气化炉技术概览

气化炉,一种将固态燃料转化为气态燃料的设备,广泛应用于能源领域。其工作原理是通过高温反应,使燃料在气化炉内发生裂解和重整,从而产生以一氧化碳和氢气为主要成分的气态燃料。这种技术不仅提高了燃料的利用率,还减少了环境污染,是未来能源发展的重要方向之一。
煤炭气化工艺技术对煤化工产品的成本和效率有着显著的影响。为了推动煤化工的发展,采用高效、节能且环保的煤气化工艺技术显得尤为重要。其中,反应器作为工艺技术的核心,其发展推动了气化工艺的进步。为了进一步提升煤气化的气化率和气化炉的性能,同时改善环境状况,新一代煤气化技术的开发方向包括:提高气化压力,从中低压向中高压(8.5 MPa)发展;提升气化温度,向高温(1500~1600℃)迈进;拓宽气化原料的选择范围,实现多样化;以及优化排渣方式,从固态排渣向液态排渣转变。

接下来,我们将介绍一种传统的气化炉技术——固定床间歇式气化炉(UGI)。这种技术以块状无烟煤或焦炭为原料,使用空气和水蒸气作为气化剂,在常压环境下生产合成原料气或燃料气。该技术起源于30年代,具有投资成本低、操作简单的特点。然而,它也存在一些不足,如气化率较低、原料来源单一、能耗较高等。在间歇制气过程中,会产生大量含有CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰的吹风气,其中部分直接排空,造成资源浪费和环境污染。此外,煤气冷却洗涤塔排出的污水中含有焦油、酚类及氰化物等有害物质,进一步加剧了环境问题。目前,我国仍有900余家中小化肥厂采用此技术生产合成原料气,但随着能源政策和环境要求的日益严格,这种传统技术预计将在不久的将来被新的煤气化技术所替代。

2鲁奇气化炉

30年代,德国鲁奇(Lurgi)公司成功研发出固定床连续块煤气化技术。此技术因原料适应性强、单炉生产能力大而受到国内外广泛关注。其气化炉压力维持在2.5~4.0 MPa,反应温度则在800~900℃范围内。采用固态排渣方式,气化炉已形成MK~1至MK-5的定型系列,其中MK-5型炉尤为出色,内径达4.8米,每小时投煤量75~84吨,粉煤气产量高达10~14万立方米。煤气中不仅包含CO和H2,还含有占比10%~12%的CH4,使其可适用于城市煤气、人工天然气及合成气等多领域。

然而,鲁奇气化炉也存在一些不足。其结构相当复杂,炉内需配备破粘和煤分布器等转动设备,导致制造和维修成本相对较高。此外,入炉煤必须是块煤,对原料来源造成一定限制。更值得一提的是,出炉煤气中含有的焦油和酚等物质,使得污水处理和煤气净化工艺变得复杂且流程冗长。尽管如此,鲁奇公司仍与英国煤气公司携手于1984年推出了液体排渣气化炉(BGL),该技术通过提高气化温度,使灰渣以熔融态排出,显著提升了炭转化率及合成气质量。同时,其煤气化产生的废水处理难度也大大降低,单炉生产能力更是同比提升了3~5倍,无疑是一种极具发展潜力的气化炉技术。

3循环流化床气化炉CFB

鲁奇公司所研发的循环流化床气化炉(CFB)具有广泛的原料适应性,不仅能够气化各种煤种,还能以碎木、树皮及城市可燃垃圾为原料。在气化过程中,水蒸气和氧气作为气化剂被充分利用,实现高效气化。该气化炉的气化强度显著,是移动床的2倍,同时碳转化率高达97%,炉底排灰含碳量仅在2%~3%之间。在循环过程中,新加入的原料被40倍的循环物料所返回,确保了气化的高效性。炉内气流速度维持在(5~7)m/s范围内,传热传质速度极快。气化压力设定为0.15MPa,而气化温度则根据原料特性进行灵活控制,通常循环旋风除尘器的温度控制在(800~1050)℃之间。

鲁奇公司的CFB气化技术已在全球范围内得到广泛应用,已有60多个工厂采用该技术,同时还有30多个工厂正在设计和建设中。该技术以其卓越的性能在世界市场上占据领先地位。CFB气化炉的操作压力基本保持常压,以煤为原料生产合成气时,每公斤煤仅需消耗1.2kg气化剂水蒸气和0.4kg氧气,即可产出(l.9~2.0)m3的煤气。这种煤气的成分中,CO和H2的含量超过75%,而CH4的含量约为2.5%,CO2的含量则控制在15%以下,相较于德士古炉和鲁奇MK型炉,更有利于合成氨的生产。

4德士古(Texaco)气化炉

Texaco气化炉,由美国Texaco公司开发,后成为Chevron公司的一部分,最终被GE公司收购。该气化炉采用水煤浆为原料,加入浓度为60~65%的水煤浆,并使用纯氧作为气化剂,在高温高压环境下进行气化反应。其气化压力维持在3.0~8.5MPa之间,气化温度高达1400℃。此工艺产生的煤气中,CO和H2的含量约占80%,且不含焦油、酚等有机物质,对环境友好。同时,碳转化率达到96~99%,气化强度大,炉子结构简单,能耗低,运转率高,并且煤种适应范围广泛。

目前,Texaco气化炉的最大商业装置位于Tampa电站,属于DOE的CCT-3项目。该装置于1989年立项,1996年7月投入运行,12月即宣布进入验证运行阶段。该单炉日处理煤量达到2000~2400吨,气化压力为2.8MPa,氧纯度为95%,煤浆浓度为68%,冷煤气效率达到76%,净功率为250MW。

Texaco气化炉主要由喷嘴、气化室和激冷室(或废热锅炉)组成。其喷嘴设计为三通道,工艺氧通过一、三通道,而水煤浆则通过二通道,位于两股氧射流之间。然而,水煤浆气化喷嘴常面临喷口磨损的问题,这主要是由于水煤浆在较高线速下对金属材质的冲刷腐蚀所致。因此,喷嘴、气化炉、激冷环等成为Texaco水煤浆气化的关键技术所在。

自80年代末至今,中国已引进多套Texaco水煤浆气化装置用于生产合成气。在引进过程中,我国积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发经验与知识。尽管如此,目前水煤浆加压气化装置仍存在一些问题,如喷嘴寿命短、激冷环寿命仅一年以及褐煤制浆浓度较低等。此外,由于汽化煤浆中的水分要耗去煤的8%,导致比干煤粉为原料的氧耗高出12%~20%,进而影响了效率。

5 Destec(Global E-Gas)气化炉

Destec气化炉已在美国建设了两套商业装置,分别是LGT1(1987年投运,气化炉容量2200吨/天,2.8MPa)和Wabsh Rive(1995年投运,包含两台炉,一备一用,单炉容量2500吨/天,2.8MPa)。这种炉型与K-T炉相似,分为第一段(水平段)和第二段(垂直段)。在第一段中,两个喷嘴以180度对置,利用撞击流强化混合,从而克服了Texaco炉型速度分布钟型(正态)的缺陷。反应温度高达约1400℃。为了提升冷煤气效率,第二阶段采用总煤浆量的10%~20%进行冷激。此处反应温度约为1040℃,且出口煤气进入火管锅炉回收热量。熔渣从气化炉第一段中部流出,经过水冷激固化后,形成渣水浆排出。Global E-Gas气化炉采用了压力螺旋式连续排渣系统。

然而,Destec气化炉也存在一些不足。例如,二次水煤浆在炉内的停留时间较短,导致碳转化率相对较低。此外,该炉型配备了一个大型分离器,用于分离一次煤气中携带的灰渣以及二次煤浆中的灰渣与残炭。需要注意的是,这种炉型更适合生产燃料气,而不适宜于合成气的生产。

6 Shell气化炉

接下来,我们将探讨Shell气化炉的特点与优势。

7 GSP气化炉

GSP气化炉,又被称为“黑水泵气化技术”,是由前东德的德意志燃料研究所(简称DBI)在1956年成功开发的。这项技术目前归属于成立于2002年的未来能源公司(FUTURE ENERGY GmbH),它是Sustec Holding AG的子公司。GSP气化炉是一种采用下喷式加压的气流床液态排渣气化炉,其煤炭加入方式类似于Shell气化炉,而炉子结构则与德士古气化炉相似。该技术在1983年12月在黑水泵联合企业成功建成第一套工业装置,单台气化炉的投煤量达到720吨/天,并在1985年正式投入运行。

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