其他气化技术简介

一、循环流化床煤气化技术(CFB)

1.循环流态化技术

循环流态化是指以介于鼓泡床和输送床典型流速之间的流体速度使流、固两相并流向上的流动过程,过程中固体颗粒内的流动速度明显低于流体速度,致使流、固相间具有的滑动速度最大。 这种伴有固体颗粒循环高速流动的流、固相接触体系具有最大的接触效率,并能获得较高的传热和传质速度。 这对某些工艺过程能顺利、有效地进行极为重要。 循环流化床反应器应用于煤的燃烧或气化工艺,由于煤粒在系统内不断循环,提高了气、固相接触效率,使煤燃烧或气化反应快捷而又完全,同时也满足了反应温度均匀的要求,解决了煤的黏结问题。 常压循环流化床气化技术正是这种高效、无气泡的气、固相接触技术的体现,它既有流化床内部形成的内循环,又有被气流夹带出床层的物料又返回床层的外循环,系统内物料具有多重循环,从而使气化反应进行得更为完全,碳转化率更高;整个反应系统温度均匀,大大降低了产品气中焦油含量,有利于环保。 又由于该技术具有对原料适应范围广、操作灵活、装置设备简单等优点,近些年来受到有关方面的关注,是一项适合我国中小型合成氨厂技术改造和小城镇煤气化事业发展的较为理想的技术。 鲁奇公司经过多年的研究终于成功开发常压循环流化床气化技术。

2.CFB循环流化床反应器及工艺

如图3．6．1所示,循环流化床主要由上升管(即反应器)、气固分离器、回料管和返料机构等几大部分组成。 吹入炉内空气流携带颗粒物充满整个燃烧空间,高温的燃烧气体携带着颗粒物升到炉顶进入旋风分离器。 粒子被旋转的气流分离沉降至炉底入口,再循环进入主燃烧室。

3.循环流化床气化技术基本特点

(1)原料范围广泛,可处理各种煤(包括各种褐煤、高灰分和黏结性煤)、焦炭、废木料、废橡胶、生物体和垃圾等,只要含碳量大于10%的各类含碳固体均可作为原料。 原料需破碎到一定程度,但不似德士古等气化方法要求原料煤粉有一定粒度分布组成,所以原料处理比较简单。

 

图3．6．1 CFB循环流化床气化炉

(2)循环流化床气化法,整个反应器系统温度均匀,原料进炉后立即开始反应,且物料可多次循环,碳转化率高,一般可达96%,炉底灰含碳量小于3%。 又因气化炉内温度均匀,出口气体温度也达950℃,产品气中基本不含焦油,高级烃类含量也远低于固定层法。

(3)常压或低压操作,而且是固体加料、排料,故系统结构简单,操作方便、易行、灵活。对整个系统设备的要求比加压法低,所以造价较低,也易国产化。

(4)气化温度较液态排渣的德士古和BGL气化法为低,对气化炉内衬材料质量要求相对要低些,气化炉造价较低。

二、BGL煤气化技术

BGL熔渣气化技术是由英国天然气公司和德国鲁奇公司开发出来的新一代先进的煤气化技术。 BGL块煤/碎煤熔渣气化技术结合了熔渣气化和移动床加压气化技术的优点并克服了二者的不足,具有显著优势。

1.BGL熔渣气化技术优点

(1)综合优势强

结合了熔渣气化技术高气化率、高气化强度的优点和移动床加压气化技术氧耗低和炉体结构廉价的优点。 克服了熔渣气化技术能耗高、建设成本高的缺点和移动床加压气化技术气化强度低、蒸汽消耗大、利用率低以及大量的气化污水造成净化成本高的缺点。 具有建设投资少、周期短、生产率高、运行成本低、维护成本低的综合优势,图3．6．2为传统鲁奇炉和BGL气化炉的对比。

 

图3．6．2 鲁奇固态与液态排渣气化炉的对比

(2)效气(H2+CO)产气率高

无烟煤和优质烟煤气化有效气88%~90%;褐煤气化有效气大于84%。

(3)强度高

BGL块(碎)煤熔渣气化炉内壁加入耐火砖衬,形成水夹套保护层,在炉下部沿周向装置了一组喷嘴,将混合氧气/水蒸气高压喷入炉内,形成炉内局部高温(2000℃左右)燃烧区,气化区温度在1400~1600℃,较大幅度提高了气化率和气化强度。 喷入炉内的水蒸气绝大部分参与气化,蒸汽分解率超过90%,蒸汽使用量大幅度减少,与传统鲁奇炉相比有明显优势。

(4)氧耗低

由于兼具现代高温熔渣气化和移动床的逆流气化的整体流程原理,提高了气化热效率,使气化过程的氧耗较其他熔渣气化技术的氧耗大幅度降低,显著节省了对空分等设备的投资。

(5)废热回收成本低

粗气的出口温度仅为300~550℃,提高了气化过程的热效率,节省了氧气消耗,大幅度降低了废热回收的需求和设备成本。

(6)设备制造、运输、安装成本低

由于BGL气化技术的设计特点,炉内靠近炉壁处温度和粗气出口处温度较低,气化炉炉体和附属设备可采用常规压力容器钢材,在中国就近加工制造,大幅度降低了制造、运输和安装的成本,大大缩短了建设周期。

(7)煤种的选择范围宽

可气化石油焦、无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤,以及这些煤种的混合投料;对高灰熔点煤种,仅需添加石灰石助熔剂。

(8)煤种的适用性强

对操作过程中煤质的变化不敏感,可以在线切换不同气化原料。

(9)操作弹性大、开停车迅速

负荷范围从50%到110%,运行稳定,可以以每分钟5%速度增加负荷,以每分钟20%速度降低负荷,对改变煤质反应良好。

(10)资源利用率高,不带来污染

99．5%以上的碳转化为气体后,煤中剩余的矿物质在高温下熔化,经循环水激冷形成无渗滤性的玻璃质固体碎渣粒由炉底部排出。 排出的熔渣无污染,可作为副产品在建筑和筑路中使用,或安全地回填或深埋。

气化废水主要来自投料煤经炉内干燥后排出的冷凝蒸汽,水量小,有机含量的浓度高,有利于在较低生产成本下分离处理,回收的苯酚作为副产品具有较高商业价值。 在采用恰当的深度水处理技术后,可使净化后的水质达到中国河流的一级排放标准要求,或全部回收作为工艺或冷却用水循环使用。

(11)与其他国外气化技术技术相比优势大

BGL熔渣气化技术的冷煤气效率高(大于89%)、碳转化率高(大于99．5%)、热效率高、氧耗低、系统运行可靠性高、维护费用低。

2.BGL熔渣气化原料要求

(1)气化原料要求

BGL气化工艺要求投入气化炉内的碎块煤在干燥和干馏阶段保持一定的颗粒度和热稳定性,从而控制气化区料层的正常工作状态、炉内气流运动的均匀和流畅,降低粉尘的带出量。 此外,要求投料煤的水分不超过20%。

BGL熔渣气化技术在气化投料煤的选择上有以下要求,气化用煤以尺寸在6~60mm的块/碎煤(粉煤量10%左右)为主直接投入气化炉。

(2)粉煤和褐煤解决方案

大量粉煤的解决方案:粉煤可制成型煤(无黏结剂冲压型煤或采用沥青挤压制成的型煤)。 特别是对高含水、易破碎的劣质褐煤,可通过制型煤,成为高效气化的原料。 位于德国的黑水泵厂利用发电厂废热蒸汽将含水量在55%~60%的褐煤粉碎、干燥和冲压(无黏结剂)后制成含水量为12%~18%的块状型煤,实现高效气化。

三、西门子(GSP)气化技术

西门子(GSP)气化技术是采用干粉进料、纯氧气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程的气流床气化技术。 如图3．6．3所示,该流程包括干粉煤的加压计量输送系统(即输煤系统)、气化与激冷、气体除尘冷却(即气体净化系统)、黑水处理等单元。 通过此工艺,可以把价格低廉、直接燃烧污染较大的煤、石油焦、垃圾等原料转化为清洁的、高附加值的合成气,即一氧化碳与氢气,这是生产化工产品基本原料,可以用于生产化工产品如甲醇、合成氨、合成油,还可以用于发电或直接用于城市煤气,合成天然气使用。

 

图3．6．3 西门子(GSP)气化工艺流程

经研磨的干燥煤粉由低压氮气送到煤的加压和投料系统。 此系统包括储仓、锁斗和密相流化床加料斗。 依据下游产品的不同,系统用的加压气与载气可以选用氮气或二氧化碳。粉煤流量通过入炉煤粉管线上的流量计测量。

载气输送过来的加压干煤粉、氧气及少量蒸汽(对不同的煤种有不同的要求)通过组合喷嘴进入到气化炉中。 气化炉包括耐热低合金钢制成的水冷壁的气化室和激冷室。

西门子(GSP)气化炉的操作压力为2．5~4．0MPa。

根据煤粉的灰熔特性,气化操作温度控制在1350~1750℃。 高温气体与液态渣一起离开气化室向下流动直接进入激冷室,被喷射的高压激冷水冷却,液态渣在激冷室底部水浴中成为颗粒状,定期从排渣锁斗中排入渣池,并通过捞渣机装车运出。

从激冷室出来的达到饱和的粗合成气输送到下游的合成气净化单元。

气体除尘冷却系统包括两级文丘里洗涤器、一级部分冷凝器和洗涤塔。 净化后的合成气含尘量设计值小于1mg/Nm3,输送到下游。如图3．6．4所示。

系统产生的黑水经减压后送入两级闪蒸罐去除黑水中的气体成分,闪蒸罐内的黑水则送入沉降槽,加入少量絮凝剂以加速灰水中细渣的絮凝沉降。 沉降槽下部沉降物经压滤机滤出并压制成渣饼装车外送。 沉降槽上部的灰水与滤液一起送回激冷室作激冷水使用,为控制水中总盐的含量,需将少量污水送界区外的全厂污水处理系统,并在系统中补充新鲜的软化水。

西门子(GSP)气化技术特点如下:

“两高两低”,即高煤种适应性,高技术指标;低投资,低维护费用。

 

图3．6．4 GSP气化与冷却系统

(1)高煤种适应性

从褐煤到无烟煤乃至石油焦均可使用。 粉煤进料,不受成浆性影响。 对于灰份与灰熔点没有特殊要求。

(2)高技术指标

气化温度高,一般在1350~1750℃。 碳转化率最高可达99%,煤气中甲烷含量极少,不含重烃,合成气中有效气成分即CO+H2很高,冷煤气效率高达80%以上。

(3)低投资

针对不同规模的项目,开发不同规格的气化炉。 设备规格相比同类技术尺寸小,设备成本、建设成本及运输成本低。

(4)低维护费用

工艺流程紧凑;设备寿命长,采用水冷壁结构的气化炉,无耐火砖,预计使用寿命大于25年;使用组合式喷嘴(点火喷嘴与生产喷嘴合二为一),主体预计寿命在10年以上。 开、停车操作方便,且时间短(从冷态达到满负荷仅需1~2h)。

秉承西门子集团节能环保的要求,通过西门子(GSP)气化技术气化,无有害气体排放;污水中不含酚、氰等有害物;炉渣不含可溶性有害物,可作建材原料;系统水循环利用,实现了能源的清洁、高效利用。

思考题及习题

1.什么是煤气化?

2.简述煤气的用途。

3.简述煤气化技术的分类方法。

4.分析煤在气化生产过程中的热解与在焦化生产过程的热解有何异同?

5.煤气化过程的主要化学反应有哪些?

6.气固相反应历程是什么?

7.提高气化反应强度的措施有哪些?

8.煤气化技术主要评价指标有哪些?

9.简述鲁奇加压气化有哪些优缺点。

10.简述鲁奇加压气化炉内发生的化学反应有哪些。

11.简述鲁奇加压气化炉内煤的分层情况及各层内发生的物理化学变化或作用。

12.简述气化层温度对气化过程的影响。

13.简述气氧比对气化过程的影响。

14.简述煤种对气化过程的影响。

15.简述鲁奇炉加煤与排渣的主要过程。

16.简述鲁奇炉炉体的主要结构特点。

17.Shell煤气化技术有哪些特点?

18.简述Shell煤气化炉内煤与气化剂反应的主要过程。

19.简述氧煤比、汽氧比、温度、压力对Shell煤气化煤气组成的影响。

20.简述Shell煤气化装置的核心设备主要由哪几部分构成,各部分的作用是什么。

21.简述气化炉水冷壁上的灰渣的作用。

22.简述Shell煤气化工艺主要由哪几部分组成。

23.Shell煤气化工艺磨煤与干燥系统的主要任务是什么? 主要包括哪些关键设备?

24.Shell煤气化粉煤加压输送系统的主要任务是什么? 主要包括哪些关键设备?

25.Shell煤气化排渣系统的主要任务是什么? 主要包括哪些关键设备?

26.Shell煤气化干灰脱除系统的主要任务是什么? 主要包括哪些关键设备?

27.Shell煤气化湿灰脱除系统的主要任务是什么? 主要包括哪些关键设备?

28.德士古水煤浆气化有哪些特点?

29.煤浆浓度的主要影响因素有哪些? 过高或过低有什么影响?

30.简述氧煤比、汽气比、气化温度、气化压力对德士古气化过程的影响。

31.简述煤种对德士古气化过程的影响。

32.德士古气化的流程有哪些? 各有什么特点?

33.简述德士古激冷流程主要包括哪些部分。

34.简述德士古气化炉的主要结构特点。

35.简述德士古气化炉烧嘴的主要特点。

36.什么是循环流态化?

37.简述循环流化床气化工艺(CFB)的特点。

38.简述BGL气化炉的特点。

39.试比较BGL气化炉与鲁奇加压气化炉的异同。

40.简述GSP煤气化装置包括哪些部分。

41.简述GSP煤气化技术的特点。