50 MW循環流化床煤炭分級轉化多聯產技術開發

李 超，李廣民，夏芝香，澹臺姝嫻，方夢祥，駱仲泱

(1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.中國平煤神馬集團 開封東大化工公司，河南 開封 475000)

0 引 言

我國油氣資源短缺，煤炭是唯一可以大規模轉化成油氣產品的資源。煤炭經氣化轉化為油氣產品的技術路線目前存在轉化能耗高、煤質要求高以及水耗高等問題。煤炭多聯產系統將煤的熱解、燃燒、化工合成等化學轉化過程有機整合[1]，在同一系統中以煤炭為原料進行多種高附加值的化工、液體燃料、熱及電力等產品的生產制備，以實現煤高附加值資源化利用。國外代表性工藝有英國Cranfield大學的油頁巖多聯產系統、日本IHI雙流化床多聯產工藝及韓國科學與技術高等學院的內循環煤氣化燃燒工藝等；國內浙江大學[2-6]、中科院過程所[7-9]、中科院熱物理所[10]、中科院山西煤化所[11-14]、清華大學[15-17]等單位開發了基于多種反應器的煤熱解多聯產工藝。上述工藝已進行了大量實驗室研究，并部分完成了工業試驗，具有潛在的經濟和環保效益。特別是浙江大學[4]開發的循環流化床煤炭熱解燃燒多聯產技術顯示了反應器易放大、油氣產率高、熱利用效率高、易實現規模化工程應用等優勢。

煤流化床熱解方面，浙江大學和中科院等進行了煤處理量2～40 t/h煤熱解燃燒工業試驗研究，初步驗證了通過控制熱解溫度、氣氛和灰載體等提高油氣產率及品質的方法；半焦燃燒方面，中科院、哈爾濱工業大學和清華大學等已經完成了1～50 MW循環流化床和煤粉鍋爐半焦燃燒/混燒工業試驗，表明循環流化床鍋爐在純燒半焦方面更具優勢；含油含塵熱解煤氣高溫除塵目前是熱解工藝難點，已有研究表明，高溫旋風分離、膜過濾、顆粒床過濾、高溫靜電除塵等在效率及壓降等方面各具優勢，但在運行穩定性和大型化方面需進一步研發。上述研究為基于發電的煤熱解燃燒技術工業應用奠定了良好基礎，現階段急需開展工業示范以推進工業應用。

中國平煤神馬集團是一家跨區域、跨行業、跨所有制、跨國經營的特大型能源化工集團，年產5 000萬t原煤，針對大量低品質煤的高值化利用難題，中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司(簡稱開封東大)與浙江大學合作計劃將1臺260 t/h循環流化床鍋爐改造為50 MW煤炭分級利用多聯產裝置。筆者對該技術工藝流程進行了論述說明，并以1 MW多聯產試驗裝置試驗結果為基礎進行了50 MW循環流化床煤熱解燃燒多聯產裝置設計工作，為該技術工業應用提供指導。

1 試 驗

1.1 1 MW循環流化床煤炭分級轉化技術

1 MW雙循環流化床煤炭分級轉化系統流程如圖1所示，該系統穩定運行時，煤炭經給料機給入干餾氣化(熱解)爐，氣化(熱解)流化床鍋爐常壓運行，運行溫度維持在550～700 ℃，煤炭在熱解爐內受熱裂解，釋放出包含煤氣和煤焦油的高溫熱解揮發產物，同時生成固體產物半焦，熱解爐流化介質為煤氣，熱解所需熱量來自燃燒爐燃燒產生高溫灰。熱解揮發產物經旋風分離器、高溫靜電除塵器、冷凝塔以及凈化器分別去除揮發產物中的灰塵、焦油以及煤氣中水分，回收煤焦油和煤氣，獲得煤氣可作為城市煤氣及合成燃油的原料，部分粗煤氣經風機送回熱解爐作為熱解爐流化介質，煤焦油可以直接出售或進一步深加工利用。熱解半焦送入燃燒爐燃燒，燃燒爐為常壓運行流化床鍋爐，以空氣為流化介質，800～900 ℃運行，產生的水蒸氣用來發電、制冷或供熱，燃燒灰渣具有良好的活性，可生產優質建材，部分燃燒高溫灰作為熱源送入熱解爐加熱給煤，燃燒爐排出的煙氣經凈化處理可以達到超低排放。

圖1 循環流化床煤熱解燃燒多聯產技術工藝流程Fig.1 Process flow diagram of coal multi-generationbased on CFB boiler

該“多聯產”技術能高效節能減排、投資省、運行成本低、燃料適應性廣、灰渣活性高，具有較高的綜合利用價值，整體經濟效益好[6]。

1.2 1 MW煤炭分級轉化多聯產試驗

浙江大學和開封東大以中國平煤神馬集團的產煤為試驗煤種，在浙江大學1 MW煤熱解燃燒分級轉化多聯產試驗臺上開展多聯產試驗研究。

1 MW多聯產試驗裝置如圖2所示，該試驗裝置包括熱解爐、燃燒爐、返料系統、煙風系統、焦油煤氣分離回收系統等。首先保持燃燒爐單爐運行，待燃燒爐在900 ℃穩定燃燒后，熱解爐開始鼓入空氣作為流化介質，此時向熱解爐中加入石英砂作為流化床料，并關閉燃燒爐至燃燒爐返料器，開啟燃燒爐至熱解爐返料器，采用燃燒爐產生水蒸氣作為返料器輸送介質，將燃燒爐內高溫灰輸送到熱解爐加熱熱解爐內床料，同時開啟熱解爐至燃燒爐返料器，啟動煤氣泵(羅茨風機)，打開煤氣緊急排氣閥，保持熱解爐內為負壓。熱解爐內床料被來自燃燒爐的高溫床料連續混合加熱，當熱解爐出口橫管溫度達到400 ℃以上時，關閉煤氣緊急排氣閥，開啟煤氣罐后閥門，使熱解爐內出口排氣在熱解爐往復循環，即熱解爐進入氣體排氣自循環狀態。之后通過絞籠向熱解爐持續給煤，此時將熱解爐床層壓力維持在7 kPa

圖2 1 MW多聯產試驗裝置Fig.2 1 MW coal multi-generation system

左右。熱解爐運行一段時間后，隨著原料煤被加熱發生熱解反應析出的煤氣不斷聚集，熱解爐排氣中的煤氣含量升高，煤氣中N2和O2含量不斷降低，當煤氣中N2和O2含量分別持續不高于5.0%、0.5%時，可進入試驗工況。

進入試驗工況后，原料煤在熱解爐內熱解產生的高溫煤氣和焦油等揮發產物進入熱解爐旋風分離器及高溫靜電除塵裝置進行高效除塵處理后進入焦油冷凝系統，經過冷凝系統處理實現焦油和煤氣的分離，焦油被冷凝回收，煤氣經風機送入儲氣罐，之后部分煤氣作為熱解流化床流化介質。燃燒爐高溫煙氣由爐膛出口排出，依次經過旋風分離器、過熱器、煙氣冷卻器、布袋除塵器等部件分別進行灰顆粒脫除、降溫、冷卻、除塵處理后經煙囪排出。燃燒爐排出的煙氣成分由紅外煙氣分析儀(Gasket)在線分析，煙氣中粉塵濃度和粒徑分布由自動煙塵測試儀采集測量，采用Agilent7890A氣相色譜儀對煤氣中H2、CH4、CO、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、CO2、O2、N2等組分進行檢測分析。整個系統的流體流量、壓力和溫度均由數據采集儀記錄并進行自動調控。熱解爐試驗溫度工況設定為550、600、650、700 ℃，熱解爐給煤量維持在140～200 kg/h，給煤粒徑0～8 mm。

試驗煤種為中國平煤神馬集團平頂山天安煤業股份有限公司的十一礦與張村礦混合煤(煤種1)及一礦與六礦混合煤(煤種2)。典型的燃燒爐和熱解爐的爐膛溫度分布如圖3所示，試驗工況中多聯產系統處于穩定的運行狀態，燃燒爐爐內高度方向溫度分布均勻，穩定保持在900 ℃左右。熱解爐內溫度沿爐膛高度方向呈略下降趨勢，但溫度差異極小，熱解爐出口處溫度保持在500 ℃以上，滿足試驗需求。

圖3 多聯產運行燃燒爐和熱解爐爐膛溫度分布Fig.3 Temperature of pyrolysis boiler and combustionboiler in the multi-generation system

1.3 1 MW煤炭分級轉化多聯產煤質分析

煤種1、2的工業分析、元素分析、格金干餾分析、灰熔融溫度分析，分別見表1和表2。可知煤種1和煤種2的揮發分均較低，灰分較高，熱值偏低，格金干餾焦油產油率不高，灰熔融溫度較高，屬于低熱量劣質煤。

表1 試驗煤樣工業分析和元素分析

表2 試驗煤樣格金干餾分析和灰熔融溫度分析

2 試驗結果與討論

2.1 1 MW煤炭分級轉化多聯產揮發產物特性

煤炭熱解分級轉化揮發產物的釋放特性見表3。共進行4個熱解運行工況，工況溫度分別為550、600、650及700 ℃。煤種1和煤種2熱解分級轉化產物煤氣的主要成分為CH4和H2，其次為CO、烷烴和烯烴組分和CO2，此外還含有量極少N2和O2。

表3 試驗工況煤氣產率計算

煤氣中N2體積分數基本在5%以下，O2體積分數基本在0.5%以下。煤種1所得煤氣中H2平均體積分數在19%～29%，CH4平均體積分數在35%～44%，CO體積分數在4%～6%，C2～C6總體積分數在9%～11%。煤種2所得的煤氣中H2平均體積分數在25%～29%，CH4平均體積分數在28%～43%，CO體積分數在4.4%～5.4%，C2～C6總體積分數在9.3%～11.2%。2種煤樣煤氣產率最高的工況熱解溫度為700 ℃，且該工況下兩者的煤氣產率非常接近，均為5.6%左右。

熱解溫度對焦油產率有一定影響，2個煤種的焦油產率在試驗溫度范圍內隨溫度升高先提高后降低。2種煤樣的高焦油產率對應的溫度在600 ℃左右，且煤種2的焦油產率為7.04%，高于煤種1，二者提油率均達到90%以上。

2種煤樣所含硫在熱解過程中相當一部分以H2S等揮發產物的形式析出進入煤氣或焦油中，還有一部分殘留在半焦中，在燃燒爐中以SO2形式析出。半焦燃燒析出的SO2含硫量占系統給煤含硫量較小，煤種1和煤種2平均約15%和4%，由此可知，煤熱解燃燒分級轉化多聯產半焦燃燒可較大幅度降低燃燒爐煙氣中SO2濃度。

2種煤熱解分級轉化過程中的部分氮元素以揮發物的形式釋放并擴散至揮發產物(煤氣和煤焦油)中，剩余部分氮元素殘留于半焦；其中擴散到煤氣中的氮元素以N2、NH3形式存在，擴散到焦油中的氮元素以吡啶等化合物的形式存在；殘留于半焦的部分氮元素經燃燒以NOx形式存在，燃燒爐內半焦燃燒后形成煙氣中NOx的N含量占給煤N含量的比例很低，煤種1平均為4.5%左右，煤種2平均為4.7%左右。因此，有必要在燃燒爐尾部煙道利用相關裝置和措施來降低NOx排放濃度。

煤種1與煤種2經分級轉化產物半焦1與半焦2(600 ℃)的成分分析見表4，與分級轉化前相比，半焦灰分顯著上升，半焦揮發分、水分及熱值明顯下降。與原煤相比，半焦燃點上升，燃燒特性變差。

表4 半焦工業分析與元素分析

以中國平煤神馬集團2個煤樣為原料，應用于循環流化床多聯產系統的方案切實可行。熱解爐在給入原料煤后穩定運行，煤熱解產生揮發產物(煤氣、焦油)以及固體產物(半焦)，半焦被持續送入燃燒爐穩定燃燒，該系統熱解爐的運行參數可通過物料循環系統調節物料量實現，試驗過程熱解爐和燃燒爐協同運行情況良好，工況參數調節方便。

2.2 50 MW多聯產裝置設計

2.2.150MW多聯產系統

針對開封東大對熱、電、煤氣等多種能源的需求，依據煤熱解燃燒多聯產技術，設計了50 MW煤熱解燃燒分級轉化多聯產裝置如圖4所示。該裝置由熱解分級轉化系統、燃燒系統及兩系統之間的返料裝置耦合而成，熱解分級轉化系統由熱解流化床鍋爐、高溫靜電除塵器、焦油回收系統、余熱回收裝置及煤氣鼓風機等組成，燃燒系統由260 t/h循環流化床燃燒爐和煙氣處理系統組成。

圖4 50 MW多聯產裝置流程Fig.4 Schematic of 50 MW multi-generation system

熱解流化床鍋爐運行溫度在550～700 ℃，采用煤炭熱解煤氣作為流化介質，給煤粒徑在0～8 mm，原料煤經給煤機送入流化床熱解爐熱解，反應生成揮發產物(焦油和煤氣)，熱解產生的部分半焦和氣化介質反應生成水煤氣，剩余半焦經返料裝置由熱解爐送入燃燒爐，與經燃燒爐給煤口送入的煤炭混合燃燒，返料裝置采用高溫蒸汽為輸送介質，運行溫度在900～950 ℃，采用空氣作為流化介質，燃燒爐燃燒產生熱灰經返料裝置送至熱解爐為給煤原料提供熱解所需熱源，燃燒爐燃燒產生的部分水蒸氣作為燃燒爐和熱解爐之間返料裝置的輸送介質。

從熱解爐出來的高溫粗煤氣先送至三級旋風除塵器預除塵，經靜電除塵器除塵后，送至余熱回收裝置回收余熱，煤氣降溫后焦油析出，實現煤氣和焦油分離并回收焦油，部分煤氣經煤氣風機送回流化床熱解爐作為流化介質，剩余煤氣作為城市燃用煤氣。

燃燒爐煙氣經三級旋風分離器分離處理后進入尾部煙道經過換熱器、省煤器、空預器、脫硫脫硝裝置在引風機作用下送入煙囪排放，排煙溫度維持在125 ℃左右，燃燒爐產生的蒸汽送入蒸汽輪機并帶動發電機發電或作為工業及民用熱源。

該50 MW多聯產系統可在2種模式下運行：耦合運行(設計工況)與單爐運行。在耦合運行工況中，熱解爐和燃燒爐同時開啟，兩者協同耦合運行，當原料煤給入系統后，系統同時生產熱、電、油及煤氣等產品。單爐運行工況中，該系統只開啟燃燒爐，全部原料煤給入燃燒爐，流化介質為空氣，關閉燃燒爐和熱解爐之間的返料機構閥門。在耦合運行和單爐模式下，該系統均能在額定工況下運行，但不同模式下運行溫度會有所差異。

2.2.250MW多聯產裝置主要設計參數

1)裝置結構參數

50 MW多聯產系統中燃燒爐一次風和二次風按0.6∶0.4配比，爐膛出口配置二級旋風分離器，爐膛截面為矩形，規格為11.6 m×6.1 m，爐膛高度37 m。熱解爐爐膛出口配置三級旋風分離器，除去高溫揮發產物所攜帶的半焦顆粒和灰顆粒，熱解爐爐膛截面也為矩形，爐膛高度為15 m。

2)熱力特性

耦合運行和單爐運行的熱力特性參數見表5，可知該多聯產裝置額定主蒸汽參數為：主蒸汽溫度540 ℃，主蒸汽壓力9.8 MPa，主蒸汽流量260 t/h。耦合運行過程中，燃燒爐和熱解爐給煤量分別為4.6和70 t/h。當熱解爐停運，只開啟燃燒爐時，燃燒爐給煤量為52.76 t/h，可見在耦合運行及單獨運行2種工況下均能實現額定蒸汽參數運行。

表5 多聯產裝置主要設計參數

3)煤氣產量和成分

50 MW煤炭熱解分級轉化多聯產裝置揮發產物(煤氣、焦油)產量及組分見表6，可知煤氣的主要組分CH4和H2，體積分數分別為41.97%、28.32%，其次為CO、CO2，烴類氣體及N2含量最低。該裝置在設計煤種條件下焦油產量3.16 t/h，煤氣產量35 262 Nm3/h，煤氣熱值為26.07 MJ/Nm3。與1 MW煤炭熱解分級轉化多聯產裝置相比，50 MW多聯產裝置不僅可實現煤炭大規模熱解分級轉化，還能保持高揮發產物轉化率及煤氣熱值。

表6 50 MW多聯產裝置煤氣和焦油產量及成分

3 結 論

1)循環流化床煤熱解燃燒多聯產技術可在同一系統中以煤炭為原料同時生產熱、電、多種高附加值化工產品和煤氣、液體燃料等產品。該技術燃料適應性廣、反應器易放大、油氣產率高、熱利用效率高、節能減排、投資省、運行成本低、經濟效益高、應用前景廣闊。

2)1 MW多聯產裝置試驗表明，以平頂山天安煤業股份有限公司提供的十一礦與張村礦混合煤以及一礦與六礦混合煤為原料，應用于循環流化床多聯產系統的方案切實可行。熱解煤氣中H2、CH4、C2～C3含量很高，煤氣熱值為18～26 MJ/Nm3。2種煤樣的煤氣產率最高工況的熱解溫度為700 ℃，且該工況下2者煤氣產率非常接近，均為5.6%左右。2種煤樣高焦油產率對應的溫度在600 ℃左右，焦油提取率達到90%以上。

3)完成了50 MW煤熱解燃燒多聯產裝置設計，裝置本體由1臺260 t/h循環流化床鍋爐和1臺流化床熱解爐組成，煤氣產量35 262 Nm3/h，熱值26.07 MJ/Nm3，焦油產量3.16 t/h。