摘要 阐述了流化床水煤气炉的结构、工艺流程及其特点，对该炉使用非粘性煤和粘结性煤的连续运行结果进行了比较分析，并与固定床水煤气炉进行了技术经济比较。
关键词 煤气化 水煤气 流化床
中图分类号 TU996 TQ546 TQ054.1
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF
FLUIDIZED BED WATER GAS GENERATOR
Wang Liqun Wang Tongzhang
(Jiangsu Sience-Technologic University, Zhenjiang 212013,China)
ABSTRACT This paper elaborates the construction of the fluidized bed generator, gas making processes and distinguishing feature. Not only compared and analysed the generator running result of a non-caking coal with that of a caking coal but also compared fixed-bed generator with the fluidized bed generator in technological economy,and point out the broad prospects of the fluidized bed generator in Chinese gasification.
KEY WORDS coal gasification,Water gas , fluidized bed
1 前 言
水煤气是由炽热的碳与水蒸汽反应所生成的煤气,它的反应为:
C+H2O(g)CO+H2→118 821 kJ
(1)
C+2H2O(g)CO2+2H2→76 841 kJ
(2)
这些反应是吸热反应。为了维持一定的温度需要向制气过程提供热量。工业上常采用二种方法:① 用氧和水蒸汽为气化剂的连续气化法,如U-gas气化炉、德士古气化炉等；② 用空气和水蒸汽为气化剂的间歇气化法，固定床水煤气炉大都采用这种方法。我们将固定床水煤气炉原理用于流化床气化炉上，试制成功了流化床水煤气炉。该炉以空气和水蒸汽为气化剂，采用间歇工艺，利用粉煤生产中热值煤气。1985年建立了小型试验装置；1990年建立日供煤气3 000 m3/d小型煤气站，工业连续运行4年，取得了半焦、无烟煤、烟煤的试烧结果和运行经验。在此基础上，1993年又建立了日供煤气12 000 m3/d的煤气站；1998年6月在郑州建成日供煤气50 000 m3/d的示范站，该站于8月投入运行。
2 气化炉结构及工艺流程
2.1 流化床水煤气炉的结构
流化床水煤气炉由炉子本体1、螺旋加煤机2、旋风分离器4和返料器5构成。炉子本体为一钢制园形筒体，炉内有耐火材料砌筑的衬里，其下部为倒锥形，上部为园筒形。在园筒形部分设有夹套式蒸汽过热器，以加热进入炉内的蒸汽。炉底下部有布风装置和排灰装置，排灰装置为一油压控制的插板阀。炉子总高约11 m。在炉体中间有进料口，用螺旋加煤机自动给煤。
2.2 工艺流程
工艺流程见图1所示。0～10 mm的原料煤从煤仓中经螺旋加煤机送入气化炉内。在吹风燃烧阶段,罗茨风机13起动,空气换向阀7－1和烟气换向阀7-1'开启；蒸汽换向阀7-2和煤气换向阀7-2'关闭；空气经热管式空气预热器10 被加热到150 ℃送入炉内,使煤在气化炉内处于流化燃烧状态，床层温度迅速升高,高温吹风气经过旋风分离器4使固体微粒分离后进入余热锅炉6，温度降低到300 ℃，经换向阀7-1'进入空气预热器10与空气换热后，吹风气降到约200 ℃，然后经布袋除尘器11除尘后由烟囱12排到大气中。从吹风气分离出的固体微粒从返料器5返回炉内再进行燃烧和气化。当床层温度上升到1 000 ℃，蒸汽换向阀7-2和煤气换向阀7-2'相继开启，空气换向阀7-1和烟气换向阀7-1'依次关闭。余热锅炉6产生的蒸汽经缓冲汽包3，蒸汽过热夹套、换向阀7-2进入气化炉，使高温原料煤在流化状态下进行水煤气反应，这时产生的粗煤气经旋风分离器4、换向阀7-2'、洗气塔8、进入平衡气柜9，平衡气柜充气后，煤气加压机自动启动，将平衡气柜的煤气经脱硫塔送入大气柜，由大气柜将煤气输往用户。床层温度下降到850 ℃时，换向阀又转到吹风位置，进行下一个制气循环。
|
1－流化床水煤气炉； 2－螺旋加煤机； 3－缓冲汽包； 4－旋风分离器； 5－返料器； 6－余热锅炉； 7-1、 7-2－空气、蒸汽换向阀； 流化床水煤气炉和固定床水煤气炉相比有三个显著特点：① 床层温度均匀，而且温度变化亦均匀,无需下吹阶段，这就使气化炉结构简单、操作方便。② 炉出口温度较高，一般在800 ℃～950 ℃之间，这使煤气中焦油、酚类裂解，也为煤气增热。对于FM1.6型流化床水煤气炉，设置的余热锅炉蒸发量为3.0 t/h,水蒸汽自给有余，不需另设锅炉。③ 自动连续的加煤方式，加煤量和加煤时间自动可调，为通过改变加煤方式调整煤气成分提供了条件。 3 运行情况分析 表1 工业气化运行结果 |
| 煤 种 | 新密贫煤 | 伊川瘦焦煤 | 宝丰半无烟煤 |
| 操作温度(℃) | 850～1 000 | 850～1 000 | 850～1 000 |
| 煤气组分(%) | |||
| CO2 | 10.6 | 8.4 | 9.4 |
| CO | 15.3 | 19.5 | 19.4 |
| H2 | 61.12 | 59.5 | 58.81 |
| CH4 | 6.83 | 6.9 | 6.92 |
| O2 | 0.3 | 0.1 | 0.14 |
| N2 | 5.85 | 5.7 | 5.63 |
| H2S(mg/m3) | 120 | 120 | 120 |
| 煤气低热值(kJ/m3) | 11 021 | 11 453 | 11 227 |
| 煤气产率(m3/kg煤) | 1.19 | ||
| 气化效率(%) | 58.0 | ||
| 热效率(%) | 75.1 |
|
表2 不同加煤方式的煤气组成 |
| 运行方式 | 煤气组成(%) | 热 值 (kJ/m3) | |||||
| CO2 | O2 | CO | CH4 | H2 | N2 | ||
| 吹风阶段加煤 | 17.5 | 0.3 | 17.9 | 2.06 | 58.13 | 4.11 | 9 207 |
| 制气阶段加煤 | 10.6 | 0.3 | 15.3 | 6.83 | 61.12 | 5.82 | 10 120 |
| 流化床水煤气炉出口温度在800 ℃以上,在炉的上部有一个较大的自由空间,可使煤气中的焦油和酚类进行高温裂化反应。因此该炉无论使用何种煤,粗煤气中焦油和酚类含量较少。表3为煤气洗涤闭路循环水质分析结果。
表3 洗涤闭路循环水质分析 |
| 名 称 | 单 位 | 数 据 |
| COD | mg/1 | 623.39 |
| 总 油 | mg/1 | 3.80 |
| 悬浮物 | mg/1 | 22.00 |
| 酸碱度 | mg/1 | 8.70 |
| 总 酚 | mg/1 | 0.64 |
| 总 氰 | mg/1 | 1.08 |
| 4 流化床水煤气炉技术经济分析 流化床水煤气炉不仅具有良好的技术性能，而且在投资费用和运行成本上都远远低于现有的水煤气炉。由于该炉可适用于各种粉煤，特别是挥发分高的煤种，便于就地建厂，充分利用当地资源。 4.1 流化床水煤气炉投资分析 对于100 000/d(3台2.4 m炉)规模煤气厂的总投资，水煤气型两段炉为4 562 万元,固定床水煤气炉为3 390 万元,流化床水煤气炉为3 321 万元。流化床水煤气炉煤气厂投资费用低于水煤气型两段炉煤气厂37 ％，和单段炉基本持平。但是由于固定床水煤气炉生产的煤气CO含量高达30 ％以上，要达到我国城市煤气的标准，必需采取甲烷化或CO变换加增热的措施,这将使投资费用大大增加和运行成本提高。而流化床水煤气炉只需增热即可，而且该炉增热很方便，不需要大的投资。由于流化床水煤气炉生产的煤气CO含量低于20 ％，符合国家标准,对我国中小城镇，一般供气范围较小，管道投资费用相对较少，在现阶段直接使用略低于12 600 kJ/m3的煤气，将加速我国中小城镇煤气化的进程。 4.2 运行成本分析 由于流化床水煤气炉可使用0～10 mm的各种粉煤，特别适用于贫煤、烟煤、褐煤等，原料来源广泛，可以就地取材。粉煤约为150 元/t，有些距离煤矿近的在100 元/t以内。而固定床水煤气炉只能使用25～75 mm的无烟块煤，且对煤的机械强度要求高，因此煤源少，需远距离运输，一般到厂煤价平均在450 元/t。对于日产10 万m3规模的水煤气厂,年用煤量约为36 000 t。若用块煤比用粉煤每年就多支出1 080万元，用流化床水煤气炉仅就燃料费用一项，每年就可节约费用相当于建设投资费的1/3。如再考虑维修费和运行人员费用 的相应减少，运行费用还将会有所降低。根据郑州金成煤气站的设计规模(三台FM1.6-1型流化床水煤气炉，日供煤气48 000 m3)，按日平均供气量40 000 m3计算，该站投资1 400万元（包括外管网），结合实际运行指标，对流化床水煤气炉的运行成本进行核算见表4。 从表4看出，使用流化床水煤气炉生产的煤气成本可以和天然气、石油液化气相竞争。由于我国是富煤、贫油、贫气的国家，立足于利用当地煤炭资源，发展煤制气工业有利于我国资源的开发利用。 表4 流化床水煤气炉成本核算(40 000 m3/d) |
| 项 目 | 产量(消耗) | 单 耗 | 价 格 | 成 本 |
| 煤 | 40 t/d | 1.0 kg/m3 | 150 元/t | 0.15 元 |
| 电 | 6 000 度/d | 0.15 度/m3 | 0.42元/度* | 0.062 元 |
| 水 | 200 t/d | 5 kg/m3 | 2.0 元/t | 0.01元 |
| 软 水 | 88.4 t/d | 2.21 kg/m3 | 3.8 元/t | 0.008 元 |
| 维修费 | 166.67 元/d | 0.004 元 | ||
| 管理费 | 50 元/d | 0.001 元 | ||
| 人工工资 | 733.3 元/d | 0.018元 | ||
| 活性炭损耗 | 0.008 元 | |||
| 设备折旧 | 1400 万元 | 按7%计算 | 2722 元/d | 0.07 元 |
| 大修费提成 | 1 400 万元 | 按3%计算 | 1 167 元/d | 0.029 元 |
| 地租金 | 50 万元 | 按5%计算 | 69.4 元/d | 0.0017 元 |
| 每m3煤气成本 | 0.362 元 | |||
| 折合城市煤气热值 每m3煤气成本 |
0.506 元 | |||
| 说 明 | (1)电价计算方法：实际用量×0.377+170）/实 际用电量，其中0.377元为每度电价,170元为 变压器固定费用。 (2)城市煤气热值按14 700 kJ/m3计；水煤气 热值按10 500 kJ/m3计。 | |||
| 5结论 流化床水煤气炉经过长期运行表明，这种炉型较固定床水煤气炉有着明显的优越性，它为我国粉煤气化开辟一条新途径。 (1) 由于可以使用各种粉煤，便于就地取材，充分利用当地的煤炭资源。 (2) 可在较大范围内对煤气成分进行调整，在吹风阶段加煤时，可获得有利于化工原料的煤气组分；而制气阶段加煤时可获得较好的民用煤气，一炉多用，为将我国中小型化肥厂改造成既生产化肥又供应民用煤气的综合性企业提供了条件。 (3) 可直接生产CO含量低于20 %的中热值煤气,满足我国民用煤气对CO含量的要求，而且增热方便。 (4) 该炉工艺流程简单、投资省、操作方便、易于自动化。 (5) 该炉生产过程中，产生很少焦油和酚类，净化简便，易于达到环保要求。 (6) 该工艺在生产煤气的同时,还付产水蒸汽,不仅可满足生产的需要,而且可部分外供。 因此，流化床水煤气炉是固定床水煤气炉理想的替代产品，在我国有着广阔的市场前景。 |
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