| 中国是一个能源大国,但又是一个人均能源资源占有量的贫国。一次能源结构中75%以上是煤。预计到21世纪中叶,甚至到21世纪末,中国以煤为主的能源结构将不会改变。煤的高效、清洁利用,是中国经济和社会可持续发展的战略选择,是保证中国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。这也充分表明了中国发展洁净煤技术的重要性和紧迫性。为了满足未来经济、社会和环境协调发展对能源的需求,煤炭的洁净利用必须以科学的发展观,依靠科技进步,走出一条兼顾高效、环保和经济的煤炭利用的新型工业化道路,发展基于煤气化的煤基能源及化工系统是在可预见范围内最有效的技术途径,已成为能源领域科技界和企业界的共识。煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、联合循环发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础,是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术,对中国经济和保障国家安全具有重要的战略意义。长期的生产实践表明,在将煤炭转变成更便利的能源和产品形式的各种技术中,煤气化是最应优先考虑的一种加工方法。城市煤气、化工合成用原料气、先进的联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。西安热工研究院自1994年就已开始了干煤粉气流床气化技术的研究,开发出了一种新型的两段式加压气流床气化炉。1997年建成一台0.7 t/d的试验装置,并完成了14种中国典型动力煤种的加压气化试验研究。2004年建成了处理煤量为36～40 t/d(10 MWth)的中试装置,完成了多种煤粉的气化试验。目前该技术已经进入工程应用阶段,计划首先建设日气化原煤2000吨级的“绿色煤电”煤气化发电示范装置,预计2011年中期底投运,该项目已得到国家发改委的核准。在化工行业中,内蒙世林化工有限公司30万吨甲醇/年项目采用该技术,预计2011年投运。华能满洲里煤化工有限责任公司60万吨甲醇/年项目和美国宾西法尼亚IGCC发电项目已确定采用西安热工研究院有限公司两段式干煤粉气化技术。1两段式干煤粉加压气化技术的原理和工艺特点1.1两段式气化炉结构现有干法进料气流床气化技术中,荷兰Shell和德国Prenflo气化炉均为以干煤粉形式进料的气化装置,但它们只有一级气化反应,为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞,需要采用后续工艺中大量的冷煤气对高温煤气进行急冷,方可使高温煤气由1400℃冷却到900℃,其热量损失很大,气化炉的碳转化率,冷煤气效率和总热效率等指标均比较低,并且由于煤气流量较大,造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大。为了解决这一问题,西安热工研究院开发出了一种新型的两段式干煤粉加压气流床气化炉。如图1所示。该气化炉的外壳为一直立圆筒,炉膛采用水冷壁结构,炉膛分为上炉膛和下炉膛两段,下炉膛是第一反应区,用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段,图1两段式气化炉结构示意采用液态排渣。上炉膛为第二反应区,其内径较下炉膛的内径小,高度较长,在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸气进口。运行时,由气化炉下段喷入干煤粉,氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽,所喷入的煤粉量占总煤量的80%～85%,在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤,所喷入量占总煤量的15%～20%。该装置中上段炉的作用主要有二:其一是代替部分循环激冷合成气使温度高达1400℃的煤气急冷至约1100℃左右,其二则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化,提高总的冷煤气效率和热效率。该气化炉已经获得国家发明专利。2.2两段式煤气化技术的两个工艺流程为了满足发电行业和化工行业对于煤气化工艺的不同要求,两段式干煤粉加压气流床气化炉根据下游工艺的不同要求,可以采用有废锅和无废锅两种形式,即适合于发电工艺的废锅流程和适合于煤化工工艺的煤气激冷流程。在废锅流程中,粗煤气中15%～20%热能被回收为中压或高压蒸汽,气化工艺总体的热效率可以达到98%。此工艺过程比较适合于IGCC项目。目前为华能绿色煤电工程设计的工艺流程即采用此流程。如果使用激冷流程,则用激冷水将煤气直接冷却至300℃以下,这种工艺方式的系统比较简单,投资较少。此工艺流程适合应用于化工领域及多联产。目前为内蒙世林有限公司设计的工艺流程即采用此流程。图2是带废锅的工艺流程简图,图3是无废锅的激冷工艺流程简图。1.3两段式干煤粉气化技术的特点(1)气化反应温度1400～1600℃,气化压力可达3.0～4.0 MPa,碳转化率高达99%以上,煤气中有效气体体积分数(CO+H2)高达90%以上。(2)高温气化不产生焦油、酚等凝聚物,不污染环境,煤气质量好。图2废锅工艺流程简图图3激冷气化工艺流程简图(3)在气化炉二段送入少量煤、N2和蒸汽,主要进行煤的干馏热解、挥发分的二次裂解及水蒸气的分解等反应。能够显著降低气化炉二段出口的合成气温度,从而可以减小冷煤气循环激冷系统,使得系统自耗功大幅度降低,同时煤气冷却器及净化系统的设备尺寸减小,造价降低。(4)气化炉采用水冷壁结构,以渣抗渣,无耐火砖衬里,维护量少,运转周期长,无需备炉。(5)与国外同类技术相比冷煤气效率提高2～3个百分点,比氧耗减小,因而与之配套的空分装置投资较少。(6)两段式气化炉后续工艺可配套激冷流程或废锅流程,满足不同工艺条件的要求。2两段式干煤粉加压气化技术的研发历程2.1模拟在两段式气化炉的概念提出后,西安热工研究院建立了基于ASPEN PLUS(化工过程设计平台)的气化过程的模拟方法,并对其性能进行了模拟研究。数学模拟研究结果显示:采用两段式干煤粉气流床气化工艺,可显著降低炉膛出口煤气的温度,因而能够减小冷煤气循环激冷系统,减小进入煤气冷却器的煤气流量。另外,根据不同的一、二段给煤比,两段式干煤粉气流床气化工艺可降低气化过程中的氧气耗量并能较大幅度地提高气化炉的冷煤气效率,与Shell气化工艺相比可提高2～3个百分点。2.2气化小型试验自1994年开始,西安热工研究院就开始进行干煤粉气流床气化技术的研究。在国家电力公司和科技部的资助下,西安热工研究院于1997年建成了中国国内第一套干煤粉加压气化特性试验装置并进行了试验研究。该装置的气化能力为0.7～1.0 t/d煤粉,压力为3.0 MPa。利用该装置完成了14种中国典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉气化状态下的气化数据库,形成一套干煤粉加压气化评价方法,对不同煤种在干煤粉加压气化条件下的气化反应特性进行了评价,研究了煤粉气化的着火和熔渣特性、煤种与煤气成分的关系以及操作条件与气化特性的规律等等。小型气化试验研究的成果为更大型的气化装置的设计和运行提供了依据。试验设备见图4。2.3干煤粉加压气化技术的中试试验西安热工研究院在进行干煤粉加压气化小试的基础上,提出了两段式干煤粉加压气化工艺,并在中国科技部“十五”863计划的支持下,以西安热图4 0.7～1.0 t/d的干煤粉浓相输送和气化试验装置工研究院为牵头单位,联合国内其他六家研究院所和生产单位,于2004年在陕西渭河化肥厂建成日处理36～40t煤的两段式干煤粉加压气化中试装置,其流程图如图5所示。2005年完成试验研究。中试装置如图6所示。2006年5月16日通过中国科技部的验收。图5干煤粉加压气化试验装置的工艺流程图6 36～40 t/d两段式干煤粉加压气化中试装置西安热工研究院在该装置上完成了若干种煤的气化试验研究,取得了充分的煤气化过程数据。试验煤种的灰分试验范围为5%～30%,挥发分试验范围为8%～40%,灰熔点试验范围为1100～1600℃,覆盖了从褐煤、烟煤、贫煤到无烟煤的各种煤种。不同煤种的气化煤气成分见表1。中试装置气化试验达到的气化指标如下:碳转化率98.9%,比氧耗298.6m3/1000 m3(CO+H2)(标况下,下同),比煤耗518 kg/1000 m3(CO+H2),冷煤气效率83.2%,有效气成分(CO+H2)91.7%。与主要进口煤气化工业装置的合成气成分指标的对比显示:两段式气化炉的煤气成分明显好于水煤浆进表1不同煤种的气化煤气成分煤种神木煤华亭煤神华褐煤黄陵煤晋城无烟煤伊南煤CO/%62.38 62.79 61.9 62.36 69.93 64.96H2/%29.36 28.46 27.84 28.98 21.78 26.61CH4/%0.26 0.17 0.05 0.14 0 0.01CO2/%2.76 3.41 3.59 4.29 4.52 7.64H2S+COS/%0.37 0.25 0.11 0.24 0.14 0.19N2/%4.87 4.92 6.51 3.99 3.61 0.59料的TEXACO气化炉,与干法进料的SHELL气化炉相当,在部分成分上甚至高于SHELL气化炉。表2给出了与主要进口煤气化炉合成气成分指标的表2与主要进口煤气化炉合成气成分指标的对比煤气成分TEXACO SHELL两段式气化炉CO/%39.35 46.30 63.30 63.5 62.38 62.79H2/%30.78 33.20 26.70 26.50 29.36 28.46H2O/%16.43 0 2.00 1.90 1.50 2.0 CH4/%0.04 0.05 0 0.02 0.26 0.17 CO2/%11.43 19.52 1.50 1.60 1.26 1.41 H2S+COS/%0.88 0.35 1.3 1.48 0.37 0.25 N2+Ar/%0.49 0.58 5.2 5.00 4.87 4.92对比。36 t/d(10 MWth)的中试装置气化试验表明,两段式干煤粉气化工艺具有良好的煤种适应性,气化指标先进,中试装置经过了168 h的连续运行考核试验,已累计运行了2500 h。3两段式干煤粉加压气化技术的工程化应用3.1在发电领域针对电力行业的用户,西安热工研究开发出2000 t/d级两段式干煤粉加压气化废锅流程工艺。国家科技部在继“十五”之后继续在“十一五”863计划中对西安热工研究院开发成功的“两段式干煤粉加压气化技术”继续给予重点支持,在华能的“绿色煤电”第一阶段示范工程中实现2000t/d级具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术的工程化。华能“绿色煤电”250MW IGCC项目采用西安热工研究院两段式气化炉和煤气全热回收工艺。其关键设备——气化炉和煤气冷却器由上海锅炉厂进行制造。目前,气化炉和煤气冷却器已经完成详细设计,外壳已经开始加工制造。内件的设计已进行制造工艺审核并开始投料制造。气化炉和煤气冷却器的全部制造和组装将在2010年9月左右完成并分段运抵施工现场。燃气轮机、蒸汽轮机、空分设备、余热锅炉等重大设备已经于2007年签订供货合同。在全厂设计方面,目前,包括气化岛在内的IGCC全厂设计的初步设计已经收口,施工设计已经全面展开。在土建建设方面,2009年7月6日进行了现场开工典礼,目前已进入全面建设阶段。预计2011年中期投产。西安热工研究院有限公司积极开发两段式气化技术的国外市场。目前,美国宾西法尼亚IGCC项目已确定采用西安热工研究院有限公司两段式气化炉,激冷流程工艺。2009年3月在中国上海签订了两段式干煤粉气化工艺技术使用许可协议。3.2在化工领域针对化工行业的用户,西安热工研究开发出1000t/d级两段式干煤粉加压气化激冷流程工艺,内蒙世林公司的30万吨煤制甲醇项目(气化炉处理煤量约为1000t/d)采用了该工艺技术。内蒙古世林30万吨/年甲醇项目采用西安热工研究院两段式气化炉和煤气激冷工艺。其关键设备——气化炉由杭州锅炉厂进行制造,煤气激冷罐由西安核设备制造厂制造。目前,气化炉和煤气激冷罐设备已运至内蒙世林化工年产30万吨甲醇项目现场,目前设备正在安装阶段,该项目预计2011年投产。华能满洲里煤化工有限责任公司年产60万吨煤制甲醇项目已确定采用西安热工研究院两段式气化炉,该项目采用内蒙北部的褐煤。目前已完成了煤气化装置工艺包的编制。4结语在多年来对气流床煤气化技术研究的基础上,西安热工研究院开发成功了具有自主知识产权的两段式干煤粉加压气流床 |
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