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煤化工前沿.doc

煤化工前沿

woaini
2010-09-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《煤化工前沿doc》,可适用于工程科技领域

煤化工发展我国是一个能源大国但又是一个人均能源资源占有量低的贫国。我国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的仅为美国人均水平的而且一次能源结构中以上是煤。预计到世纪中叶甚至到世纪末我国以煤为主的能源结构将不会改变。煤的高效、清洁利用是我国经济和社会可持续发展的战略选择是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。在相当长的时期内我国以煤为主的能源结构将难以改变为了满足未来经济、社会和环境协调发展对能源的需求煤炭的洁净利用必须以科学的发展观依靠科技进步走出一条兼顾高效、环保和经济的新型工业化道路。发展基于煤气化的煤基能源及化工系统是在可预见范围内最有效的技术途径已成为能源领域科技界和企业界的共识。以煤气化为机场的能源及化工系统不仅能较好地解决煤转化过程中提高效率和降低污染物排放的问题而且能生产液体燃料和氢等能源产品对缓解交通能源紧张问题有重要的意义。以煤气化为基础的能源及化工系统成为实际范围内高效、清洁、经济地开发和利用媒体的热点技术和重要发展方向。煤炭的气化和液化技术、煤气化联合循环发电技术等都已得到工业应用。国内在国家计划的支持下通过自主研发和引进国外先进技术也取得了相当的进展。以煤气化为基础的能源和化工系统的发展为人们描绘了能源梯级利用、环境污染最小化、成本最低而效率最大化的前景并预留了减排二氧化碳和通氢能经济的技术窗口同时也对煤气化技术提出了更高的要求。煤气化是以煤基为能源的化工系统中最重要的核心技术和关键设备尽管煤气化已有多年的历史但大型煤气化技术目前仍是能源和化工领域的高新技术。早在世纪末到世纪初英国已开始使用煤气在世纪后期出现了直立式干馏炉和水煤气生产工艺这时煤气的主要用途是燃料气。世纪年代前煤气化技术有了飞速的发展。而在年代之后由于石油和天然气产销量不断增长价格低廉煤气化技术的发展比较缓慢。年代石油危机的出现工业化国家意识到石油供应的不稳定性而且石油资源远不及煤气化新工艺其中Texaco、EGas、Shell和Prenflo等大型气流床加压煤气化工艺已实现了td工业规模的示范并达到商业化水平。目前大型煤气化技术被美国、德国和荷兰等少数国脚垄断其他国家与之相比有一定的差距。我国与年月在上海建成了第一座媒制气工厂。新中国建立后煤气化工业有所发展。世纪年代以来我国的煤气化工业突飞猛进引进了一批国际上先进的水煤浆煤气化技术并在煤化工行业得以应用基本掌握了水煤浆煤气化技术并在煤化工行业得以应用基本掌握了水煤浆煤气化技术的制造和运行技术。煤气化主要用于以下几个方面:生产燃料煤气通过选用不同的气化方法可以制得低、中、高种热值煤气以满足钢铁工业、化学工业、联合循环发电和民用等不同对象的要求。生产和成气用作合成氨、合成甲醇和甲醚以及合成油的原料气。生产氢煤气化制氢将是未来氢能经济的主要技术路线。水煤浆气流床气化是指煤或石油焦等固体碳氢化合物以水煤浆或水炭浆的形式与气化剂一起通过喷嘴气化剂高速喷出料浆并流混合雾化在气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应的工艺过程。具有代表性的工艺技术由美国德士古发展公司开发的水煤浆加压气化技术、道化学公司开发的两段式水煤浆气化技术、中国自主开发的多喷嘴煤浆气化技术他们当中以德士古发展公司水煤浆加压气化技术开发最早、在世界范围内的工业化应用最为广泛。水煤浆加压气化过程原理及特点水煤浆气化反应是一个很复杂的物理和化学反应过程水煤浆和氧气喷入气化炉后瞬间经历煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残碳气化和气体间的化学反应等过程最终生成以CO、H为主要组分的粗煤气(或称合成气、工艺气)。灰渣采用液态排渣。水煤浆气化制粗煤气技术有如下优点:、可用于气化的原料范围比较宽。几乎从褐煤到无烟煤的大部分煤种都可采用该项技术进行气化还可气化石油焦、煤液化残渣、半焦、沥青等原料年以后又开发了可燃垃圾、可燃废料的技术。、水煤浆进料与干粉进料比较具有安全并容易控制的特点。、工艺技术成熟、流程简单过程控制安全可靠。设备布置紧凑运转率高。气化炉内结构设计简单炉内没有机械传动装置。操作性能好可靠程度高。、操作弹性大气化过程碳转化率比较高。碳转化率一般可达负荷调整范围为。、粗煤气质量好用途广。由于采用高纯氧气进行部分氧化反应粗煤气中有效成分(COH)可达左右除含少量甲烷外不含其它烃类、酚类和焦油等物质粗煤气后续过程无须特殊处理而可采用传统气体净化技术。产生的粗煤气可用于生产合成氨、甲醇、羰基化学品、醋酸、醋酐及其他相关化学品还可用于供应城市煤气也可以用于联合循环发电装置。、可供选择的气化压力范围宽。气化压力可根据工艺需要进行选择目前商业化装置的操作压力等级在MPa之间中试装置的操作压力最高已达MPa,这为满足多种下游工艺气体的压力需求提供了基础。MPa高压气化为等压合成其他碳类化工产品如甲醇、醋酸等提供了条件既节省了中间压缩工序也降低了能耗。、单台气化炉的投煤量选择范围大。根据气化压力等级及炉径的不同单炉投煤量一般在td(干煤)左右但在美国Tampa气化装置最大气化能力达td(干煤)。、气化过程污染少环保性能好。高温、高压气化产生的废水所含有害物极少少量废水经简单生化处理后可直接排放排出的粗、细渣既可作水泥掺料或建筑材料的原料也可深埋于地下对环境没有其他污染。水煤浆气化技术也有以下一些缺点:、炉内耐火砖冲刷侵蚀严重选用的高铬耐火砖寿命为年更换耐火砖费用大增加了生产运行成本。、喷嘴使用周期短一般使用天就需要更换或修复停炉更换喷嘴对生产连续运行或高负荷运行有影响一般需要有备用炉这增加了建设投资。、考虑到喷嘴的雾化性能及气化反应过程对炉砖的损坏气化炉不适宜长时间在低负荷下运行经济负荷应在以上。、水煤浆含水量太高使冷煤气效率和煤气中的有效气体成分(COH)偏低氧耗、煤耗均比干法气流床气化高一些。、对管道及设备的材料选择要求严格一次性工程投资比较高。总之水煤浆气化技术在一定条件下有其明显的优势当前仍是被广泛采用的新一代先进煤气化技术之一。简单介绍几种水煤浆气化一、德士古水煤浆加压气化工艺简称TCGP是美国德士古石油公司(Texaco)在重油气化基础上发展起来的。德士古水煤浆气化技术包括煤浆制备、灰渣排除、水煤浆气化等技术其核心和关键设备是气化炉。该工艺先后在美国、日本、德国及我国鲁南、上海三联共、渭河建成多套工业生产装置经多年的运行实践证明德士古加压水煤浆气化技术是先进并成熟可靠的。德士古水煤浆气化原理、气化炉内的反应水煤浆和的纯氧经德士古烧嘴呈射流状态进入气化炉在高温、高压下进行气化反应生成COH为主要成份的粗合成气。在气化炉内进行的反应相当复杂一般认为气化分三步进行。()、煤的裂解和挥发分的燃烧。水煤浆和氧气进入高温气化炉后水迅速蒸发为水蒸气。煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物及挥发分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧。同时煤粉变成煤焦放出大量的反应热。因此在合成气中不含有焦油、酚类和高分子烃类。这个过程相当短促。()、燃烧及气化反应。煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧气发生燃烧反应生成CO、CO、等气体放出反应热另一方面煤焦又和水蒸气、CO等发生化学反应生成CO、H。()、气化反应。经过前面两步的反应气化炉中的氧气已消耗完。这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO的气化反应生成CO和H。德士古水煤浆工艺的特点()煤种适应性广理论上德士古水煤浆气化可以广泛适用于各种煤包括高水分、高灰分、高硫分、高粘结性的煤。在国内实际生产中主要以烟煤为主对煤的活性没有严格要求但对煤的灰熔点有一定要求。()生产的连续性德士古水煤浆气化工艺采用连续进料、液态排渣在排渣时不影响气化炉运行克服了固定气化方法间歇性排渣的缺点提高了生产的连续性。国内实际生产中由于受到工艺烧嘴使用周期的限制一般气化炉连续运行时间天左右工艺烧嘴处于高温(℃)工况下应定期停炉检查确保装置安全运行。()降低了气体压缩功耗德士古水煤浆气化工艺采用加压气化煤浆的压力由煤浆泵提供。氧气压力由液氧泵提供视后工序需要一般压力等级有MPa、MPa、MPa、MPa等。因此气化后的气体压力较高可以省去后工序气体压缩所需的大量功耗。()气化强度gao()热量回收利用率高()有利于环境保护()控制系统先进()一次性投资较小但专利费较高。该工艺运行中存在的突出问题:、气化炉耐火材料使用寿命短、气化炉炉膛热电偶寿命短、德士古烧嘴使用周期短、黑水管线容易堵、结垢、磨蚀、激冷环问题、激冷室结构问题二、Shell煤气化自世纪年代起壳牌公司就开始了气化技术的开发。当时该公司开发了以油为原料的壳牌气化技术(SGP)至今有套以上的装置采用该技术。在积累油气化经验后年开始在该公司的阿姆斯特丹研究院(KSLA)进行每气化技术研究。年煤气化工艺(SCGP)达到一定水平并建立了一座处理煤量为td试验厂利用该装置一共试验了多个不同的煤种。Shell煤气化过程是在高温加压下进行的该技术是目前世界上较为先进的第二代煤气化工艺之一。Shell煤气化属气流床(entrainedbed)气化煤粉、氧气及蒸汽在加压条件下并流进入气化炉内在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。Shell煤气化工艺的特点()干煤粉进料煤种适应性比较广从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化对煤的灰熔点要求比其他气化工艺宽些。对于较高灰分、较高水分、较高含硫量的煤种也同样适用。但是不能肯定任何煤种都可以。对于新煤种应该进行试烧或根据成份来计算是否可以生产经济上是否合理。实际使用时还是尽量选择比较好的煤为宜。煤粉用密封料斗法升压(即间断升压)常压粉煤经变压仓升压进入工作仓(压力仓)其压力略高于气化炉粉煤用氮气或CO送入炉()气化温度高()氧耗低()干煤粉下喷式喷嘴并有冷却保护()气化炉()高温煤气激冷和冷却()废热锅炉锅炉为水管式结构用于回收高温煤气显热要承受高温高压和粉尘的冲刷操作条件比较恶劣。因此这个设备的设计难度是比较大的。由于温差大如何减少热应力给设备带来的损害也是必须考虑的问题。废热锅炉的金属外筒为受压容器温度不高(℃)。内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水冷壁组成为消除水冷壁上的积灰设置了若干数量的气动敲击除灰装置进行振动除灰。()热效率问题进行气化炉的煤中约的热能转化为合成气约的热能被回收为高压或中压蒸汽总的热效率为左右。()控制系统()飞灰出废热锅炉的粗煤气进入干式除尘器用高效飞灰过滤回收飞灰飞灰经收集并变压后返回常压煤仓(再气化)总的碳转化率较高(约)脱除的飞灰进入飞灰收集罐出飞灰收集罐的飞灰返回气化炉循环使用。()熔渣和污水气化炉高温排出的熔渣经激冷后成玻璃状颗粒性质稳定对环境影响比较小。气化污水中含氰化物少容易处理。三、GSP煤气化技术GSP工艺技术(或称为加压气流床气化技术)是世纪年代末由前民主德国GDR燃料研究所(GermanFuelInstitute)开发并投入商业化运行的大中型粉煤气化技术。这个研究所成立于年全称为DeutschesBrennstoffInstitutFreiberg(DBI)。该技术属GDR中央煤矿的工业研究院所有最初的目的是拟用高灰分褐煤生产民用煤气年在费赖贝格建立了一套MW和MW的中试装置完成了一系列基础研究和工艺验证工作。试验的美中来自德国、中国、波兰、俄国、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚、捷克等国家。GSP工艺技术适用于各种原料包括城市废料等在内的各种碳氢化合物。这超出另外我们所关心的煤化工范围因此将其用于发电、城市煤气的生产也是很好的出路。GSP气化炉是由组合烧嘴、水冷壁气化室和激冷室组成的加压气流床整个反应器呈圆桶型结构外壁为水夹套。GSP工艺气化技术有以下特点。()烧嘴和水冷壁的使用寿命比较长气化炉采用水冷壁结构无耐火衬里带水冷壁的气化炉设计寿命年考虑。正常使用时维护很少运行周期长有超过年使用寿命的经历。气化炉的开工率比较高。这就可以不要备炉了。在多台并联的情况下维修烧嘴时可以不必全线停车。而且气化炉的开停车比较灵活所需时间短这给稳定生产奠定了基础。本系统可以只用一个组合喷嘴(开工喷嘴与生产喷嘴合而为一)喷嘴使用寿命长为气化装置长周期运行提供了可靠保障。()气化原料的适应范围广采用干粉煤作为气化原料根据后续化工产品的要求煤粉可用氮气或二氧化碳输送故操作十分安全。从年起GSP技术开发的重点转至气化工业废物和生物质等原料先后气化过约种物质包括不同变质程度和灰分含量的煤、城市污泥、工业废渣、石油焦以及一些固体废物的干馏产物等。由于气化温度高故对煤种的适应性更为广泛从较差的褐煤、次烟煤到石油焦均可使用也可以两种煤掺混使用。对煤灰熔点的适用范围比其他气化工艺宽即使是高水分、高灰分、高硫含量和高灰熔点的煤种也能使用。()能够获得较高的气化效率和碳转化率GSP工艺的气化效率和碳转化率比较高与Shell炉差不多这是可以确定的因为GSP工艺与Shell工艺的水碳和氧碳是差不多的。冷煤气效率达以上。()气化炉操作弹性大负荷调节灵活()氧耗较低:与水煤浆加压气化工艺相比氧耗低,可降低配套空分装置投资和运行费用。()开停车操作方便且时间短从冷态达到满负荷仅需要小时。()自动化水平高四、鲁奇煤气化鲁奇公司开发的煤气化技术是固定床加压气化其主要特点是煤气炉带有夹套锅炉、固态排渣以碎煤为原料经加压气化得到粗煤气(COH)。鲁奇技术的发展:鲁奇炉是一种比较古老的技术但由于不断的改进和发展因此还是可以列入新技术之列。第一代鲁奇炉于年研制成功主要用于煤气化。强度比较低单台能力只有mh。年以后为了扩大使用煤种和提高气化强度对个煤种进行了研究试验改进了布气方式增加了破粘装置设计的第二代气化炉能力达到mh。年后设计了MarkIV型鲁奇炉这种炉型进一步改进了煤布气器和破粘装置设置多层炉箅采用先进的控制技术。该炉型布气均匀气化强度高灰渣残碳少可以气化除焦煤以外的所有煤种。此后又设计了MarkV型鲁奇炉能力达到mh。目前在国外鲁奇炉主要是在南非使用用于合成油生产大约有台左右。鲁奇炉工艺原理:鲁奇炉的固定床层由上而下可分为干燥区、干馏区、气化区、燃烧区和灰渣区五部分。在实际过程中除了燃烧区和气化区之间是以O浓度为零来划分外其余各区并无明确的边界定义各区之间可以重叠覆盖。五、国内煤气化技术的研究状况在大量引进国外技术的同时加大对洁净煤技术科技投入是十分必要的事实上国内一直在进行煤气化的研究并且也有一定的成效。只是这个成效还不足以达到能够全面占领国内煤气化需求的市场特别是不能占领大型化的煤气化技术市场。造成这个局面的原因是尽管煤资源在我国处于能源的主体地位但对于煤转化技术的开发并没有放在重要位置投入和关心不够。国内对煤气化的研究有多种方式下面是这些研究的主要成就:()西安热工研究院干煤粉加压气化技术()华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆气化技术()西北化工研究院多元料浆气化技术()山西煤化所灰熔聚流化床粉煤气化技术大量的煤化工实践告诉我们每种气化炉及其工艺只能适应某些煤种反之一定的煤种也只能用在某些炉型及相关的工艺上。因此煤气化的研究不是单打一的只研究一种技术就可以了只有对煤气化技术开展广泛的研究才能满足国内煤气技术的迫切需要。多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺概况:多喷嘴对置式水煤浆气化技术是对Texaco气化的重大改进主要表现在:煤浆经隔膜泵加压通过个对称布置在气化炉中上部同一个水平的工艺烧嘴与氧气一起喷入气化炉内煤浆颗粒在气化炉内气化时有颗粒的湍流弥散、振荡运动、对流加热、辐射加热、煤浆蒸发、颗粒中挥发物的析出、气相反应、煤焦的多相反应、灰渣的形成等过程。由于在高温下化学反应的速率相对较快气化的速率为传递过程控制。为此通过喷嘴的配置优化炉型的结构和尺寸在炉内形成撞击流来强化混合过程使之形成合理的流场从而达到良好的工艺效果。也就是有效气成分高碳转化率高耐火砖寿命长。有数据表明在相同的原煤和煤浆浓度下同Texaco气化炉相比气化炉工艺指标(比氧耗、比煤耗)略优于德士古气化炉有效气成分高碳转化率高,比氧耗可降低2%-4%。例如新型气化炉比煤耗为kgkm德士古气化炉比煤耗为kgkm新型气化炉比氧耗为mkm德士古气化炉比氧耗为mkm。由此可见这种新型气化炉可以成为Texaco气化炉的替代者。与德士古气化炉相比新型气化炉采用蒸发热水塔来实现热量的回收。蒸发热水塔由蒸发室与热水室组成两者协同完成黑水热量回收使返回系统的热水升温通过蒸发方式回收部分黑水(蒸汽)补充入返回的灰水流使溶解于黑水中的酸性气、不凝性气脱除。与德士古炉采用换热器间接换热相比新型气化炉的灰水温度高(直接接触)热质传递效率高(传热温差大)工作周期长(设备空间相对换热器大得多不会因结垢引起设备效率大幅下降)。五项主要技术:()多喷嘴对置式气化炉通过喷嘴配置、优化炉型结构及尺寸在炉内形成撞击流以强化混合(热质传递)过程同时延长了停留时间从而达到良好的工艺与工程效果:有效气成分高、碳转化率高、耐火砖寿命长。()预膜式水煤浆气化喷嘴预膜式烧嘴采用氧气与水煤浆同时离开喷嘴喷嘴内部没有预混段利用内、外侧高速氧气的扰动实现水煤浆的雾化和与氧气的充分混合。这种形式的优点是:、由于预膜式喷嘴水煤浆膜初始厚度降低更易于雾化所以与预混式喷嘴相比其氧气压力损失大大降低雾化滴径减小约、由于避免了水煤浆与中心氧气的预混大大降低了煤浆通道的出口速度减少了煤浆通道的磨损对延长喷嘴寿命有利。()复合床洗涤冷却室洗涤冷却室采用了喷淋床与鼓泡床的复合床型。这种形式的优点是:、洗涤冷却水的喷淋流动既保护洗涤冷却管免受高温合成气的热辐射又增加了热质传递的有效面积、出洗涤冷却管的粗合成气进入液相主体鼓泡上升通过设置的多层分隔板实现了气泡的破碎增加了热质传递面积有利于解决合成气的带水带灰问题增加了操作的稳定性。()分级式合成气初步净化工艺采用“分级”净化即混合器、分离器、水洗塔的三级净化方案属高效、节能型净化工艺体现为合成气中灰含量低压力损失低。()直接换热式含渣水处理工艺蒸发室产生的蒸汽进入热水室与循环灰水直接接触换热不经提高了热传递效率使灰水得到最大程度的升温而且避免了换热器的结垢堵塞问题。与引进技术的区别()强化气化Texaco引进技术采用单一喷嘴自上而下直喷流场为受限射流停留时间分布较宽碳转化率低射流以较大的速度冲击耐火砖因此耐火砖比较容易损坏。新技术采用撞击流加强混合强化了热量和质量的传递。()分级净化Texaco采用文氏管与筛板塔组合方案进行水煤气的净化新技术采用混合器、旋风分离器、泡罩塔组合方案分级净化。()黑水换热方式Texaco采用间接换热新技术采用直接换热这样有利于解决换热器的结构堵塞问题提高传热效率。

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