碎煤加压气化炉（精选6篇）
碎煤加压气化炉 篇1
1. 概述
碎煤加压气化炉操作过程中, 汽氧比调整至关重要, 它决定了气化炉内床层反应温度, 气化炉出口气体成分含量、煤气水处理量等一系列重要参数。克旗煤制气公司在调试气化炉过程中遇到一系列问题, 经过不断的摸索、经验积累、理论联系实际解决了气化炉汽氧比调整问题, 得到了适合气化炉运行的汽氧比。
2. 汽氧比调整
2.1 汽氧比调整依据
克旗煤制气公司气化炉运行中, 调整汽氧比一般依据两点:粗煤气半分析;灰渣状况。粗煤气半分析CO2在28%-33%范围内, 氧气含量小于0.4%。灰渣则以灰略微结渣, 渣块多细灰少为宜。
2.2 开车过程中的汽氧比
2.2.1 空气运行中蒸汽与空气的比值
克旗煤制气公司气化炉开车主要分几个阶段, 分别为蒸汽升温, 空气点火, 切氧, 提压并网几个过程。要实现顺利空气点火, 需用中压蒸汽将炉内煤层升温到满足褐煤自燃的温度。主要参数为气化剂混合管温度、灰锁温度、气化炉出口温度等。空气点火后的蒸汽量与空气量的比例实际上是一个简单的汽氧比。调整这个蒸汽量与空气量的比值依据主要看粗煤气半分析。但实际操作中, 由于通入蒸汽量较小, 蒸汽调节阀在较小开度下不易控制流量, 蒸汽量与空气量没有固定比值。
2.2.2 切氧后的汽氧比
气化炉切氧时, 应先建立蒸汽流量, 进而逐渐通入氧气。随着蒸汽量的增加, 氧气量也在逐渐增加。设计氧气量为5232Nm3/h, 待氧气量提高到1500 Nm3/h左右时, 蒸汽量也相应的按比例增加到了一定量, 一般为11000 kg/h左右。实际上此时就形成了固定的汽氧比。在实际操作中, 切氧后的汽氧比控制在稍大于7.0 kg H2O/Nm3O2。随着负荷的提高, 气化炉可依据此汽氧比运行至并网。连续三个半分析合格且工况稳定后, 可根据灰样和半分析调整合适的汽氧比。氧运时, 粗煤气半分析中可以控制CO2在33%-35%范围内。稍高的汽氧比在开车过程中有利于培养床层, 有利于工况的调整。
3. 汽氧比对生产的影响
从粗煤气中有效气体成分来说, 汽氧比高则气体有效成分中含量CO2与CH4含量高, H2与CO含量低。相反, 汽氧比控制较低, 则CO2与CH4含量低, H2与CO含量相对高。下表为克旗碎煤加压气化炉在同一炉内, 同一压力下, 对比不同汽氧比下粗煤气中CO2、CH4、H2、CO含量变化。
从表1可知, 同炉同压下的不同汽氧比, 粗煤气有效成分含量明显不同。克旗碎煤加压气化炉自身甲烷产量占产出天然气量的48%左右, 较高的汽氧比下, 炉内还原层反应较低, 有利于甲烷的产量, 这对我们产品天然气产量是有利的。
从运行中的气化炉工况来讲, 如果汽氧比过高, 则又有以下影响: (1) 水蒸气含量增大, 相同压力下, 水蒸气分解率一定, 则气化炉带出水量增加, 气化工段煤气水处理量就增加, 后续系统负荷增加且浪费严重。 (2) 工况不好调整, 炉内温度偏低, 灰层灰太细, 不下灰。
从气化反应的化学平衡来说, 提高气化温度总是有利的。这就需要降低汽氧比, 但受煤的灰熔点的限制, 汽氧比低则炉内温度会升高, 气化炉容易结渣。
综合上述情况, 汽氧比的高低直接影响气化炉运行。为了维持稳定气化炉运行, 可以提高气化炉压力以保证气化炉自身甲烷产量, 适当的降低汽氧比可以提高炉内温度, 加快气化反应, 同时可减少后续系统水处理的负荷。我们的碎煤加压气化炉汽氧比一般在6.8左右运行。在运行时, 灰样一般较细, 渣块较少且粒度较小;从长期的半分析看, CO2一般维持在33%-35%范围内 (设计运行范围为28%-33%) 。综合灰样情况、半分析数据及气化炉运行情况, 在今后运行中还可以考虑适当降低汽氧比。
4. 结语
对于汽氧比的调节, 一般在工况稳定后, 就不在进行大范围的调节, 如果需要通过汽氧比调整炉内温度, 则需对汽氧比进行微调, 一般以不超过0.1幅度调整。针对克旗的劣质褐煤, 煤质较差, 而克旗碎煤加压气化炉又是首次在4.0MPa下气化劣质褐煤, 故汽氧比的调节还需根据长期实际运行中不断摸索, 待气化炉操作稳定, 人员技术水平成熟后, 在现有设备基础上继续调整合适的汽氧比。
碎煤加压气化炉 篇2
2012年5月M公司加压气化装置B炉点火开车, E炉于5月24日点火开车, 原料煤为该公司长焰煤, 负荷约40~90%。6月3日晚停炉排料, 氮气置换至常温, 解人孔通空气具备条件, 检修人员入炉检查发现:气化炉内夹套内壁中下部 (氧化区、还原区) 严重腐蚀, 测量夹套壁厚平均减薄8mm。
2013年11月N公司首台气化炉点火运行, 随后A、B两系列16台气化炉相继点火并网, 通过粗煤气中温耐硫变换调整碳氢比、低温甲醇洗净化及以镍基催化剂的甲烷化工艺流程生产煤基天然气, 利用长途管道输送作为城市民用燃气及工业燃气产品。主要采用集团内部矿业公司所生产的褐煤中a、b煤, 在连续高负荷运行近两个月左右的时间后, 发现16台气化炉内壁相继出现腐蚀变薄、局部烧穿等现象, 从设计壁厚28mm减薄到2.4mm区间内不等。其中B系列中四台气化炉分别在气化炉人孔处俯视顺时针120°左右气化炉截面上有4、2、4、4个漏点, 在气化炉底部两带夹套板 (即气化炉宝塔型旋转炉篦径向圆柱体侧平面上, 从下到上约为1.2m高, 金属材质为15Cr Mo R的内夹套板材) 发生腐蚀穿孔。从气化炉内壁总体上分析, 腐蚀可能存在着一定规律性。
1 碎煤加压气化工艺流程
经筛分后13~50mm的碎煤 (一般采用褐煤、长焰煤等低阶煤种) 从煤仓落下, 依次途径煤料溜槽、煤锁进入气化炉, 主要通过煤锁上、下锥阀开关动作及密封作用, 在交变压力工艺流程下, 煤经煤锁、进入到气化炉上部的波斯曼套筒加入到气化炉当中, 压力4.8MPa、温度465℃的中压过热蒸汽与4.65MPa、40~100℃左右、纯度为99.8%的氧气在气化剂混合内部充分混合, 按一定比例从气化炉底部加入到气化炉中, 与气化炉顶部下降的块状褐煤逆流接触, 煤从上到下依次经过干燥层、干馏层、还原层、燃烧层及灰渣层, 在压力3.0~4.0MPa、温度900~1050℃工艺条件下发生气化反应。产生的粗煤气在波斯曼套筒与气化炉内壁的间隙中进行收集, 从气化炉上部侧面出口离开气化炉, 进入粗煤气洗涤冷却器, 被60~90℃高压喷射煤气水进行洗涤、冷却, 由于洗涤冷却器中的螺旋桨叶和文丘里管结构将高压煤气水高度雾化, 流速很高, 将粗煤气中的焦油、粉尘强制洗涤和冷却下来, 随液相一起送到煤气水分离工段进行处理, 经沉降、闪蒸后循环使用。粗煤气以205~215℃左右进入废热锅炉进一步回收粗煤气热量, 副产低压蒸汽后以160~180℃左右离开加压气化后进入粗煤气中温变换冷却工段。
气化炉是双层夹套压力锅炉, 夹套中加入中压锅炉给水与气化炉内部煤的燃烧反应放出的热量进行间接换热后, 副产中压过热蒸汽在气化剂混合管前汇入到气化剂系统, 作为气化剂参与气化炉内部的化学反应, 同时保证气化炉内壁里外压力很低, 很好保护了内壁发生应力变形的可能性。
气化炉内的底部设有一个四层宝塔式旋转炉篦, 它的主要作用是一是支撑气化炉内部的满满固体物料, 二是将从气化炉底部中心管上升的气化剂被旋转炉篦均匀地分配, 三是并将气化反应产生的灰渣冷却。旋转炉篦上面的灰渣通过炉篦不断旋转运动, 将气化过程中产生的灰渣甩向炉篦圆周与气化炉内壁的间隙中, 经过下灰室排入灰锁, 气化炉下部的灰锁与煤锁设计相当, 主要是通过灰锁上、下锥阀的开关循环操作及密封作用改变灰锁的压力, 在常压下将灰渣排入渣沟运走外售。
2 碎煤气化炉设备简介
国内目前的碎煤气化炉结构基本相同, 是一个夹套式的压力容器, 气化炉上封头为椭圆形, 下部为锥形封头, 由内壳和外壳组成。内外筒之间间隙为48mm, 其中充满了中压锅炉水及中压过热蒸汽。内外筒压差为0.05MPa, 为了减小由于气化反应放热造成温差引起的设备膨胀, 从而产生的热应力使气化炉内部发生蠕变及腐蚀作用, 内筒底部设有膨胀节。气化炉内下部设有旋转炉篦, 灰渣出口法兰;气化炉顶部设有波斯曼套筒及煤入口法兰等。
气化炉尺寸规格及主要材质构成:
炉本体总高:13000mm
内壳体:φ3848×28/32mm, 长度L:8135mm
外壳体:φ4000×60mm, 长度L:9130mm
主要材质:外壳体:13Mn Ni Mo Nb R, 内壳体:20R、15Cr Mo R
气化本体主要管口:
粗煤气出口:位于气化炉中上部侧面, 管径:Ф716mm
气化炉人孔:位于气化炉中部, 管径:Ф500mm
气化剂入口:位于气化炉底部侧面, 管径:350mm
煤入口法兰:气化炉上部, 管径:Ф1600mm
灰渣出口法兰:气化炉底部, 管径:Ф750mm
3 碎煤气化炉反应机理
由于煤是一种复杂的芳香环类化合物, 在加热过程中又发生热分解, 其热力学性质较难测定, 技术文献上的数据也不一致。
气化过程的主要反应, 既碳与水发生的异相反应, 是强烈的吸热反应。
注:“+”表示为放热反应, “-”为吸热反应
加压气化的目的产品是燃料气或化工原料气, 其有效成分是:CO、H2、CH4。可见反应 (3) 、 (4) 是生产可燃性气体的主要反应。因此要求气化过程中, 该反应能顺利进行, 反应 (6) 可把CO变换为H2, 故该反应在生产原料气时, 可用于调整原料气中CO和H2的比例, 在生产城市煤气时, 可用于降低CO的含量, 反应 (7) 是生成甲烷的主要反应, 该反应的进行, 有利于煤气热值的提高, 对生产煤基天然气有利。
反应 (1) 、 (2) 为放热反应, 作为气化反应内部热源, 提供工艺过程所需的热量, 使气化过程维持在高温下进行。 (3) 、 (4) 是强烈的吸热反应, 其热量的来源由式 (1) 、 (2) 供给, (6) 、 (7) 是放热反应, 气化过程中这两个反应的进行, 有利于热量的平衡, 可节省消耗于燃烧反应的碳量, 以 (8) 为主的甲烷化反应均为强放热反应。
根据负荷最低定律, 用水蒸汽气化原料煤时, 会有以下结果, 随着温度的提高, CO2、CH4、H2O诸气体组分的形成量明显下降, CO、H2的量增加。
随着压力的提高, CH4比重增大, 而H2和CO的形成量下降, CO2略有增加。
因为各个反应过程是相互抑制的, 仅通过热力学来调节各个反应过程的平衡是不可能的。同时, 异相的水煤气反应是灰中的铁和碱金属催化的。
碎煤气化的主要工艺参数是气化压力、汽氧比选择、气化层温度和气化剂温度、气化原料和气化剂要求等等。
4 气化炉腐蚀原因分析
国内碎煤气化炉内壁材质对比 (表1) 。
从表1可以看出, 气化炉夹套内壁材质与气化炉内壁腐蚀有一定关系, 尤其是气化炉内壁使用20R/15Cr Mo R, 发生腐蚀的几率最大。同时使用HⅡ及不锈钢复合层的基本没有被腐蚀;
气化炉内壁腐蚀与气化炉操作压力和温度没有直接函数关系, 但压力降低, 腐蚀的几率和腐蚀的严重程度大大降低, 但在操作温度在300~450℃这一特定的区间内存在发生急剧腐蚀的可能性。
发生腐蚀气化炉煤种比较:
(1) 煤质相关元素分析 (表2) 。
(2) 煤灰成分分析 (表3) 。
从表2可以看出, 气化炉腐蚀受煤质的影响比较大, 尤其使用褐煤、长焰煤等低价煤种发生腐蚀的几率比较大。
N公司与M公司气化用煤有一个共同特点, 硫、氟、氯等元素含量较高, 使气化炉夹套内壁发生全面腐蚀。同时由于煤中F、Cl等卤素的存在, 其燃烧时是以金属卤化物形式释放出来。卤化物易以H2O、SO2、SO3反应生成硫酸盐和卤化氢。因此, 卤化腐蚀是主要原因, 其次高温硫酸盐腐蚀和氧化腐蚀。 (以Na Cl、Na2SO4为例) , 反应机理如下:
在高温情况下, 卤化氢 (HR) 气体会对合金钢中的Cr和Ni产生腐蚀, 破坏其表面的保护膜, 尤其在400~600℃时, 腐蚀速度最快。见 (2) 式反应过程。
气化炉燃烧层和灰渣层由于装置试生产阶段操作过程的不稳定, 相对温度控制较高, 局部发生灰渣熔融, 疏松多孔的表面熔渣和灰层易被燃烧, 产生的硫氧化物与硫酸盐生成焦硫酸盐, 进而生成复合硫酸盐, 复合硫酸盐在气化炉内壁形成的保护膜不稳定, 尤其当复合硫酸盐中含有钾、钠的摩尔比1∶1和1∶4之间时, 灰熔点降低490℃, 进一步加大硫酸盐沉积厚度, 表面温度升高, 从而破坏了金属内壁的氧化物保护膜, 气化炉内壁腐蚀加剧。见 (3) 式反应过程[3]。
金属铁在灼热到500℃时能与氧发生化合生成黑褐色的四氧化三铁 (4) 反应;铁在高于570℃以上能与水蒸汽发生作用生成四氧化三铁 (5) 反应;铁在潮湿有氧的环境下极易生锈 (6) 反应。
上述七个反应同时存在, 叠加反应, 加速了气化炉内壁腐蚀速率。
由于旋转炉篦的缓慢轴向旋转运动排灰, 气化炉由于采用了机械强度和热温度比较差的褐煤气化, 气化炉内壁在灰渣层区域布满了细灰, 这层灰会对气化炉的内壁产生一个很大的径向作用力, 同时灰中Al2O3含量很高, 硬度很大, 在高温中压蒸汽和氧气的氛围下, 对气化炉两带夹套板部分产生很大磨蚀作用, 这一过程尤其是在气化炉灰渣在气化炉旋转炉篦上部澎料的工艺状态下更容易发生腐蚀作用。
5 气化炉腐蚀的处理措施
(1) 对内壁腐蚀严重的气化炉, 先采用普通焊丝进行增厚补焊, 然后在其表面利用镍基焊丝进行自动堆焊, 堆焊厚度约5~7mm, 其内壁总体厚度满足设计的28/32mm的要求, 从气化炉底部旋转炉篦护板处开始, 一直堆焊到气化炉上部的气化炉波斯曼套筒平齐处;对于腐蚀比较轻的气化炉直接进行自动镍基焊丝堆焊;
(2) 对堆焊后的气化炉, 采用含有有腐蚀性元素的褐煤为原料进行气化单炉工业化试验, 累计运行2个月以上, 进一步验证煤质元素硫、卤素腐蚀气化炉夹套内壁可能性;
(3) 2014年3月下旬开始, 对修复后的气化炉重新点火并网运行, 运行1个月或数个月后逐台气化炉进行内部检修, 通过射线探伤检测, 未再发生有气化炉内壁腐蚀的迹象, 截止2015年1月单炉最高连续高负荷运行156天, 气化炉内壁整体无任何腐蚀腐蚀;同时在气化炉的氧化层、灰渣层区域内选择不锈钢类310、347、316L等金属材质在气化炉夹套内壁进行挂片试验, 进一步确定哪种材质更适用解决气化炉的腐蚀问题, 探索降低设备投资或改造成本、保证气化安全稳定运行的最佳技术方案。
(4) 从工艺操作角度上, 减少汽氧比、气化压力、气化层温度的调整频率, 尽量避免气化炉内气流和碎煤下降的偏流现象, 减少床层内部发生局部超温, 避免造成满足气化炉腐蚀的工艺条件;
(5) 减少旋转炉篦的调节频次和大幅度调节, 建立足够高的灰床, 粗煤气出口尽量沿工艺指标上限350℃以下运行, 避免将火层过度向下移动, 造成灰渣层发生二次气化反应, 造成局部超温;
(6) 气化炉旋转炉篦上部发生澎料事故要及时大幅度降低氧负荷处理, 使气化反应放缓, 气化炉内灰渣等物料下降阻力变小, 及时有效地缓解气化炉下灰困难或不下灰的工艺运行状态;
(7) 碎煤加压气化炉的生产氧负荷在设计值5200NM3/h左右、气化温度在900~1050℃、气化压力在3.5~3.8MPa的工艺条件下运行, 避免过大幅度地工艺调整, 保障气化炉系统设备的安全性、稳定性及可靠性;
6 结语
利用褐煤为原料的碎煤加压气化炉内壁腐蚀是加压气化历史上的一次重大事件, 是对工艺管理、生产操作及设备维修技术上的巨大考验。气化炉腐蚀属于化学腐蚀和物理腐蚀相互叠加或交替进行的结果, 并且是先有化学腐蚀, 后有物理腐蚀。需要碎煤加压气化行业人员进一步研究、生产实践验证, 尤其在改善设备制造材质、做好气化用煤评价及工艺管理的基础上, 保证碎煤加压工艺技术的安全、环保、健康稳步发展, 对现代煤化工尤其是煤制天然气技术路线具有重大意义。
参考文献
[1]李守信.电站锅炉的受热面高温腐蚀机理探讨[J].锅炉制造》, 1999, (11) .
[2]韩玉墀.《化工工人技术培训读本》[M].65.
碎煤加压气化炉 篇3
碎煤加压气化属于固定床气化工艺, 由于干馏层和干燥层的存在, 在气化年轻煤种时, 粗煤气含有较多焦油、酚类、氨、氢氰酸等有机和无机杂质, 随着粗煤气的洗涤冷却过程, 这些杂质绝大部分转移到煤气水中。传统的煤气水处理工艺首先经过煤气水分离装置和酚氨回收装置, 包括沉降、脱酸、蒸氨、萃取等一系列物理分离过程, 之后排出的工艺污水经过生化处理, 然后达标排放。生化处理碎煤加压气化工艺污水, 经过多年实践和改进, 工艺较为成熟, 得到推广应用。然而碎煤加压气化污水做为高酚、氨含量的工业污水, 其中酚类对细菌污泥具有一定生物毒性, 特别是负荷波动时容易对污水生化处理装置造成冲击, 而且恢复时间较长, 对企业连续生产造成很大影响。另外采用生化处理, 污水中的酚类和有机物被生化分解, 不能回收利用。
1 工艺简介
本工艺的膜技术处理碎煤加压气化工艺污水的方法, 包括如下步骤:
(1) 从酚氨回收装置排放的工艺污水先经过机械过滤和精密过滤除去机械杂质, 防止对膜造成堵塞或损伤;其中机械过滤采用立式机械过滤器, 滤料选用石英砂, 具有独特的均匀布水方式, 使过滤器达到最大效果, 能长期满足出水水质要求。精密过滤采用精密过滤器的作用是防止泄露的填料颗粒划伤膜表面, 过滤精度为5μm, 滤芯为PP棉或线绕滤芯。
(2) 过滤后的工艺污水加碱调节p H值至9~10.5, 使污水中的酚类形成酚氧负离子, 防止对膜造成污堵, 然后通过两至三级膜系统脱除污水中绝大部分酚类和其它有机物;
(3) 步骤 (2) 排出的淡水加酸调节p H至6~8, 使游离氨形成铵盐, 通过末级膜脱除污水中的绝大部分氨氮, 膜是反渗透膜或纳滤膜。
下面对本工艺作详细说明:
碎煤加压气化产生的废水经酚氨回收装置回收大部分焦油、中油、粗酚和氨之后, 然后通过三到四级膜系统进行分离, 脱除其中的酚类和氨, 所产淡水进行回用, 浓水循环至酚氨回收装置入口或用于制备水煤浆。
用膜技术处理碎煤加压气化工艺污水面临最大的问题在于废水中的弱极性有机物容易吸附在膜上, 对膜造成污堵, 使得膜清洗过于频繁, 装置无法稳定运行并严重影响膜的寿命。对碎煤加压气化污水成分的分析表明, 其中的有机物主要是各种单元酚和多元酚, 酚类呈弱酸性, 在酸性环境下以酚羟基 (ROH) 形式存在, 在碱性环境下以酚氧负离子 (RO-) 形式存在。本工艺利用这一性质, 在一级膜的入口处加碱调节污水的p H值, 使污水中的酚类负离子化, 极性比游离酚显著增强, 大大降低了对膜的吸附作用, 从而有效防止了膜的污堵。但是由于一级膜入口处加碱, 污水中的氨以游离氨形式存在, 膜对小分子游离氨的去除效果很差, 本工艺在末级膜入口加酸, 使污水中的游离氨形成铵盐, 很容易被膜去除。污水在经过两至三级膜后, 绝大部分酚类已经被脱除, 此时再加酸降低p H值, 不会对膜造成污堵。
2 结论
碎煤加压气化炉 篇4
1 粗煤气含尘量控制原则
一般而言,粗煤气含尘量的控制分为过程控制和末端控制。过程控制指的是从源头上通过技术改进、工艺优化等手段来降低进入气化炉的粉尘含量以及气化过程中的粉尘产量,从而控制所产粗煤气的含尘量;末端控制指的是利用物理或化学手段,对气化炉出口粗煤气采用高效洗涤分离技术,降低大量粉尘被带入后系统的风险。
2 碎煤加压气化工艺流程
按照碎煤加压气化煤制天然气工艺设计,原料煤从原料堆场(筒仓)经带式输送机运至筛分装置,将原料煤中的粉煤和块煤进行分类,将粉煤(粒径小于5 mm)送至热电车间作为动力煤使用,而块煤(粒径为5~50 mm)再经过带式输送机运至气化炉内进行气化反应。气化产生的粗煤气经过洗涤冷却装置后,送至后续系统。其工艺流程及含尘量控制点如图1所示。
3 产尘含尘量控制点及其原因分析
控制点(1)为转运过程控制。按照设计,气化炉入炉原料煤粒径小于5 mm的占总量5%以下,大于50 mm的占总量5%以下,5~50 mm粒径的要求占总量90%以上。目前,传统的转运系统无法有效控制和减缓原料煤转运速度,使得原料煤以不同的速度随机落入下一个转运分支,加之料流分散、溜管结构不合理导致原料煤与溜管壁产生巨大的冲击挤压。此外,煤制天然气项目均采用煤化程度低的煤种,其机械强度低,在转运过程中,将使得大量经过筛分合格的原料煤破碎成粉状。以新疆某煤制天然气项目转运系统为例,通过弛张筛后的成品煤大约需要经过4次平均落差高度为8 m的转运,每一次的转运需经过头部漏斗、溜管、三通挡板、下料侧板等至少4次较大的冲击。根据运行结果来看,在此过程中会造成至少30%以上的成品煤粉化。所以,对转运过程的控制是很必要的。
控制点(2)为炉前含尘量控制。即便对转运过程进行严格控制,但由于原料煤机械强度低的原因,导致在运输过程中仍会产生一定量的粉煤,影响入炉煤的粒径分布,对气化炉的稳定运行和粗煤气含尘量造成影响。新疆某煤制天然气项目,虽然了采用柔性转运方式,尽量减少转运过程中原料与原料之间、原料与转运系统之间的刚性冲击,但是由于煤质较差的原因,在气化炉入炉前原料煤中粉煤率仍然较高。据测算,经过弛张筛后的约70 t合格煤样,采用柔性转运方式仍会产生10 t左右的粉煤(占原料煤总量的14.2%,仍不达标)。所以,在入气化炉之前进行炉前粒径控制是必要的。
控制点(3)为炉内含尘量控制。粗煤气含尘量一部分来源于掺杂于原料煤中的粉煤,另一部分来源于原料煤热解粉化后,被带出气化炉的未反应的煤焦。气化炉压力的波动、煤锁充泄压时间、气化炉内火层的培养均对粗煤气含尘量有影响。所以通过对气化炉的稳定操作,也可控制粗煤气含尘量。
控制点(4)为炉后含尘量控制。炉后控制为粗煤气含尘量的末端控制手段。由于粗煤气进变换反应炉之前,要求严格控制粗煤气含尘量,防止触媒中毒。所以,对炉后含尘量控制将决定后续系统是否能稳定运行。
4 粗煤气含尘量控制措施
4.1 转运过程控制
4.1.1 转运次数、落差控制
在设计过程中,要充分结合原料煤的来源、存储方式、煤的机械强度,尽量减少原料煤的转运距离、次数和落差,降低在转运过程中,原料煤的破碎率。
4.1.2 对溜煤方式控制
采用曲线溜煤管代替传统刚性转运方式,柔性控制原料煤的物流方向和物流速度,尽量减缓转运过程原料煤与转运系统的刚性冲击。
4.2 炉前含尘量控制
目前,炉前筛分是炉前含尘量控制最有效方案。了解到新疆庆华煤制天然气项目在原有系统基础上增加了一套炉前筛分系统,大幅降低了入气化炉前的粉煤率。所以,建议新建类似项目在设计阶段,需提前考虑二次炉前筛分的必要性。
4.3 炉内含尘量控制
在气化炉开停车期间,一方面要严格注意控制提压和泄压速率,防止压力波动较大造成粗煤气含尘严重。另一方面要严格注意气化炉内火层的培养,防止造成沟流、风洞、偏烧等操作,造成气化炉内反应絮乱;在气化炉正常开车期间,由于此时炉压和炉内工况较为稳定,此时需重点控制在加煤过程中,空气引射器的开启时间和出力效果。从加煤过程中,尽量减少粉尘携带。
4.4 炉后含尘量控制
粗煤气出口温度约200℃,压力为4.0 MPa,且为气—液—固三相混合状态,直接进行粗煤气含尘分离难度较大。建议先采用洗涤分离,将粗煤气中的粉尘和焦油脱至煤气水中,然后对煤气水进行油/水/尘三相分离,最终将分离出的焦油尘与原料煤进行混合掺烧。
5 结语
对粗煤气含尘量的控制是碎煤加压煤制天然气工艺稳定运行的前提条件。目前国内已运行的煤制天然气工厂,均遇到粗煤气带尘严重的问题。建议新建项目在设计和开车过程中应注意以下几点:
(1)在设计过程中,必须充分考虑原料煤的机械强度,从总图专业合理布局气化和备煤装置区,尽量减少原料煤转运次数、距离和转运落差。
(2)在设计过程中,提前考虑粉煤的利用,可制取型煤作为气化原料煤。但前提是对型煤在实际反应压力3.0 MPa或4.0 MPa下的热稳定性进行充分验证。
(3)对传统的转运溜槽进行结构优化,尽量采用柔性落煤的方式,减少其在转运过程中的粉化率。
(4)在气化炉开车过程中,注意炉内火层的培养。一般而言,炉内工况越差,粗煤气带尘量越严重。
参考文献
[1]韩玉峰,丁建础.低热稳定性低阶煤在碎煤加压气化工艺中的应用[J].洁净煤技术,2014,20(4):42-44.
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碎煤加压气化炉 篇5
1 碎煤加压气化工艺
1.1碎煤加压气化工艺的优点。煤制天然气项目的主要成分是甲烷 (CH4) , 其目标产品是合成天然气 (SNG) 。因为是固定床气化, 碎煤加压气化工艺的气化温度相对较低, 使其存在干馏层, 气化炉出口的粗煤气存在约占其体积8%-13%的高CH4含量。最终SNG产品中, 气化炉所产生的CH4约占33%-47%的比例。与干煤粉或水煤浆气化方式相比较而言, 碎煤加压气化工艺规模是其他气化方式后续变换冷却、净化以及甲烷化的三分之一, 能够节省四分之一的投资。由于是气流床气化, 干煤粉或水煤浆气化温度高, 所产生的CH4会转化成CO2和H2, 40%的最终产品在气化炉中由甲烷转化成合成气, 再经历甲烷合成工序后合成为甲烷。其中的转化过程必定会对整个生产过程产生一定的影响。考虑到投资和能效两方面的因素, 碎煤加压气化工艺不失为煤制天然气项目的最佳方式。碎煤加压气化具有提高效益、节省投资、流程简单的优点。1.1.1采用碎煤加压气化工艺技术, 将原材料由气化炉上部加入, 蒸汽和氧气作为气化剂从气化炉底部通过, 在气化炉中, 气体依次由上至下经过灰层、燃烧区、气化区、干馏区还有干燥区, 最终通过炉顶排出。经过煤气水分离、酚氨回收装置以及低温甲烷洗装置处理, 回收从原料煤中干馏出的焦油、粗酚以及石脑油等作为副产品, 提高整体经济效益。1.1.2采用碎煤加压气化工艺技术, 通过甲烷在碎煤加压气化炉中释放的热量, 提供部分反应热, 降低碎煤加压气化氧耗量, 减少配套空分装置的投资。1.1.3采用碎煤加压气化工艺技术, 在不用设置磨煤制粉 (制浆) 和输送系统的情况下, 将粒度控制在6mm-50mm, 进行简单的破碎、筛分的操作程序即可, 流程简单。1.2碎煤加压气化工艺的不足。1.2.1随着煤矿开采机械化程度的提高, 末煤在原料煤中的含量越来越多。碎煤加压气化是将原煤控制在6mm-50mm的固定床气化。采用碎煤加压气化工艺技术可能会导致块煤和末煤的失衡问题, 还会给配套煤矿的末煤销售产生一定的影响。1.2.2与干煤粉气化和水煤浆气化, 采用碎煤加压气化工艺技术, 所产生的废水中含有大量的焦油、酚类等成分复杂的有机化合物, 其污水处理难度更大。因此, 碎煤加压气化工艺的污水处理设施投资和运行成本较高。
2 碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合
碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合的首次采用, 能够有效地解决碎煤加压气化工艺的两大不足。一方面, 碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合将碎煤加压气化炉以块煤作材料和水煤浆气化炉、项目配套锅炉以末煤为原材料有机地统一、结合, 能够实现配套煤矿的末煤平衡。另一方面, 碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合, 以碎煤加压气化中所产生的废水为水煤浆气化过程中的浆用水, 利用高温分解废水中的有机污染物, 将碎煤加压气化工艺污水转化成水煤浆气化水, 污水处理由难变易。将碎煤加压气化工艺污水直接转化成水煤浆气化水的过程中, 废水量大, 需要过多的水煤浆气化炉, 会导致投资增加, 而效率降低, 不能发挥组合气化工艺的优势。针对这一问题, 浓缩碎煤加压气化工艺污水, 回用淡水, 利用污水来制浆的膜技术在这次项目中被采纳。在河南煤气集团义马气化厂, 建立了7.5t/h膜法中试装置, 验证了膜法处理碎煤加压气化工艺污水的可行性。该装置在为期一年的连续运行中, 解决了义马气化厂碎煤加压气化工艺中的废水问题。经过膜处理后的废水能够满足循环水回用要求, 淡水回收率在70%-85%。此外, 西北化工研究院和华东理工大学等单位通过对煤的浓水和原料实验进行其成浆性的检测, 检验出煤的成浆浓度在56%-59%之间。目前, 有关中试已经验收, 膜容易引发的堵塞问题也得到了解决。碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合能够有效地解决污水处理的问题, 并能够合理地处理末煤平衡的难题。实现两种技术的有机统一, 扬长避短, 优势互补, 最大程度地会两种化工技术的优势对于煤制天然气的项目运行十分重要。
3 两种气化工艺组合的系统配置选择
在后续工艺流程方面, 碎煤加压气头与水煤浆气头的差异十分明显。在编制工艺技术方案的过程中, 分析、研究了后续变换、净化以及合成工序的设置等。在项目按照一期全部建成的情况下, 可以分别设置碎煤加压气化和水煤加压气化系统的变换、净化以及合成程序。全厂分别对碎煤加压气化和水煤加压气化生产系统运行和管理。在碎煤加压气化的处理后废水和水煤浆气化制浆水有交集的情况下, 应该在集中考虑处理后废水缓冲问题的同时解决故障容纳问题。碎煤加压气压化生产系统和水煤浆气化系统就像两个流程不同的独立工厂, 有清晰的装置划分, 分别由富有经验的人员进行管理和操作, 方便了生产运行。按照气头分系统的建设, 水煤浆气化系统可以运行4台6.5MPa气化炉, 单独设置两套甲醇洗装置, 利用5.5MPa的甲烷合成。两套甲醇装置分别是变换和低温甲醇洗装置。静设备受压力提高的影响, 直径减少20%, 壁厚增加约1.2倍, 致使整体非标设备的投资会低于4.0MPa水煤浆气化方案。在氧气压力的提高的影响下, 增加了空分部分的投资, 出现整体投资要低于4.0MPa水煤浆气化方案的状况。如果项目分期建设, 按气头独立系统运行方案十分复杂。一方面, 为了满足不同压力和流程的需要, 公用工程系统经常面临种类多但规模小的局面。另一方面, 因为单期装置规模小, 系统多、设备数量多, 每期的水煤浆气化中变换、净化以及合成系统的单独配置会使增加总投资额。因此, 在工艺技术方案中, 使用4.0MPa水煤浆气化混合净化和碎煤加压气压化的组合方案, 通过深入变换碎煤加压气化中的粗煤气, 冷却水煤浆气化中的粗煤气, 使用冷温甲醇洗装置净化气体。该方案不仅节省了分期建设的投资成本, 还简化了工艺系统和公用工程系统的配置。
结束语
40亿Nm3/a开创了碎煤加压气压化和水煤浆气化工艺组合的先例, 有效地解决了碎煤加压气化工艺污水处理和块末煤平衡两大难题。
摘要：碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合首次在40亿Nm3/a煤制天然气项目工艺技术方案中得到采用。两种气化工艺组合弥补了传统碎煤加压气化的缺陷, 为煤制天然气项目的推进提供了便利。本文主要分析了碎煤加压气化的优势和不利之处, 指出块末煤平衡问题和碎煤加压气化工艺, 可以解决块末煤平衡问题和碎煤加压气化工艺污水处理难题, 并提出了两种气化工艺组合的系统配置选择。
关键词：碎煤加压气化,水煤浆气化,工艺组合,煤制天然气,应用
参考文献
[1]韩玉峰, 冯华, 马剑飞.碎煤加压气化和水煤浆气化工艺组合在煤制天然气项目中的应用[J].天然气化工, 2014 (4) .
[2]吴丽娟, 张亮, 王建宇.碎煤加压气化炉废水处理工艺的选择[J].西部大开发:中旬刊, 2012 (9) .
[3]李积强, 盛莉莉, 黎菲.煤制天然气工艺的研究与应用[J].企业技术开发:中旬刊, 2012 (4) .
褐煤煤气化碎煤仓的设计 篇6
随着世界石油资源的日益紧缺和优质煤炭资源的日益耗竭, 褐煤的综合利用问题逐渐引起世界的重视[1]。我国褐煤资源丰富, 已探明的保有储量达1 303亿t, 占全国煤炭储量的13%, 其中内蒙古的褐煤储量最大, 占全国褐煤储量的77%[2]。
褐煤具有O/C原子比高、内水大、挥发分高、灰分高、灰熔点变化大、发热量低、反应活性强等特性[3]。
对于气流床煤气化技术, 由于反应温度高, 煤气中基本不存在焦油、酚等会堵塞管道和阀门的成分, 煤中的挥发分经高温裂解成为煤气的有效成分[4], 因此褐煤的高挥发分对航天炉等粉煤流化床气化技术更有利。
煤气化是在一定温度、压力下, 采用气化剂 (空气、氧气、水蒸气等) 对煤炭进行加热分解, 使煤中的所含炽热的炭变为游离碳, 与气化剂中游离的碳、氢、氧结合形成CO、CH4、H2等可燃气体。采用不同的气化剂, 可产生不同热值的煤气。煤的挥发分不同, 其反应速度和煤气产量也不同。由于褐煤的挥发分比变质程度较深的烟煤和无烟煤高, 所以与烟煤和无烟煤相比, 褐煤在气化过程中反应速率快、反应活性强、产气量高、不黏结, 是较为合适的气化用煤[5]。由于褐煤中含有15% ~ 50%的水分[6], 在煤气化过程中, 为了蒸发水分, 需要消耗和带走热量。因此, 为了降低褐煤水分, 需对其进行预干燥处理。国内外褐煤干燥脱水技术有管式、流化床式、床辊式、热机械脱水等[3]。褐煤脱水提质加工后, 水分显著降低, 发热量大幅度提高[7]。经预干燥后, 水分降低到15%左右的褐煤, 进入碎煤仓, 经磨煤机碾磨出合格的煤粉送入气化炉气化出合成气。基本流程如图1所示。
由于褐煤的水含量和挥发分高, 碎煤仓存在易燃、易爆及结露等危险, 因此对褐煤碎煤仓的设计需要特殊考虑。
2 碎煤仓的系统设计
针对褐煤挥发分高的特点, 设计中需采取以下措施避免爆炸等危险。
2.1 惰性气体保护和流化
在干燥过程中, 空气与褐煤接触很容易引起燃烧爆炸[8,9]。经预干燥后的褐煤含水量仍很大, 约为15%, 干燥无灰基挥发分约为42%, 挥发出的可燃气体浓度大, 而且干燥后的褐煤温度在80℃左右, 遇到空气极易燃烧爆炸。如果仓内壁角度不合理, 四壁不光滑易积粉, 造成系统内温度过高, 最终会氧化自燃, 导致系统爆炸[9]。解决褐煤燃烧爆炸的最好办法是将褐煤与空气隔离。隔离空气最好的办法是持续补充氮气, 保持微正压状态, 使预干燥后的褐煤始终处于惰性气环境中。补充氮气的位置应在煤仓的锥部, 以起到流化的作用, 防止褐煤在锥部挂粉。氮气进入煤仓的流速要尽量小, 以减少煤粉飞扬。此外, 密封不严易导致粉尘泄漏, 严重污染环境。另外, 补充干燥的氮气还可以降低水在煤中的分压, 防止煤粉结块。
2.2 煤仓检测
煤仓排风系统需装有一氧化碳含量在线分析报警及温度报警装置。如果煤仓内碎煤自燃或存在任何燃烧情况, 便有一氧化碳产生, 排风系统监控装置则会检测出CO, 并显示其浓度。当浓度超过设定限值, 系统会提示报警, 并补充消防氮气, 防止煤粉燃烧。此套报警装置是后续系统顺利进行的重要保证。
2.3 煤仓仓体保温
原煤经预干燥系统干燥破碎后, 碎煤粒度约为10 mm, 温度约为80℃。如果碎煤进入煤仓后温度降低, 当温度低于露点时, 碎煤易粘结架桥, 堵塞煤仓出口, 导致煤粉输送以及煤气化系统无法连续运行, 最终导致停车。因此, 煤仓需要有保温伴热系统, 以维持仓内正常的温度, 使煤粉温度始终高于露点, 并处于流化状态以保证后续系统的顺利进行。伴热系统应在整个煤仓外壁均匀分布, 使煤仓内部温度稳定。
2.4 煤仓振动设备
预干燥后的碎煤粒度约为10 mm, 碎煤进入煤仓后, 由于粒度过细容易架桥。架桥后, 煤仓内空间减小, 架桥部位上部会累积碎煤, 使煤仓内流化不均匀。更严重情况发生时, 会堵塞煤仓出口, 导致气化炉减负荷运行, 甚至停车。因此, 需在煤仓壁设置空气炮。当发生架桥堵塞时, 开启相应的空气炮清堵。为了防止褐煤中的挥发分与空气接触引起爆炸, 空气炮应引入氮气。
3 碎煤仓的工艺设计
3.1 煤仓容积
国内多数褐煤气化装置选用典型的移动床、流化床和气流床煤气化技术。气化炉需要连续稳定的供煤系统, 以保证气化炉在正常负荷下运行。因此, 磨前碎煤仓容积的设计需保证预干燥系统的检修及切换时间内有连续供煤。但煤仓容积不宜过大, 因为褐煤挥发分高, 煤气化的需煤量是一定的, 如果容积过大褐煤在煤仓内的停留时间就会更长。停留时间过长, 易导致挥发分聚集, 引起爆炸等事故。因此, 煤仓容积以满足气化炉连续运行2 ~ 4 h耗煤量的需求考虑。
3.2 煤仓材质
煤仓应采用非可燃材料制作, 由于碎煤易磨损煤仓壁, 而且煤中易含有腐蚀金属成分, 所以可以考虑在煤仓内, 尤其在煤仓出口, 衬垫材料。内衬材料可采用不锈钢板等耐腐蚀性强、硬度高、耐温性好的材料。对于褐煤煤仓, 不能使用聚乙烯板作为内衬材料。因为如果煤仓内出现燃烧情况, 聚乙烯板会熔融, 堵塞煤仓出口, 给后续处理带来很大问题。
4 结语
针对褐煤挥发分高和水分高的特点, 采取惰性化处理, 增加检测装置, 仓体保温及振动等方法, 从系统安全和操作方面设计了碎煤仓, 达到在安全稳定的前提下进行煤气化。
参考文献
[1]张旭辉, 刘振强, 苗文华, 等.中国褐煤在活性焦制备及应用方面的发展前景[J].洁净煤技术, 2011, 17 (1) :59-61.
[2]赵永飞.中国褐煤加工利用浅谈[J].洁净煤技术, 2009 (6) :42-44.
[3]周夏, 刘长辉.褐煤气化前的预处理技术[J].煤炭加工与综合利用, 2008 (5) :32-36.
[4]周夏, 刘长辉.褐煤气化技术适用性分析[J].煤炭加工与综合利用, 2008 (3) :24-27.
[5]李旭辉.浅析褐煤的煤化工技术与应用[J].煤炭加工与综合利用, 2009 (5) :38-41.
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[7]邵俊杰.褐煤提质技术现状及我国褐煤提质技术发展趋势初探[J].神华科技, 2009, 7 (2) :17-22.
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