楊葛靈 蘭建華 王國棟 章序文

(1.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 2.上?；ぱ芯吭?

外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器在煤直接液化中的應(yīng)用

楊葛靈*1蘭建華2王國棟1章序文1

(1.中國神華煤制油化工有限公司上海研究院 2.上海化工研究院)

對(duì)外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器在煤液化中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，介紹了循環(huán)懸浮床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用形式，分析了物料在反應(yīng)器各部分的狀態(tài)。對(duì)循環(huán)懸浮床反應(yīng)器在煤直接液化應(yīng)用中的問題和前景進(jìn)行了評(píng)述。

煤液化 懸浮床反應(yīng)器 強(qiáng)制循環(huán) 流體力學(xué) 多相反應(yīng)

1 煤液化及其對(duì)反應(yīng)器的要求

我國的化石能源結(jié)構(gòu)富煤少油，開展煤制油技術(shù)是實(shí)施能源發(fā)展和石油替代的重要途徑之一，對(duì)保證國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。煤炭直接液化技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)初的德國，1936～1943年間，德國先后建成11套直接液化裝置，1944年總生產(chǎn)能力達(dá)到400萬t/a，為德國在第二次世界大戰(zhàn)中提供了近三分之二的航空燃料和50%的汽車及裝甲車用油。目前，我國神華集團(tuán)的百萬噸煤直接液化示范項(xiàng)目第一條生產(chǎn)線已經(jīng)建成，且在2008年底打通流程，進(jìn)一步驗(yàn)證了自主研發(fā)的神華煤直接液化工藝的可行性，這必將推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)的合理布局。

煤直接液化工藝過程是將煤磨成粉，再和自身產(chǎn)生的液化重油 （循環(huán)溶劑）配成煤漿，在高溫（450℃）和高壓 （20 MPa～30 MPa）下直接加氫，即將煤轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)品。整個(gè)過程主要由煤漿制備、煤液化反應(yīng)、分離單元三部分組成。生產(chǎn)的工藝流程如圖1所示。

煤直接液化操作條件一般為：

壓力：15～30 MPa

溫度：440～465℃

氣液比(標(biāo)態(tài)V/V)： 700～1 000

停留時(shí)間：1～2 h

氣含率： 0.1%～0.5%

圖1 煤液化工藝流程

圖2 外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

進(jìn)出料方式： 下部進(jìn)料、上部出料

煤直接液化反應(yīng)器是煤液化的核心設(shè)備，是關(guān)系到煤液化工業(yè)化平穩(wěn)運(yùn)行的最重要設(shè)備。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作條件直接關(guān)系到煤液化的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品油的質(zhì)量以及能耗。

目前世界上已經(jīng)經(jīng)過中試或者工業(yè)應(yīng)用的煤液化反應(yīng)器主要有鼓泡床反應(yīng)器、循環(huán)懸浮床反應(yīng)器和環(huán)流反應(yīng)器。鼓泡床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)簡單，液相速度偏低，長期運(yùn)轉(zhuǎn)需要定期排渣，長徑比較大，單個(gè)反應(yīng)器的容積受到限制。循環(huán)懸浮床反應(yīng)器帶有循環(huán)泵，內(nèi)部物料處于全返混狀態(tài)，液相速度高，氣體滯留少，不容易形成大顆粒物沉積，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大。環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流體定向流動(dòng)，環(huán)流速度較快，氣體在其停留時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的路徑較長，反應(yīng)器氣含率較大，特別是新型多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器的效率較高，能耗較小，環(huán)流反應(yīng)器已有應(yīng)用于重油加氫裂解和煤直接液化的報(bào)道。

2 循環(huán)懸浮床反應(yīng)器在煤液化中的應(yīng)用

煤直接液化過程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，主要包括煤的熱解和熱解產(chǎn)物的加氫反應(yīng)，煤的熱解為吸熱反應(yīng)，熱解產(chǎn)物的加氫為放熱反應(yīng)，總的反應(yīng)表現(xiàn)為放熱反應(yīng)。反應(yīng)中如何保持反應(yīng)器各段溫度分布均一，是關(guān)系到反應(yīng)能否持續(xù)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。強(qiáng)制循環(huán)懸浮床反應(yīng)器內(nèi)為全返混流，軸向溫度分布均勻，反應(yīng)溫度控制容易，且其氣體滯留系數(shù)低，反應(yīng)器液相利用率高，反應(yīng)器內(nèi)液速高，礦物質(zhì)沉積少，無需定期排渣。通過對(duì)反應(yīng)器上下物料的密度、反應(yīng)器內(nèi)部的溫度和軸向的溫度分布的檢測(cè)，可以判斷反應(yīng)器的運(yùn)行情況。

神華公司的煤直接液化工藝采用的是外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由上下封頭、筒體、進(jìn)料分布器、分布盤、循環(huán)杯及循環(huán)管、排出管等組成。

煤漿和氫氣混合后，從反應(yīng)器底部進(jìn)料管口進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)過錐形帽分布器變?yōu)樗俣容^快的液流，分布器分割的氣流在流體湍動(dòng)作用下分裂成較小氣泡 （較小氣泡對(duì)分布盤下方的氣液分界面不會(huì)產(chǎn)生大的擾動(dòng)）。物料上升到達(dá)分布盤下方形成一個(gè)氣墊層，物料快速進(jìn)入分布盤上的帽罩分布器進(jìn)行進(jìn)一步的分配。小氣泡在流體的湍動(dòng)作用下進(jìn)一步分裂，流體的壓頭轉(zhuǎn)化為速度頭，使得物料氣泡具有較大的動(dòng)能，高速流體的動(dòng)能傳遞給煤粉顆粒，表現(xiàn)為對(duì)煤粉的提升作用。氣液固混合物在上升過程中通過相界面進(jìn)行傳質(zhì)，氣泡越小，相界面越大，傳質(zhì)速度就越快，提升反應(yīng)區(qū)物料各相為全混流。在整個(gè)提升段，軸向溫度分布均一，濃度、氣液固分布都是比較均勻的，物料的混合和傳質(zhì)情況俱佳，這是反應(yīng)器的主反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)的物料和生成氣高速通過循環(huán)杯和反應(yīng)器內(nèi)徑間隙。上升到反應(yīng)器上部的物料和產(chǎn)物，經(jīng)過脫氣后氣化產(chǎn)物從反應(yīng)器排出口排出，未反應(yīng)的物料等重組分在循環(huán)杯內(nèi)與輕組分分離，從循環(huán)管到達(dá)底部循環(huán)物料出口，再通過管路進(jìn)入循環(huán)泵，經(jīng)加壓后與新反應(yīng)物料混合進(jìn)入反應(yīng)器。

由于對(duì)煤液化反應(yīng)工況的苛刻程度認(rèn)識(shí)不足，在應(yīng)用外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器初期，反應(yīng)器內(nèi)部的設(shè)計(jì)不盡合理，物料不能沖刷到反應(yīng)器頂部，容易在此形成沉積結(jié)焦。此外，反應(yīng)器預(yù)熱爐溫度過高，造成反應(yīng)器內(nèi)溫度過高，反應(yīng)物料易于氣化，液體波動(dòng)導(dǎo)致操作不穩(wěn)定。循環(huán)泵的長時(shí)間抽空，造成反應(yīng)器泄壓后，反應(yīng)器內(nèi)固體物由于液速降低而發(fā)生沉積。不能揮發(fā)的煤漿沉積在反應(yīng)器分布盤上，而循環(huán)泵受揚(yáng)程所限不能推動(dòng)沉積物，造成反應(yīng)物料通過反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)管反流，并造成反應(yīng)器阻塞等。經(jīng)過改造后，經(jīng)過長周期運(yùn)行除局部少量煤漿沉積外，沒有其他沉積，沒有結(jié)焦、阻塞情況發(fā)生。這證明外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器適用于煤直接液化工況。

3 問題和展望

外循環(huán)懸浮床在煤直接液化應(yīng)用的初期存在一些問題，其中最重要的問題就是反應(yīng)器配置的循環(huán)泵抽空、反應(yīng)器內(nèi)結(jié)焦阻塞等。

針對(duì)外循環(huán)懸浮床反應(yīng)器在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，初步改進(jìn)了反應(yīng)器的進(jìn)料分布，以及循環(huán)杯、出料管的結(jié)構(gòu)和位置，使反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)得到一定的改善，減少了結(jié)焦和循環(huán)泵抽空的發(fā)生。循環(huán)懸浮床在煤直接液化中應(yīng)用的可行性得到驗(yàn)證，但仍然存在一些有待于進(jìn)一步完善的地方。

[1]舒歌平,史士東,李克健.煤炭液化技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

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The Application of External Circulation Suspended Bed Reactor in Direct Coal Liquefaction

Yang Geling Lan Jianhua Wang Guodong Zhang Xuwen

The application of circulating suspension bed reactor in direct coal liquefaction are reviewed.The structure and application form of the circulating suspension bed reactor are introduced and the material flow states in all parts of the reactor are analyzed.The problems in application and prospects of circulating suspension bed reactor in direct coal liquefaction are reviewed.

Coal liquefaction;Suspension bed reactor;Mandatory circulating；Hydrodynamic behavior;Multiphase reaction

TQ 051.1+2

*楊葛靈，男，1965年生，高級(jí)工程師。上海市，201108。

2011-03-23)