清洁能源水煤浆技术论文(2)
清洁能源水煤浆技术论文篇二
水煤浆气化与粉煤气化的模拟评价
摘要：随着社会经济的快速发展，油价也在不断上涨，煤炭经过气化产生有效合成气(CO+H2)，有效合成气经过变换、净化、合成反应生产特种石化产品，因此就为洁净煤化工开辟了新的前景。本文就用模拟法对水煤浆气化和粉煤气化进行评价，促进其快速发展。
关键词：水煤浆气化;粉煤气化;模拟评价
中图分类号：TQ534文献标识码： A
一、粉煤气化技术
1.简介粉煤气化原理
原料煤以粉状入炉，粉煤和气化剂经由烧嘴进入气化炉，在气化炉1400～1700℃温度下进行燃烧和气化反应，在此高温下参加反应的各种物质的化学活性充分显示出来，因而碳转化率特高，有效气(CO+H2)产率特高，合成气气中甲烷含量特低。
2.粉煤气化共性特点
2.1气化强度大。由于气流床气固两相的接触好，增强了热传导和热交换，气化强度大，直径炉的单台煤气产量可超过40000m3/h。
2.2使用廉价煤料。可使用高灰的褐煤、不粘煤、弱粘煤和长焰煤等煤料，特别是褐煤价格较低，可显著降低煤气的生产成本。
3.Shell气化
Shell气化技术是荷兰Shell国际石油公司开发的一种加压气流床粉煤气化技术，该技术以干煤粉进料，采用纯氧和蒸汽气化，气化温度达1500℃左右，采用液态排渣，碳转化率达99%，有效气体(CO+H2)达90%以上，甲烷含量几乎为零，氧耗和煤耗较低。气化炉水冷壁采用特殊的结构，使用寿命可达25a以上。气化采用废锅流程，可副产高压蒸汽，但是气化炉带有导气管和废锅，气化炉结构复杂，设备费及专利费均较高。粗煤气除尘也是一关键技术，技术须全面依赖进口，国内技术支撑率低。自湖北双环的Shell炉开车后，又有中石化企业的气化炉装置先后开车，但这些装置的运行不太正常。神华宁煤的100万t/a直接煤制油项目气化使用的是Shell炉，运行基本正常，但运行成本较高，该项目Shell气化炉装置的一次性投资是一般气流床气化炉的两倍左右。Shell炉将用于发电厂的废锅流程照搬照抄到煤化工装置上，流程设置不合理，粉煤输送采用氮气，使合成气中的氮气无法分离，直接影响合成气的质量。因此，该气化炉较适合用于发电项目。
3.1特点
第一，煤种适应性广泛，能气化烟煤、无烟煤及石油焦等。对煤反应活性要求极低。第二，节能，比氧耗与比煤耗较低。第三，碳转化率接近百分之百，且排出的熔渣不会对环境造成污染。气化污水中含有害物质较少，极易处理，甚至能做到零排放。第四，安全性能高，运行成本低廉。第五，单台气化炉生产能力大。第六，具有先进的技术操作控制系统，能确保技术操作在最佳状态下运行。
4.航天气化
航天炉的主要特点是具有较高的热效率(可达95%)和碳转化率(可达99%);气化炉为水冷壁结构，能承受1500℃至1700℃的高温;对煤种要求低，可实现原料的本地化;拥有完全自主知识产权，专利费用低;关键设备已经全部国产化，投资少，生产成本低。据专家测算，应用航天炉建设年处理原煤25万吨的气化工业装置，一次性投资可比壳牌气化炉少3亿元，比德士古气化炉少5440万元;每年的运行和维修费用比壳牌气化炉少2500万元，比德士古气化炉少500万元。
它与壳牌、德士古等国际同类装置相比，有三大优势：一是投资少，比同等规模投资节省三分之一;二是工期短，比壳牌炉建设时间缩短三分之一;三是操作程序简便，适应中国煤化工产业的实际，易于大面积推广。
4.1特点
(1)采用干煤粉进料，加压二氧化碳气或高压氮气输送，该气化炉煤种适应性广。
(2)气化温度约1400～1600℃，煤气中有效气体(CO+H2)达到90%以上，甲烷含量几乎为零，碳转化率达到99%以上。
(3)比水煤浆气化氧耗低15%～25%。
(4)采用粉煤进料，采取水冷壁以渣抗渣的方式，避免了使用耐火材料寿命短的缺陷。
(5)烧嘴设在气化炉顶部，烧嘴的结构设计采取了新工艺，使其寿命大大延长，可达到8000h以上，组合式烧嘴使其开停车使用方便。
(6)采用激冷流程，省去繁琐、昂贵的废锅，使气化气被水蒸汽饱和，故变换工段不需补加中压蒸汽，使得流程设计合理，节约能耗。设备选用材质简单，投资低。
二、水煤浆气化技术
1.简介水煤浆气化原理
水煤浆气化反应是一个很复杂的物理和化学反应过程，水煤浆和氧气通过烧嘴喷入气化炉后瞬间经历煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残炭气化和气体间的化学反应等过程，最终生成以CO和H2为主要成分的气化气，灰渣采用液态排渣。该气化炉主要有GE炉和西北院多元料浆炉、华东理工多喷嘴炉、清华炉。
单喷嘴的GE炉和多元料浆炉：水煤浆加压气化是美国德士古公司在上世纪70年代开发的工艺，德士古水煤浆气化被美国GEEnergy公司收购后更名为GEGP工艺技术。该气化技术是将一定粒度的煤粒(325目)及少量添加剂制成水煤浆，与氧气在加压及高温状态下发生部分氧化反应，国内水煤浆加压气化装置多数采用激冷流程，此工艺适用于灰熔点≤1350℃(可用添加助熔剂的方法解决)、灰份≤20%、内水份≤10%的煤。
2.水煤浆气化共性特点
2.1气化压力高，压力等级：2.7，4.0，6.5，8.7MPa。
2.2碳转化率高。该技术碳转化率在96%～98%之间。
2.3气化炉结构简单，无机械传动装置。
2.4氧耗高，比粉煤气化耗氧高15%～25%左右。
2.5烧嘴操作周期较短，仅为3～6个月;耐火砖平均每二年需更换一次，更换时间为30d。
2.6需要设置备用系列，以保证年生产率。
3.GE气化
中国煤化工项目常建在水资源缺乏的地区。如何利用与处理工艺中的水资源是一重要的课题。相较于其他气化技术，GE水煤浆气化技术工艺所产生的废水少、氮氧含量低，大幅降低了废水处理的难度与技术要求。而且，工艺所产生的部分废水还能够回收制浆，将整体气化系统的水最充分的循环利用。
3.1特点
GE的水煤浆气化技术近年来有了：大型化、高压气化、更宽广的煤种适应性。大型化气化炉能够减少10～15%的设备资金投入，降低了项目风险。中国国内目前已有8台1800立方英尺、日投2000吨煤的气化炉稳定运作中。中国煤化工行业中的确存在着对GE气化技术大型化的疑虑。但物理证明的结果是：单一喷嘴大型化是最为可靠稳定的技术。任何正常的运作时间下，均能够保持最佳的气化火焰与雾化效果，进而保证气化效能。
4.多喷嘴气化
多喷嘴的气化炉：华东理工大学的多喷嘴对置式水煤浆气化炉采用撞击流技术来强化混合、传质和传热。水煤浆通过四个对称布置在气化炉中上部同一水平面的预膜式喷嘴，与氧气一起对喷进入气化炉，在炉内形成撞击流，完成气化反应，碳转化率和有效气成分均可提高约2%～3%，相应的比煤耗降低约2.2%，比氧耗降低约8.0%，但投资比单喷嘴气化炉增加15%～20%。该气化炉的使用业绩也比较多。
4.1特点
多喷嘴对置式水煤浆气化技术为兖矿集团有限公司与华东理工大学联合开发的具有自主知识产权的技术，其特点主要体现在以下几个方面：一是多喷嘴进料后将会在炉内形成撞击流场，强化了混合和热质的传递;二是喷淋和鼓泡复合床型的合成气初步洗涤冷却系统，有效避免了合成气带水、带灰;三是采用了净化效果好、能耗低的分级净化系统，避免了设备结垢或是堵灰;四是除渣单元与热回收，用含渣水蒸发产生的蒸汽与灰水直接接触，同时完成传质、传热过程，其先进性为：无影响长周期运转的隐患;回收热量充分，热效率高。运行中已经证实有较长的周期和很好的能量回收效果。
三、粉煤气化和水煤浆气化的区别
对于粉煤气化技术和水煤浆气化技术经过实际考察、多方研究，粉煤气化技术和水煤浆气化技术相比有以下优势：
氧耗量：对于采用纯氧气化工艺，氧耗是一个重要指标，与空分装置的大小和投资有直接关系，对于水煤浆气化，由于进料中含有40%左右的水，在气化炉内蒸发这些水需要大量的热量，这些热量由燃烧来提供，因此，水煤浆原料的气化炉氧耗一般要比粉煤原料的气化炉高15%～25%。
碳转化率：原料煤消耗的一个重要指标是碳转化率，碳转化率越高，原料煤消耗越低，单喷嘴进料的水煤浆气化炉碳转化率一般在95%左右，多喷嘴水煤浆气化炉碳转化率大于98%，而粉煤进料的气化炉碳转化率都在99%以上。
有效气含量：水煤浆气化有效气(CO+H2) 82%～85%，粉煤气化有效气(CO+H2)90%～93%。
结束语
煤气化技术种类较多，发展较快，但随着能源的枯竭及人们环保意识的增强，四喷嘴水煤浆气化技术、航天粉煤气化技术为代表的气流床技术及地下煤气化技术将会受到越来越多的重视。
参考文献：
[1]李璐伶,诸林,范峻铭.GE水煤浆气化炉动力学建模与分析[J].化工进展,2014,02:314-318+327.
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