姚根有, 潘登峰, 袁秋華, 鄧 靖

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司化工研究院，山西 太原 030006)

在我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量中，高灰、高硫、高灰熔點(diǎn)(“三高”)的劣質(zhì)煤所占比例較高，“三高”劣質(zhì)煤由于煤質(zhì)原因，開發(fā)和利用受限[1-2]。尋求先進(jìn)高效的煤利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“三高”劣質(zhì)煤清潔高效轉(zhuǎn)化既可以提高我國(guó)煤炭資源的利用效率，又可以提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤的清潔、高效利用的主要途徑之一，主要有固定床[3-4]、流化床[5-6]和氣流床[7-8]三種氣化方式。其中，氣流床氣化具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、碳轉(zhuǎn)化率高、氣化效率高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“三高”劣質(zhì)煤氣化的首選方式。但“三高”煤由于煤質(zhì)特點(diǎn)，成漿性差、制漿成本高，不適用于水煤漿進(jìn)料氣化技術(shù)，只能采用干煤粉進(jìn)料氣化技術(shù)?！叭摺泵夯胰埸c(diǎn)高于1 500 ℃，為實(shí)現(xiàn)氣化爐順利排渣，氣化爐操作溫度需高于煤灰灰熔點(diǎn)約50 ℃～100 ℃[9]，而目前氣流床氣化溫度約為1 500 ℃，無法滿足“三高”煤的直接氣化需求。

美國(guó)氣體技術(shù)研究院(Gas Tecchnology Institute，簡(jiǎn)稱GTI)和陽(yáng)煤集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)的R-GAS煤氣化技術(shù)，氣化中心溫度可達(dá)2 500 ℃以上，氣化溫度最高可達(dá)1 800 ℃，可完全直接氣化我國(guó)的“三高”劣質(zhì)煤[10-11]。氣化爐使用GTI專有的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)緊湊、長(zhǎng)壽命、高效的特點(diǎn)，提高了氣化爐的性能和可用性，同時(shí)降低了企業(yè)成本。

1 R-GAS工藝流程

R-GAS粉煤加壓氣流床氣化中試裝置工藝流程如圖1所示。裝置進(jìn)煤量約為500 kg/h，氣化爐操作壓力為4.0 MPa。R-GAS氣化爐采用特殊的分流器對(duì)煤粉和氧氣進(jìn)行均勻分配，保證氣化爐內(nèi)的流場(chǎng)為平推流，有效提高氣化爐的氣化效率。氣化爐采用與Shell、GSP等氣化爐一樣的水冷壁結(jié)構(gòu)。氣化燒嘴借鑒火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上快速混合噴嘴，火焰溫度高，可在極短時(shí)間內(nèi)將煤完全氣化，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)99%以上。

圖1 R-GAS氣化中試裝置流程示意圖

經(jīng)破碎干燥的煤粉儲(chǔ)存在常壓煤倉(cāng)內(nèi)，通過干式固體泵或鎖斗系統(tǒng)加壓后通過氣化燒嘴進(jìn)入氣化爐。氣化劑氧氣和水蒸氣也通過氣化燒嘴進(jìn)入氣化爐，與煤粉反應(yīng)進(jìn)行氣化。高溫合成氣經(jīng)激冷后夾帶著粗渣、細(xì)粉進(jìn)入氣化爐氣化室下部，大顆粒爐渣落入下部的水浴，含有細(xì)粉的粗合成氣經(jīng)陶瓷過濾器、文丘里洗滌器和洗滌塔除塵、凈化后送入火炬進(jìn)行燃燒。粗渣在水浴中冷卻后，經(jīng)過碎渣機(jī)進(jìn)入到灰渣收集槽，然后經(jīng)過灰渣鎖斗排入沉渣池。

試驗(yàn)用煤為新景煤，煤的工業(yè)分析和元素分析如表1所示，煤粒徑分布如圖2所示，平均粒徑為0.08 mm，新景煤灰成分分析如表2所示，根據(jù)B-T公式計(jì)算，灰熔點(diǎn)約為1 518 ℃。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析

圖2 新景煤粒度分布

表2 新景煤灰成分分析(w) %

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為進(jìn)煤量、氧氣量和水蒸氣量分別為483 kg/h、445 kg/h和91 kg/h條件下的氣體組成。由圖3可以看出，在試驗(yàn)過程中，氣體組成基本達(dá)到平衡。氣化后水冷壁及氣化爐排出灰渣如圖4所示，由圖4可知，水冷壁可以實(shí)現(xiàn)均勻掛渣，氣化爐可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 氣體組成

表3和表4所示為氧煤比對(duì)氣化過程碳轉(zhuǎn)化率和氣體組成的影響。由表3可以看出，當(dāng)水煤比保持不變時(shí)，碳轉(zhuǎn)化率隨氧煤比增加逐漸增加。氧煤比的增加，有利于燃燒反應(yīng)進(jìn)行，氣化溫度升高，碳轉(zhuǎn)化率相應(yīng)提高。氣化過程中，CO和H2是合成氣中的主要成分，這兩種氣體在合成氣中的含量是評(píng)價(jià)氣化爐性能的重要指標(biāo)之一。由表4可知，有效氣體(CO+H2)含量可以達(dá)到75.90%～80.00%，隨氧煤比由0.92 kg/kg增加至0.98 kg/kg，CO含量由52.80%增加至53.20%，而當(dāng)氧煤比繼續(xù)增加時(shí)，CO含量降低。當(dāng)氧煤比低于0.98 kg/kg時(shí)，隨氧煤比增加，有利于燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)進(jìn)行，CO含量增加，當(dāng)氧煤比繼續(xù)增加時(shí)，煤氣中部分CO會(huì)與O2反應(yīng)生成CO2，導(dǎo)致CO含量降低。CO2含量隨氧煤比增加逐漸升高，而H2含量則逐漸降低，這是由于，氧煤比增加，有利于燃燒反應(yīng)，反應(yīng)生成CO2量增加，并且，氧煤比增加還會(huì)造成部分H2發(fā)生燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致H2含量降低。氣化過程中，合成氣中CO2含量較高，約為20.00%～24.10%。由于中試裝置熱損失較大，為保證氣化爐溫度滿足試驗(yàn)要求，需要額外增加氧氣來補(bǔ)充熱損失，因此導(dǎo)致合成氣中CO2含量較高。

圖4 氣化爐水冷壁掛渣示意圖

coal/kg·h-1O2/coal(kg/kg)H2O/coal(kg/kg)carbon conversion/%carbon balance/%14830.920.1983.83107.0024850.980.1989.66106.2034621.100.1995.44102.40

表4 氧煤比對(duì)合成氣氣體組成影響

2.2 工業(yè)示范裝置模擬

基于中試試驗(yàn)結(jié)果，利用氣化爐一維(1-D)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)800 t/d和3 000 t/d的氣化爐進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。氣化爐一維(1-D)動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)與煤氣化和熱傳遞直接相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于預(yù)測(cè)氣化爐的性能。該模型假設(shè)整個(gè)氣化爐反應(yīng)器中軸向完全混合，且每個(gè)瞬時(shí)步驟達(dá)到氣相平衡，通過碳與氧、二氧化碳和水的非均相反應(yīng)，獲得反應(yīng)物濃度、溫度與反應(yīng)速率的相關(guān)性。通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)性地確定混合參數(shù)，混合參數(shù)用于闡述噴嘴區(qū)域中煤/氣體的不完全混合情況。1-D模型內(nèi)的熱傳遞模型用于預(yù)測(cè)顆粒輻射和對(duì)流熱傳遞過程。假定每個(gè)軸向步驟中所有氣體物質(zhì)處于平衡，使用JANNAF數(shù)據(jù)庫(kù)的單個(gè)物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)來建立化學(xué)平衡。通過中試裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱傳遞參數(shù)，然后進(jìn)行預(yù)測(cè)，按比例放大得到與中試裝置同樣操作范圍的示范裝置。表5和表6為通過氣化爐一維(1-D)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的結(jié)果。由表5可知，在處理量為800 t/d和3 000 t/d條件下，冷煤氣效率分別可以達(dá)到79.50%和80.50%。由表6中的氣體組成可以看出，與中試結(jié)果相比，工業(yè)示范裝置得到的合成氣中有效氣體(CO+H2)含量明顯增加，分別可以達(dá)到87.48%和87.97%。

表5 工業(yè)示范裝置預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 工業(yè)示范裝置氣體組成(預(yù)測(cè)值) %

3 結(jié)論

R-GAS氣化爐適合于高灰分、高灰熔點(diǎn)煤的氣化，氣化爐可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。氣化過程中，有效氣體(CO+H2)含量可以達(dá)到72.90%～80.00%。氣化過程中，由于氣化爐熱損失較大，需要額外增加氧氣來補(bǔ)充熱損失，因此導(dǎo)致合成氣中CO2含量較高。利用氣化爐一維(1-D)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)800 t/d和3 000 t/d的氣化爐進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，冷煤氣效率分別可以達(dá)到79.50%和80.50%。與中試結(jié)果相比，工業(yè)示范裝置得到的合成氣中有效氣體(CO+H2)含量明顯增加，分別為87.48%和87.97%。