KBR输运床气化技术(TRIG)

KBR输运床气化技术(TRIG)

凯洛格布朗路特(KBR)公司总部位于美国的能源之都——美国德克萨斯州休斯敦市,是全球领先的工程、建筑和服务公司之一。KBR技术事业部专注于开发高能效,高成本效益的技术,为全球石油,天然气和石化企业提供技术授权,为之带来卓越的经济和技术优势。

输运床气化技术(Transport Integrated Gasification,简称trig),是在美国能源部的支持下,由KBR和美国南方电力公司共同开发的清洁煤转化技术。这项技术为电力或化工行业提供了有效利用低阶煤的理想方案。该技术源自KBR引以为傲的流化催化裂化技术(FCC),并借鉴了其超过70年的全球工业经验和技术积累。2012年,KBR和南方电力组成了技术联盟,KBR负责全球所有TRIG应用的技术许可贸易,并为用户提供基础工程设计包,专有设备,以及开车服务。

一  TRIG气化技术概述

(一)技术特点

TRIG气化技术为干粉进料、干灰排放(非熔渣)、粗合成气废锅流程的输运床气化技术。该技术选用带耐火内衬的气化炉,结构示意见图1。

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有别于其他干粉进料的气化技术,该技术对入炉煤粉的水分要求比较宽,原则上入炉原料含水量不超过约20%。根据原煤的水分分析,多数煤种仅需部分干燥,部分煤种无需干燥。该气化炉操作温度低于原料煤灰分的变形温度。在此前提下,尽量保持较高的操作温度,以尽可能地增加碳转化率和一氧化碳,氢气,及甲烷的产率。同时较高的气化温度有利于分解有机大分子化合物,例如由挥发份裂解形成的焦油。另外,该气化技术可以根据项目特点和下游生产要求灵活选用空气气化或纯氧气气化模式。

如图1所示,气化剂(空气或氧气)自混合段下部进入气化炉后,先与经立管循环回来的炉料中的残碳进行反应。由此产生的热量和高温气体在加热上行的循环炉料后,在混合段上部与新鲜原料煤粉混合进入提升管反应器上行。原料煤粉通过专有的气力输送系统送入气化炉。新鲜原料煤粉在上升过程中被高温气体和高温的循环炉料迅速加热、脱水、并发生裂解和气化反应。离开提升管后,含煤灰和残碳的炉料及合成气进入一级旋分。大部分固体组分与合成气在一级旋分中得到分离,然后通过环封回到了立管。较小的颗粒在二级旋分被捕集,进入立管循环。含细灰的粗合成气离开二级旋分后,先在下游的废锅中以生产高压蒸汽的方式回收热量,再经飞灰过滤器除去细灰。一般来讲,该气化炉内需要大量的炉料在炉内循环以保证系统在所需气化温度下正常运行,具体循环量取决于原料煤的特性,如热值、灰含量等。气化炉立管内循环炉料量通过专有设备排出炉外。粗灰经卸压冷却后进入灰仓暂时储存,以用于下次开车的开车炉料。

由于TRIG技术与流化相关,业界习惯将其归类为一种流化床气化技术。这其实是对该技术过分简单化。尽管大量炉料在气化炉内循环是固体流态化的表现,但是该技术的根本设计原理及其操作方式可以轻易地将其与常见的流化床气化炉区分开来。提升管反应器是该技术气化炉的主反应区,在提升管内气相和固相的表观速度的差别非常之小,固体速度几乎与气体速度同步。气体流速与固体流速的比值大约在1和2之间。而对于典型的流化床气化技术,这个比值一般都非常大或趋近于无限高。这是该技术的气化和普通流化床气化的主要区别之一。换言之,在该技术气化炉中,气相速度远高于实现固体流化所需的速度,已进入输运床的范畴。正由于在输运床内气固混合非常的充分,原料煤粉才得以在提升管中仅需要短短几秒的反应时间就能达到理想的碳转化率。正如该技术中T所代表的“输运”所强调,固体在该技术气化炉的提升管中的流动形态已远超普通流化床。这正是该技术的气化能够实现单炉大容量以及适用于转化低阶煤的原因所在。在对不同煤气化技术进行选择对比时,认识这一点很关键。

(二)技术优势

如前一节所述,TRIG技术在可以保证高负荷、高产品气体质量等优势的情况下,避免了传统固定床或移动床气化炉的弱点,如生成较大量的焦油,酚类及其他碳氢化合物。该技术是开发低质煤价值的理想选择。除了应用于发电,该技术也适用于其他下游应用,如合成天然气,化肥,化学品,液体燃料等。总体来看,该技术优势可总结为以下几点:

(1)原料优势

该技术擅长处理高水分、高灰分的低阶煤。作为干粉进料技术,该技术对原料煤的干燥要求低。当原煤水分低于20%(wt),可直接磨碎后入炉使用,无需干燥步骤。

该技术设计灵活,可根据下游生产要求选择鼓空气或鼓氧气模式。在发电应用中,如IGCC电厂,选择鼓空气设计更有利于节省全厂投资,增加全厂效率。

(2)高效率

相比在灰熔点以上温度运行的熔渣型气化技术,该技术采用废热锅炉流程回收粗煤气中的余热。热力学效率更高。同时对原料粒度接受范围广,可接受较大原料颗粒。这样降低了磨煤机组的电耗。该技术也可处理在干煤磨煤过程中产生的细小煤粉。此外,通过高效的飞灰处理装置粗收集煤气中所带的飞灰颗粒(残余颗粒物少于0.1ppmw),有效地降低了下游的合成气洗涤塔用水量。

(3)合成气质量高

该技术生产的合成气组分质量高,不含焦油(典型成份见技术特点参数表)。在鼓空气工况下,合成气热值仍能满足燃机要求。空气气化的可行性提高了全厂发电效率。鼓氧气工况下合成气中甲烷含量较高,适宜于煤制天然气生产。

(4)操作可靠

该技术使用专有的气力输送系统进料来代替通常需要频繁维护的喷嘴或烧嘴,在保证项目的可靠性,可用性,可维护性的前提下,无需设置备炉。

(5)高单炉处理量

该技术最高单炉处理量可达5000吨/天。对于大型煤化工项目,这可以带来很大的规模经济优势。

(三)工艺流程

图2/TRIG气化岛流程简图

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是否需要在磨煤系统加入专门的煤干燥设备取决于原料煤的收到基含水量。粉碎至30毫米以下的煤料由磨煤机磨至1000微米以下,而后通过KBR专有的高压煤粉进料系统投料。气化所需的空气或氧气经压缩后被注入至气化炉混合段。气化炉中产生的高温粗煤气在废热锅炉中用高压锅炉给水产生高压过热蒸汽。冷却后的粗煤气进入下游的飞灰处理系统。该系统采用滤芯过滤,所捕集的细灰经由KBR专有的细灰连续卸压系统冷却,回收余热,并送至灰仓。干净无灰的粗合成气进入洗涤塔去除HCl和HF。根据下游应用的需要,洗涤后的合成气需送至净化单元处理。如在IGCC电厂中,粗合成气中的羰基硫、氨、汞和硫化氢等杂质需在净化后方能进入燃机发电。

(四)煤种适应性

该技术适用于低阶煤,包含多种褐煤和大部分次烟煤。低阶煤一般来说具有高水分,低热值,高反应活性的特点。大部分现有气化技术难以对低阶煤进行有效地处理和转化。一般来讲,TRIG技术适用于高位发热量低于6500Kcal/kg的煤种(发热量以空干无灰基计)。煤种发热量下限可低至3000Kcal/kg甚至以下。固定碳含量高于60%的煤种不适用于该技术(固定碳含量以干燥无灰基计)。

二  主要技术参数表

表3/输运床气化技术参数表

 

气化技术类型 输运床、非熔渣气化炉
气化技术名称 TRIG,输运床气化技术
气化炉组合方式 无备炉
进料方式 使用专利气力输送系统
进料位置 提升管下半段
喷嘴类型和特点 无烧嘴设计,包括在专利气力输送系统中
气化炉燃烧室流场结构 固体在提升管中处于输运床
耐火衬里 耐火浇注料
合成气冷却方式 火管式合成气废锅,可带过热器
气化介质 氧气或空气
技术运行阶段 单炉4650吨/天装置试车中50吨/天示范装置运行超过16年
煤的粒度范围 20~1000micron
煤种适应性 褐煤以及大部分次烟煤
煤的工业分析 适宜煤种范围:水含量(wt%):低于50固定碳(wt%):不高于60(干燥无灰基)硫(wt%):无限制灰含量(wt%):不高于40高位热值(HHV,kcal/kg):不高于6500(空干无灰基)
操作负荷 单炉最大负荷可达5000吨/天
操作条件 操作温度:可达1050℃操作压力:可达4500KPa(a)
典型干基粗煤气组成
空气气化 纯氧气化
CO% 21.8 45.4
H2% 11.4 29.2
CO2% 9.0 18.9
CH4% 3.4 5.1
N2+Ar% 53.9 0.2
其他 0.5 1.2
工业指标(以典型低阶煤为原料计) 比氧耗 纯氧气化:~300Nm3/1000Nm3 of(CO+H2+CH4)空气气化:~330Nm3/1000Nm3 of(CO+H2+CH4)
比煤耗 纯氧气化:~770kg/1000Nm3 of(CO+H2+CH4)空气气化:~790kg/1000Nm3 of(CO+H2+CH4)
蒸汽消耗 视具体项目情况
碳转化率 98%以上(典型低阶煤)
适合工业领域 发电,天然气,其他化学品,合成氨,冶铁

 

三  最佳运行案例

90年代中期,由美国能源部出资,美国南方电力公司和KBR公司共同开发了“电力系统开发设施(PSDF)”的示范装置,用于使用低阶煤的输运床气化成套技术开发。气化炉处理能力为50吨煤/日。在过去16年中,该装置已累计运行超过20000小时,对多种不同煤种进行了测试,并针对密西西比褐煤及粉河盆地次烟煤两个典型的低阶煤种进行了多次详细的测试。这两种低阶煤在多次测试中持续展示出98%以上的碳转化率。

在此基础上,美国南方电力公司使用TRIG空气气化技术在密西西比州开发了582兆瓦IGCC项目。该项目为坑口电站,利用低质低价的本地褐煤。配置两台TRIG气化炉,两台西门子高氢燃料燃气轮机和一台蒸汽轮机。原料褐煤收到基热值约为2300~2900kcal/kg,水份高达40%到50%。单台气化炉投煤量约4650吨/天,入炉煤粉含水量约20%。该项目配备了65%的二氧化碳捕集装置,捕集的二氧化碳由管线输送至油田提高石油采收率。另外,该项目使用附近市政公用设施的废水作为补充水,并实现全厂“零污水排放”。该项目2010年12月破土动工。两台燃气轮机在2013年8月和9月分别首次点火成功。气化岛目前已基本完成建设,处于调试中,预计在2014年第四季度实现100%合成气发电商业化运行。

 

表4/技术转让业绩表

项目 地点 煤种 气化炉台数 单炉处理能力(吨/日) 气化剂 应用 项目进展
582MW IGCC项目 美国密西西比州 褐煤 2 4650 空气 发电 试车中
120MW TRIG IGCC改造项目 中国东莞 褐煤 1 1600 空气 发电 执行中
100KTA乙二醇项目 中国内蒙古 高灰褐煤 1 1000 氧气 化工产品 执行中
TRIG示范装置 韩国大田市 各种煤种 1 3 氧气 小试装置 运行中
PSDF TRIG示范装置 美国阿拉巴马 各种煤种 1 50 鼓空气或氧气 示范装置 已运行16年

 

四  输运床气化技术与中国

近几年的经济发展和中国能源市场对低阶煤利用有了一个迫切的需求。中国大量的低阶煤位于偏远地区,如蒙东、新疆和云南。这些地区本身能源市场有限,但向经济发达地区远距离大量运送低阶煤在成本上和环境上都不现实。近几年,不同的低阶煤利用技术虽多有尝试,但尚未见到成功案例。

TRIG气化技术进入中国市场后首个使用空气气化和氧气气化的项目分别为东莞IGCC改造项目和内蒙乙二醇项目。这两个项目的工艺包、基础设计及长周期设备订货均已完成。此外,2012年,KBR与陕西延长石油集团签约,由延长集团建设一套100吨/日的基于输运床气化技术的示范装置。该装置采用纯氧气化。该项目的基础设计包已交付,项目正在建设中。

TRIG气化技术基于其独特的设计和操作理念可以在低阶煤转化利用上实现低成本、高效率并且环境友好。该技术在效率、操作可靠性、大容量气化炉、及低工艺水耗等优点使得该技术成为低阶煤转化项目的理想技术选择。KBR和美国南方电力公司愿与中国广大国内客户携手合作,共同推进低阶煤的利用和转化。

 

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