煤化工装备如何“利其器”

郭文达

近十年来,随着一批示范工程建成投产,具有自主知识产权技术的煤化工技术装备开始从实验室进入项目工程,中国煤化工装备开始走在世界前列。目前,各煤化工项目的重点主要集中在产品经济规模、核心工艺技术、气化效率、综合能耗、“三废”排放等方面,每一个环节都决定着煤化工装置能否安稳长满优运行。而能否实现安稳长满优运行,在今年更已形成了煤化工业绩的分水岭。工欲善其事,必先利其器。煤化工装备应从哪些方向适应当前及未来产业发展需求呢?中国化工报记者上周进行了采访。

预处理设备注重优化

预处理是开车的初始环节,设备的工况将影响整套装置的运行,所以必须注重优化设计,注意解决各类小问题。

在谈到预干燥器的设计时,航天长征化学工程股份有限公司总经理姜从斌表示,要重点注意四个方面。一是安全性设计。开车期间,要保证系统氧含量低于13%的情况下投煤,同时工艺系统设计还要求若氮气加入系统进行停车时,要保证系统原料可全部泄出,尤其是设备或管道的死角处。二是在预干燥缓冲仓设计中要考虑煤粉堆积密度差异带来的生产线设计能力匹配问题。如褐煤煤粉的堆积密度是450kg/m3,实际测量的粉煤的堆积密度为380kg/m3。三是滚筒的盘根,出口疏水、粉煤发送系统的能力设计要留有余量。四是气力输送管道上要设计氮气助推系统,主要是在弯头位置采用补充氮气的方法,防止管道堵塞,此处要采用耐磨设计。

国电南瑞富通公司副总经理兼总工程师、GF国富炉开发项目负责人苗文华介绍说,富通经过全面分析,采用了适用于GF国富炉的原煤投料方法——重力作用投料法。原煤经皮带机进入炉顶煤仓,在重力作用下首先进入干燥段,在干燥段原煤与来自冷却段换热后的烟气进行换热,换热后煤的温度升高到170℃,经引风机一部分进入国富炉冷却段,剩余部分经布袋除尘器除尘后排空。

清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜教授则表示,华能炉采用两段投煤处理法,并对二段投煤处理环节进行了优化,不但解决了废锅积灰的问题,改变飞灰特性,废锅入口温度可提高至820℃,且不发生积灰问题,还比同类技术高出100℃左右,提高了操作灵活性和可靠性。

气化装备各显神通

气化装置中,各种炉型可谓各擅胜场,这也是我国煤化工产业的“底气”所在。对煤种适应性广是航天炉的显著特点,该炉在中化长山项目中应用褐煤成功,碳转化率达到99.2%以上,有效气(CO+H2)高达8790%,运行稳定,填补了航天炉在劣质煤领域的应用空白。

姜从斌告诉记者,鉴于褐煤的一些特性,在气化装置设计中要考虑一系列问题。褐煤具有高挥发性、高流动性,预处理完毕后,要降低褐煤与空气接触的机会,采用螺旋输送机将煤送至磨煤机系统,实现高流动褐煤的稳定连续输送;针对褐煤堆积密度低的特点,对煤加压系统进行特别设计,调节循环时间,满足稳定下料的要求;气化烧嘴调整后,实际运行最大有效气产量可达74000Nm3/h

华能炉干煤粉加压气化技术利用化学激冷原理,在二段投入水蒸汽和煤粉,利用一段高温煤气显热发生煤的裂解和气化反应,从而降低合成气温度。通过分级气化、化学激冷处理过程,可使激冷气循环量降低50%70%,最大限度降低气化岛耗功、减小煤气冷却器和除尘器的设计尺寸。张建胜表示,应用煤气化辐射换热技术,研发人员建立了高温高压、强还原气氛下COH2的辐射及对流传热系数的基础数据,提出了二段气化喷入煤粉以提高煤气辐射传热系数的方法,进一步提高蒸汽产量和品质,气化热效率高达97%

苗文华介绍了GF国富炉气化工艺过程:干燥后的煤在重力作用下进入干馏段,在干馏段与来自加热炉的高温煤气进行换热,煤的温度升高到550℃,在此温度下发生热解反应,热解产生的荒煤气(冷煤气、焦油气、热解水)经高效旋风除尘器除尘后进入煤气净化与焦油回收系统。原煤热解后生成高温半焦,高温半焦在重力作用下进入冷却段,在冷却段与来自干燥段的烟气进行直接换热,烟气温度升高到350℃左右,经旋风除尘器除尘后进入干燥段;换热后半焦温度低于100℃,经推焦机推出至埋刮板机,再经输焦皮带进入储焦仓。以榆林长焰煤为例,100万吨/年的低阶煤分质综合利用项目,工程投资约3.5亿元,年产半焦65万吨,焦油8.8万吨,煤气1.1亿Nm3

德国泽玛克清洁能源技术有限公司负责人高俊表示,泽玛克熔渣气化技术选择块粉一体气化炉,将块煤从气化炉顶部送入,而将粉煤或水煤浆通过不同类型的喷嘴喷入气化炉的燃烧区,当煤种的气化油含量高时,通过工艺调整,又可提高焦油产率。

满足分质利用需求

众所周知,我国煤炭资源以低阶煤为主,优质煤炭资源并不多。“煤炭分质分级阶梯利用是实现煤炭资源高效、合理、清洁利用的有效途径之一。”新奥能源研究院副院长汪国庆博士说,分质利用从煤炭化学结构出发,充分利用煤炭自身含有的芳香族、脂肪族等官能团结构,获得高附加值油品,提高工艺技术指标。相继出台的煤炭清洁高效利用行动计划和能源技术革命创新行动计划均明确提出了加强煤炭分质转化技术创新。煤化工装备,也必须适应这一需求。

苗文华表示,应用GF低阶煤分质综合利用技术及装备,可将褐煤、长焰煤等低阶煤及油页岩等原料进行中、低温干馏制取焦油、半焦、煤气等产品。该装置适用于煤矿企业就地转化,以及煤化工企业产业升级。

据了解,锡林浩特国能能源公司2×50万吨/年褐煤提质工程,采用国富公司自行研发的褐煤提质技术,分别于20099月和20113月建成两条生产线,并顺利投产运行。陕北乾元化工公司50万吨/年长焰煤热解工程,使用原料0~30mm长焰煤,目前主体设备GF国富炉已经安装完成。

“目前国内外已经用于大规模生产实践的主流炉型仍停留在较传统的技术上,其他技术多停留在实验室或中试阶段。与传统技术相比,GF低阶煤分质综合利用技术具有工艺可靠、投资省、运行成本低、占地面积小等优势。”苗文华说。

姜从斌认为,结合粉煤气化技术工艺流程特点,航天长征成立专项组开展了煤粉分质利用技术的研发,持续研究煤质对气化影响机理,通过工艺流程优化及关键设备研发,保证了高的碳转化率(对于普通烟煤大于99%),粗细渣比例大于7:3,合成气出口固体颗粒含量小于1mg/L,灰水排放量小于40/10Nm3CO+H2)

“煤种适应性好是华能炉两段式干煤粉加压气化炉的传统。”张建胜表示,该装置对煤种的活性要求不高,能应用较宽范围的煤种、焦炭等原料,在做好原料管理的前提下,几乎可以气化所有煤种,对灰含量要求低,含灰量530%均可气化。

据悉,华能炉采用水平多喷嘴进料方式,反应介质停留时间长,充分混合,碳转化率高,可达99%,气化炉捕渣率高,多喷嘴结构有利于单炉容量的放大设计,气化炉冷煤气气化效率高,可达80~84%,同时耗氧量低。多喷嘴的结构设计可对合成气显热全热回收,蒸汽产量高、气化热效率高,同时可副产中压过热蒸汽或饱和蒸汽,此过程采用强化换热技术,采用的废锅可提高回收换热效率,蒸汽产量比同类技术提高了1520%

 

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