碎煤加壓固定床氣化工藝的工業應用

1魯奇爐:“日化帶”分散煤炭加壓固定床耗的技術最早由德國lupi開發，lusi氣化爐因此而聞名。魯奇爐的改進是魯奇氣化技術發展的核心,主要經歷了三個階段。第一階段(1930年～1954年),第一代氣化爐直徑2.6m,主要用于生產城市煤氣,氣化爐的結構特點是有內襯和邊置灰斗,不設膨脹冷凝器,氣化劑通過爐篦的主動軸送入,該爐型只能氣化非黏結性煤,且氣化強度較低,產氣量50000m3/h·臺～80000m3/h·臺,我國云南解放軍化肥廠引進的就是第一代魯奇爐。第二階段(1954年～1969年),第二代魯奇爐擴大了用煤范圍,可氣化弱黏結性煙煤,取消了內襯,改進了布氣方式和增加了破黏裝置,邊置灰斗調為中置灰斗,氣化爐直徑擴大到2.8m、3.7m兩種,單爐生產能力得到提高,產氣量分別達14000m3/h·臺～17000m3/h·臺、32000m3/h·臺～45000m3/h·臺。第三階段(1969年至今),為了進一步擴大用煤范圍,使之達到氣化一般黏結性煤的目的,推出了Mark-Ⅳ型氣化爐,改進了布煤器和破黏裝置,可氣化除焦煤外的所有煤種,氣化強度進一步得到提高,氣化爐直徑3.8m,產氣量350000m3/h·臺～65000m3/h·臺,我國原山西化肥廠和義馬煤氣廠引進的均為第三代Mark-Ⅳ型魯奇爐。此后,南非薩索爾(Sasol)在1980年開發了Mark-V型氣化爐,氣化爐內徑4.7m,產氣量達10萬m3/h·臺。液態排渣的BGL氣化技術也是Lurgi氣化爐的升級版,BGL在氣化強度、煤氣組成、煤氣水產率方面均有很大的提高和改善。2煙氣水回用工藝流程5mm～50mm塊煤經煤溜槽加入氣化爐上部煤鎖,煤鎖充壓至與氣化爐壓力相同時,打開煤鎖下閥,煤靠重力加入氣化爐。過熱的水蒸氣和氧氣在混合器混合后,從氣化爐底部經爐篦進入氣化爐,在約3.0MPa、1000℃的條件下,與煤發生氣化反應,生成以CO、H2、CO2、CH4為主要成分的煤氣。從氣化爐出來的粗煤氣,根據煤種不同,溫度在220℃～600℃,經噴冷器后溫度降至200℃左右,進入廢鍋回收余熱,溫度降至180℃,粗煤氣經氣液分離后進入下游工序。廢熱鍋爐可產生0.5MPa～0.6MPa的低壓蒸汽。從噴冷器洗滌下來的含焦油和塵的煤氣水隨煤氣一起進入廢熱鍋爐底部的分離器,初步分離油水。一部分含塵煤氣水由循環泵返回到洗滌冷卻器,其余送煤氣水分離單元,噴冷循環水量的損失由煤氣水處理工段的高壓噴射煤氣水補充。氣化爐氣化產生的灰渣周期性排進灰鎖斗,灰鎖斗用過熱中壓蒸汽充壓。在灰箱減壓卸灰操作過程中,含有灰塵的水蒸氣進入膨脹冷凝器,膨脹冷卻器充滿冷卻水,冷卻吸收泄壓蒸汽。碎煤加壓固定床氣化技術主要有以下特點:(1)氣化原料方面,一般采用5mm～50mm的塊煤進料,且下限率不能過高。一般要求煤的反應性好、無黏結性和弱黏結性、機械強度較高、灰熔融性溫度較高。因此適宜的煤種為褐煤、次煙煤、貧煤和無煙煤,對一些水分較高(20%～30%)和灰分較高(如30%)的劣質煤也適用。與氣流床工藝相比,魯奇爐采用碎煤為原料,入爐煤的處理費用低。(2)氣化為干法排灰,使用純氧氣化,為防止結渣,采用較高汽氧比,因此氧耗較低,約為氣流床氧耗的70%,可在空分制氧設備上節省大量投資。(3)煤氣中CH4含量較高,達10%左右,適合于生產城市煤氣和代用天然氣(SNG),將CH4轉化為CO和H2后也可以用于生產化工產品,比如甲醇和氨。(4)粗煤氣中H2/CO為2.0,不經變換或少量變換即可用于F-T合成、甲醇合成、天然氣合成等產品生產,對比氣流床氣化減少了CO變換工序。(5)該工藝最重要的工藝操作參數為汽氧比,與氣流床強調的氧煤比有一定區別,但目的相同,就是控制一定的氣化爐溫度。汽氧比的確定通常根據煤樣的溫度(ST)、反應活性、灰渣狀態和煤氣組成質量。(6)固定床氣化氣、固兩相逆流接觸,通過逆流操作實現高的“冷煤氣”熱效率,逆流操作使粗煤氣和灰渣均以較低的溫度離開氣化爐,與氣流床相比,在高溫煤氣和高溫液態渣的熱回收方面有優勢。(7)氣化工藝成熟,設備國產化率高、造價較低,在投資上較氣流床占有較大優勢。(8)氣化和煤氣冷卻過程會產生一定數量的含有重焦油、輕焦油和酚的煤氣水,煤氣水處理流程復雜,處理費用高。但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工產品,當裝置規模較大時,將有一定優勢。南非SASOL公司約20%的產品直接來源于氣化過程中副產品的回收和加工。3合成甲醇、合成氨、甲醇該氣化技術在國外主要用于南非薩索爾煤炭間接液化、美國大平原生產代用天然氣、歐洲生產城市煤氣、合成甲醇,也曾用于聯合循環發電。在我國則主要用于生產城市煤氣并聯產甲醇、合成氨、甲醇/二甲醚、煤間接液化及生產天然氣,使用的煤種以褐煤和次煙煤為主,原山西化肥廠使用貧瘦煤。表1為國內碎煤加壓固定床氣化技術的使用情況。3.1運行模式及生產能力20世紀80年代初,山西化肥廠從西德魯奇公司引進了4臺MARK-Ⅳ型氣化爐,1983年7月正式開工建設,1987年7月化工投料試車,生產初期運行并不順利,從1987年到1998年10年間,經歷了打通流程、低負荷徘徊(合成氨平均日產642.54t)、精投料促連續運轉促高產(從使用小煤窯煤到改用王莊洗精煤)和完善達標4個階段后,終于使合成氨生產水平達到平均950t/d以上,2000年初結束試生產歷史,順利通過交工驗收。該廠魯奇氣化爐設計運行采用3開1備(后于1998年增加了1臺國產氣化爐,運行模式變為4開1備),單臺氣化爐生產能力為36000m3/h·臺。特別值得一提的是原料問題,山西化肥廠設計原料為王莊礦貧瘦煤,在運轉初期,受王莊塊煤供應量影響,摻燒了部分小煤窯煤,結果煤質波動大,氣化爐操作難以穩定,頻繁跳車,三爐并運率不足80%,單爐平均負荷也只有81%,嚴重制約著后續生產,最終在采用王莊洗精煤后才解決了這一問題。3.2產煤及焦油、煤氣廠義馬氣化廠于1997年開工建設,一期2001年建成投產,二期于2006年9月建成投產。設計生產規模為凈煤氣264萬m3/d,外供城市煤氣180萬m3/d;聯產甲醇24萬t/a,二甲醚20萬t/a。同時副產煤焦油、粗酚、中油、液氧等8萬t/a。義馬煤氣廠現有5臺Mark-Ⅳ型氣化爐,運行壓力3.0MPa,主要使用當地義馬長焰煤,入爐煤粒度在5mm～50mm(占80%以上),灰分在15%～30%,水分在10%左右。單臺氣化爐可產粗煤氣3.8萬m3/h～5萬m3/h。3.3薩爾廠的煤氣管網薩索爾是南非煤炭石油和天然氣股份有限公司的簡稱,是南非政府1950年針對其多煤少油的資源條件,為滿足國內對碳氫燃料的需求,發展煤基合成油工業成立的能源公司。薩索爾是世界唯一以煤為原料采用間接煤炭液化生產工藝(即費托合成)商業化大規模生產合成燃料的公司,也是目前世界上應用魯奇爐最多的公司。薩索爾煤氣化全部采用魯奇固定床氣化爐,最初安裝了10臺直徑3.6m的Mark-Ⅲ型氣化爐;1966年又增加了相同的3臺;1978年增加了3臺Mark-Ⅳ型,能力55000m3/h;1980年增加了1臺Mark-V型,能力90000m3/h;后來Ⅱ廠和Ⅲ廠建立時各安裝了40臺(36開4備)Mark-Ⅳ型氣化爐,能力達65000m3/h。目前薩索爾共擁有97臺魯奇氣化爐。3個工廠每年需要的煤炭達到4670萬t,其中Ⅱ廠和Ⅲ廠耗煤4050萬t,Ⅰ廠耗煤620萬t。薩索爾Ⅰ廠所用的煤來自Sigma煤礦,屬低品質煤,灰分達35%以上,入爐煤粒度6mm～38mm,粒度分布見表2。正常操作時,單臺爐日產氣量88萬m3,氣化爐需要提高負荷時,可增加到116萬m3/d,氣化爐從冷態投煤到產出煤氣需要12h。Ⅱ廠和Ⅲ廠原料煤來自Bosjesspruit煤礦,煤質較Sigma煤礦要好。Ⅱ廠和Ⅲ廠40臺氣化爐分成兩列,每列又分成兩組,每組10臺。氣化爐操作壓力2.7MPa,日耗煤2.5萬t～3萬t,蒸汽3.0萬t～3.6萬t,氧氣0.8萬t～0.9萬t,產生灰渣0.5萬t。3.4氣調廠運行情況美國大平原煤氣廠是世界上第1座由煤氣化經甲烷化合成SNG的大型商業化工廠。該項工程是美國自然資源公司于20世紀70年代初提出的,原計劃建1座日產代用天然氣778萬m3的工廠,后因融資問題,將原計劃分為兩個階段建設。第一期的設計能力為日產代用天然氣389萬m3,于1980年7月動工,1984年4月完工并投入試運轉,1984年7月28日生產出首批天然氣并送入美國的天然氣管網,輸送距離51.5km、管道直徑DN600mm。從1984年到2005年,該廠已累計運行7725d,運轉率高達98.7%。氣化廠擁有14臺Mark-Ⅳ氣化爐(12開2備)。單臺氣化能力在50000m3/h,處理煤量1166t/d,年處理煤量為466.2萬t/a,至今已運行24a。SNG熱值972Btu/scf(36.2MJ/m3)。大平原煤氣廠的成功運營得益于技術的可靠性、前期工作的論證以及副產品的綜合利用。在1974年北達科他褐煤送南非薩索爾進行了工業性試燒,得到了北達科他褐煤不經干燥直接氣化可行的結論以及氣化爐的生產能力、入爐煤粒度、蒸汽/氧氣耗量等關鍵設計數據。從2000年開始,氣化廠成功的將低溫甲醇洗(RECTISOL)出來的60%的CO2賣給了加拿大一家油田生產企業,不僅增加了石油產量,而且真正實現了CO2捕集(參考資料:2006.4,USDOE:PracticalExperienceGainedDuringtheFirstTwentyYearsofOperationoftheGreatPlainsGasificationPlantandImplicationsforFutureProject)。3.5典型運行技術指標上述工廠的典型工業運行指標見下頁表3。4碎煤加壓固定床氣化的前景展望煤的氣化是現代煤化工技術的核心,煤氣化可得到合成氣CO和H2,再由合成氣可合成生產氨、甲醇、含氧化學品、油、天然氣等多種碳一化工產品和能源產品。近30年來,國內外煤氣化技術快速發展,以氣流床氣化技術為代表的現代煤氣化技術為煤化工的建設提供了強大的支持。煤化工的發展要受煤種條件的限制,尤其在我國蒙東、黑龍江、云南等部分地區,煤種多為高水分的褐煤,對于氣流床氣化存在干燥的技術和經濟問題,而碎煤加壓固定床氣化不用干燥直接氣化褐煤已有成熟的應用經驗,如我國小龍潭褐煤和美國北達科他褐煤。在氣化裝置的投資上,氣流床氣化裝置投資巨大,包括干粉和水煤漿在內,單臺氣化爐投資均在億元以上,而單臺魯奇爐投資僅在3000萬元～5000萬元之間,若將空分制氧裝置計算在內,則投資相差更大。在規模適應性上,氣流床氣化爐適合于大型化,比如甲醇規模要在50萬t/a以上,而魯奇爐產氣能力適中,可靈活地適用于不同工業規模。在三廢排放上,主要指氣化廢水,氣流床氣化要優于固定床氣化。但據報道,在大平原和薩索爾廠,氣化廢水經酚、氨回收后進入生化處理,處理后的水可作為循環水補充水,循環水排污水經多效蒸發后,濃縮液返回到氣化爐氣化,基本達到無廢水排放。從煤氣用途分析,因魯奇爐粗煤氣含10%左右的CH4,更適合于生產代用天然氣(或城市煤氣)或聯產甲醇(或DME),如義馬煤氣化廠、新疆廣匯等廠家的生產模式,若單獨做合成氣,需要先將CH4轉化。碎煤加壓固定床氣化是一項成熟的技術。根據煤的性質和氣化工藝分析,我國水分含量高的褐煤,更適合用于碎煤加壓固定床氣化。5試驗結果分析北京煤化工研究院(BRICC)從1950年開始煤氣化技術的研究,20世紀80年代在實驗室建立了由美國福斯特·惠勒公司設計制造的內徑100mm、外徑300mm的加壓固定床氣化爐,氣化爐設計壓力為5.0MPa,最高運行壓力可到3.2MPa,操作溫度根據煤質條件可在1000℃左右,氣化爐系統工藝流程見圖2。裝置建成后,在該裝置上先后進行過云南先鋒、龍口、義馬、依蘭、焦作、晉城等數十種典型的不同變質程度中國煤種和泰國、朝鮮等國外煤種的氣化試驗,積累了豐富的試驗經驗并取得大量試驗結果。表5為在該裝置上得到的典型煤種試驗結果。試驗結果表明,一般隨著煤種變質程度的提高,氣化強度下降,煤氣中CH4含量下降,CO含量增加,CO2含量下降;煤氣產率增加,焦油產率下降;汽氧比下降,煤氣熱值提高。對比小試和煤炭科學研究總院北京煤化工研究分院Φ650mm加壓氣化爐(設計壓力3.2MPa,運行壓力2.0MPa)中試結果可見,小試操作所用汽氧比比中試試驗的要低,這是由于小型氣化爐氣化過程散熱量較大,為提高操作溫度需增大氧氣供應量所致。在煤氣組成中,小試所得的CH4含量較中試的數據低,這與小試氣化爐中料層厚度較薄有關。經過摸索,利用Φ100mm氣化裝置試驗數據,結合加壓低溫干餾、加壓活性等測試試驗,試驗結果經適當修正,可為加壓氣化工程的可行性研究和工程設計提供基礎參考數據。經破碎篩分制備成6mm～13mm的原料煤加入加壓煤箱,煤由輸煤螺旋送入氣化爐。蒸汽和氧氣經計量、混合后,經兩級過熱進入氣化爐,與