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化学工艺工程师
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气流床加压气化进料技术的现状及发展趋势? 气流床加压气化技术是煤炭大规模、高效率利用的最佳选择之一。加压气化技术的关键之一是解决粉煤的加压入炉进料技术。已工业化应用的气流床粉煤加压进料技术主要分干法加压进料技术和湿法加压进料技术两种。干法加压进料普遍采用锁斗系统实现煤粉间歇增压和连续加压入炉;湿法加压进料则借助高压煤浆泵对煤浆加压连续入炉,两种进料方法各有优缺点。笔者将对两种加料方式的特点,以及在两种加料方式基础上发展起来的新技术和新工艺作一介绍。 1 干粉加压进料技术 1.1 干粉加压进料技术 干煤粉加压进料技术的基本原理为间歇升压、连续加压进料,其典型代表是 Shell 工艺和 GSP 工艺(工艺过程如图 1 所示)。原料入储斗后,储斗和锁斗间的阀门 1 打开,锁斗和底部进料斗之间的阀门 2 关闭。当锁斗中原料加至一定量后,阀门 1 关闭,将煤锁的压力从常压升至进料斗压力,然后阀门 2 打开,固体物料落入进料斗,原料由吹送气送入气化炉。锁斗料位降到一定值后,关阀门 2 ,对锁斗卸压,然后开始下一次循环。 Shell 和 GSP 两种加料工艺的区别是 Shell 气化炉采用下出料发送罐供料器加上管道密相输送供煤系统;而 GSP 采用上出料发送罐供料和管道密相输送系统供煤,在发送罐的底部有流化板及搅拌器,输煤管从罐顶部引出并通至气化炉顶部的喷嘴。 Shell 干煤粉加压气化技术较为成熟,已成功地运用于 IGCC 发电装置配套的气化炉加料工艺中,且其装置运行平稳,故障率低。 1.2 制约干法加料系统应用范围扩大的因素 以干法加料系统为输送方式的气化工艺具有冷煤气效率高、氧耗、煤耗、水耗低等诸多优点,但由于受压力、输送气等多种因素的影响和制约,这种加料方式还不能在所有气流床气化方法中通用。 1.2.1 压力因素 气化操作压力的选择主要取决于下游工艺对合成气的需求。对于高温纯氧气流床气化装置, 10MPa 的合成气压力完全能够满足绝大数下游工艺对压力的要求。湿法加压气流床气化和固定床加压气化试验装置已完成了气化压力为 10MPa 的试验。干煤粉 气力输送 系统的情况与前两者有所区别,由于 气流输送 系统和 输送机 械性能的问题,该系统最大的试验压力大约为 5MPa 。对合成气压力需求超过 5MPa 的工艺,干粉加压进料很难发挥在特定产能下减小反应器尺寸、降低造价、节省压缩功的优势。且进一步提高压力必然会对输送机械、阀门、仪表等提出更严格的要求。 1.2.2 输送气因素 由空分工段得到的氮气常被用作锁斗系统及下游密相输送到喷嘴的载气,其产品气被用于 IGCC 发电或生产合成氨,但用于生产氢气、甲醇等其他化工产品时,对合成气品质有相当大的不利影响,尤其在高压下更为明显。例如,同温度下操作压力由 3MPa 变为 7MPa 时,输送每 kg 煤需要的氮气将从大约 0.09kg 增加到 0.21kg ,产品煤气中氮气的比例相应地从 2.7 %上升至 5.1 %,大大增加后续合成系统惰气弛放量。用合成气代替氮气密相输送粉煤入炉,能够大大减小氮气对合成气的污染问题;但是,用合成气作输送煤的载气时,由于其含有大量易燃易爆组分,因此也不是理想选择。用 CO2 作输送气,比氮气具有的主要优势是,它不会产生惰性气稀释合成气,比合成气具有的优势是,其无毒并在一定程度上可减少工艺蒸汽的需求量,且在温度压力相等的情况下, CO2 对工艺效率和合成气冷却器负荷的影响与氮气没有明显差别;但适用于工艺需求的 CO2 需要通过增加附加装置制备,高压下, CO2 的液化及在变压条件下, CO2 可能会产生干冰的问题也是困扰输送气不能广泛采用 CO2 的原因。此外,以 CO2 作载气时,合成气的 H2 / CO 、 H2S / CO2 比例减小,当原料中含铁镍且处高压条件时,有利于羰基和甲酸的形成,从而对下游变换、酸气脱除工艺及材料选择造成一些不良影响。 1.2.3 其他因素 高压下转动设备的密封技术和粉煤流量的计量及控制技术较为复杂;密封料斗系统各类阀门的结构及材质要求苛刻。 2 湿法加压进料技术 以水(或油)为连续相、用泵加压的湿法加料形式,无论从原理还是从实践上,都比锁斗加压输煤(干法加料)更有竞争优势。与干粉加压进料相比,湿式进料法升压更高、无需使用惰性载气、操作及控制计量简便、进料连续。缺点是料浆中仅有部分水是气化需要的,其他水则是气化负担。由于多余的水分要被蒸发并且加热到气化温度,氧气消耗比干煤粉消耗要高而冷煤气效率偏低。此外,水煤浆浓度、黏度、粒度分布等特性变化较大,给水煤浆加压输送带来了不稳定因素。 2.1 输送介质的影响 水煤浆的流变特性是影响水煤浆输送的最关键因素。许多研究者对水煤浆流变特性进行了研究,将实验的数据由剪切应力的变化或某些与剪切速率相对的“代表性黏度”的变化曲线来表示,或者用一个经验方程进行曲线拟合的“流变模型”来表示。这些大量的数据为全面理解水煤浆的流变特性提供了基础,但却难于深入,影响了流变特性对输送状况的干扰分析;由于高浓度水煤浆的黏度较高,必须采用低速在层流下进行管道输送,使压力损失较低,通常流速以 0.8m / s 为宜,因而输送管径较大,且因煤浆的侵蚀需要较厚的管壁;此外,水煤浆的稳定性能够影响煤浆在储运与运输过程中煤粒在水中均匀分布特性,稳定性越好,越有利于煤浆的长时间储存与远距离输送。 2.2 设备的影响 湿法加压进料靠泵对料浆加压后经喷嘴喷入气化炉,因此高压料浆泵的性能对加料系统的稳定运行起着至关重要的作用。绝大部分装置都选用柱塞式隔膜泵作为料浆加压输送的工具。普通隔膜高压泵易损部件是活门和隔膜,其平均寿命约为 6000h ~ 8500h 。现代先进软管隔膜活塞高压泵送作用是靠由软管的收缩形成的内部体积的容量的变化形成的,与机械驱动的蠕动软管泵不同,因此它的使用寿命超过传统的隔膜泵。 湿法加压进料系统,入炉料浆管线及料浆返回管线上装有切断阀。输送介质具有高黏度、高浓度、强磨蚀性、易堵塞等特性,因此需要阀门开口断面尺寸与管的内径尺寸一样,密闭不能靠机械加工的金属表面的接触,也不能有滞留固体颗粒的死角和断面的收缩,而且在大多数情况下,应装有冲洗和排水的接头,以便在闸门操作后,冲掉阀体上的固体颗粒。 3 其他加料方法 由于普通干煤粉加压进料和煤浆泵送加压进料工艺均存在一些不足,因此,近年来国内外一些研究机构纷纷开展新的加压进料工艺、技术的开发应用,正在试验的有湿式锁斗加料法、高位料斗加压法、热煤气吹送料浆法、高压粉体泵送法等,现就其中最主要的 2 种方法介绍如下。 3. 1 湿式锁斗加料法 为了弥补煤浆加压中用水作为煤粉载体而存在的能量消耗高的缺陷,一些研究机构正在研究将煤浆预热后送入气化炉的工艺。 预热煤浆有以下优点: ( 1 )水被预热至约 300 ℃,高温下蒸发潜热变小; ( 2 )含煤粒的热水雾化效果好,增加了煤的反应性能,提高了产气率; ( 3 )对气化而言,反应空间相对增加,碳的转化率增加; ( 4 )氧耗、煤耗降低,冷煤气效率增加; ( 5 )水温升高将导致用较少的水即可保持良好的成浆性; ( 6 )温度升高,在剪切速率不变的情况下,剪切应力和浆体黏度均有明显下降,减轻了输送过程中的阻力及对管线的磨蚀。 湿式锁斗加料法工艺原理示意图如图 2 所示。打开顶部阀门 1 ,关闭底部阀门 2 ,煤浆加入到锁斗;关闭顶部阀门 1 ,锁斗靠打开阀门 3 由高压气体源加压,压力稳定后,底部阀门 2 打开,煤浆流出锁斗并流进高压系统,锁斗料位低至一定程度后,关闭底部阀门 2 ,打开底部阀门 4 ,高压水进入锁斗,将锁斗中的气体压回高压气体空间。关闭所有阀门,顶部放空阀门 5 打开,使锁斗卸压,水通过锁斗底部的阀门 6 ,从锁斗中排出,之后一个循环结束,开始下一个循环。 该工艺锁斗系统和柱塞泵系统都有非常丰富的使用经验。另外,到达喷嘴以前黏稠的煤浆,由于水的高温膨胀会变得更稀一些,进一步提高了泵送的可靠性和稳定性。用该加料工艺,理论上煤浆可以被加压至 20MPa ,在此压力下,水以液体状存在,可被加热至接近其临界温度 350 ℃,而且煤也可被加热至超过 300 ℃,高温下煤粒变得有黏性,而且在流化态下更具扰流性。 该工艺目前正在试验中,需要解决的问题是:如果水煤浆温度过高,超过 140 ℃,常规普通水煤浆添加剂性质将发生改变,水煤浆将呈凝胶体,其结果大大丧失了其原有的流动性,因此高温型添加剂的研究是该工艺是否可行的重点;输送料浆的管线、阀门、泵、喷嘴等设备的材质在 300 ℃下的适应性也需进一步试验论证。 3.2 高位料斗加压法 高位料斗加压法是借助所谓的动力斗系统,使粉煤由高料斗顶部进入并沿斗落入加压容器(见图 3 )。 容器中的压力应当稍小于或等于料斗中煤柱的高度重力。另外,粉煤的下降速度应高于或等于加压容器中气体向煤柱顶部煤粒间压力较低的空间移动的速度,若速度过小,气体可能膨胀,同时煤柱可能被吹至料斗之外。相关公式如下: △ P <ρ h ( 1 ) Vcoal ≥ V =△ P ε 2 /( 5h η S2 ) ( 2 ) 式中,△ P 是两者压差,ρ是煤的容积密度, h 是料斗的高度, V 是空隙中气体的平均速度,η是气体的动力黏度, S 是煤粒的表面积,ε是煤/气间的空隙率。 取煤的密度为 1000kg / m3 ;克服 1 个大气压差煤斗所需的最小的高度是 10.33m ,取 h = 10.33m ;η值为 1.5 × 10 - 6kg / s · m ; S 取 40000m2 / m3 ;ε取 0.4 ,可以推导出 Vcoal = 0.13m / s 。这就意味着 2000t / d 投煤量装置即 2000000/ [( 24 × 3600 )× 1000 ]= 0.023m3 / s 煤到气化炉,煤斗需要有 0.023 / 0.13 = 0.18m2 的内截面积,即近 500mm 的内径。 计算结果表明,这样的煤斗很细,能够方便地安装于装置附近或与高的结构组合成一体。煤既可以气力也可以机械方式输送到料斗顶部。由于料斗在接近初始流化点的条件下操作,不容易发生料斗中原料的挂壁架空现象。另外,可通过对料斗内部进行环形设计使其中心部分旋转较慢,从而避免架桥或堵塞。 使用高料斗的一个缺点是单段操作能够得到的最大压力为 2MPa ,而且需要高度近 200m 的料斗。鉴于此,能够取得更高压力的多极装置被提出,用总高为 200m 的两段装置可以取得 4MPa 的压力,这个压力对于大多数气化装置来说已经足够。 高位料斗加压法工艺简单,但是对料斗长度要求较高。 4 结 语 干煤粉加压进料技术和湿式煤浆泵加压进料技术在当今气流床气化技术中得到了广泛应用。但是在应用过程中,干煤粉加压进料技术存在输送压力不高、输送载气降低粗煤气有效成分并增加后系统放空量、输送系统密封和计量技术复杂等问题;湿式煤浆泵加压进料因其输送介质含水过多,使煤耗氧耗较高而有效气含量和冷煤气效率相对较低。针对老工艺在实践中反映出的问题和缺陷,以煤浆预热加料法和无惰性输送气加料法等为代表的新型工艺正在逐步发展和成熟,在弥补老工艺暴露问题的同时,自身也有待进一步优化和改进。对于湿法进料而言,今后应将研究开发重点集中在解决高温煤浆添加剂、高温煤浆管材优化选择等方面,以改善入炉物料的特性,提高气化指标。对于干法进料,则应加强研究输送系统密封和物料计量装置、减少惰性载气用量或替代载气,同时还应研究高位料斗加压法的使用场合,研究干煤粉泵加压输送的工艺及设备。 查看更多 6个回答 . 3人已关注
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简介
职业:恒河材料科技股份有限公司 - 化学工艺工程师
学校:泰山学院 - 材料与化学工程系
地区:湖北省
个人简介:想告别这无聊的日子,又讨厌无用的自己。查看更多
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