常压水煤浆气化炉研发

一、煤质的选择

煤质是影响气化过程技术经济指标及能否顺利操作的关键，一种气化方法只有选用合适的煤种才能发挥出效益。常压气化工艺目前还没有煤质方面的资料，因此只有按Texaco气化工艺的选煤标准。

适宜于水煤浆加压气化的是烟煤，而烟煤中最适宜的是长焰煤、气煤等。

1、煤质适应性的主要指标：

    煤的反应性、成浆性、灰熔融温度是衡量煤质适应能力的主要指标，同时还应注意到煤灰在还原性气氛下的流动温度和粘温特性。煤质适应性的主要指标如下：

    (1)发热量达25.121 MJ／kg[一般的烟煤(原煤)都能达到这个要求，精煤更是如此]，越高越好；

(2)灰熔融温度FT在l300℃为宜，过高或过低都不利于气化；

(3)煤中灰量不得高于15%~20％，越低越好；

2、煤质适应性的次要指标

    (1)全水份含量越低越好。煤的成浆浓度随着内在水份的含量增大而降低，内在水份低的煤易于制取高浓度水煤浆。随着水煤浆浓度的提高，煤气中有效气体成份增加，气化效率提高，氧气耗量下降，Texaco煤气化原料煤的最高内在水Mad≤8％为宜：

    (2)挥发份含量越高，越利于Texaco气化反应，增加煤气产率。优化指标在Vdaf≥37％。

    (3)固定碳含量越高越好。

    (4)液渣粘度在15~25 Pa·s(指灰熔融温度FT状态下渣的粘度)为好，以维持正常的液态排渣。

    (5)煤中有害元素硫、氯、砷、磷、汞、氟等含量越低越好。

    (6)可磨指数越大煤越易被磨碎，可提高煤磨机的产量，降低电耗。

3、气化工艺对原料煤的其它关键要求

    (1)成浆性

    煤的成浆性好是指煤制浆浓度高、粘度低及泵送性、流动性、动静状态下的稳定性好。Texaco水煤浆加压气化工艺要求煤浆浓度在60％以上，粘度在1Pa·s左右：成浆性好的煤能被制成高浓度煤浆，能提高气化效率并保证气化装置在满负荷下生产，且泵送性好，氧耗低，不用或减少添加剂用量。尤其是添加木质素磺酸钠等添加剂，费用更高，这必须在气化效率和产品效益之间进行权衡。

    (2)反应活性(碳转化率)

    反应活性高的煤可在适宜的气化炉温度下获得较高的碳转化率，这将在不影响耐火衬里寿命的前提下提高系统效率，减少需处理的固体物(飞灰)。由于煤粒在气化炉内的反应时间一般为5~8s，这就要求有很快的反应速度才能达到较高的碳转化率。由于反应温度受耐火材料使用寿命、设备材质和运行周期的，因此Texaco气化工艺要求原料煤有较高的反应活性，才能使气化反应瞬间完成。此外，煤的粒度对碳的转化率有很大影响，因为煤粒在炉内的停留时间及气固反应的接触面积与颗粒大小的关系非常密切，较大的颗粒离开喷嘴后，在反应区中的停留时间比小颗粒短；另外，比表面积又与颗粒大小成反比，这双重影响的结果必然使小颗粒煤的转化率高于大颗粒：煤粒越小虽有利于煤的转化，但当细粒含量过高时，水煤浆粘度上升，不利于制得高浓度的水煤浆。故对反应性较好的煤种，可适当放宽煤粉的细度。

    (3)渣对耐火材料衬里的腐蚀性

    腐蚀性渣可导致较高的耐火材料衬里蚀损率，即使是在最佳操作温度下也是如此。耐火砖蚀损率随温度增高而加快。因气化炉耐火材料非常昂贵，所以选择低腐蚀性渣的煤作为气化原料并且在低温下操作，以使耐火材料的蚀损率减到最小，延长气化炉的运行周期。

    (4)SGC结垢性

    SGC结垢性是指对合成气冷却器的结垢程度：严重的结垢将阻止热传递，降低效率，并在洗涤塔中出现问题，降低气体冷却温差：同时在使用燃气透平的IGCC(Integrated Coal Gasification CombinedCycle)联合循环发电的厂家，将造成燃气透平严重结垢，降低效率，且引起透平机动平衡改变，被迫停车检修,影响运行周期。

4、对煤质不要求的指标

    Texaco煤气化工艺对煤的机械强度、热稳定性及粘结性等指标一般没有特殊要求。

二、试验工艺流程的确定，需检测参数的确定

1、工艺描述：

富氧鼓风常压水煤浆气化炉，将61~65%浓度的水煤浆，通过输浆泵被送至直立式气化炉筒壁顶部，从若干个水煤浆专用喷嘴由上向下喷出，煤浆液流、雾化气流、富氧气流，在喷嘴室内迅速混合喷燃，产生剧烈地气化反应，生成以（一氧化碳+氢）为主体的气体组分。使用的专用水煤浆喷嘴，是采用带水冷壁的内管同心园套筒式喷嘴结构，内通水煤浆、雾化气、富氧气，并以旋转撞击形式快速均混。为克服煤浆粒度细、在炉内的停留时间短、气化反应不完全，拟定采用全密相气流床。整个气化过程是在常压下进行的。所生成的煤气和炉渣从下出口排出，并进入激冷室或余热锅炉。

由于氧比空气重（氧：1.4291kg/标准立方米；空气：1.2931kg/标准立方米）,氧与空气不易均混，因此，必须使氧与空气在特定的装置内均匀混合，否则，会严重影响炉内的气化反应，或因局部氧多而产生过热温度超高，或因局部氧少而形成低温，这对炉内的正常气化是很不利的。

3、试验设备的设计

由于是常压且采用富氧空气做气化剂，反应温度不会太高，根据倒焰窑烧水煤浆的燃烧温度（1250℃），初步估计反应温度为1300℃，水煤浆的燃烧雾距为2m左右，实验装置不可能做得太大，因此气化炉设计成上园筒型、下园锥型，中心设置水煤浆喷嘴1个，喷浆量100 Kg/h。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

4、各种检测仪表的选型

检测参数：空气流量计、氧气流量计、水煤浆流量计、空气压力、氧气压力、混合气压力、水煤浆温度测定、炉出煤气温度测定、炉出煤气压力测定、炉出煤气成分化验。

5、喷嘴雾化试验

对所购水煤浆进行化验，确定它的浓度、成浆性、粘度、密度，对水煤浆中的煤进行工业分析和元素分析。

由于反应用气化剂为富氧，气化反应速度较慢，水煤浆颗粒在炉内停留时间延长，因此宜   1、加大炉体高度；

2、选用几个小喷嘴，雾化较细，从而增大接触面积，有利于反应完全。

使用的专用水煤浆喷嘴，是采用带水冷壁的内管同心园套筒式喷嘴结构，内通水煤浆、雾化气、富氧气，并以旋转撞击形式快速均混，不仅可使煤浆在很短的瞬间内与同步进入的富氧空气和水蒸汽充分均混，而且可防止在高温作业条件下，喷嘴内因煤粒结焦而产生堵塞。

6、水煤气化浆燃烧试验

变换不同的进浆量、调节空气和氧气的配比及流量，分别记录气化数据。

7、试验数据整理

8、根据试验数据优化设计常压水煤浆气化炉

Texaco气化

水煤浆与纯氧在气化炉的特殊喷嘴中混合高速进入气化炉反应室，在反应室中碳、水蒸汽和氧气在1400℃及一定压力下不完全燃烧，其主要反应为

CnHm+0.5nO2= nCO+0.5mH2

CnHm+ nH2O= nCO+(0.5m+n)H2

CnHm+(0.25m+n)O2= nCO2+0.5mH2O

C+CO2=2CO   CO+H2O= CO2+H2

1. 项目实施内容包括:

1) 确定制气规模、工艺技术路线、以及主要技术参数；

2）制气装置的主体设备与辅机的结构设计与制作；

3）示范性常压水煤浆制气工艺系统的配套设计及安装调试；

4）常压水煤浆制气运行工况的检测；

5）常压水煤浆制气技术、经济及环保分析评价。

2. 工艺技术路线的确定：

1） 制气规模：4000-5000标准立方米/h；

2） 工艺技术特点：常压操作、富氧鼓风、全密相流化床、煤浆多层旋流喷射；

3)  制气工艺描述：全密相旋流流化床富氧鼓风常压水煤浆气化炉，即是将61-65%浓度的水煤浆，通过输浆泵被送至环绕直立式气化炉筒壁周边，以螺旋式布置的若干个水煤浆专用喷嘴，并沿其切线方向喷出，煤浆液流、雾化气流、富氧气流，在喷嘴室内迅速混合喷燃，产生剧烈地气化反应，生成以（一氧化碳+氢）为主体的气体组分。使用的专用水煤浆喷嘴，是采用带水冷壁的内管同心园套筒式喷嘴结构，内通水煤浆、雾化气、富氧气，并以旋转撞击形式快速均混。为克服煤浆粒度细、在炉内的停留时间短、气化反应不完全，拟定采用全密相流化床。整个气化过程是在常压下进行的。所生成的煤气和炉渣从下出口排出，并进入激冷室或余热锅炉。所使用的富氧（28-30%），是采用"真空膜法富氧发生器"产生的，膜法富氧就是利用空气中的各组分透过高分子富氧膜时（膜板材料采用的是聚硅氧烷与聚对羟基苯乙烯的交联共聚体）的渗透率不同，在压力差作用下（压力：（-66Kpa）-（-76KPa)）,使空气中的氧气优先通过富氧膜，由于透过的气体中的含氧量增加，形成富氧空气。气化炉为园筒形，夹层内装有轻质保温材料，衬里是浇注的耐高温耐火材料。

4)主要操作参数：操作压力：8-12Kpa；操作温度：1200-1300℃；富氧纯度：28-30%；煤气产量：4000-5000标准立方米/h；（一氧化碳+氢）>80%，碳转化率：>85%；比煤耗：650Kg/1000立方米（一氧化碳+氢）；比氧耗：110立方米/1000立方米（一氧化碳+氢）。

3. 创新点：

1） 水煤浆常压气化（炉内操作压力<12Kpa ），与目前国内外关注的水煤浆加压气化方法相比，生产规模较小，气化效率也相对低一些，至今未闻所见。但是，面对国内外众多的以气化无烟煤块煤生产合成氨原料气的小化肥厂，气化用无烟煤的缺口很大。开发能够利用粉煤的常压水煤浆气化炉，因其制气装置结构简单，容易操作，投资不大，小化肥厂能够承受，市场容量很大，而且符合我国的实际国情。因此，具有一定的创新意识。

2） 提出以28-30%纯度的富氧鼓风，用于常压水煤浆气化，也是大胆的设想，28-30%纯度的富氧空气，制氧简单，而且成本也较低。

3） 全密相旋流流化床操作构思新颖，克服了常压操作时，因为气化反应时间短所造成的微细煤粒气化反应不完全。

4）沿气化炉周边自上而下螺旋式布置若干个水煤浆喷嘴，与目前国内所用的水煤浆加压气化炉从炉顶喷浆有所不同，是维持炉内全密相旋流流化床操作的关键。

4. 技术关键：

1） 在气化炉内能够保持稳定的密相流化气氛，是实施该项技术的关键，这是由于煤浆在炉内的流化速度很快，因此，只有在稳定的密相条件下，微细颗粒的煤粉才有可能与富氧空气和水蒸汽充分接触反应生成（一氧化碳+氢）,否则，未能完全气化的煤颗粒就会飞离而去，致使灰渣含碳量升高，影响气化效果。

2）3） 沿气化炉周边自上而下螺旋式布置多个水煤浆喷嘴，是保持炉内形成密相流化气氛的关键。

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