為原料,氣化劑(空氣、純氧、蒸汽)由氣化爐下部吹入,粉煤通過給煤機進入氣化爐爐膛中下部,氣化劑與粉煤在爐內(nèi)呈并逆流運動。粉煤和氣化劑在爐底錐形部分呈并流運動,在爐上筒體部分呈并流和逆流運動,使?fàn)t內(nèi)的粉煤在流化狀態(tài)下氣化,在燃燒產(chǎn)生的高溫條件下,氣固兩相充分混合接觸,發(fā)生干燥、熱解、氣化及燃燒等一系列物理和化學(xué)過程,生成高溫煤氣、飛灰和底渣。粉煤和氣化劑在氣化爐內(nèi)主要進行以下化學(xué)反應(yīng):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(1)、式(3)和式(4)是煤氣化反應(yīng)過程中最重要的反應(yīng),式(2)為氣化爐提供反應(yīng)所需的熱量。煤氣化反應(yīng)為非均相氣固反應(yīng),反應(yīng)速率通常被化學(xué)反應(yīng)速率或擴散控制。一般認為,對于小粒徑(<500 μm )半焦顆粒,在溫度<1 000 ℃的條件下,其氣化過程屬于化學(xué)反應(yīng)控制,擴散相對較快,外擴散可以忽略,而高溫下則為擴散速率所控制[3]。

循環(huán)流化床煤氣化為快速流態(tài)化過程,存在明顯的密相區(qū)和稀相區(qū),以及固體物料的返混和湍動(見圖1)。粉煤給入氣化爐爐膛內(nèi),被爐膛內(nèi)大量的高溫固體物料快速加熱,并脫除揮發(fā)分,形成半焦。較細的半焦在爐膛內(nèi)部氣流的夾帶下,與循環(huán)物料進入爐膛上部的稀相區(qū),較粗的半焦則伴隨著返混物料進入爐膛的密相區(qū)。在爐膛底部, 氣化劑入口區(qū)域為弱氧化區(qū),主要發(fā)生燃燒反應(yīng)(式(2))維持氣化爐爐膛高溫,并為氣化反應(yīng)提供熱量;在弱氧化區(qū)上部的密相區(qū)主要是半焦中碳與氧、水蒸氣發(fā)生非均相氣化反應(yīng),以及少量 CO、CH4、H2O、CO2、揮發(fā)分之間的非均相氣化反應(yīng)。在稀相區(qū),主要發(fā)生半焦內(nèi)碳與CO2吸熱反應(yīng),以及揮發(fā)分裂解,煤氣之間均相平衡反應(yīng)。

圖1 典型循環(huán)流化床氣化爐

2 中試試驗裝置工藝流程及試驗煤質(zhì)

2.1 試驗裝置結(jié)構(gòu)

試驗裝置主要由氣化爐、返料器、旋風(fēng)分離器、空氣預(yù)熱器、煤氣冷卻器及輔助系統(tǒng)組成,爐膛、返料器及旋風(fēng)分離器都為內(nèi)襯結(jié)構(gòu),關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 試驗平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 工藝流程

煤從氣化爐中下部加入,受高溫加熱發(fā)生快速熱解反應(yīng)并釋放出揮發(fā)分;產(chǎn)生的半焦在還原區(qū)與氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng),生成氣化煤氣。高溫煤氣與未反應(yīng)完全的半焦及床料自爐膛頂部進入旋風(fēng)分離器,經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后,高溫煤氣依次通過空氣預(yù)熱器、一級冷卻器、二級冷卻器和三級冷卻器冷卻后進入布袋除塵器,經(jīng)過布袋除塵器除塵后經(jīng)煙囪高點排放。循環(huán)半焦經(jīng)返料器返回氣化爐,繼續(xù)參與氣化反應(yīng);底渣通過氣化爐底部的水冷排渣機排出;空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后與減壓后的過熱蒸汽混合,在下游管道中與純氧二次混合后通入氣化爐膛作為氣化劑。系統(tǒng)工藝流程見圖2。

1-氣化爐爐膛;2-旋風(fēng)分離器;3-返料器;4-空氣預(yù)熱器;5-煤氣冷卻器;6-羅茨風(fēng)機;7-蒸汽鍋爐;8-循環(huán)水冷卻塔;9-循環(huán)水泵;10-煙囪;11-布袋除塵器;12-一次風(fēng)蒸汽/空氣混合器;13-液氧罐及氣化器;14-液氮罐及氣化器;15-一次風(fēng)氧氣/蒸汽/空氣混合器;16-蒸汽伴熱帶;17-水冷排渣機;18-點火燃燒器;19-空氣壓縮機。圖2 系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 試驗煤質(zhì)

分別以晉城地區(qū)高硫和低硫無煙末煤為原料進行試驗,控制末煤粒徑≤6 mm,具體煤質(zhì)分析見表2。

表2 煤質(zhì)分析表

3 中試裝置氣化特性試驗

3.1 點火啟動

點火啟動用時約34 h。分別以0#柴油、石英砂作為燃料和床料。點火啟動前,爐膛內(nèi)加入40～70目和70～90目1∶1(質(zhì)量比)的石英砂150 kg,3臺給煤機中各填充50 kg 床料作為料封;打開一級冷卻器底部法蘭,防止燃油階段產(chǎn)生的冷凝水堵塞尾部煙道。準(zhǔn)備工作完成后,啟動一次風(fēng)機調(diào)節(jié)一次風(fēng)體積流量為102 m3/h,油體積流量約13 L/h進行點火啟動。通過調(diào)整油量和一次風(fēng)量控制升溫速率。燃油升溫 6 h 后爐膛底部溫度達到 650 ℃時開始斷續(xù)給煤,給煤后溫度上升,表明煤已點燃,進入油煤共燃階段。根據(jù)溫度情況逐步減少油量,加大空氣量,當(dāng)爐膛底部溫度達到850 ℃時, 切出油點火燃燒器,進入燃煤升溫階段。通過螺旋給煤機調(diào)整煤量,控制爐膛底部溫度在950 ℃左右。升溫過程每隔4 h啟動1次排渣機,保持排渣順暢。當(dāng)氣化爐頂部溫度和返料器溫度分別達到760 ℃和560 ℃時,氣化爐轉(zhuǎn)入空氣氣化工況。

3.2 氣化調(diào)整階段

氣化調(diào)整階段用時約80 h。根據(jù)爐膛溫度變化,調(diào)整給煤量及一次風(fēng)量,維持爐膛底部溫度在950 ℃左右。在循環(huán)回路升溫的同時,對床料進行置換,使煤氣化工況運行期間循環(huán)物料為半焦,以利于提高工況穩(wěn)定性及煤氣化效率。為了提高運行負荷,加快床料置換速度,當(dāng)爐膛頂部溫度達到800 ℃、返料器溫度達到700 ℃時,系統(tǒng)切入富氧氣化。富氧氣化升溫過程中蒸汽質(zhì)量流量約80 kg/h,氧氣體積流量為36 m3/h,空氣體積流量為200 m3/h,運行過程中連續(xù)排渣置換床料。通過對空氣、氧氣、水蒸氣和給煤量的調(diào)節(jié)逐步穩(wěn)定爐況,當(dāng)煤氣中φ(CO+H2)/φ(N2)≥3 時,進入工況運行階段。

3.3 工況運行階段

分別對1 050 ℃(低硫末煤)和1 050 ℃(高硫末煤)、1 080 ℃(高硫末煤)3種工況進行氣化特性試驗,分別記為工況1、工況2、工況3,試驗用時約76 h。

3.3.1 工況1

低硫末煤1 050 ℃運行工況用時36 h。運行期間,氣化爐給煤質(zhì)量流量在290 kg/h 左右,氣化爐底部溫度控制在1 045～1 050 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為60.0%～62.5%,φ(CO+H2)/φ(N2)在3.2～3.4。

3.3.2 工況2

高硫末煤1 050 ℃運行工況用時36 h。運行期間,氣化爐給煤質(zhì)量流量在273 kg/h左右,氣化爐底部溫度為1 050～1 055 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為60%～62%,φ(CO+H2)/φ(N2)維持在3.2～3.4。

3.3.3 工況3

高硫末煤1 080 ℃運行工況用時4 h。維持氣化爐負荷不變,通過調(diào)整富氧濃度,逐步提高爐膛底部溫度至1 080 ℃,探索在高溫情況下氣化爐的運行穩(wěn)定性及對煤氣各組分的影響。運行期間,氣化爐給煤質(zhì)量流量在273 kg/h 左右,氣化爐底部溫度逐步提高至1 090 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為61%,φ(CO+H2)/φ(N2)維持在3.2左右。

3.4 試驗結(jié)果

在試驗過程中,將氧煤比控制在0.37～0.44 m3/kg,蒸汽煤比在0.42左右,氣化爐上下部溫差小于70 K,爐膛底部與返料器溫差小于30 K,恒定的溫差說明爐內(nèi)循環(huán)的穩(wěn)定。在3種工況下,有效氣體積分數(shù)均大于60%,φ(CO+H2)/φ(N2)比大于3,表明在1 050 ℃氣化溫度下,通過調(diào)整氣化富氧濃度和蒸汽煤比,晉城無煙煤循環(huán)流化床氣化可以獲得合格的產(chǎn)品氣。在同樣工況下,高硫末煤的氣化活性優(yōu)于低硫末煤。

在投煤量不變的情況下,隨著氣化溫度的升高,有效氣組分變化較小,但產(chǎn)氣率由1.78 m3/kg(煤)增加到了1.95 m3/kg(煤),有效氣產(chǎn)率由1.08 m3/kg(煤)升到了1.17 m3/kg(煤),提高溫度對氣化指標(biāo)提升效果明顯。當(dāng)氣化溫度升高后煤氣中H2S含量升高,而COS含量降低,運行溫度的升高促進了煤中硫向氣態(tài)化合物轉(zhuǎn)化,同時促進了有機硫向無機硫的轉(zhuǎn)化。

各氣化工況下,煤氣中CH4含量較低,CO2含量較高,飛灰和底渣殘?zhí)己枯^高,碳轉(zhuǎn)化率偏低。這主要與煤的性質(zhì)有關(guān),無煙煤的氣化反應(yīng)活性低。同時中試裝置爐膛高度小,散熱損失大,爐膛頂部溫度偏低,小粒徑半焦在爐內(nèi)停留時間短,影響飛灰在稀相區(qū)的轉(zhuǎn)化率。在工業(yè)化裝置中散熱量小,CO2含量會降低,有效氣組分含量將進一步提高。

當(dāng)爐膛底部溫度超過1 080 ℃時,爐內(nèi)容易結(jié)渣而引起局部失流化和排渣困難。各工況下試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果統(tǒng)計

3.5 煤氣冷凝液

經(jīng)分析,煤氣冷凝水呈弱堿性,氨氮含量較高,主要的污染物包括有機物、氨氮、硫化物及氰化物等,水質(zhì)超出GB 13458-2013 《合成氨工業(yè)水排放標(biāo)準(zhǔn)》要求(見表4)。

表4 煤氣冷凝液水質(zhì)分析

4 工業(yè)化裝置估算

采用氣化+殘?zhí)咳紵囊惑w化技術(shù),以晉城無煙煤為原料,按單臺氣化爐產(chǎn)氣體積流量60 000 m3/h進行循環(huán)流化床氣化工業(yè)化裝置估算,結(jié)果見表5。由表5可以看出:在氣化溫度為1 080 ℃,富氧體積分數(shù)在 56%～57%時,煤氣成分中有效氣(CO+H2)體積分數(shù)為67.25%和67.28%,氣化碳轉(zhuǎn)化率為87.0%和 88.9%,冷煤氣效率為70.68%和74.11%,整體氣化指標(biāo)大幅提升。同時,采用余熱鍋爐對煤氣余熱進行回收,除氣化爐自用外,每小時可以外送3.82 MPa、450 ℃中壓過熱蒸汽13.0～13.5 t,碳轉(zhuǎn)化率可提高至96%～99%。

表5 60 000 m3/h循環(huán)流化床工業(yè)化裝置估算表

5 結(jié)語

目前,以中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的循環(huán)流化床氣化技術(shù)在新疆宜化、江西高安均已得到廣泛應(yīng)用,取得了良好的社會和經(jīng)濟效果。晉城無煙末煤的煤質(zhì)特性決定了其在作為化工原料方面的優(yōu)勢并不明顯[4],但循環(huán)流化床氣化+殘?zhí)既紵惑w化技術(shù)為晉城無煙煤熱電氣多產(chǎn)提供了新思路,可以在合成氨、陶瓷、鋼鐵等行業(yè)進一步提高市場競爭力。