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江西昌昱实业有限公司
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型煤富氧连续气化技术
详细描述
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一、概述
    型煤富氧连续气化技术是一项综合了粉煤成型技术、固定床煤气炉技术和空气分离制氧技术为一体的系统工程技术。它把粉煤成型用于气化,使煤气化工业企业避开了以优质块煤焦为原料的独木桥,走上了以本地粉煤为气化原料,成本低、资源丰富的广阔大道。同时,也避开了采用国外粉煤气化技术,投资大、消化期长、见效慢的曲折道路。走上了投资少、见效快、节能减排效果好的宽广道路。
    我们中国的能源结构是比较特殊的,原煤生产占能源生产总量的77%,原油生产占能源总量的12%,天然气生产占能源生产总量的3%,水电生产占能源生产总量的7%,其它占1%。中国国情决定了国民经济发展必须以煤为主要能源。
    目前,我国氮肥企业合成氨年总产达到5000万吨,在世界上占第一位。生产合成氨以煤为原料的比例达到了76%以上。煤气化是我国合成氨生产的主力军。在煤气化企业的生产中,以固定床间歇气化炉生产的占全部生产能力的70%以上。由此可见,固定床间歇气化炉在我国煤气化工业和国民经济发展中的重要地位。
    我国以固定床间歇气化为工艺生产的企业约500家左右,拥有固定床间歇气化炉约5000余台。其中Φ3.6m炉约110台,Φ3.0m系列600台,Φ2.6系列3500台,其它煤气炉300台。固定床间歇气化工艺能耗高,污染较重,注定要退出历史舞台。但是,我国国情决定了,上述落后的工艺技术与国际上选进技术必须有对接和过渡,这就是型煤富氧气化的历史使命。型煤富氧连续气化技术,它是一项可以在众多煤气化企业现有装置的基础上,进行设备改造和技术提升后即可实现的技术。它是由多项已经用于生产实践的成熟技术的组合,是一种零风险的技术。
    在二00七年召开的“巴厘岛”会议之后,世界各国把治理温室气体排放问题做为工业发展的首要问题。我国更是以积极态度走在发展中国家的前列。我国目前用于煤气化的近5000台常压间歇气化煤气炉,每年向大气排放CO2达到6000万吨以上,是我国治理温室气体排放的重点问题。而型煤富氧连续气化技术,正是治理我国现有5000台常压间歇气化煤气炉排放CO2和其它有害气体的金钥匙。它完全可以做到现代工业发展所要求的零排放。
    综上所述,型煤富氧连续气化技术,是符合中国国情、适应我国产业政策,顺应世界潮流的一项综合技术,是具有中国特色和强大生命力的技术。
    我国富氧连续气化(固定床煤气炉)始于60年代末,是在固定床间歇气化炉的基础上发展的。主要用于UGI型煤气炉。发展四十余年,炉型没有大的技术进步,仍然是UGI煤气炉的基本设计,流程没有大的变化,自控技术发展到今天,老的工艺也没有明显的变化。主要原因:历史上这种富氧气化生产成本偏高,与其它气化技术相比,没有生命力,因此一直没有得到明显的发展。它的主要缺点:1、装置不合理,热损失大,有效气体成份达不到要求;2、煤价较低,而制氧成本偏高,用价格偏高的氧来节约用煤,生产成本不合算;3、富氧气化CO2偏高,脱C系统成本升高。而随着科学技术进步,现在出现了一系列变化:1、装置技术含量大幅度提高,煤气炉、炉箅、自控水平、余热回收技术、自动下灰技术、变压吸附脱C技术等;2、制氧成本大幅度下降,由0.6元/m3下降到0.3元/m3;3、煤价翻了两番,中块煤由原来的200元/T升至800元/T,粉煤由100元/T升至450元/T;4、型煤制造技术飞速发展。
   新的历史条件和历史使命注定了型煤富氧气化技术的诞生和发展。
二、型煤富氧连续气化技术的组成
1、型煤技术
    富氧连续气化要求型煤要具备如下特性:
热稳定性≥80%,热强度≥50kg/cm2,固定C≥60%,化学活性较好。
目前,腐植酸型煤,复合粘结剂型煤都可以达到上述要求。并且,无论型煤加工成球还是棒,都实现了自动加煤机连续自动控制。
2、固定床间歇气化煤气炉技术
    以型煤为原料进行富氧连续气化,煤气炉的设计要解决如下问题:
A、高径比问题
    型煤富氧气化的CO2必然偏高,只有靠提高气化层中的还原层才能降低CO2。但是型煤的灰熔点偏低夹套锅炉的高度设计必须考虑壁免挂疤,因此,煤气炉要综合考虑解决上述问题。现在经过实践,已经很好地解决了高径比设计问题。
B、炉箅问题
    型煤富氧气化的气化剂中O2浓度达到58%左右。O2与高温炭的反应是非常剧烈的。用常规的塔形炉箅环形布风,必然造成环中心区温度高,而环边缘区温度低,特别是两个环带之间,形成气化剂死角,炭反应薄弱,烧不透;而环中心区温度高,超过灰熔点,结疤结块。实际生产中,的确出现了这种现象。如:有两个企业五台炉的型煤富氧气化,出现上述情况后,只能靠降低生产负荷来适应。
    型煤富氧气化的炉箅,要求每个布风单元尽量小,单元之间的间隙尽量小,整个布风要求尽可能均匀,但通风面积要适当加大。同时,破碴能力要强,否则富氧气化中达到T2点温度以上的碴是硬度较高的熔融后的碴,破碴强度较大。
    对于炉箅材质的要求:(1)耐高温,因为富氧气化中局部温升很容易达到600℃以上。(2)材质硬度高、耐磨损。熔融冷却后灰碴硬度很高,对炉箅的磨损会很严重,要求炉箅用特殊材质。
    目前,专门用于型煤富氧连续气化的炉箅已经成功投运。
C、不停车下灰和自动连续下灰
    富氧气化是连续的,不宜停车下灰,因为每停一次炉,气汽比的调整和气化层的调整都要有一个过程,调整中,最容易出现不平衡而造成工艺波动。
不停车下灰和自动连续下灰装置要求:第一必须安全,严格切断气化剂与灰斗内的灰碴的接触,不允许漏气。第二要快捷灵活,下灰时间不能太长,要求在5分钟之内操作完毕。自动下灰则要求连续、均衡、稳定,可调性好。最后,装置运行周期要长,连续运行确保一年以上。
D、自动加煤机
    型煤富氧连续气化的自动加煤机与间歇气化煤的自动加煤机是有严格区别的。间歇气化炉的加煤时间可以放在下行时加入炉内,此时即便加煤机漏气,也是蒸汽外漏,不会出现着火、爆炸等事故。而型煤富氧连续气化炉的自动加煤机,必须确保:
(1)两道阀都不能漏气,否则,会出现煤气直接与空气接触,形成燃烧或爆炸。
(2)型煤与蒸汽接触,会降低机械强度,形成破碎率升高。
(3)富氧气化,炉上温度较高,自动加煤机部分部件要耐高温。
E、连续富氧气化与间歇气化自由切换装置。
    连续富氧气化时,气化剂富氧空气和蒸气混合后,是从煤气炉的下部入炉,经过固定的碳层气化,半水煤气从煤气炉的上部出来,进入旋风除尘器等设备。由于气化剂一直是自下而上流动,炉膛内的碳层温度很容易上移,造成炉上温度逐步升高,经常高达650-750。上部的高温危害较大,第一造成热损失增加;第二造成原料的破碎率升高,气体中带出物增加;第三造成设备在高温下使用寿命降低。
为了有效解决上述问题,对富氧连续气化的工艺流程设计,可以自由切换为上下行制气,把较高的炉上温度降下来,再恢复富氧连续气化。这种工艺,不但可以较好地利用热量,还可以保护设备和平衡气体质量,增加气化原料利用率和选择范围。当然,前提是确保安全,因为富氧空气和煤气的交替切换,是极易出现爆炸的。因此,自由切换装置的管道、阀门、油压程控系统、安全联锁等装置,要求很高,必须达到万无一失。
3、工艺流程
    型煤富氧气化的工艺流程不同于一般富氧气化工艺流程。因为型煤的热稳定性,热强度都较差,气化中如果造成炉上部温度过高,炉内炭层表面会形成粉状或烂泥状料层,造成气化阻力升高,工艺迅速恶化。
为了解决连续上行气化易造成上部温度过高的问题,特别设计了切换为间歇气化的程序。即没有吹风阶段的间歇气化程序。上行——吹净——下行——上行,待到炉上部温度降低后,再切换为富氧连续气化。也可以设计为自动程序重复:上行连续气化——吹净——下行——上行——吹净——下行——上行连续气化。根据工艺流程配备工艺管道和工艺阀门,应特别注意工艺阀门不能出现漏气。密封面应避免氧化。型煤富氧连续气化半水煤气主要气体成份:CO2 14~16%, CO 36~40, H2 31~34%, O2 0.3%, CH4 1.5%, N2 10~12% ;在气体净化脱碳后,有效气体成份百分比含量会高于合成氨工艺要求,适合用于合成氨和甲醇的生产。
4、系统配套设备
    型煤富氧连续气化的系统配套设备有旋风除尘器,两段余热回收锅炉,即高温段、低温段。根据不同的位置,设计不同的换热方式和换热面积。也可以按一废锅、二废锅设计。
    富氧气体和蒸汽、CO2,在型煤气化中要求的压力差别较大,必须要有特殊的加入装置和混合器,否则会形成不安全因素和工艺恶化。
5CO2气化炉
    型煤富氧连续气化原料气中的CO2较高,一般会达到14~15%,在后序工序脱除CO2后,应返回造气工段进行CO2气化,转变为CO和部分CO2,再进入系统。这样既避免了CO2放空,造成污染大气环境,又提高了C转化率,降低生产成本。CO2气化炉是专用炉,视系统工程规模情况,确定建CO2气化炉的型号和数量。
三、空气分离设备
    一般而言,空气分离工程的选型,应根据企业生产的实际情况,选择深冷空分制氧或者变压吸附制氧。
    空分的生产规模,可以根据合成氨(甲醇可折氨)规模的情况选取。每吨合成氨按需要纯O2500 m3—550m3/TNH3,来配套考虑,优质煤生产负荷较高,氧耗较低;劣质煤则相反。
    深冷空分制氧的优点:氧的纯度较高,副产品较多,液氧、液氮、液氩,副产品经济效益好。压缩机可以用透平技术代替电机达到节约成本的目的。
    缺点:工艺流程复杂,操作技术性强,系统启动后出产品所需时间较长,要三个小时。变工况速度慢,要90分钟。
    变压吸附制氧的优点:工艺流程简单,便于操作,生产弹性大,可在正常工况的40-110%操作,变工况速度快,10分钟即可。运行中电耗低。
缺点:副产品少。
各企业可根据自身要求选择空分。
四、后工序的要求
型煤富氧连续气化技术 配套的原料气净化系统的脱C方法,最好使用变压吸附脱C。可以更适应CO2较高的原料气体,脱C成本较低。
五、型煤富氧连续气化技术的经济效益
富氧连续气化的固定床煤气炉目前在国内有约20台,历史上没有得到进一步发展,主要原因:
1、制O2成本高,达到0.6元/m3以上,而1995年前煤价较低,块煤仅有300元/T,优质焦仅有450元/T,粉煤仅有110元/T,企业不愿用成本较高的O2,而节约成本较低的煤焦。
2、富氧气化的煤气炉是借用固定床间歇气化炉,设备落后,几十年一贯制,没有进行技术改造。一直到目前,富氧气化炉的专用炉箅还没有采用。
3、工艺流程落后,中能进行连续上行气化,易造成上部温度过高,热损失大,经济效益差。
而今天,历史发生了较大变化:
(1)、制O2成本大幅度下降,由原来的0.6元/m3降到目前的0.25元/m3。煤焦价格上涨了数倍:焦1200元/T,块煤800元/T,粉煤450元/T。
用550m3 O2生产一吨合成氨,多投入了165元/TNH3,而可以节约:煤300元,蒸汽50元,共节约成本350元/TNH3,350元—165元=185元。每吨合成氨成本下降185元。
(2)、富氧气化工艺流程更加成熟灵活。可以切换上、下吹制气,有效地控制炉上温度。使富氧气化工艺应用劣质煤成为现实。
(3)、富氧气化煤气炉及其关键部件技术含量大幅度提高,进而可靠性,经济性得到根本改善。
(4)、制O2技术、装备发展,使空分大型化,单位成本大幅度下降。
(5)、脱C技术发展,使原料气中较高的CO2可以顺利脱除,并且回收利用,得到二次气化。
(6)、型煤富氧气化对煤的适应性非常强,只要是无烟煤几乎都可以有效利用。并且炉渣中残碳很低。一是可以“吃光、烧尽”,二是炉渣做为工业原料,在市场上很受欢迎。
    综合上述原因,型煤富氧连续气化目前各方面条件已经成熟,应该得到突飞猛进的发展,为社会创造效益。目前,已经有几个新建工程采用型煤富氧气化技术,这种新技术很快会在全国遍地开花结果。
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