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1、专 题 综 论PRENFLO煤气化工艺的开发和应用郑振安(中国五环化学工程公司,湖北 武汉 430079)摘 要:介绍了Prenflo煤气化工艺的开发过程,论述了Prenflo中试装置的工艺流程、气化煤种和试验结果;以西班牙Puertollano IGCC电站投煤量为2 600 t/d的Prenflo煤气化装置为例,总结了Prenflo气化工艺自1988年迄今的商业化运行情况;从气化炉结构、煤气流动方向、氧气纯度和原料粉煤细度等方面对Prenflo和Shell 2种煤气化工艺进行了区别和对比。关键词:Prenflo煤气化工艺;试验;应用;IGCC;Shell煤气化工艺;区别中图分类号:TQ54
2、6 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2005)03-0003-05Development and Application for PRENFLO Coal G asification ProcessZHENG Zhen2an(China Wuhuan Chemical Engineering Corporation,Wuhan430079China)Abstract:Developmental process of Prenflo coal gasification process was introduced,the process flow of the Prenflo pi
3、lot test plant,coal kinds ofgasification and test result were discussed;taking the Prenflo coal gasification plant with a consumed coal capacity of 2 600 t/d in Spain PuertollandIGCC power station as an example,the commercial operation situation of the Prenflo coal gasification process was summarize
4、d since 1988 up to now;distinguishing and comparing for two kinds of Prenflo/Shell coal gasification processes were made from aspects of gasifier structure,coal gas flowdirection,oxygen purity and thick lager pulverized coal granularity etc.Key words:Prenflo coal gasification process;test;applicatio
5、n;IGCC;Shell coal gasification process;distinguishing1PRENFLO煤气化工艺的开发历程目前世界上先进的洁净煤气化工艺首推Texa2co、Destec、Shell和Prenflo。这4种煤气化工艺的单台气化炉投煤量都达到了2 0002 500 t/d等级,都进行了250300 MW等级的整体化联合循环发电(IGCC)示范,气化炉都采用加压纯氧(体积分数为95%)气流床气化工艺。4种煤气化工艺的进料方式分为两大流派,即美国的水煤浆气化工艺(Texaco与Destec)和欧洲的干粉煤气化工艺(Shell与Prenflo)。Prenflo煤气化工
6、艺起源于考伯斯-托茨克(Koppers-Totzek)气化方法。Koppers-Totzek(简称K-T炉)气化工艺是常压下的气流床气化,于1941年开发,1950年建立了第1台煤气化K-T炉,1974年建成的日产1 000 t NH3的煤气化合成氨厂采用了K-T工艺。1973年在K-T工艺的基础上开发了加压气流床气化工艺,并命名为Prenflo(Pressure Entrained FlowGasification的 缩 写)。1974年,考伯斯(Koppers)公司和壳牌(Shell)公司联合开发Prenflo气化工艺,19781981年,在德国汉堡建造投煤量为150 t/d的煤气化中试厂
7、,并进行了大量的研究开发工作。在此基础上,1985年克虏伯-考伯斯(Krupp-Koppers)公司在德国Frstenhausen建造了Prenflo煤气化工艺示范厂,由德国研究与技术部(BMFT)和欧共体(CEC)资助。1986年该厂开始运行,投煤量为48 t/d,气化炉操作压力为2.83.0 MPa。Shell公司也在汉堡中试的基础上,于1987年在美国休斯敦建造投煤量为250400 t/d的工业化示范装置 壳牌煤气化工艺(SCGP-1)。因此,可以说Prenflo煤气化工艺是Shell煤气化工艺的姊妹技术。1992年Krupp-Koppers公司为西班牙Puer2tollano IGCC
8、电站设计建造气化岛,采用Prenflo煤气化工艺,单台气化炉投煤量为2 600 t/d,电站的净功率为300 MW,净效率为45%(LHV)。该电站已于1997年投运,1998年首次用煤气发电。作者简介:郑振安(1939年-),男,福建厦门人,1962年毕业于华东化工学院,教授级高级工程师,副总工程师,现任公司总经理高级顾问,长期从事化工工程的设计、开发和研究工作。32005年6月 Chemical Fertilizer Design第43卷 第3期化肥设计June.20052PRENFLO中试装置2.1 工艺流程Prenflo中试装置的工艺流程见图1,装置额定投煤量为48 t/d,气化炉操作
9、压力为3.0 MPa。粉煤从贮仓(1)用低压氮气气动输送,经粉煤泵(2)送至2台粉煤旋风过滤器(3)。全自动的锁斗系统将粉煤从排放仓(4)直接送入进料仓(5),然后用中压氮气以密相流动方式将粉煤吹入Prenflo气化炉(6)的烧嘴,氧气和蒸汽也同时进入煤烧嘴。气化炉内设置了强制循环系统的水冷壁内衬,循环水在吸收反应热的同时产生5.2 MPa压力的蒸汽。该水/蒸汽系统与煤气冷却器(7)的蒸汽循环相连接。在煤气冷却器的过热段将2个系统产生的蒸汽过热到约500。气化过程生成的液态熔融渣在气化炉底部的渣池内被水淬冷后排入集渣罐(8),其中大块渣被安装在集渣罐内的破渣机破碎。颗粒状的渣经锁斗(9)排入渣
10、槽。煤中剩余灰分形成的飞灰随粗煤气一起离开气化炉,在进入煤气冷却器以前采用被净化冷却后的粗煤气在气化炉顶部出口激冷高温粗煤气的方法,将带出的熔融飞灰固化。激冷气压缩机(10)用于提升净化冷却后粗煤气的压力。被激冷的煤气上升进入煤气冷却器回收热量产生高压饱和蒸汽,然后送入旋风分离器(11)将绝大部分飞灰分离下来。分离后的飞灰排入集灰罐(12)和灰锁斗(13)。用氮气将飞灰气动输送到灰过滤器(14)和灰贮仓(15)。最后,粗煤气在两级文丘里洗涤器(16)和洗涤塔(17)进一步净化和冷却。洗涤塔出口的粗煤气经粗煤气冷却器(18)用空气冷却,在分离器(19)脱除水滴后送出界区。粗煤气的湿法净化采用洗涤
11、水,用不同的泵将洗涤水循环至各段洗涤器。将第一级文丘里洗涤器分离器(20)的灰浆水排入灰浆收集罐(21),并用灰浆泵(22)送入灰浆过滤器(23)脱除水,滤饼被收集在贮槽。送出气化界区的粗煤气在现有的脱硫装置脱硫,产品煤气在炼焦厂用作燃料气。图1PRENFLO中试装置流程图1 贮仓;2 粉煤泵;3 粉煤旋风过滤器;4 排放仓;5 进料仓;6 气化炉;7 煤气冷却器;8 集渣罐;9 锁斗;10 激冷气压缩机;11 旋风分离器;12 集灰罐;13 灰锁斗;14 灰过滤器;15 灰贮仓;16 文丘里洗涤器;17 洗涤塔;18 粗煤气冷却器;19 分离器;20 第一级文丘里洗涤器;21 灰浆收集罐;2
12、2 灰浆过滤器2.2 试验结果1988年中试装置开始运行,不同煤种的气化特性比较见表1。操作的主要目的是研究氧/煤比、添加蒸汽量、氧气纯度以及设计的烧嘴结构对碳转化率和冷煤气效率的影响。收集了超过6 200 h的试验操作数据,试验结果分析如下。(1)冷煤气效率达到80%83%,气化炉的总效率达到95%。(2)气化含高灰分的煤 Gottelborn混合煤和含灰分40%的Ruhr煤气化含高灰分的煤种可以考验除尘系统和排灰系统在满负荷时的能力,试验证明Prenflo气化炉可以保持稳定的冷煤气效率。通过试验可以得到气化炉产渣量与煤灰分含量的关系,低灰煤(8%10%灰)的产渣量为40%50%,高灰煤的(
13、30%40%灰)为75%85%。(3)气化含高氯组分的煤 德国Ensdorf煤由于气化后氯化物在温度降低时易发生冷凝,4化肥设计 2005年第43卷表1PRENFLO中试装置气化煤种煤种GottelbronColombiaGottelbonMixed CoalEnsdorfPittsburghNo.8元素分析,w/%C76.275.0064.6575.9077.1H4.75.004.195.105.1S(可燃的)1.00.841.601.002.4N1.21.201.201.801.5O8.010.227.247.755.5CI0.10.040.100.350.1 灰8.87.7021.028
14、.108.3硫,w/%S(可燃的)0.990.840.992.35S(不可燃的)0.120.160.270.15S总1.111.001.262.50挥发分,w/%36.836.536.038.1HHV热值/MJkg-130.9430.5424.8730.7931.88灰熔点 软化温度/1 1751 1501 1851 1851 145 半球温度/1 3051 2751 3301 2901 230 流动温度/1 4101 3651 3851 3151 295有可能堵塞煤气冷却器,试验考验了煤气冷却器及清灰装置的承受能力,结果表明,煤气冷却器出口的煤气温度稳定在300 左右,确认了煤气冷却器及清灰
15、装置的设计。(4)气化年轻的煤 Colombia煤在严格操作条件下对进料系统进行试验,结果表明,含水分约5%的粉煤成功计量并进入气化炉。(5)气化高煤化度(含高碳及低氧)的煤 美国Pittsburgh No.8煤分别使用纯度为95%和85%的氧气进行气化,结果证明:纯度为85%的氧气作为气化剂时,其煤气热值、碳转化率、冷煤气效率、总效率略低于纯度为95%的氧气。这是因为需要加热增加的惰性氮气量而多消耗一些能量的缘故,但空分系统耗功明显减少。试验结果见表2。(6)材料试验包括大量不同材质的试验,为气化炉的设计提供了依据。(7)负荷变化试验表明,Prenflo气化炉中试可达到每分钟2%15%,而煤
16、气中的CO2和煤气的压力几乎不变。参与试验的烧嘴有4个,当50%负荷时,只用2个烧嘴就可以很容易地操作。(8)对喷射型和喷嘴混合型2种烧嘴进行了试验,结果表明,前者的碳转化率比后者低1.5%,其原因是由于气化剂和粉煤混合程度不同的影响。3PRENFLO煤气化工艺的应用西班牙的Puertollano IGCC电站距马德里约260表2PittsburghNo.8煤在中试装置气化结果 项 目O295%O285%煤气组成(干基),V/%CO23.383.73CO62.3459.59H227.6526.00CH40.010.01H2S+COS0.720.72N2+Ar5.90100.009.95100.
17、00煤气热值HHV(干基)/MJm-311.59511.040煤气压力(waf)/MPa2.42.4蒸汽消耗(waf)/kgkg-10.110.11(CO+H2)/煤(waf)/m3kg-12.132.08蒸汽产量(4.6 MPa,305)/煤2.092.24碳转化率/%99.499.01=煤气的化学能量煤的化学能量/%78.977.52=煤气的化学能量+蒸汽的热焓煤的化学能量/%95.295.0注:输送的气体为氮气;基于HHV热值。km,该电站于1992年开始建设,气化岛由德国克虏伯-伍德(Krupp2Uhde)公司负责工艺设计,包括Prenflo气化炉、煤气净化脱硫以及煤粉制备等(气化炉由
18、德国Steinmlle公司制造)。动力岛由德国西门子(Siemens)公司负责,采用Siemens V94.3型燃机,出力为200 MW,汽机出力为135 MW,总出力为335 MW,净出力为330 MW。余热锅炉由西班牙BBE公司制造,采用双轴布置方案。空分岛由法国Air Liguide公司提供。全厂DCS控制系统由Siemens公司负责。IGCC电站系统流程见图2。图2Puertollano IGCC电站系统流程图3.1 投煤量2 600 t/d的Prenflo煤气化装置工艺流程见图3。3.1.1 制粉和输送系统原煤经预破碎后进入磨煤及干燥系统,在磨煤的同时将煤中的水分去除,粉煤被送入图3
19、中(1)所示的旋风分离器和粉煤仓中,在此之前,系统都在常压下进行。制粉系统要求:烟煤的粉煤细度R100为25%,含水量的质量分数 2%;褐煤的粉煤5第3期 郑振安 PRENFLO煤气化工艺的开发和应用细度R100为25%,含水量的质量分数 6%。图3Prenflo煤气化工艺流程图1 旋风过滤器;2 锁斗;3 进料仓;4PRENFLO气化炉;5 破渣机/集渣罐;6 渣锁斗;7 煤气冷却器;8 蒸汽汽包;9 过滤器;10 飞灰锁斗;11 飞灰贮仓;12 洗涤塔;13 激冷气压缩机 在常压的粉煤仓下有1个锁斗,用于将粉煤由常压仓向加压的进料仓输送。加压锁斗及加压进料仓的控制要求严格,务必使粉煤连续均
20、匀地由常压仓到加压锁斗再到进料仓。在进料仓中充入高压氮气,利用高压氮气将进料仓中的粉煤以高浓度输送比送入气化炉的烧嘴。3.1.2 气化炉和煤气冷却器如图4所示,Prenflo煤气化炉有4个烧嘴,对称布置,从进料系统送来的粉煤与氧气(体积分数为85%)和水蒸气一起喷入气化炉反应区进行反应,反应区温度约1 500,焰心温度高达2 000。因而,煤气中不含C1以上烃类、焦油和酚。反应区的炉衬通过水冷壁进行冷却,同时产生高压饱和蒸汽,它与余热锅炉的高压蒸汽相连。图4Prenflo煤气化炉结构示意 从气化炉反应区排出的液态渣在底部渣池的水中被淬冷成玻璃状渣粒并导入集渣罐,大块渣被破渣机破碎,渣粒经锁斗排
21、出,脱水分离后的渣被送入渣场或销售,水可以循环使用。粗煤气在气化炉下部的反应区内形成后向上流动,在进入气化炉上部的煤气冷却器之前,通过采用干法除尘后的冷煤气对高温煤气进行激冷,目的是迫使高温煤气夹带的熔融态飞灰凝固而落入气化炉底部排渣口。被激冷的煤气继续上升进入第一级煤气冷却器,煤气先从冷却器的中心圆筒上升至气化炉顶部,然后折转向下,经中心圆筒与炉壁间的环形对流冷却区域从第一级冷却器的底部(即气化炉的腰部)离开进入第二级煤气冷却器。第一级冷却器的环形冷却区有4层螺旋管换热器,热煤气在管外流动,水在管内流动,并产生高压饱和蒸汽。第二级冷却器的内部也设置了多层的螺旋盘管换热管束。Puertolla
22、no IGCC电站中的Prenflo第二级煤气冷却器螺旋盘管共6层,上下共分3组。热煤气经过第二级冷却器后一般被冷却至约250。如图5所示,Puertollano电站的Prenflo气化炉外径约5.6 m,气化区的内径约3.82 m,第一级冷却器外径约5.1 m,中心圆筒的内径约1.9 m。气化炉和第一级冷却器连成一体,气化段高度约20m,气化炉总高约52 m,顶部标高约78 m。第二级煤气冷却器外径约4 m,总高约44.32 m,其顶部安装标高为50.32 m。气化炉和冷却器都是德国Steinmller公司制造的。图5 西班牙Puertollano IGCC电站Prenflo气化炉结构尺寸1
23、 喷嘴;2 气化炉反应室;3 中心圆筒;4 冷却盘管;5 粗煤气导管;6 对流冷却器;7 冷煤气出口3.1.3 除尘和飞灰再循环系统回收热量后夹带飞灰的粗煤气进入煤气处理系统,先经过干式除尘器(旋风分离器或陶瓷过滤器),使大部分飞灰从煤气中分离下来,飞灰经锁斗系统用氮气送回气化炉,以提高碳转化率,气化炉无飞灰排出,只有玻璃状的粒化渣。经过干式除尘的煤气大部分进入水洗涤塔,一小部分用循环压缩机加压后送至气化炉激冷热煤气。经水洗涤塔除尘后的粗煤气被净化至含尘量小于1 mg/m3,然后进入后续脱硫系统。洗涤塔排出的灰渣经过滤压成灰饼。3.2 运行情况1992年,Prenflo煤气化装置开始工程设计和
24、定货,1994年4月动工,1996年底完成建造和安装,1996年下半年到1997年上半年完成调试工作,6化肥设计 2005年第43卷1997年12月气化炉首次点火启动,1998年3月开始燃烧煤气的运行。在1999年8月,该装置成功地进行了首次燃烧煤气发电的连续100 h运行。从1996年7月到2001年4月电站已经累计运行了2 100h,燃烧煤气累计运行已达6 000 h。气化炉最大负荷达到设计值的106%,燃气轮机最大输出功率为197.6 MW。燃烧煤气最大可用率已超过90%。在2000年23月进行了4种不同煤/石油焦混合比燃料的试验,旨在验证气化过程的灵活性。这期间总的运行时间超过525
25、h,并对试验结果进行了分析,其中碳转化率为98.4%99.7%,全厂毛效率47.12%,净效率达到42.5%。50%煤和50%石油焦混烧时的试验数据见表3。试验表明,实际运行数据与设计值相当接近。表350%煤和50%石油焦混烧时的试验数据项 目 设 计 值实 际 值原料性质C,w/%61.763.0H,w/%2.92.9N,w/%1.41.2O,w/%3.52.5S,w/%3.33.4灰分,w/%25.226.4水分,w/%2.00.6挥发分,w/%18.419.1QHHV/MJkg-124.024.7煤气成分CO2,/%3.91.9CO,/%60.560.0H2,/%22.122.3N2+A
26、r,/%13.515.8H2S+COS,/%1.21.23.3 运行中出现的的问题及解决办法(1)压力供料锁斗粉煤下落不畅问题产生的原因:在两级锁斗间有1根N2回流管,由于管径设计得太小,导致N2流动阻力大,排气不畅而使粉煤下落不连续。解决办法是在回流管上增加1个文丘里N2抽气器,以提高N2的回流速度,从而使排气畅通,粉煤下落连续而均匀。(2)黑水处理系统的细渣过滤问题对于黑水细渣太多导致黑水系统出现磨损堵塞的问题,解决办法是采取过滤措施,将黑水中的细渣脱除。4Prenflo和Shell煤气化工艺的主要区别Prenflo和Shell两种煤气化工艺都是采用干粉煤进料方式,工艺过程基于加压纯氧气流
27、床反应机理。工艺流程中的磨煤与干燥、粉煤加压与进料、气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系统几乎是相同的;气化炉和煤气冷却器均采用水冷壁和螺旋盘管换热器的结构。2种工艺的主要区别初步分析如下:(1)气化炉的反应区二者几乎没有区别,但在煤气冷却器的结构上差别较大。Prenflo气化炉的热煤气先在第一级冷却器中的中心圆筒内上升,有利于熔融态灰渣的凝固和降落,有利于熔渣在中心垂直圆壁上顺利流下。这种结构延长了煤气在高温区的停留时间,对提高产渣率和碳转化率有利,但气化炉内的换热面较多,气化炉的直径比Shell的大,且气化炉的阻力降增加。(2)Shell气化工艺产生的煤气向上流动,被激冷后经中心垂
28、直的激冷段和45 输气管连接独立的合成气冷却器,热煤气中熔融态飞灰凝固后也同样顺利降落到气化炉底部渣池,水冷壁结构相对简单,气体流动不变向,阻力降相对较小。Prenflo气化工艺产生的煤气先向上经中心圆筒,再折返向下经4层螺旋管换热器冷却后出气化炉(煤气出口在气化炉腰部),再经水平输气管连接独立的煤气冷却器。Prenflo的第二级冷却器和Shell的合成气冷却器结构相似,但Prenflo的第一级冷却器结构较复杂。(3)Prenflo工艺采用85%纯度的氧气作为气化剂,虽然其煤气热值、碳转化率、冷煤气效率、总效率略低于95%纯度的氧气,但可减小空分系统的功耗。Shell工艺的氧气纯度为95%,可
29、保持气化炉设备的紧凑性。(4)Prenflo工艺对原料粉煤细度要求R100质量分数为25%(对烟煤),而Shell工艺要求R9010%。这说明两种工艺对磨煤以及粉煤输送系统有不同要求,主要体现在磨煤系统功率消耗和对输送介质高压N2的流量与速度要求的差别。5 结语(1)Prenflo煤气化工艺从开发到商业化应用是成功的,其工艺机理及过程和Shell煤气化工艺十分相似。据有关资料报道,该工艺的主要技术经济指标具备与Shell工艺进行竞争的能力。(2)我国自上世纪80年代初引进Texaco煤气化工艺,90年代末引进Shell煤气化工艺,对今后我国应用洁净煤气化技术的发展具有重要意义。由于我国地域辽阔以及煤资源的多样性,需要对各种先进的洁净煤气化工艺进行研究和认识,因此,关注Prenflo煤气化工艺的发展是必要的。收稿日期:2005-02-297第3期 郑振安 PRENFLO煤气化工艺的开发和应用