两段式干煤粉加压气化技术及工程应用
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