航天粉煤加压气化技术

航天粉煤加压气化技术

航天粉煤加压气化技术(HT-L)是中国运载火箭技术研究院开发出的具有自主知识产权的煤气化技术。

2005年2月,针对我国煤化工领域的技术现状,中国运载火箭技术研究院经过深入探讨,决定利用自身技术优势和军转民多年的技术储备,研发我国自主知识产权的煤气化技术。2005年3月,完成了HT-L的专利申请。截至目前,HT-L拥有发明及实用新型专利共计30多项,并通过了多家跨国公司的专利独立性审查。

为了项目的迅速开展,中国运载火箭技术研究院选择了安徽临泉化工股份有限公司和河南永煤集团濮阳龙宇公司作为HT-L工业化示范工程依托单位,并决定垫资研发示范工程气化装置,采用炉型均为日投煤量750吨航天炉

2008年10月13日,濮阳示范工程投煤成功,产出合格的合成气。2008年10月31日,临泉示范工程投煤成功,11月2日打通全部工艺流程,成功产出甲醇。2009年10月,HT-L通过中国石油和化学工业协会组织的科技成果鉴定。鉴定委员会认为:该装置操作简便、维护方便,煤种适应性广、投资费用和运行成本低、开工率高、气化炉的故障率低。该技术拥有自主知识产权,总体技术水平处于国际领先。

2012年10月,日投煤量1500~2000吨航天炉于晋开集团一次投产成功,当年3台相同型号航天炉投入运行,各项指标良好。2012年3月,新建成的航天煤化工产业基地投用,占地面积540000平方米。目前正在进行上海主板IPO上市工作。

一、技术特点

HT-L包括磨煤及干燥(1500)、煤加压及进煤(1600)、气化及合成气洗涤(1700)、渣及灰水处理(1800)、气化公用工程(1900)5个单元,该技术具有如下特点:

1、煤粉为原料、纯氧和过热蒸汽为气化剂

其中,原料煤粉为5~90微米;输送介质为氮气或二氧化碳;气化压力在4.0~6.5MPa;以粉煤为原料,块煤、面煤均可利用;单位有效气体氧耗低、煤耗低,热效率高;粗合成气中有效气体(一氧化碳+氢气)成分高,氮氧化物含量低,对环境影响小;惰性气体浓相输送,除合成氨装置外,原则上均可以二氧化碳作为煤粉输送介质,实现二氧化碳循环利用,减少碳排放;浓相输送煤粉,实现DCS、ESD系统对气化过程的精确控制。

2、盘管水冷壁结构,副产中压蒸汽,高温气化

气化炉气化段盘管水冷壁结构,可以实现高的气化温度(1200~1700℃),适应原料煤宽泛的灰熔点范围,适当添加碳酸钙助溶剂,可以适应各种原料煤,实现原料煤本地化;水冷壁气化炉,升温、降温迅速,与热壁气化炉相比,可以大大缩短停车检修时间;盘管水冷壁结构,强制两相流汽包水循环,水流分布均匀,有利于气化炉的长周期安全运行;气化温度高,废水、废渣易处理,减少对环境的影响;副产中压蒸汽,实现能量的高效利用。

3、水冷壁自我修复式隔热结构

水冷壁向火侧焊接渣钉固定耐火材料,并对耐火材料冷却。运行过程中,耐火材料表面会形成固渣层和液渣层;隔热结构可以最大限度地降低气化段的散热损失,减少水冷壁蒸汽产量,从而使原料煤的热量高效地用于气化反应,生产有效气体(一氧化碳+氢气)。

密布的渣钉,可以使耐火材料温度远低于原料煤的灰熔点,从而使熔融的灰渣在耐火材料表面固化,形成固渣层。在固渣层的表面,熔融的灰渣以液态沿壁面向下流动,最后从气化段排渣口排出。随着煤种变化,操作温度、压力、负荷变化,固渣层和液渣层厚度会发生变化,从而形成了自我修复式耐火材料结构,有效地保护了水冷壁,实现“以渣抗渣”。

4、单一的顶置式组合燃烧器

气化炉只设置1台组合燃烧器,安装在气化段顶部。组合燃烧器将点火装置、点火烧嘴、开工烧嘴、工艺烧嘴设计成一体。

组合燃烧器安装、维护、调节简便、快捷,其设计寿命大于10年。每6个月对燃烧器头部局部维修一次,8小时之内可以完成组合燃烧器的更换。

燃烧火焰、炉内流场与炉膛良好匹配,炉内煤粉热解区、火焰燃烧区、烟气射流区、烟气回流区以及二次反应区分布合理,能够实现全炉膛均匀挂渣、煤粉颗粒中的碳元素充分转化。

调节单一氧煤比和汽氧比,就可以实现对气化炉气化参数的调节,操作简便、快捷,易于掌握,特别适用于煤种变化频繁、要求在线及时调节的工况。

5、激冷、水浴式合成气冷却

气化段生成的合成气与熔融的灰渣并流,进入激冷室。在此过程中,合成气和灰渣首先被水激冷,然后进入激冷室下部的水浴。冷却的灰渣从激冷室下部排出,合成气经过水浴冷却、洗涤后,从气化炉中部排入下游的合成气洗涤系统。

此工艺流程成熟可靠。合成气中增加的饱和水蒸气可直接应用于变换工序。激冷水和洗涤水经过处理后循环利用,降低水耗。

6、气化段水冷壁设置温度测点

在气化炉气化段水冷壁沿周向、轴向设置温度测点,对气化温度是否满足挂渣需要进行实时监测,有利于开车、煤种转换和气化炉运行调节,可以有效克服煤质波动带来的不利因素。

炉膛温度测点应用原理是,当气化温度正常时,炉膛温度测点受渣层保护,其显示温度小于500℃,当气化温度偏高时,渣层减薄,炉膛温度测点显示温度会升高,当气化温度偏高较多、渣层厚度不足以覆盖测点时,测点显示温度将会大于1000℃,在这个过程中,操作人员将减小氧煤比,避免水冷壁烧损。

7、设置可视化火焰监测系统

气化炉除设置红外/紫外火焰监测装置外,还设有可视的火焰监测系统,操作人员可以实时目测炉膛火焰情况。

在开停车过程中,操作人员可以根据目测的炉膛火焰情况,进行点火、投煤和停车操作,安全、快捷。

8、可靠的DCS/ESD控制系统

整个生产装置通过DCS系统进行自动控制,通过ESD系统保障安全。

气化装置的点火、开工、投煤、升压升负荷、系统停车等顺序控制为自动操作,方便、安全、可靠。负荷调节、流量调节、压力调节等都采用自动调节,可以实现生产过程的全自动控制。

ESD系统独立运行,涵盖了点火、开工、投煤、正常运行全过程,输入变量包括了所有可能对系统、设备造成安全故障的参数和监测点,能够确保人员和设备安全。

9、自主知识产权、设备国产化

自主知识产权、全部设备国产化,投资、维护和运行费用低。技术服务及时、周到。人员培训、技术交流、售后服务方便。

10、气化炉系列化

目前已有两种规格气化炉,即:40bar压力、日投煤量750吨和1500~2000吨规模,并正在开发更高压力(65bar)和更大生产能力(日投煤量大于3000吨)的气化炉。通过组合,能够适应大型煤化工项目需求。

11、一站式服务模式

HHT-L具有独特的一站式服务,即:

提供安全、稳定、洁净高效的专利技术,具有专业的研发团队和很强的研发能力;

通过自身专业化的工程设计队伍完成工程设计(三维设计),实现设计低风险、高质量;

专利设备及可能影响气化装置可靠性的关键设备,如气化炉、烧嘴、特种泵、特种阀、控制系统等均由本公司提供,设备性能优良,已通过多个项目长周期考验,保证了整体装置的可靠性;

公司提供项目全生命周期服务,拥有仿真培训系统、工程服务队伍、装置开车队伍、售后技术服务及备件服务队伍等,使业主的建设风险、开车风险、运营风险降至最低,同时可降低开车费用、运营维护费用等;

可完成交钥匙工程。

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HT-L气化工艺流程图

二、配套工艺

1、磨煤及干燥

该单元用中速磨将煤磨成粉状,并由高温惰性气流烘干。煤的研磨与干燥在惰性的环境中进行,因而排除了自燃和粉尘爆炸的潜在危险。粉煤的颗粒尺寸分布规格和粉煤的水分含量满足以下要求:

(1)颗粒尺寸≤90μ,大于90%(重量);

(2)颗粒尺寸≤5μ,小于10%(重量);

(3)水分含量典型值2~8%(重量,根据煤种情况进行调整)。

由惰性气体输送的干燥粉煤进入粉煤过滤器进行分离后,粉煤经旋转卸料阀、纤维过滤器及粉煤螺旋输送机送至粉煤贮罐,过滤后的惰性气体粉煤含量<10mg/Nm3(湿基),经循环风机进入惰性气体发生器循环使用,一部分排放至大气。

2、粉煤加压及输送

每台气化炉配备1套粉煤加压及输送系统,由常压粉煤储罐、粉煤锁斗和粉煤给料罐组成。粉煤加压是通过向粉煤锁斗充入高压二氧化碳(或氮气)完成的。

常压粉煤贮罐内的粉煤在重力作用下进入粉煤锁斗。粉煤锁斗内充满粉煤后,即与粉煤贮罐及所有低压设备隔离,然后经充气锥、充气笛管等气体分布设备充入高压二氧化碳进行加压,当其压力与粉煤给料罐压力平衡时,打开之间的切断阀,粉煤通过重力落入粉煤给料罐。粉煤的加压输送过程采用顺序控制,设置联锁系统防止压力高串低事故的发生。

粉煤从给料罐底部的3个充气锥流出进入粉煤输送管道,充气锥通入高压二氧化碳(或氮气),保持给料罐和粉煤管道中的粉煤处于流化状态,粉煤输送的流量、密度和流速由粉煤调节阀、管道充气器调节。

3、气化及合成气洗涤

加压的粉煤、预热氧气按一定比例通过烧嘴进入到气化炉中,氧气中混入少量蒸汽(根据煤种调整)。气化炉由上部的气化室和下部的激冷室组成。

煤粉和氧气在气化室内进行高温气化反应,生成的合成气主要成分为一氧化碳和氢气,气化压力4.0MPa,气化温度一般控制在1300℃~1750℃之间(根据煤的灰熔点和粘温特性等参数进行调整)。高温气体和液态渣离开气化室,经激冷环、下降管进入激冷室水浴,合成气被激冷并被水饱和,熔渣固化沉淀并通过渣锁斗系统定期排出界外。

粗合成气出激冷室后进入文丘里洗涤器进一步增湿。离开文丘里洗涤器的粗合成气进入合成气洗涤塔,经水浴后进行气液分离,然后通过洗涤塔板,被进一步洗涤。洗涤后的合成气经塔顶部的旋流板除沫器离开洗涤塔,洗涤后的合成气含尘量≤1mg/Nm3,送下游一氧化碳变换工序。

4、渣及灰水处理

合成气洗涤黑水经高压闪蒸和真空闪蒸除去溶解的气体。高压闪蒸蒸汽用于加热除氧后的灰水。黑水进入沉降槽,加入絮凝剂以加速灰渣的絮凝沉降,底部的灰浆经真空过滤机过滤成滤饼后装车外运。澄清的灰水从顶部溢流进入灰水槽,大部分循环使用,少量灰水通过废水冷却器冷却排到废水处理装置,用来控制灰水系统中盐分的累积。

三、单炉处理能力与煤种适应性

航天炉实现了系列化,日投煤量750吨的2800/3200型和日投煤量2000吨的3200/3800型已开车并实现长周期稳定运行。为适应大型煤化工项目需求,公司正在开发更高压力和更大生产能力的气化炉,日投煤量3000吨气化炉已完成研发工作,并计划建设示范工程。

自2008年航天粉煤加压气化装置首次试车成功至今,在线运行的11台气化炉中,已使用或试烧过的煤种达数10种,挥发分含量从6%~35%;灰分含量从6%~36%;灰熔点流动温度从1150℃~>1500℃。

四、环保配套

气化装置的排放物主要有废渣、废气和废水等。由于气化温度高,合成气和废水中不含焦油、酚类等难处理的有机物。

气化炉排出的灰渣分为粗渣和细灰两部分,粗渣经渣锁斗排入捞渣机,捞出后可作为铺路材料,组分中C≤1%(wt)。细灰被过滤机滤出后装车,作为制砖、掺烧或铺路材料,组分中C≤30%(wt)。

正常工况下,气化排放废气主要为输煤氮气、二氧化碳及少量煤尘,均经除尘处理后排入大气,含尘量<10mg/Nm3。开停车阶段排出的含CO和H2的合成气送火炬燃烧后排放。

合成气洗涤过程中产生的黑水经闪蒸、沉降处理后,澄清的水大部分泵回到系统中循环使用,只有少量排放。单套气化炉废水量30~60m3/h。

气化废水送厂内污水处理站,对其进行破氰预处理后,与其它污水一并进入A/O生化池进行处理。

五、市场应用情况

目前已签约项目共计25个,航天炉总计62台,其中750吨级25台,1500~2000级37台;总承包项目2个;褐煤为原料煤项目2个;已运行项目共计8个;已运行航天炉共计11台;在建航天炉共计42台。

2007~2013年航天炉签约数量

年份 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
签约气化炉数量 2 5 7 8 13 19 8(30)
累计气化炉数量 2 7 14 22 35 54 62

七、最佳运行案例

1、日投煤量750吨航天炉

晋煤中能(原安徽临化)化工18万吨/年甲醇(Ⅰ期)和18万吨/年合成氨装置(Ⅱ期)为例。

晋煤中能根据原料煤市场波动情况,综合工厂运行的稳定性和经济性,2009年以来以神木煤和晋城长平煤、新疆保利煤、河南新郑煤掺烧为主,掺烧比例一般在6:4~5:5之间,混煤热值约5600kCal/kg,该项目还单烧过新疆保利煤,试烧过晋城“三高煤”。

Ⅰ期甲醇生产线运行情况:2010年单台气化炉累计运行338天,共生产甲醇18.3万吨,平均吨醇原料煤耗1.13吨(折标);2011年累计运行339天,全年累计生产甲醇18.9万吨。2011年全年考核吨甲醇煤耗指标为1.08吨(折标)。2012年,累计运行356.2天,生产精纯18.08万吨(部分合成气并入二期合成氨项目)。

二期合成氨生产线运行情况:2012年元月5日实现全流程打通,全年累计运行351.4天,全年生产合成氨22.04万吨,创造了单炉不间断运行215天的纪录。该装置吨氨生产成本约2200元,应用了多个煤种,适应性好;装置稳定性好,单次连续运行最长达到215天;烧嘴头部设计寿命180天(烧嘴最长实际使用寿命为270天);技术支持、备件供应及时,对装置稳定运行起到了保障作用,减少了维护成本;6个项目中8台该型号气化炉已投产。

2、日投煤量15002000吨航天炉

以晋开化工120万吨/年合成氨装置为例。

河南晋开集团是晋煤集团的控股子公司,在开封县建设百万吨总氨项目。合成氨总生产能力为120万吨/年,分两期建设,单系列生产能力为60万吨/年;氨加工能力为尿素3×40万吨,稀硝酸3×27万吨,浓硝酸20万吨,硝铵3×20万吨,硝基复肥60万吨。

该项目由航天长征化学工程股份有限公司承担工程设计,设计范围包括除尿素、硝酸等氨加工装置外的所有生产装置、公用工程、辅助生产和生活设施,设计内容包括基础工程设计和详细工程设计。

煤气化装置配4台φ3200/φ3800气化炉,单炉有效气产量88000Nm3/h。气化开车时实际采用神木煤与晋城高硫煤掺烧,比例为8:2。

一组典型运行数据

压力 MPa 3.93
湿气 Nm3 199638
干气 Nm3 116243
氧量 Nm3 28899
总煤量 t/h 58.521
氧煤比 0.73
氧耗 Nm3/kNm3 289
CO2 % 5.47
H2 % 30.11
CO % 55.87
N % 8.0

该炉型继承了750吨级航天炉的优点,且运行稳定性更高,现已有两个项目中的3台该型号气化炉投产,为业主创造了可观的经济效益。

HT-L以先进的专利技术和服务,保证了整个气化装置实现高效和高稳定性,已开车项目的运行创造了同行业独一无二的成绩。

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