50萬噸年煤氣化工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 漿進料的煤氣中一般都含有 %左右的水分，那么當熱煤氣冷卻到常溫時，必然損失大量的顯熱和潛熱。水煤漿進料氣化工藝對高溫凈化的需求更迫切。(3)Shell 氣化爐的噴嘴和水冷壁壽命較長，在 Demkolec 電站累計運行 10 000 h 以上未見損壞，氣化爐的可用率已達到 95%。(4)由于采用干法進料，氣化過程的氧耗比水煤漿進料少，煤氣中的 CO2 含量也遠小于水煤漿進料的煤氣。對于相同容量的氣化爐，Shell 氣化所需的空分站可小于15%～ 25%。(5)采用干灰再循環，提高了碳的轉化率(可達到 99%)。(6)干法進料系統與水煤漿相比要復雜得多，操作和保護也要嚴格得多。進料系統的防爆和防泄漏問題十分關鍵。進料系統的占地和造價比水煤漿大。此外，干法進料系統的粉塵排放遠大于水煤漿進料系統。(7)由于 Shell 氣化爐采用 4 個(或更多) 噴嘴運行，易于在低負荷和高負荷下運行，操作的靈活性大，實現大型化的可能性大。據介紹，Shell 氣化爐的最低負荷可達到 25%，即一個噴嘴運行?！　?8)Shell 氣化爐運行過程中最重要的控制參數如下：氣化爐出口溫度；合成氣冷卻器進口溫度；煤氣成分；蒸汽的參數(流量、溫度、壓力)；爐渣的排出量及外觀狀況?！　?9)氣化爐的變負荷率每分鐘大于 5%，IGCC 的變負荷率每分鐘接近 3%[12]。6 本課題研究的主要內容 干煤粉加壓氣化（Shell 爐） ，從本質上來說 Shell 爐就是加壓操作的 KT 爐，國外研究開發已有 50 多年的歷史（從 KT 爐算起） 。shell 氣化技術采用干燥方式，用氮氣將煤粉送到氣化爐，最后生成合成氣，即一氧化碳和氫的混合物。Shell 煤氣化的目的是為了更加高效、清潔地利用煤資源。如合成氣中含有原煤中約 80%的能量，另外15%的有效能量以蒸汽的形式獲得。整個氣化過程只有 5%的能量流失。合成氣可以用來制造純氫，生產合成氨、甲醇、含氧化合物，以及尿素及合成氫燃料等衍生物。該合成氣還可用于電廠供熱、蒸汽和發電的燃料，并可作為城市用氣。本論文研究的主要內容是 50 萬噸/年煤氣化工藝設計。通過對 shell 煤氣化工藝的選擇，重要設備的介紹，依據氣化過程中物料、熱量的衡算并設計出氣化爐的尺寸。72 shell 煤氣化 shell煤氣化的原因選擇 shell 煤氣化的原因如下： （1）原料煤種適應性廣：煙煤、 褐煤和石油焦均可氣化。對煤的灰熔融性適應范圍寬，即使高灰分、 高水分、 高含硫量的煤種也能適應。 （2）單系列能力強：shell 煤氣化已投入運行的單臺爐氣化壓力： 下 ， 日處理煤量達 :2022t/d 。目前更大規模的裝置正在工業化。 （3）熱效率高：shell 煤氣化冷煤氣效率約 83%，其余 15%熱能被回收為中壓或高壓蒸汽，總的熱效率約為 98%左右。 （4）氣化效率高：shell 煤氣化溫度約 1600℃， 碳轉化率可達 99%左右， 產品氣體潔凈，不含重烴，甲烷含量低，煤氣中有效氣體成分可達 90% 。 （5）氧耗量低：shell 煤氣化氧耗量比水煤漿氣化工藝低 15%~25% ，因而配套的空分裝置投資相對降低。 （6）爐壁冷卻：煤氣化爐爐壁冷卻采用水冷膜式壁結構，并采用掛渣措施保護氣化爐壁。無耐火磚襯里， 維護量較少。氣化爐內無傳動部件， 運轉周期長， 無需備爐。 （7）燒嘴： 煤氣化爐燒嘴及控制系統安全可靠。燒嘴設計壽命為 8000h，已有 1500h 運行記錄。荷蘭 Demkolec 電廠使用燒嘴已經 4 年。氣化操作采用先進的控制系統，設有必要的安全聯鎖，使氣化操作始終處于最佳狀態運行。 （8）排渣： 煤氣化爐高溫排出的熔渣經激冷后成玻璃狀顆粒， 性質穩定， 對環境幾乎沒有影響。氣化污水中含氰化物少，易處理。Shell 煤氣化工簡述：原料煤輸送至磨煤機，磨煤機把原料煤粉碎至合適有效的氣化尺寸( 質量分數為 90 %的顆粒小于 100μm)，煤粉碎的同時用惰性氣體干燥，把蒸發后的水蒸氣帶走，經內部分離器分級后,合格的煤粉被收集在沉降池里，氣化所需要的氧氣由空氣裝置提供，空分裝置來的氮氣經壓縮后為輸煤系統提供低壓氮氣和高壓氮氣。干燥后的合格的煤粉被氮氣輸送至煤加壓及供料系統，如需要，加壓后的煤粉、氧氣和蒸汽可以通過成對噴嘴進入氣化爐，氣化爐的操作壓力為 MPa~ MPa，反應溫度高達 1 400℃~1 700℃，熔渣自氣化爐的下部流出，與水接觸，形成固體顆粒通過灰鎖排出。溫度為 1 400℃的出口氣體與冷激氣混合后，降至 900℃。進入廢鍋，經廢熱鍋爐回收熱量，合成氣溫度降至 250℃，再經陶瓷過濾器將合成氣中的粉塵降至 3 mg/m3~5 mg/m3，進入水洗塔 ,使合成氣中的粉塵含量進一步降至 1 mg/m3 送后工序。8圖 shell 煤氣工藝流程圖 shell氣化工藝的主要設備（1）煤粉制備和送料系統煤粉制備和送料系統：Shell 煤氣化工藝采用干煤粉進料系統。原煤的干燥和磨煤系統與常規電站基本相同，但送料系統是高壓的 N2 氣濃相輸送。與水煤漿不同，整個系統必須采取防爆措施。經預破碎后進入煤的干燥系統，使煤中的水分小于 2%，然后進入磨煤機中被制成煤粉。對煙煤，煤粉細度 R90 一般為 20%～30%，磨煤機是在常壓下運行，制成粉后用 N2 氣送入煤粉倉中。然后進入 2 級加壓鎖斗系統。再用高壓N2 氣，以較高的固氣比將煤粉送至 4 個氣化爐噴嘴，煤粉在噴嘴里與氧氣 (95%純度)混合并與蒸汽一起進入氣化爐反應 [13]?！　。?）氣化爐由對稱布置的 4 個燃燒器噴入的煤粉、氧氣和蒸汽的混合物，在氣化爐內迅速發生氣化反應，氣化爐溫度維持在 1 400～1 600 ℃，這個溫度使煤中的碳所含的灰分熔化并滴到氣化爐底部，經淬冷后，變成一種玻璃態不可浸出的渣排出 [13]。　　粗煤氣隨氣流上升到氣化爐出口，經過一個過渡段，用除塵后的低溫粗煤氣(150 ℃左右 )使高溫熱煤氣急冷到 900 ℃，然后進入對流式煤氣冷卻器。在有一定傾角的過渡段中，由于熱煤氣被驟冷，所含的大部分熔融態灰渣凝固后落入氣化爐底部。Shell氣化爐的壓力殼內布置垂直管膜式水冷壁，產生 MPa 的中壓蒸汽 [13]。向火側有一層很薄的耐火涂層，當熔融態渣在上面流動時，起到保護水冷壁的作用 [13]。（3）煤氣冷卻器粗熱煤氣在煤氣冷卻器中被進一步冷卻到 250 ℃左右。低溫冷卻段產生 MPa 的中壓蒸汽，這部分蒸汽與氣化爐產生的中壓蒸汽混合后，再與汽輪機高壓缸排汽一起再熱成中壓再熱蒸汽。高溫冷卻段產生 13 MPa 的高壓蒸汽，它與余熱鍋爐里的高壓蒸汽一起過熱成主蒸汽 [13]?！?（4）磨煤機原煤由落煤管進入兩個碾磨部件的表面之間，在壓緊力的作用下，受到擠壓和碾磨而被粉碎成煤粉。由于碾磨部件的旋轉，磨成的煤粉被拋至風環處(裝有均流導向葉片的環形熱風通道稱為風環)。熱風以一定速度通過風環進入干燥空間，對煤粉進行干燥，并將其帶入碾磨區上部的粗粉分離器中，經分離，不符合燃燒要求的粗粉返回碾磨區重磨；合格的煤粉經粗粉分離器由于燥劑帶出磨外，引至一次風管 [13]。（5）粉煤袋式收集器采用低壓長袋噴吹脈沖方式，通過粉煤袋式收集器使循環氣中固體顆粒含量低于10mg/m3.（6）熱風爐裝置給整個循環氣系統提供熱量，通過控制循環氣的溫度在 105110℃之間，保證碾磨干燥后的粉煤水分含量小于 2%。出氣溫度：258℃燃料氣來源：開工時點火用 LPG、開工用柴油、正常運行為合成馳放氣，同時有一個合成精制氣作為備用熱源。（7）環循風機要保證循環氣從磨機中以一定的速度將煤粉送到的袋式收集器內，提供熱風的內循環動力 [13]。（8）煤倉煤通過磨煤機粉碎以后，再通過輸送系統，進入到煤倉，方便煤粉下一步到氣化爐。 shell氣化過程中的化學反應使用不同的氣化劑可以制取不同種類的煤氣，主要反應都相同。煤炭氣化過程可分為均相和非均相反應兩種類型。即非均相的氣固相反應和均相氣氣反應。生成煤氣的組成取決于這些反應的綜合過程。由于煤結構很復雜，其中含有碳、氫、氧和硫等多種元素，在討論基本化學反應時，一般僅考慮煤中主要元素碳和在氣化反應前發生的煤的干餾或熱解，即煤的氣化過程僅有碳、水蒸氣和氧參加，碳與氣化劑之間發生一次反應，反應產物再與燃料中的碳或其他氣態產物之間發生二次反應。主要反應如下。一次反應：C+O2→CO ∕molC+H2O ?CO+H 2+ kJ∕molC+1∕2O2→ kJ∕molC+2H2O→CO 2+2H2+ kJ∕molC+2H2 ?CH kJ∕molH2+1∕2 ?H kJ∕mol10二次反應：C+CO2 ?2CO+ kJ∕mol2CO+O2 ?2CO kJ∕molCO+H2O ? H 2+ kJ∕molCO+3H2 ?CH 4+ kJ∕mol3C+2H2O→CH 4+2CO+ kJ∕mol2C+2H2O→CH 4+CO2+ kJ∕mol根據以上反應產物，煤炭氣化過程可用下式表示：煤（高溫、加壓、氣化劑）→C+CH 4+CO+CO2+H2+H2O 氣化反應的物料、熱量衡算 地處陜北，這兒以褐煤為主，以大量的煤氣化提供了便利的能源。褐煤是炭化程度較低的煤，其特點是發熱量低(30000 kJ/kg 一般為 25000 kJ/kg） ，水分大，揮發分高(40%),含游離腐植酸?？諝庵幸罪L化碎裂，燃點低（270℃左右） 。在氣化過程中盡管每個過程的化學反應不盡相同，但它們都遵循元素平衡的規律。加壓衡算的步驟和內容基本與常壓的相同 [22]。氣化過程進入氣化爐內的碳，主要是指原料帶入的碳；帶出氣化爐的碳，則包括煤氣、焦油、輕質油、酚、煤氣吹出物和灰渣等幾項。氣化過程中氫的來源，包括水蒸氣和原料煤中的氫；帶出氣化爐的氫則包括在煤氣、焦油、輕質油、酚、氨和煤氣中未分解的水蒸氣。氣化過程中氧的來源，一是原料中的化合氧（包括所含水分中的氧），二是氣化劑帶入的氧（包括水蒸氣中的氧）；帶出氣化爐的氧，主要是生成煤氣中的氧，以及焦油、輕質油中的微量氧 [22]。以 1000kg 褐煤為計算基準，已知的原始數據如下。褐煤的工業分析：Mar=%； Aar=%； Var=%；ω ar(S)=%褐煤的元素分析：ωdaf(C)=