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        氣流床氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

        2013-08-14 02:26:14褚曉亮付玉玲張玉斌苗雨旺
        化工技術(shù)與開發(fā) 2013年12期
        關(guān)鍵詞:爐襯水煤漿水冷壁

        褚曉亮, 苗 陽,付玉玲,張玉斌,苗雨旺

        (1.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司,山東 煙臺 264006;2.陽煤集團淄博齊魯?shù)谝换视邢薰?,山東 淄博 255400)

        20 世紀70年代全球出現(xiàn)石油危機后,人們對煤炭的研究逐漸加速,以求找到可代替石油的燃料。煤氣化是將煤炭轉(zhuǎn)化為煤氣的技術(shù),是潔凈、高效利用煤炭的先進技術(shù)和煤炭的主要利用途徑之一,也是許多高新技術(shù)如制藥、化工等等的核心和重要環(huán)節(jié)。

        1 氣流床概述

        氣流床氣化是目前煤氣化技術(shù)的主流,代表著今后煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向,具有很大的應(yīng)用前景。氣流床的整體特點如下:

        (1)氣、固停留時間在1s 以內(nèi),氣化溫度高,煤粉粒徑小,所以反應(yīng)速度快,氣化能力大;操作溫度較高,氧耗量較高;大量煤轉(zhuǎn)化為熱能,而不是化學(xué)能,其冷煤氣效率低;除塵系統(tǒng)龐大,廢熱回收系統(tǒng)昂貴,備煤系統(tǒng)復(fù)雜,耗電量大,對爐襯的耐火材料要求高;

        (2)煤粉顆粒直徑小(小于0.1mm),爐內(nèi)的氣、固停留時間在1s 左右,高于固定床和流化床,具有較高的氣化速度;

        (3)高氣化溫度 (1400~1600℃)和高氧耗,保證了較高的碳轉(zhuǎn)化率;

        (4)除塵系統(tǒng)龐大,廢熱回收系統(tǒng)昂貴,備煤系統(tǒng)復(fù)雜,耗電量大,對爐襯的耐火材料要求高。

        2 氣流床的爐型

        氣流床按照進料方式可分為濕法進料(水煤漿)氣流床和干法進料(煤粉)氣流床[2]。本文將對其

        中比較重點的工藝進行介紹。

        2.1 濕法進料(水煤漿)氣流床

        能充分利用廠區(qū)周圍的污水源制作水煤漿,解決污水處理問題;氣化爐運行費用低,不像干法那樣,需要花費熱量干燥濕煤。濕煤氣中的水蒸汽含量較多,熱煤氣效率的提高要靠較復(fù)雜的顯熱回收設(shè)備。

        2.1.1 德士古水煤漿氣化爐(Texaco、GE)

        該工藝采用除含水分高的褐煤以外的大部分煙煤、石油焦等煤種作氣化原料,以60%~65%濃度的水煤漿為進料方式,用液態(tài)排渣進行加壓氣化,采用純氧作氣化劑,在高溫、高壓下反應(yīng)生成合成氣。

        德士古水煤漿氣化爐的技術(shù)特點如下:(1)能充分利用廠區(qū)周圍的一切污水源來制作水煤漿,有利于解決污水的處理問題;(2)氣化爐運行費用較低,不像干法供煤那樣,需要花費能量去干燥濕煤;(3)碳的轉(zhuǎn)化率不是很高,一般只有96%~98%,影響氣化效率的提高;(4)濕煤氣中的水蒸汽含量較多,熱煤氣效率的提高要靠較復(fù)雜的顯熱回收設(shè)備;(5)氣化所需的氧耗較多,大約是1kg O2/kg 干煤;(6)爐膛耐火磚的壽命短、價格高、更換時間長,水煤漿泵和噴嘴易磨損,更換頻次高,影響氣化爐運行周期。

        利用水煤漿便于高壓泵送的特點,可以制備壓力很高的粗煤氣,便于氣化產(chǎn)品的后續(xù)成產(chǎn)過程的銜接,因而Texaco 氣化爐對于化工廠更具有吸引力。

        2.1.2 多噴嘴(對置式)水煤漿加壓氣化爐

        該工藝是由華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所、兗礦煤業(yè)集閉和天辰化學(xué)工程公司等3 家合作開發(fā)的[2]。2005年,以CO2作為輸送介質(zhì)的多噴嘴水煤漿加壓氣流床技術(shù)在中試裝置上成功運行。2007進行了更多的新煤種的試驗工作,得到了更多有用的數(shù)據(jù)和相關(guān)的經(jīng)驗,為放大設(shè)計提供了更好的基礎(chǔ)條件。目前正建設(shè)千噸規(guī)模的工業(yè)化氣化爐。

        氧氣和煤混合更加充分,有利于強化傳熱和傳質(zhì)過程,物料在氣化爐內(nèi)停留時間比其他同類技術(shù)多2~3s,提高了碳的轉(zhuǎn)化率和單位氣化爐燃燒室容積的生產(chǎn)能力。該爐型的運行參數(shù)和德士古爐基本相同,但是單位有效氣體耗氧量更低,廢水處理也更加簡單,但是運行經(jīng)驗不多,工藝的優(yōu)缺點仍需要進一步確定。

        2.2 干法進料粉煤氣化爐

        干煤粉氣流床以干燥后的煤粉作為氣化原料,氣化溫度和氣化壓力高,氣化負荷大,煤種適應(yīng)性相對范圍廣,是目前煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流。主要爐型有K-T 氣化爐、殼牌爐(shell、SCGP、加壓K-T)、GSP 爐等等。

        懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸,可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池,而不允許在未敷設(shè)爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。結(jié)渣現(xiàn)象干擾和破壞了氣化溫度的控制,影響氣化工藝過程。同時,懸浮氣化工藝本身因涉及渣滴固化點設(shè)計要求,提高氣化強度受到限制,除渣率也較低,很難達到較高的水平,增加了粗煤氣氣化凈化除塵設(shè)備的負荷。

        2.2.1 K-T 氣化爐

        在該爐型的工作過程中,粉碎的燃料均勻地與氣化介質(zhì)氧和蒸汽混合,一起被送入氣化爐,氣化在不到1s 的時間內(nèi)進行。該過程可分為4個步驟:粉煤和氣態(tài)氣化介質(zhì)的預(yù)熱、粉煤熱解、固體和氣態(tài)熱解產(chǎn)物點燃和氣化。這幾個階段并非接連發(fā)生,在很大程度上是平行進行的。因為氣化過程是連續(xù)的,煤、氧混合物不停地送入氣化爐,在2000℃的高溫下迅速反應(yīng),形成二氧化碳、一氧化碳、蒸汽和氫氣。在如此高溫下,不會產(chǎn)出甲烷。進料炭、氣化介質(zhì)和產(chǎn)生的煤氣朝同一個方向流經(jīng)氣化爐,由于溫度高和并流氣化,因此不產(chǎn)生蒸餾產(chǎn)物。氧耗高,常壓操作存在問題較多。

        2.2.2 殼牌爐(shell、SCGP、加壓K-T)

        該爐型的工藝過程為粉煤、氧氣及少量水蒸汽在加壓條件下,并流進入氣化爐內(nèi),在極為短暫的時間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程,氣化產(chǎn)物是以H2和CO 為主的合成氣,CO2含量很少。此爐采用加壓氣化,可氣化多種煤質(zhì),設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,氣化溫度高,碳的轉(zhuǎn)化率高達98%以上,氣化產(chǎn)物中的可燃成分含量高而且無煤焦油等產(chǎn)物。氣化的生產(chǎn)能力大,目前可達3000t·d-1。液態(tài)排渣,灰渣為玻璃狀固體,沒有污染,易堆放。

        2.2.3 GSP 爐

        該爐屬高壓氣化爐,煤以粉煤的形式,干粉進料,氣化劑為純氧,氣化段多為爐體下部,液態(tài)排渣,爐體為膜式水冷壁結(jié)構(gòu),部分高度膜式水冷壁敷有絕熱爐襯。

        GSP 煤氣化技術(shù)具有其獨特的特點:(1)采用水冷壁結(jié)構(gòu),避免了因高溫、熔渣腐蝕及開停車產(chǎn)生應(yīng)力對耐火材料的破壞而導(dǎo)致氣化爐無法長周期運行;(2)爐內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動設(shè)備,所以運轉(zhuǎn)周期長,可靠性高;(3)噴嘴火焰溫度約1800~2200℃,平均停留時間約10s,反應(yīng)速率高,生產(chǎn)能力大;(4)單噴嘴,煤粉從爐頂部噴入,煤、氧均勻混合、燃燒、氣化,碳轉(zhuǎn)化率達99%;(5)激冷流程,工藝技術(shù)簡單,設(shè)備及運行費用較低。

        GSP 氣化技術(shù)由于其氣化爐結(jié)構(gòu)簡單,使得項目一次投資較較小。一臺套2000t·d-1投煤量的氣化裝置不足4 億元人民幣,采用該氣化技術(shù)是一種比較經(jīng)濟、現(xiàn)實的考慮。工藝技術(shù)綜合了現(xiàn)有干法和濕法加壓氣流床氣化技術(shù)的共同優(yōu)點;原料煤適應(yīng)范圍寬;水冷壁采用“以渣抗渣”的結(jié)構(gòu),不需要耐火磚絕熱層,而且爐內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動設(shè)備,運轉(zhuǎn)周期長,可靠性高。

        3 氣流床爐型對比

        表1 從氣化溫度、氣化壓力、氣化爐特點、設(shè)備國產(chǎn)化程度等等方面比較了上述3 種不同的固定床氣化工藝。

        4 結(jié)論

        上述的各種干粉氣化爐,其氣化過程主要在氣室的空間內(nèi)進行,煤粉懸浮在氣化劑中,可以稱之為

        “懸浮氣化”。為了提高氣化爐的氣化強度和碳的轉(zhuǎn)化率,懸浮氣化都選取高溫高壓的氣化參數(shù),氣化溫度多在1200~1500℃,此時煤中的灰分已處在熔融狀態(tài)(即液態(tài)渣)。懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸,可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池。不允許在未敷設(shè)爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象,結(jié)渣現(xiàn)象會干擾和破壞氣化溫度的控制,影響氣化工藝過程。

        表1 不同氣流床氣化工藝對比Table 3.1 Different flow bed gasification processes

        另外,懸浮氣化時從氣化反應(yīng)動力學(xué)的角度看,其氣化反應(yīng)速度在高溫區(qū)主要是由外擴散過程控制。而粉煤與氣化劑之間的相對速度在懸浮狀態(tài)下極低,因此反應(yīng)速度的制約,必然限制了氣化爐整體的氣化強度。

        氣流床氣化技術(shù)在我國屬于新型氣化工藝,正處于起步階段,距離廣泛普及還有很長的一段路。針對氣化爐的具體實際應(yīng)用,氣化爐向著高溫、高壓、高生產(chǎn)能力的方向發(fā)展。在應(yīng)用方面,氣化爐工藝將根據(jù)其產(chǎn)氣的實際應(yīng)用情況而發(fā)展為具體的類型,其具體發(fā)展有待觀察。

        李志堅[3]在《新形勢化學(xué)工業(yè)潛力分析會》中指出,目前國內(nèi)大約有30 臺在運,約15 臺在建,主要用于生產(chǎn)合成氨、甲醇和制氫。最大規(guī)模達到單爐2000 t·d-1投煤量,已有3~5年的工業(yè)化示范工作[4]。

        [1]J.S.Gary,C.M.Russell,Gasification technologies:the Path to clean,affordable energy in the 21 century [J].Fuel Processing Technology.2011(1):79-97.

        [2]李偉鋒.多噴嘴對置式煤氣化技術(shù)[J].氮肥技術(shù),2008(6):1-5.

        [3]李志堅.煤氣化及化肥行業(yè)工藝技術(shù)發(fā)展動態(tài)[J].化學(xué)工業(yè),2009(7):1-5.

        [4]王中剛,韓喜民.水煤漿水冷壁氣化爐項目總結(jié)[J].化肥工業(yè),2012(1):57-60.

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