熔渣气化（精选3篇）
熔渣气化 篇1
固定床熔渣气化技术是由英国煤气公司和德国鲁奇能源与环境公司合作,利用英国燃气公司技术,在原德国鲁奇固定床加压气化炉基础上,将原鲁奇炉的固态排灰改为液态排渣而开发成功的新型煤气化技术[1]。
固定床熔渣气化技术由于具有气化效率高、气化强度高、蒸汽耗量低、废水产生量少、有效气产率高及产品气中甲烷含量高等优势,广泛用于合成气及天然气生产领域。
目前已有的固定床熔渣气化技术主要为引进技术,国内对固定床熔渣气化技术研究较少,特别是对于核心区反应状态、高温区炉衬耐火性能等研究更少。随着煤制天然气项目的陆续上马,开展固定床熔渣气化技术的相关研究,特别是针对适用于高灰熔点煤的熔渣气化技术研究意义重大。
1 实验部分
1.1 实验方法与流程
研究采用熔渣气化热态试验装置。该装置内径500 mm,从上至下分别为煤仓、炉体及灰仓。在炉体内上部内衬耐火材料,炉体高温反应区装有水冷壁,水冷壁内衬耐火材料,底部安有渣池,在炉体底部排渣口附近装有窥视口,可实时监测装置内的反应及排渣情况。装置见图1。
实验选用粒度为6~20 mm的原料煤加入煤仓,在热态装置操作过程中,通过打开煤仓下部的电动闸板阀,原料煤进入炉内。热态装置的下部对称布置四个喷嘴,气化剂通过喷嘴进入炉内,并与炽热的煤焦发生气化反应。气化反应产生的高温煤气与上部煤料换热后离开热态装置,进入喷淋洗涤装置进行冷却、除尘,除尘后的煤气去火炬焚烧。
1.2 实验样品制备与分析
实验前将原煤进行破碎,并筛分至粒度为6~20 mm。同时,对粒度为6~20 mm的实验用煤进行工业分析、元素分析、全水、发热量、焦渣特征、全硫、灰熔融性温度及灰成分测定,表1至表4为煤质分析结果。
从表1至表4可以看出实验用煤为不黏煤,水分、灰分含量低,挥发分含量高,热值较高,硫含量低。该煤灰成分中碱性氧化物(Fe2O3+Ti O2+Ca O+Mg O+K2O+Na2O)质量百分含量处于40%~50%之间,煤灰中酸性氧化物与碱性氧化物之间发生固相反应,形成共熔体,使灰熔点整体降低[2]。这从表2~3灰熔融性温度可以看出。由于实验用煤的灰熔点较低,因此该煤适合应用于固定床熔渣气化装置。
2 结果与讨论
煤气化过程中的基本化学反应如下[3]:
2.1 撞击湍流区物料反应分析
为考察撞击湍流区物料反应状况,在热态试验过程中,突然停炉并通氮气,对湍流区反应物进行筛分,测定粒度分布,并取样进行工业分析。撞击湍流区反应物料粒度分布和工业分析,数据如表5和表6所示。
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从表5看出,撞击湍流区的反应物料以小于2 mm为主,物料粒度组成随料层变化不明显。从表6看出,撞击湍流区参与反应物料组成以固定碳为主,反应物料组成随料层变化也不明显。上述研究表明,撞击湍流区的反应物料混合均匀,熔渣气化装置在运行过程中无沟流、偏烧现象。由于撞击湍流区反应物料粒径较小且组成以固定碳为主,因此整个区域反应剧烈,主要发生碳的燃烧反应,放出大量热量,整个区域温度较高。
2.2 反应后液渣分析
为了考察实验用煤在反应过程中的转化状况及反应后生成的灰渣形态,实验结束后,待炉内液渣完全冷凝,对冷凝后的液渣进行取样,进行工业分析和灰成分分析,分析结果如表7和表8所示。
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从表7看出,熔渣气化炉排出的灰渣中固定碳含量很少(质量分数不大于1%),实验用煤中的碳几乎全部参与了气化反应,整个过程碳转化率高。
对比表4和表8可以看出,灰渣成分中的硫及碱金属含量明显减少,Si O2及Al2O3的质量分数明显提高,说明实验用煤中的硫及碱金属在反应过程中已以气体形态被煤气带走。由于反应后的灰渣中Si O2含量较高,因此冷凝后的液渣主要呈现玻璃态。
2.3 耐火材料运行分析
为了选择适用于固定床熔渣气化装置运行环境的耐火材料,热态实验初期,在热态装置内上部浇注纯的刚玉捣打料。然而,经历一次热态实验后,耐火材料表面产生了大面积裂纹,甚至出现局部区域严重脱落现象。原因是,热态试验装置在运行过程中存在急冷、急热问题,而纯刚玉捣打料抗热震性能较差。
针对热态装置内上部耐火材料运行过程中出现的问题,研究采用在刚玉捣打料内部掺混钢纤维,钢纤维的质量分数在10%左右。从实验结果看,掺钢纤维的刚玉捣打料表面较光洁、基本无裂纹,说明掺钢纤维的刚玉捣打料较纯刚玉捣打料抗热震性能显著提高。原因是钢纤维的掺入加强了耐火材料内部的紧密连接,并且钢纤维的导热性能较好,耐火材料的一部分热量可通过钢纤维传导至炉壁,降低了耐火材料的使用温度。
为了选择适用于撞击湍流区高温环境的耐火材料,在水冷壁内侧浇注掺混5%钢纤维的刚玉捣打料。从实验结果看,耐火材料表面有少许裂纹,但并不严重,分析原因如下:一方面,刚玉捣打料中掺混钢纤维后,耐火材料内部连接更紧密;另一方面,耐火材料外侧水冷壁的冷却作用降低了其所受的热侵蚀。
为了进一步提高水冷壁内侧耐火材料使用性能,将钢纤维掺混比例从5%提高到10%。从实验结果看,耐火材料表面完好、无裂纹。由此说明,钢纤维掺混比例提高后,耐火材料使用性能显著增强。
2.4 水冷壁运行分析
为了考察撞击湍流区水冷壁在极端高温下的性能,将固定床熔渣气化装置内的温度短暂升高至1 800℃,此时检测到耐火材料热面温度最高也仅为1 300~1 400℃,而水冷壁热面温度基本维持在200~300℃之间,冷面温度接近常温。由此说明,撞击湍流区水冷壁即使在极端高温工况下,对其内部耐火材料仍具有良好的冷却效果。具体如图2和图3所示。
实验结束后,观察到水冷壁内侧耐火材料表面形成了冷凝渣层,由于冷凝渣层绝热性能好,能起到“以渣抗渣”作用,保护了耐火材料。因此,撞击湍流区水冷壁的设置可有效延长高温区耐火材料的使用寿命。
3 结论
(1)撞击湍流区反应物料组成以固定碳为主,物料组成随料层变化不明显。
(2)熔渣气化产生灰渣固定碳含量极低,灰渣所含硫及碱金属含量较反应前明显减少,Si O2及Al2O3的含量明显提高。
(3)纯刚玉捣打料抗热震性能差,刚玉捣打料中掺入10%的钢纤维可显著提高其抗热震性能。
(4)熔渣区水冷壁设置可有效降低耐火材料表面温度,延长其使用寿命。
摘要：为了研究固定床熔渣气化炉核心区反应状态、炉衬耐火材料应用性能及水冷壁冷却效果,在熔渣气化热态试验装置上进行了连续12 h实验;结果发现,撞击湍流区反应物料组成以固定碳为主,随料层变化不明显;反应产生灰渣含碳量极低,灰渣中硫及碱金属含量较反应前明显减少,Si O2及Al2O3的相对含量明显提高;纯刚玉捣打料抗热震性能差,掺入10%钢纤维可显著提高其抗热震性能;设置水冷壁可有效降低耐火材料表面温度,延长其使用寿命。
关键词：固定床,熔渣,煤气化,耐火材料,水冷壁
参考文献
[1]汪家铭.BGL碎煤熔渣气化技术及其工业应用[J].化学工业,2011,29(7):34-39.
[2]刘新兵,陈茺.煤灰熔融性的研究[J].煤化工,1995(2):48-52.
[3]陈家仁.煤炭气化的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,2007.
熔渣气化 篇2
1 碎煤熔渣气化技术简介
碎煤熔渣气化技术是由当时的英国燃气公司在德国鲁奇公司协助下开发出来的新型煤气化技术, 简称BGL (British Gas-Lurgi英国燃气-鲁奇) 。
自20世纪七八十年代至90年代初, 经过对大量的烟煤、焦炭和部分褐煤在工业化规模试验炉的试烧和运行可靠性验证, BGL技术完成了大规模中试和工业化示范, 20世纪90年代中后期, 在德国东部黑水泵煤气化厂建设了一台内径3.6 m的BGL炉, 气化由褐煤制成的型煤生产合成气, 用于发电和制甲醇。该气化炉自2000年投产至2007年拆迁, 共运行了7 a。
2004年该技术开始引入我国, 由云南煤化工集团下属的云南解化集团 (以下简称云解化) 通过与英国燃气公司合作, 对原解放军化肥厂的一台鲁奇炉进行了成功改造, 内径2.3 m。这就是YM (云煤) 炉最初的试验装置 (内径2.8 m) 。2008年9月, 第一代YM炉 (内径3.6 m、压力3 MPa、日投煤量900 t) 进入工业化开发试验, 现已应用在云解化开远煤化工项目上。2010年云解化又完成了第二代YM炉 (内径3.6 m、压力4 MPa、日投煤量1 200 t) 的开发, 目前已应用在先锋煤化工项目上。
2010年6月, 英国燃气公司将BGL气化技术全部转让给了德国泽玛克公司。因此, BGL炉和YM炉均属于碎煤熔渣气化炉, 但二者在内部结构上存在一些差别。
1.1 技术特点
碎煤熔渣炉与鲁奇炉同属碎煤加压气化炉 (见图1和图2) 。与鲁奇炉相比, 碎煤熔渣炉最显著的特点是将排渣方式由固态改为了液态。它结合了气流床熔渣气化技术高气化率和高气化强度的优势, 以及鲁奇炉固定床气化技术氧耗低和炉体结构廉价的优势, 克服了气流床熔渣气化技术高能耗和鲁奇炉固定床气化技术废水处理量大的弱点, 具有建设投资少、周期短、生产率高、运行和维护成本低等综合优势。
1.2 与鲁奇炉气化技术的区别
1.2.1 结构
(1) 目前国内应用较多的国产化鲁奇炉只设置单煤锁, 而碎煤熔渣炉设置了双煤锁, 提高了煤锁运行可靠性。
(2) 鲁奇炉内壁无耐火衬里, 而碎煤熔渣炉内壁设置有耐火材料, 既保护了水夹套, 又减少了热损失。
(3) 鲁奇炉底部设有转动的炉篦, 喷嘴从炉篦中心向周围斜向上喷入氧气和蒸汽;而碎煤熔渣炉采用液态排渣方式, 所以炉底无炉篦, 喷嘴从六个方向斜向下喷入氧气和蒸汽。
(4) 鲁奇炉底部有灰床, 灰的停留时间短, 灰中残炭高;而碎煤熔渣炉底部设有渣池, 渣的停留时间长, 渣中残炭低。
(5) 碎煤熔渣炉增设了渣激冷室, 通过连接短节与炉底相连。连接短节内设有环形烧嘴, 通过燃烧燃气形成高温气体, 托住渣池, 并提供渣池热量, 以搅动渣池, 吹通下渣口, 降低渣中残炭。
(6) 碎煤熔渣炉采用常温渣锁代替鲁奇炉高温灰锁, 渣锁被常温水充满, 温度低, 渣的沉降速度小, 因此不容易对锥阀造成损坏, 提高了运行可靠性。
1.2.2 主要优点
(1) 碎煤熔渣炉采用液态排渣, 其气化剂的汽/氧比远低于固态排渣。所以, 气化层的反应温度高 (炉内燃烧区局部高温可达2 000~2 500℃) , 较鲁奇炉大幅度提高了气化效率和气化强度, 冷煤气效率可达90%左右、碳的转化率可达99.5%, 有效气 (CO+H2+CH4) 产率高 (无烟煤和优质烟煤有效气可达88%~90%, 褐煤有效气大于80%) 。
(2) 鲁奇炉采用固态排灰方式, 因此炉内燃烧区需要喷大量蒸汽来降温, 以防止灰融化。而碎煤熔渣炉采用液态排渣, 无需喷蒸汽降温, 大大减少了蒸汽消耗量。据初步估算, 其水蒸汽消耗量减少到鲁奇炉消耗量的15%~20%, 且蒸汽分解率超过90%。
(3) 随着水蒸汽消耗量的大幅减少, 碎煤熔渣炉相应的废水处理量较鲁奇炉减少了约2/3, 大大降低后续废水处理装置的规模。同时, 废水中有机物含量的浓度有所提高, 有利于在较低生产成本下萃取分离, 获得高价值的副产粗酚, 使废水处理具有较好的经济效益。
(4) 随着废水处理量的大幅减少, 相应的生化处理、热电和热力锅炉等的规模都会相应减少, 可降低整个煤化工项目的投资。
(5) 渣中含炭率大幅降低 (碎煤熔渣炉约为0.5%, 鲁奇炉约为6%) , 且熔渣气化产生的玻璃状炉渣没有渗滤性, 对环境和人类影响极其轻微, 可以作为水泥填料、制砖材料或筑路材料。
(6) 相比鲁奇炉, 碎煤熔渣炉对气化原料的选择范围更宽, 可气化石油焦、无烟煤、次烟煤、烟煤、褐煤等, 以及这些煤种的混合投料, 在烧灰熔点低的煤种时经济性更好。
1.2.3 主要缺点
(1) 与鲁奇炉相比, 碎煤熔渣炉的粗合成气成分中, H2减少了约30%~50%。CO增加了约3倍, CH4减少了约30%~50%。为此, 对于煤制甲醇、烯烃和煤制天然气等项目来说, 采用碎煤熔渣气化技术, 其后续变换和净化工艺的规模较采用鲁奇炉有所增加。
(2) 因碎煤熔渣炉的气化温度高, 因此其耗氧量较鲁奇炉高5%左右。
(3) 停炉检修时间稍长。目前国内熔渣气化炉从停炉降温、挖炉、烘炉到再次开车运行约需要15 d, 但因为有备用炉, 因此可以满足全装置满负荷生产需要。
(4) 鲁奇炉在国内已有几十年的工业化业绩, 技术成熟。而碎煤熔渣炉近几年才引进到国内, 工业化业绩少。
(5) 相比鲁奇炉, 碎煤熔渣炉的工艺设置复杂, 操作复杂, 控制系统也复杂。
2 碎煤熔渣技术目前在我国的应用情况
2.1 BGL炉
目前, BGL在我国投运的共有10台气化炉, 分布在金新化工和中煤图克两个煤化工项目, 其中金新化工3台, 中煤图克7台。
2.1.1 金新化工煤化工项目
金新化工煤化工项目由云南云天化股份有限公司和香港金新集团共同投资建设, 地处内蒙呼伦贝尔市陈巴尔虎旗工业园区。项目一期工程建设规模为合成氨50万t/a、合成尿素80万t/a。
一期工程设置了3台BGL炉 (2开1备) , 内径3.6 m, 压力4 MPa, 投煤量约为1 200 t/d, 设计采用褐煤型煤为气化原料。
BGL气化装置从2011年9月开始正式试车。金新化工BGL气化装置许可合同是泽玛克收购BGL气化技术之前由英国燃气公司直接技术许可的, 属于英国燃气公司的合同义务。因甲乙双方沟通不畅, 导致气化炉试车初期效果不理想, 试车时间一年多, 3台炉共开了二十多炉次, 单炉最长连续运行时间只有23 d。
为解决试车困境, 泽玛克公司组织专家开车队于2013年3月正式介入现场, 开始和金新化工联合开车。截止到2014年4月底, 1号炉最长连续运行时间为53 d, 负荷率为92%;2号炉连续运行时间为90 d, 负荷率为85%;3号炉连续运行时间为74 d, 负荷率为82%。经停炉检查, 3台炉均未发现水夹套、耐火砖和喷嘴等内件有严重损坏现象。
目前气化炉达不到满负荷运行的原因主要有两个, 一是实际煤质较设计煤质有大幅度偏差;二是后续的酚氨回收系统处理能力不能满足褐煤块煤气化高负荷运行的要求。
2.1.2 中煤图克煤化工项目
中煤图克煤化工项目位于内蒙鄂尔多斯乌审旗图克工业园, 由中煤集团投资建设, 设计规模为合成氨200万t/a、尿素350万t/a, 同时年产8亿m3天然气。
项目分两期建设, 一期建设合成氨100万t/a、尿素175万t/a, 2011年6月8日正式开工建设, 2013年底开始试车, 2014年1月底正式打通流程。
项目一期设置了7台BGL炉, 内径3.6 m, 压力4 MPa, 投煤量为1 000 t/d, 5开2备。气化炉于2013年底开始点火试车。截止到2014年4月底, 除了1、2号炉未交工外, 3、4、5、6、7号炉均已投料试车。单炉连续运行最长的是5号炉, 连续运行了60 d, 负荷率为85.6%;6号炉连续运行了45 d, 负荷率为72.6%。5、6号炉的停车原因是因为全厂事故断电所致, 否则其连续运行时间应该还会更长。
影响气化炉满负荷的主要因素有两个, 一是开车煤质较设计煤质差;二是第二套净化和氨合成系统还没有完工, 因此目前不需要开更多的气化炉或提高负荷运行。
2.2 YM炉
YM炉目前在我国投运的有13台, 其中开远煤化工项目5台, 先锋煤化工项目8台。
2.2.1 云解化开远煤化工项目
云解化开远煤化工项目由云解化清洁能源开发公司投资建设, 地处云南省开远市, 距昆明市区约220 km, 属开远解化化工分公司 (原驻昆解放军化肥厂) 扩建工程, 设计规模为年产20万t甲醇/15万t二甲醚。
项目于2007年开工建设, 2009年10月开车, 最初设置了3台第一代YM炉, 采用当地褐煤为气化原料, 后因生产需要, 又增加了2台气化炉, 合计共5台炉, 3开2备, 单炉投煤量约900 t/d, 于2012年全部投产。
自2009年试车以来至今, 气化炉单炉的连续运行时间最长达114 d。2012年运行效果最好, 但2013年至今气化炉运行不是很稳定。主要原因是原煤热稳定性差 (只有40%) , 灰熔点也时常变化, 导致气化炉运行很不稳定, 连续运行70 d左右就需停炉检查。
2.2.2 云解化先锋煤化工项目
云解化先锋煤化工项目全称为先锋褐煤洁净化利用试验示范项目, 由云解化清洁能源开发公司和云南省工业投资控股集团公司共同投资建设, 地处云南昆明寻甸县金所工业园, 距昆明市区约80 km, 设计规模为甲醇50万t/a、煤制油20万t/a (甲醇制汽油MTG) , 副产煤焦油、酚类产品和LNG等。
项目共设置了8台气化炉, 5开3备, 单炉投煤量1 200 t/d, 采用当地优质褐煤为气化原料, 于2013年10月底开车。
截止到2014年4月, 气化炉单炉连续运行时间达到了100 d, 平均负荷率为80%左右, 影响气化炉满负荷的主要原因也是两个:一是煤质较差 (发热量偏低) ;二是后续流程还存在一些问题。
3 碎煤熔渣炉设备制造
对于BGL炉来说, 除了其专利设备 (喷嘴、炉底渣池、下渣口、排渣烧嘴和点火枪) 外, 气化系统的其它设备均实现了国产化, 炉本体分别由太重集团 (太原) 和金重集团 (大连) 制造, 炉体制造周期为12~14个月。
与BGL炉相比, YM炉所有设备都实现了国产化, 气化炉本体由云南煤化工集团下属的大型机械厂制造。
4 结语
综上所述, 碎煤熔渣气化技术与传统的鲁奇炉气化技术相比先进很多, 尤其在废水处理和节省投资方面优势明显。尽管其目前在我国的工业化应用业绩还不十分理想, 尤其在长周期、满负荷稳定运行方面还需时间验证, 但从发展的眼光看, 通过运行经验的不断积累和设计上的不断完善和优化, 该技术必将取代鲁奇炉气化技术, 从而得到更广泛的应用。
参考文献
[1]徐耀武, 徐振刚.煤化工手册——中煤煤化工技术与工程[M].北京:化学工业出版社, 2013.
[2]唐宏青.新型煤化工技术前沿[M].北京:中国财政经济出版社, 2014.
[3]汪家铭.BGL碎煤熔渣气化技术及其工业应用[J].化学工业, 2011, 29 (7) :34-39.
熔渣气化 篇3
1固定床熔渣气化技术介绍
1.1固定床熔渣气化工艺发展史
20世纪70至90年代,由英国燃气科技部(现英国Advantica)与德国鲁奇公司牵头,在英美政府及部分欧盟资助下,利用英国燃气公司技术,在原德国鲁奇固定床气化炉基础上,进行长达二十余年的研发,最终成功开发新型煤气化技术,称为固定床熔渣气化技术[3]。
1.2固定床熔渣气化炉工艺流程
原料煤通过煤锁进入气化炉顶部的过渡仓,最终由过渡仓加入气化炉内。煤沿着炉体由上向下移动,被干燥干馏、气化,最终燃烧。在气化炉底部,水蒸气和氧的混合物通过喷嘴喷入燃烧层,炭与氧反应,释放出的热量使煤灰熔化,同时为气化层提供热量。熔化后的煤灰形成熔渣进入熔渣池内,通过调节激冷室与熔渣池间压差,靠自重将熔渣排入激冷室。熔渣在激冷室内被冷却水冷却,最终形成无味、不可渗滤的熔渣状玻璃质固体,并排入气化炉渣锁内。
2固定床熔渣与碎煤加压固态排渣工艺对比
目前,煤制天然气工艺以碎煤加压固态排渣气化工艺为主,现将固定床熔渣与其进行对比。
从工艺路线上讲,固定床熔渣与碎煤加压固态排渣煤制气工艺基本相同。均为将气化产生的粗煤气依次经过变换冷却、低温甲醇洗、甲烷合成等单元最终合成天然气。固定床熔渣气化炉流程示意见图1,碎煤加压固态排渣气化炉和固定床熔渣炉型结构对比见表1。
注:固定床熔渣气化炉有多种不同内径的炉型,现只将与碎煤加压气化炉内径接近的进行对比。
2.1两种气化工艺参数对比
以新疆煤为原料,年产20亿m3天然气(标准状态)为目标,分别对碎煤加压固态排渣气化工艺和固定床熔渣气化工艺参数进行对比,具体如表2所示。
由表2可以得出,固定床熔渣气化炉与碎煤加压固态排渣气化炉工艺存在以下差异。
(1)生产能力及气化强度不同。固定床熔渣气化炉的氧气负荷是碎煤加压气化炉的2.03倍,即固定床熔渣炉的负荷高,生产能力大。固定床熔渣气化炉比碎煤加压气化炉气化强度高约44%。
(2)蒸汽耗量及污水量不同。固定床熔渣气化炉水蒸气消耗量明显降低,仅为碎煤加压气化工艺的26.66% ;且工艺污水排放量大幅度减少,仅为碎煤加压气化工艺的21.04%。原因在于固定床熔渣气化炉气化温度高,可将气化剂水蒸气完全反应,而碎煤加压气化炉气化温度较低,导致水蒸气分解率仅为30% 左右。这也是导致后者污水量大的直接原因。
注:两种工艺原料煤均为新疆煤,生产规模均为 20 亿 m3/a。表中气体体积均指标准状态下。
(3) 粗煤气有效气产量及组分不同。固定床熔渣气化炉粗煤气中(CO+H2)与CH4产量分别为48 028 m3/h和3 718.7 m3/h, 占总产气量的83.82% 和6.49%,折有效气后气化炉产率109.78% ;碎煤加压气化炉粗煤气中(CO+H2)与CH4产量分别为23 706 m3/h和5 119.9 m3/h,占总产气量的55.1% 和11.9%,折有效气后碎煤加压气化炉产率102.7%。两种炉型的粗煤气组分存在较大的差异,分析原因在于固定床熔渣气化炉气化温度高,将更多的C与CO2发生还原反应,生成CO。
(4)助熔剂的用量。对于新疆的煤种,由于其FT温度较低,约为1 100~1 300℃,可不用助熔剂。但添加助熔剂后,更利于对固定床熔渣气化炉顺利排渣。
2.2两种气化炉实际运行工况对比
固定床熔渣气化炉与碎煤加压气化炉运行工况作对比,对比结果如表3所示。
注:以上数据截止到 2014 年 6 月。
2.2.1炉内腐蚀问题
新疆广汇新能源有限公司(采用碎煤加压气化炉),曾被炉内腐蚀问题困扰。据了解,原因在于原料煤中氯元素高引起的高温卤化腐蚀。内蒙古大唐国际克旗煤制天然气项目(采用碎煤加压气化炉)出现炉内腐蚀。据了解,原因在于煤中碱金属元素和硫元素引起的融盐性腐蚀和硫腐蚀。新疆庆华能源集团有限公司(采用碎煤加压气化炉)自2013年开车以来,暂未发现炉内壁腐蚀的问题。综合分析,造成腐蚀的罪魁祸首在于煤质。虽然呼伦贝尔金新化工有限公司(采用固定床熔渣气化炉)以及中煤图克大化肥项目(采用固定床熔渣气化炉)暂未发现炉内腐蚀现象,但不能依此判断其它地区煤质对固定床熔渣气化炉的不会造成腐蚀的影响。
2.2.2粗煤气含尘量大
该问题主要存在于碎煤加压气化炉。经分析,造成该问题的原因在于:
(1)碎煤加压气化炉粗煤气产量虽然低,但流通面积较小,仅为波斯曼套筒与炉壁之间的环隙面积,最终导致粗煤气出口气速高于固定床熔渣气化炉,粗煤气在高速流动过程中,会将未经过反应的细煤或产生的煤灰带出气化炉;
(2)原料煤的热稳定性较差,在气化炉内粉化后被粗煤气直接带出,采用固定床熔渣气化炉可以降低粗煤气含尘量大的风险。
2.2.3焦油尘堵塞后续系统
对于固定床熔渣气化炉,煤焦油在炉内高温条件下,部分分解为小分子化合物。碎煤加压气化炉,则受煤灰熔点的制约,无法提高炉内反应温度,导致焦油以及煤尘随着粗煤气带出,对后系统造成运行困难。
2.2.4下渣困难
在操作不当的情况下,两种炉型均存在下渣困难的问题。碎煤加压气化炉,由于工况出现波动,常会导致煤结渣,使得下渣困难。严重时只能停车处理。金新化工气化炉,在运行过程中发现排渣口挂渣,导致排渣困难,最后也只能停车处理。分析原因在于汽 / 氧比和排渣频率未及时调整好。所以,气化炉的稳定操作是保证“安稳长满优”的前提条件。
2.2.5工艺污水量大
碎煤加压气化床,因反应温度低,气化剂蒸汽分解率仅为30% 左右,更多的蒸汽被洗涤冷却器冷凝后作为工艺污水。固定床熔渣气化炉气化剂蒸汽量少且分解率高,可达90% 以上。所以,固定床熔渣气化炉工艺污水量更低。
2.2.6最长连续运行时间
据了解,新疆广汇单台炉最长连续运行达100 d。金新化工气化炉最长连续运行137 d,而中煤图克最长连续运行60 d(停车原因在于外网供电出现问题,被迫停车)。
2.3后续工艺技术对比
由于固定床熔渣目前暂无煤制气工艺项目,现将内蒙古某厂固定床熔渣气化工艺与新疆某厂煤制气工艺对比。
2.3.1变换冷却和甲烷化工艺单元
变换冷却主要用于调整H/C比,为后续甲烷化提供合适的原料气,所以该单元需和甲烷化单元综合考虑。变换冷却为工艺技术成熟的单元,目前大唐克旗、新疆庆华在变换冷却单元上暴露出的问题不多。
采用固定床熔渣工艺,粗煤气中含有大量的CO,按照目前甲烷化工艺,要求H/C比为3,估算需将38.76% 的CO转换为CO2(反应为:CO+H2O=CO2+H2),然后粗煤气经过净化单元去除CO2。如按照这种工艺流程,其一:不利于有效气的高效利用;其二:对碳资源是浪费。所以,考虑固定床熔渣工艺后,需配套更为合适的变换工艺和甲烷化技术。
2.3.2净化工艺单元
目前市场上应用较多的净化工艺有鲁奇净化工艺、林德净化工艺、大连理工净化工艺,这些技术都很成熟,对固定床熔渣煤制天然气工艺不存在技术瓶颈的问题。
2.3.3煤气水分离工艺单元
目前煤气 / 水工艺单元以赛鼎工程设计居多,设备均为非标设备,大唐克旗、新疆庆华、新疆广汇工艺流程均类似。由于气化炉的问题和原料煤的原因,导致这些工艺均存在管线堵塞的问题。采用固定床熔渣气化工艺可以有效避免煤气 / 水分离管线堵塞的问题。
2.3.4水处理工艺单元
碎煤加压气化工艺废水的处理一直是业界难题,而在内蒙古某厂固定床熔渣水处理现场了解到,从上游工段酚氨回收产生的工业污水,其COD质量浓度仅为1 000 mg/L左右(约为碎煤加压气化工艺的30%)。所以,固定床熔渣工艺水处理工况较为稳定,处理效果显著。
3总结
结合目前新疆地区特殊的地理环境,以及新疆煤质的特性,认为选用固定床熔渣煤制气气化工艺是可行的,但以下几方面需要继续关注。
(1)工业化应用时间短的问题。从目前看,虽然一些固定床熔渣气化炉运行较为稳定,但由于固定床熔渣气化工艺在我国工业应用时间还很短,可供学习参考的经验相对较少。
(2)碳资源高效利用问题。采用固定床熔渣气化炉,后续变换、甲烷化需采用何种工艺来更为高效的利用有效气,是今后关注的重点。