晉城無煙煤循環流化床富氧氣化特性研究

上官岳鋒,丁國建,朱之明,劉建園

(晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司, 山西高平 048400)

煤氣化是高效潔凈利用煤炭的主要途徑之一,也是現代煤化工能源工業生產中最關鍵的工藝過程之一。循環流化床煤氣化技術具有燃料適應性廣、運行成本低、負荷調節范圍大、啟停爐方便、運行穩定可靠、檢修維護少、易于實現大型化等優點,目前在合成氨、鋼鐵、有色冶金及焦化等多個行業得到了廣泛推廣應用。晉城無煙煤具有“五高四低”的特征[1],具體為:抗碎強度高、熱穩定性高、固定碳含量高、灰分含量高、灰熔點高、水分含量低、反應活性低、可磨指數低、黏溫特性低。本文主要研究晉城無煙低硫末煤和高硫末煤在循環流化床氣化爐中的富氧氣化特性。

1 循環流化床氣化原理

氣化技術按煤與氣化劑的相對流動方式可分為并流、并逆流和逆流三大類,與其相對應的則是氣流床、流化床和固定床氣化爐[2]。循環流化床氣化爐以 0～10 mm粉煤為原料,氣化劑(空氣、純氧、蒸汽)由氣化爐下部吹入,粉煤通過給煤機進入氣化爐爐膛中下部,氣化劑與粉煤在爐內呈并逆流運動。粉煤和氣化劑在爐底錐形部分呈并流運動,在爐上筒體部分呈并流和逆流運動,使爐內的粉煤在流化狀態下氣化,在燃燒產生的高溫條件下,氣固兩相充分混合接觸,發生干燥、熱解、氣化及燃燒等一系列物理和化學過程,生成高溫煤氣、飛灰和底渣。粉煤和氣化劑在氣化爐內主要進行以下化學反應:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(1)、式(3)和式(4)是煤氣化反應過程中最重要的反應,式(2)為氣化爐提供反應所需的熱量。煤氣化反應為非均相氣固反應,反應速率通常被化學反應速率或擴散控制。一般認為,對于小粒徑(<500 μm )半焦顆粒,在溫度<1 000 ℃的條件下,其氣化過程屬于化學反應控制,擴散相對較快,外擴散可以忽略,而高溫下則為擴散速率所控制[3]。

循環流化床煤氣化為快速流態化過程,存在明顯的密相區和稀相區,以及固體物料的返混和湍動(見圖1)。粉煤給入氣化爐爐膛內,被爐膛內大量的高溫固體物料快速加熱,并脫除揮發分,形成半焦。較細的半焦在爐膛內部氣流的夾帶下,與循環物料進入爐膛上部的稀相區,較粗的半焦則伴隨著返混物料進入爐膛的密相區。在爐膛底部, 氣化劑入口區域為弱氧化區,主要發生燃燒反應(式(2))維持氣化爐爐膛高溫,并為氣化反應提供熱量;在弱氧化區上部的密相區主要是半焦中碳與氧、水蒸氣發生非均相氣化反應,以及少量 CO、CH4、H2O、CO2、揮發分之間的非均相氣化反應。在稀相區,主要發生半焦內碳與CO2吸熱反應,以及揮發分裂解,煤氣之間均相平衡反應。

圖1 典型循環流化床氣化爐

2 中試試驗裝置工藝流程及試驗煤質

2.1 試驗裝置結構

試驗裝置主要由氣化爐、返料器、旋風分離器、空氣預熱器、煤氣冷卻器及輔助系統組成,爐膛、返料器及旋風分離器都為內襯結構,關鍵結構參數見表1。

表1 試驗平臺關鍵結構參數

2.2 工藝流程

煤從氣化爐中下部加入,受高溫加熱發生快速熱解反應并釋放出揮發分;產生的半焦在還原區與氣化劑發生氣化反應,生成氣化煤氣。高溫煤氣與未反應完全的半焦及床料自爐膛頂部進入旋風分離器,經旋風分離器分離后,高溫煤氣依次通過空氣預熱器、一級冷卻器、二級冷卻器和三級冷卻器冷卻后進入布袋除塵器,經過布袋除塵器除塵后經煙囪高點排放。循環半焦經返料器返回氣化爐,繼續參與氣化反應;底渣通過氣化爐底部的水冷排渣機排出;空氣經空氣預熱器預熱后與減壓后的過熱蒸汽混合,在下游管道中與純氧二次混合后通入氣化爐膛作為氣化劑。系統工藝流程見圖2。

1-氣化爐爐膛;2-旋風分離器;3-返料器;4-空氣預熱器;5-煤氣冷卻器;6-羅茨風機;7-蒸汽鍋爐;8-循環水冷卻塔;9-循環水泵;10-煙囪;11-布袋除塵器;12-一次風蒸汽/空氣混合器;13-液氧罐及氣化器;14-液氮罐及氣化器;15-一次風氧氣/蒸汽/空氣混合器;16-蒸汽伴熱帶;17-水冷排渣機;18-點火燃燒器;19-空氣壓縮機。圖2 系統工藝流程圖

2.3 試驗煤質

分別以晉城地區高硫和低硫無煙末煤為原料進行試驗,控制末煤粒徑≤6 mm,具體煤質分析見表2。

表2 煤質分析表

3 中試裝置氣化特性試驗

3.1 點火啟動

點火啟動用時約34 h。分別以0#柴油、石英砂作為燃料和床料。點火啟動前,爐膛內加入40～70目和70～90目1∶1(質量比)的石英砂150 kg,3臺給煤機中各填充50 kg 床料作為料封;打開一級冷卻器底部法蘭,防止燃油階段產生的冷凝水堵塞尾部煙道。準備工作完成后,啟動一次風機調節一次風體積流量為102 m3/h,油體積流量約13 L/h進行點火啟動。通過調整油量和一次風量控制升溫速率。燃油升溫 6 h 后爐膛底部溫度達到 650 ℃時開始斷續給煤,給煤后溫度上升,表明煤已點燃,進入油煤共燃階段。根據溫度情況逐步減少油量,加大空氣量,當爐膛底部溫度達到850 ℃時, 切出油點火燃燒器,進入燃煤升溫階段。通過螺旋給煤機調整煤量,控制爐膛底部溫度在950 ℃左右。升溫過程每隔4 h啟動1次排渣機,保持排渣順暢。當氣化爐頂部溫度和返料器溫度分別達到760 ℃和560 ℃時,氣化爐轉入空氣氣化工況。

3.2 氣化調整階段

氣化調整階段用時約80 h。根據爐膛溫度變化,調整給煤量及一次風量,維持爐膛底部溫度在950 ℃左右。在循環回路升溫的同時,對床料進行置換,使煤氣化工況運行期間循環物料為半焦,以利于提高工況穩定性及煤氣化效率。為了提高運行負荷,加快床料置換速度,當爐膛頂部溫度達到800 ℃、返料器溫度達到700 ℃時,系統切入富氧氣化。富氧氣化升溫過程中蒸汽質量流量約80 kg/h,氧氣體積流量為36 m3/h,空氣體積流量為200 m3/h,運行過程中連續排渣置換床料。通過對空氣、氧氣、水蒸氣和給煤量的調節逐步穩定爐況,當煤氣中φ(CO+H2)/φ(N2)≥3 時,進入工況運行階段。

3.3 工況運行階段

分別對1 050 ℃(低硫末煤)和1 050 ℃(高硫末煤)、1 080 ℃(高硫末煤)3種工況進行氣化特性試驗,分別記為工況1、工況2、工況3,試驗用時約76 h。

3.3.1 工況1

低硫末煤1 050 ℃運行工況用時36 h。運行期間,氣化爐給煤質量流量在290 kg/h 左右,氣化爐底部溫度控制在1 045～1 050 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數為60.0%～62.5%,φ(CO+H2)/φ(N2)在3.2～3.4。

3.3.2 工況2

高硫末煤1 050 ℃運行工況用時36 h。運行期間,氣化爐給煤質量流量在273 kg/h左右,氣化爐底部溫度為1 050～1 055 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數為60%～62%,φ(CO+H2)/φ(N2)維持在3.2～3.4。

3.3.3 工況3

高硫末煤1 080 ℃運行工況用時4 h。維持氣化爐負荷不變,通過調整富氧濃度,逐步提高爐膛底部溫度至1 080 ℃,探索在高溫情況下氣化爐的運行穩定性及對煤氣各組分的影響。運行期間,氣化爐給煤質量流量在273 kg/h 左右,氣化爐底部溫度逐步提高至1 090 ℃,煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數為61%,φ(CO+H2)/φ(N2)維持在3.2左右。

3.4 試驗結果

在試驗過程中,將氧煤比控制在0.37～0.44 m3/kg,蒸汽煤比在0.42左右,氣化爐上下部溫差小于70 K,爐膛底部與返料器溫差小于30 K,恒定的溫差說明爐內循環的穩定。在3種工況下,有效氣體積分數均大于60%,φ(CO+H2)/φ(N2)比大于3,表明在1 050 ℃氣化溫度下,通過調整氣化富氧濃度和蒸汽煤比,晉城無煙煤循環流化床氣化可以獲得合格的產品氣。在同樣工況下,高硫末煤的氣化活性優于低硫末煤。

在投煤量不變的情況下,隨著氣化溫度的升高,有效氣組分變化較小,但產氣率由1.78 m3/kg(煤)增加到了1.95 m3/kg(煤),有效氣產率由1.08 m3/kg(煤)升到了1.17 m3/kg(煤),提高溫度對氣化指標提升效果明顯。當氣化溫度升高后煤氣中H2S含量升高,而COS含量降低,運行溫度的升高促進了煤中硫向氣態化合物轉化,同時促進了有機硫向無機硫的轉化。

各氣化工況下,煤氣中CH4含量較低,CO2含量較高,飛灰和底渣殘碳含量較高,碳轉化率偏低。這主要與煤的性質有關,無煙煤的氣化反應活性低。同時中試裝置爐膛高度小,散熱損失大,爐膛頂部溫度偏低,小粒徑半焦在爐內停留時間短,影響飛灰在稀相區的轉化率。在工業化裝置中散熱量小,CO2含量會降低,有效氣組分含量將進一步提高。

當爐膛底部溫度超過1 080 ℃時,爐內容易結渣而引起局部失流化和排渣困難。各工況下試驗結果見表3。

表3 試驗結果統計

3.5 煤氣冷凝液

經分析,煤氣冷凝水呈弱堿性,氨氮含量較高,主要的污染物包括有機物、氨氮、硫化物及氰化物等,水質超出GB 13458-2013 《合成氨工業水排放標準》要求(見表4)。

表4 煤氣冷凝液水質分析

4 工業化裝置估算

采用氣化+殘炭燃燒的一體化技術,以晉城無煙煤為原料,按單臺氣化爐產氣體積流量60 000 m3/h進行循環流化床氣化工業化裝置估算,結果見表5。由表5可以看出:在氣化溫度為1 080 ℃,富氧體積分數在 56%～57%時,煤氣成分中有效氣(CO+H2)體積分數為67.25%和67.28%,氣化碳轉化率為87.0%和 88.9%,冷煤氣效率為70.68%和74.11%,整體氣化指標大幅提升。同時,采用余熱鍋爐對煤氣余熱進行回收,除氣化爐自用外,每小時可以外送3.82 MPa、450 ℃中壓過熱蒸汽13.0～13.5 t,碳轉化率可提高至96%～99%。

表5 60 000 m3/h循環流化床工業化裝置估算表

5 結語

目前,以中國科學院工程熱物理研究所研發的循環流化床氣化技術在新疆宜化、江西高安均已得到廣泛應用,取得了良好的社會和經濟效果。晉城無煙末煤的煤質特性決定了其在作為化工原料方面的優勢并不明顯[4],但循環流化床氣化+殘碳燃燒一體化技術為晉城無煙煤熱電氣多產提供了新思路,可以在合成氨、陶瓷、鋼鐵等行業進一步提高市場競爭力。