3操作原理Word下载.docx

3操作原理Word下载.docx

《3操作原理Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3操作原理Word下载.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

BGL气化炉内为三个区域，从底部到顶部分别是：

燃烧段、气化段、干馏和干燥段，BGL气化炉原理简见图3.1。

3.2.1燃烧区

混合后的蒸汽和氧气通过喷嘴喷入气化炉底部燃烧区氧气迅速与炉煤发生燃烧反应，产生大量的热量、CO和CO2，该区域在煤层下5.5~7.2m的区域内发生，燃烧中心的温度达1500~2000℃，保持烧然段处于高温状态，以便煤灰分融化并与助溶剂混合形成自由流动液体灰渣，保留在气化炉炉膛中。

燃烧区主要是通过碳和氧反应为气化反应提供所需的热量。

燃烧段的主要反应方程式如下：

C+O2=CO2+408.8MJ/mol

2C+O2=2CO+246.4MJkg/mol

3.2.2气化区

燃烧段过来的气体，主要含CO2和蒸汽，在与上部形成的煤焦炭进行反应，通过一系列平衡吸热反应并消耗热量后，冷却产品气，最后温度降低，气体与煤焦炭反应减少。

主气化区的反应温度在900~1100℃，在煤层以下1.5~4.0m的区域内发生，主要反应方程式如下：

C+H2O＝CO+H2-118.8MJ/mol

C+2H2O＝CO2+2H2-75.2MJ/mol

CO+H2O＝CO2+H2+42.9MJ/mol

C+CO2＝2CO-246.4MJ/mol

C+2H2＝CH4+87.38MJ/mol

CO+3H2＝CH4+H2O-206.2MJ/mol

气化区的控制反应是a，甲烷化反应e和反应d对离开气化区的煤气组成影响较小。

反应b，c，f，对煤气组成的影响更小，对活性差的煤其影响可忽略不计。

在煤层下4.0~5.5m的区域内，也就是1100~1500℃过渡区煤层中粗煤气得到了冷却和煤得到了部分气化，同时煤的温度得到提升，为煤进入燃烧区燃烧提供了必要的温度条件。

加入炉内的中压蒸汽在该区域内基本消耗殆尽，蒸汽的分解率可达到97.5%，粗煤气中的水蒸气基本为煤中带入的水分蒸发得到的。

3.2.3干馏和干燥区

气化炉下部产生的高温煤气与原料煤逆流接触，煤层下约0.5m以内的区域为干燥区，温度小于500℃，在此区域原料煤被加热干燥；

干燥之后的煤层继续下移进入到500~900℃，此区域的煤层高度在煤层下0.5~1.5m，原煤受热分解释放出煤中的挥发分，如焦油、中油、石脑油、酚、氨和脂肪酸，进入粗煤气中。

水份在燃料床的最顶部区域脱除。

实际上鼓风口进来的所有工艺蒸汽在气化炉底部反应过程中全部消耗，原煤中脱出的水份几乎都是原料气从气化炉带来的蒸汽。

图3.1BGL气化炉原理简图

3.3操作条件对气化过程的影响

操作条件对气化过程的主要影响因素为气化压力、气化温度及汽氧比等。

3.3.1气化压力

1）压力对煤气组成的影响：

提高气化炉操作压力，有助于下列各反应的进行：

C＋2H2＝CH4

CO＋3H2＝CH4＋H2O

2CO＋2H2＝CH4＋CO2

CO2＋4H2＝CH4＋2H2O

提高气化压力，不利于下列反应的进行：

2H2O＝2H2＋O2

C＋H2O＝H2＋CO

C＋2H2O＝2H2＋CO2

随着气化压力的提高，有利于体积缩小的反应进行，煤气中的CH4和CO2含量增加，煤气的热量提高。

2）压力对煤气产率的影响：

随着压力升高，煤气产率下降。

褐煤气化时煤气产率与气化压力的关系，煤气产率随压力升高而下降是由于生成气中甲烷量增多，从而使煤气总体积减少。

3）压力对气化炉生产能力的影响：

在相同温度下的加压气化对提高气化炉生产能力有利。

气化炉的生产能力取决于气化反应的化学反应速度和气固相的扩散速度。

在加压情况下，同样的温度条件，可以获得较大的生成甲烷的反应速度。

因而在相同温度下加压气化的化学反应速度比常压快，对提高气化炉的生产能力有利。

炉内气流速度的提高，对提高生产能力亦是重要的措施。

4）压力对氧和蒸汽消耗量的影响：

随着压力升高水蒸气消耗量增多。

因压力升高，生成甲烷所耗氢量增加，则气化系统需要水蒸气分解的绝对量增加，而压力增高却使水蒸气分解反应向左进行的速度增大，即水蒸气分解率下降。

如在常压下水蒸气的分解率约为65％，而在2．0MPa下水蒸气分解率降至36％左右。

由于上述原因，加压气化比常压气化的水蒸气耗量大大增加随压力升高，氧气消耗量下降而蒸汽耗量增加。

本项目煤气化装置的气化压力由合成氨装置所决定，由于本项目后系统生产合成气制合成氨，所以整个系统能量平衡，气化炉压力在4.0MPa（g）最为节能。

3.3.2气化温度

气化温度通常是指气化层温度。

气化温度对煤气组成影响很大；

随气化温度的升高，H2和CO含量升高；

CO2和CH4含量降低。

气化温度的选择还与煤种和气化工艺技术密切相关。

气化变质程度深的煤应有较高的反应温度。

对于液态排渣气化方式，气化温度的选择往往取决于煤灰熔化温度，气化温度必须高于煤灰熔化温度。

3.3.3汽氧比

汽氧比是指气化剂中水蒸汽与氧气的比值。

汽氧比是调整、控制气化过程温度、改变煤气组成，影响副产品产量及质量的重要因素。

在加压气化煤气生产中，汽氧比是一个非常重要的操作条件，是影响气化过程最活泼的因素。

在一定的气化温度和煤气组成变化条件下，同一煤种汽氧比有一个变动的范围。

不同煤种的变动范围也不同。

在加压气化生产中，采用不同汽氧比，对煤气生产的影响主要有以下几个方面：

在一定热负荷条件下，水蒸气的消耗量随汽氧比的提高而增加，氧气的消耗量随汽氧比提高而相对减少。

汽氧比的提高，使水蒸气的分解率显著下降，这将加大煤气废水量。

不但浪费了水蒸气，同时还加大了煤气冷却系统的热负荷，会使煤气水废水处理系统的负荷增加。

汽氧比的改变对煤气组成影响较大。

随着汽氧比的增加，气化炉内反应温度降低，煤气组成中一氧化碳含量减少，二氧化碳还原减少使煤气中二氧化碳与氢含量升高。

汽氧比改变和炉内温度的变化对副产品焦油的性质也有所影响。

提高汽氧比以后，焦油中碱性组分下降，芳烃组分则显著增加。

本BGL气化炉的汽氧比设计为0.92kg/m3（标况），将汽氧比控制在0.7～1.22kg/m3（标况）范围内。

3.4煤的理化性质对气化的影响

煤由树木、植物和植物残骸的残余物抑制分解形成。

最早的煤是泥煤，它是由植物残骸进行生物和化学反应而形成的。

经过压力、热量和其它自然现象的持续作用将泥煤变为煤。

在这一过程中因为质变的程度不同，所以煤并不是一种均匀的物质。

没有两种煤是完全相同的。

煤通过等级进行分类，这种分类方法衡量形成煤的植物残骸变性质变的不同程度。

图3-1显示了在最终分析中不同煤的三维图像。

图3.2最终分析的三维图表％WTDAF

与煤等级紧密相连的是其活性。

活性是对煤转化难易程度的一种量度。

在绝大多数而不是所有情况下，褐煤比无烟煤具有更高的活性，褐煤的堆密度一般在640~860kg/m3，我公司的型煤堆密度在680~810kg/m3。

与煤的等级紧密相连的就是它的反应性。

反应性可被认作是煤转化容易程度的一种量度。

在大多数情况下，但不是全部，低级煤比高级煤具有更高的反应性。

3.4.1煤的粒度对加压气化的影响

在固定床、逆流接触块煤加压气化工艺过程中，原料煤的粒度直接影响到气化炉的运转负荷，煤气和焦油的产率及气化时的各项消耗指标。

所以气化生产对原料煤的粒度有一定要求。

原料煤粒度影响主要表现在以下几方面：

1）原料煤粒度大小与比表面积之间的关系

原料煤的粒度小，则其比表面积大，有利于传质和传热，对气化有利。

2）粒度大小与其加热速度之间的关系

粒度的大小对炉中的燃料准备层的加热速度及焦油产率有很大的影响。

粒度愈大，则加热愈慢，在煤内部和外表面之间的温差愈大，使得颗粒内的焦油蒸汽扩散阻力和停留时间增加，因此焦油的热分解增加。

3）粒度与气化炉生产能力之间的关系

原料煤粒度愈小，越易被产生的煤气带出炉外，带出物增多，则会降低气化炉的生产效率。

可见，原料煤的粒度限制了气化炉出口煤气的流速。

4）粒度的大小对各项气化指标的影响

煤粒愈小，小粒愈多则煤气带出炉外量越多，使煤气产率降低。

此外，由于煤粉易造成灰分集中，致使气化粉煤高的煤，水蒸气和氧气的消耗量增加，煤耗也高。

5）气化用煤粒度的选择

由上述可知，煤粒度愈小，小粒度煤愈多对于气化生产愈不利，煤气夹带物增多，气化效率下降；

煤层阻力增大，限低了气化炉的负荷；

煤耗、水蒸汽消耗、氧气消耗等各项消耗指标增大。

所以控制煤粉量是气化生产煤准备阶段的一项重要工作。

在气化过程中，加入到气化炉中煤粒的均匀性是十分重要的。

煤粒度的大、小范围越大，小粒度的煤会充填到大粒子的空隙，使得床层的空隙率减小，阻力显著增加；

同时还会使燃料床层透气性不均匀，使床层易产生沟流，烧穿现象。

因此备煤准备控制好入炉煤的最大粒度与最小粒度之比，对于煤气化过程是至关重要的，一般要求原料煤的粒度范围为：

最大粒度与最小粒度之比不大于8。

BGL气化炉使用煤的粒度设计在6～50mm。

3.4.2原料煤中水分对气化的影响

煤中所含的水分随煤的碳化程度加深而减少，水分较高的煤，挥发份往往比较高，则进入气化层的焦炭质气孔率也较大，因而使反应速度加快，生成的煤气的质量也好；

另外，气化煤质一定时，其焦油和水分存在着一定的关系，水分太低，会使焦油产率下降。

由于加压气化炉的生产能力较高，煤在干燥层的加热速度很快，一般在20～40℃/min之间，因此对一些热稳定性差的煤，为防止热裂，就要求煤中含有一定水分。

但煤中过高的水分又会给气化带来不良的影响。

1）过高的水分，增加了干燥所需的热量，从而增加了氧气的消耗量。

2）水分过大，煤处于潮湿状态，易形成煤粉粘结，不便煤的筛分，使入炉粉煤量增加。

3）入炉煤水分过高，干燥不能充分，这样将导致干馏过程不能正常进行，而未充分干馏的煤进入气化段后，又会降低气化段的温度，最终导致甲烷生成反应，二氧化碳及水蒸气的还原反应速度大大降低，煤气的生成即气化条件变坏，煤气质量显著降低。

BGL气化炉使用煤的水含量设计在7~9wt%，实际型煤的水含量在9~11wt%。

3.4.3煤中灰分对气化的影响

3.4.3.1煤的灰分组成对气化的影响

煤的灰分是煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在一定温度下产生一系列分解化合等复杂反应后剩下来的残渣。

因此，煤的灰分是一种废物，它在气化过程中也会带来有害的影响：

1）煤灰分高，不但降低了煤的热值，而且增加了运输费用。

2）煤灰分增大，溶渣中的碳含量也会增大，这样增加了碳损失，降低了气化效率。

3）煤灰分高，随溶渣带出的显热也增大，从而加大了热损失。

4）随着煤中灰分增大，加压气化的各项消耗指标，如蒸汽消耗，氧气消耗、煤耗等都有所上升，而净煤气的产率下降。

3.4.3.2煤的灰分组成对煤灰熔点（FT）的影响

对于液态排渣的气化炉，其要求原料煤灰熔点越低越好，当气化灰熔点高的煤时，为了保证能够顺利排渣，气化炉的操作温度必须提高。

这样容易造成气化炉耐火砖和专利部件超温造成损坏。

灰熔点的高低取决于灰分的组成，在灰分的组成中SiO2和AL2O3能增高灰熔点，而CaO和MgO能降低灰渣的灰熔点。

通常加入一定比例的石灰石降低煤的灰熔点。

3.4.3.3石灰石的添加量计算

在气化炉实际的运行过程中，入炉煤种的灰分含量都处于变化之中，而且不同的煤种其灰分组成、灰熔点（FT）均不同，特别对于FT大于1400℃的煤种，需要添加廉价的物料降低煤种的灰熔点，石灰石（CaO）正好符合这一条件，石灰石与煤灰熔点主要影响组分SiO2、Al2O3的关系用SiO2-Al2O3-CaO三元混合物相图如图3.3表示。

图3.3SiO2-Al2O3-CaO三元混合物相图

石灰石的添加量需要考虑其主要成分CaCO3在1100℃受热分解后的CO2损失量（约损失44%的质量），一般情况下当灰渣中SiO2的含量大于55wt%将其含量调整到55wt%即可：

以上公式中的氧化物均代表其在灰渣中的质量。

在三元相图3.3中有一个SiO2与CaO相交的角形区域内有一个1266℃的低熔点三相区是最理想的调整目标区域，但是单纯通过加入CaO来进入该区域并不一定适用。

当原料煤灰组成在三元相图上的交点与相图中100%的CaO角的连线不通过该区域时，这将表明炉渣成分曲线需要选择另外一个调整的目标区域，调整到理想的目标区域后，相图中的原料煤灰组分和渣组分之间的距离越短，则所需的石灰石越少。

3.4.4煤的机械强度和热稳定性对气化的影响

煤的机械强度即是指煤的抗碎能力，易破碎的煤在不断的输送转运过程中将容易破碎产生小粒度的煤块和煤粉，将会造成粗煤气中的尘含量大幅上升，同时气化炉煤床中的阻力上升容易造成粗煤气的沟流现象，从而造成设备或耐火衬里的损坏。

煤的热稳定性是指煤在经受高温和温度急剧变化时所产生的粉碎程度。

热稳定性差的煤在气化炉煤床粉化，不但造成粗煤气中的尘含量上升而且煤床内阻力降一会上升极易造成沟流现象的发生。

以上两项指标都容易造成粗煤气中的粉尘含量超标，造成后续的煤气水分离和变换的除尘受到影响，严重者造成后续系统设备管道的堵塞。

同时，气化炉的燃烧状况不理想，气化剂氧气上移造成出口温度过高或者火焰回火烧坏气化剂喷嘴。

3.4.5煤的粘结性对气化的影响

煤的粘结性是指煤在高温下干馏粘结的性能。

粘结性煤在气化炉上部加热到300~400℃时，会出现粘结和膨胀，使煤变成一种高粘度的液体，使得较小的煤块粘结成大块，从而导致气流分布不均匀和阻碍料层的下移，使气化过程恶化。

因此煤的粘结对煤气化是一个极不利的因素。

一般加压气化用煤采用自由膨胀指数小于1的不粘煤，若气化弱粘煤，则须在炉上部增设破粘的搅拌装置，但破粘装置现仅能处理自由膨胀指数小于7的煤，对于一些强粘结性煤，其破粘效果也不佳。

3.4.6煤的化学活性对气化的影响

煤的化学活性是指煤同气化剂反应时的活性，也就是指碳与氧气、二氧化碳和水蒸汽相互作用时的速度。

煤种不同，其反应活性是不一样的。

碳的组织及形态，特别是其气化壁的微细组织的发达程度，对碳的反应活性影响较大。

一般煤的碳化程度越浅，其形成的焦碳质的气孔率越大，即其内表面积越大，则该煤种反应活性越高。

反应活性越高，反应时煤发生反应的起始温度越低，常见的几种煤的起始反应温度为：

褐煤：

694℃，次烟煤：

732℃，半无烟煤：

788℃。

煤的起始反应温度越低，气化温度越低，从而有利于甲烷的生成。

而生产甲烷的反应放出大量的热量，其又促进了其它气化反应的进行，从而降低了气化过程的氧气消耗，提高了氧的利用率。

在气化温度相同时，煤焦炭质反应性越高，气化反应速度进行的越快，反应接近平衡的时间越短，因此反应活性高的煤，气化炉的生产能力越大。

反应活性对气化过程的影响，在温度比较低的条件下，反应比较显著。

当温度升高时，温度对反应速度的影响显著加强，这时相对地降低了反应活性的影响程度。

3.5气化炉关键设备

BGL熔渣气化技术除渣锁煤锁（锥阀）、烧嘴、熔渣池、连接短节以及点火器为专利商专有设备外，其余设备基本可实现国产，降低了投资。

各主要设备作用及基本原理介绍如下：

3.5.1煤仓

漏斗形，用来贮存原料煤，配置为双煤仓，单个煤仓的容积412m3。

在输煤系统故障情况下可提供4小时供煤量，保证气化炉的安全运行，为检修或者安全停炉提供缓冲时间。

3.5.2煤锁（包括Y型连接）

专利部件，煤锁是煤仓和气化炉的连接纽带，是低压系统和高压系统串接的过渡，由液压系统提供动力驱动，通过煤锁，原料煤得以加入气化炉。

出于安全稳定运行的需要，设置双煤锁，单煤锁的容积为11.4m3，有效容积80％，最小进料能力为设计工况60％。

单煤锁的操作周期为10～12分钟，设计工况为每小时加煤5次，双煤锁轮流向气化炉进煤。

煤锁一个运行周期包括泄压、排尽余气、下煤和充压几个基本过程。

煤锁充压采用煤锁泄压气加压后提供，剩余的粗煤气送往粗煤气总管进入变换工序。

3.5.3气化炉

气化关键设备，燃烧和气化反应发生在气化炉中，原料煤床层和生成粗煤气在炉内逆流接触换热，原料煤被干燥和干馏，粗煤气被冷却。

气化炉结构为双层夹套式，外层为承压壳体，内层不承压，在内层外层壳体夹套中通循环锅炉水移走内夹套热量并副产中压蒸汽，配置有强制循环和事故状态自然循环辅助设施，保证设备不超温。

气化炉下部为锥形熔渣池，渣池由3部分组成，其中最上一部分由12块精筒部件连接组成，中部渣池和下部渣池为整体铸造而成，渣池材质为精铜。

渣池设置有高压冷却水系统，移走设备积累的热量，防止超温而被损坏。

气化炉最底部为排渣口，也属于专利设备。

气化炉外形尺寸：

φ3600/φ4540×

13590mm，主体材质13MnNiMoR

气化炉上部结构与干法排灰的碎煤加压气化炉相同，炉体下部设有气化剂6个气化剂喷嘴（鼓风口），渣池部分设置水冷壁结构并表面覆有SiC材料，炉体设有夹套，采用强制循环。

炉内工作压力4.0MPa（g），渣池温度1550℃。

3.5.4喷嘴

专利设备，气化炉附属设备，为气化炉发生燃烧气化反应提供氧气＋蒸汽，每台气化炉布置有6个鼓风口，呈对称分布，为使布气均匀避免偏烧，6个鼓风口均匀布置在围绕气化炉的环形缓冲管上。

由于鼓风口头处于燃烧中心，温度高、易损坏，鼓风口设置有冷却循环系统，移走鼓风口部位热量进行保护。

对整个气化来说，鼓风口属于易损件，一般每60天需要检修或者更换，鼓风口使用寿命一般为1年，可以修补3～4次。

3.5.5连接短节

专利部件，主要作用连接气化炉和渣激冷系统，内部布置有燃烧系统和换热盘管等内件，燃烧系统作用是利用火焰张力，托住气化炉内液态熔渣，排渣时降低燃烧负荷，并通过盘管排出燃烧气体以降低压力，使液态熔渣排入渣激冷室。

由于连接短节内部有燃烧强发热反应，为防止超温配置有冷却水系统，该系统与鼓风口冷却水和渣池冷却水系统合并共用。

3.5.6渣激冷室

主要作用是将熔渣淬冷，破裂成为粒度2～3mm、分布均匀的玻璃态固态渣，激冷室充满渣水，并通过换热器不断移走熔渣带入的热量。

3.5.7渣锁

专利设备，主要作用是排出气化炉产生的灰渣，渣锁在正常情况下与渣激冷室连通，内部充满渣水，灰渣在渣锁底部进行沉积，每1.75小时排渣1次，由液压系统提供动力进行驱动。

3.5.8汽包

分离夹套产生的饱和蒸汽，并起到贮水缓冲作用，防止事故状态下夹套液位过低而出现鼓包，损坏气化炉。

在汽包产气量降低或者事故的情况下，可以通过中压蒸汽管网提供吹扫蒸汽，防止煤气倒灌进入汽包或者夹套。

3.5.9粗煤气洗涤器

文丘里洗涤器，在粗煤气和煤气水间发生传质传热过程。

主要作用是冷却洗涤粗煤气，洗涤出粗煤气中酚、氨、硫化物、氰化物和有机物等组分，主要是洗涤除去粗煤气中大部分焦油和煤尘除去，防止下游工序堵塞。

3.5.10废热锅炉

管壳式间接换热器，作用有三个，一是平衡气化炉内夹套压差，防止气化炉超压，二是收集贮存煤气水，起缓冲作用，三是回收粗煤气热量，降低粗煤气温度进一步降低焦油含量，保护变换催化剂。

3.5.11气化炉夹套

气化炉是一个双层压力容器，内外壁中间区域充满循环锅炉水，循环锅炉水温度保持在略低于操作压力下沸点，以冷却内壁或者当耐火材料出现破损时保护内壁不出现损伤。

为保证夹套的循环量，正常情况下采用泵提压强制循环，当泵出现故障紧急停车时设置有自然循环管线，保证夹套供水。

夹套的另一重要作用是保证气化炉内壳内外压差≤0.2MPa（g），通过将夹套循环系统产生中压蒸汽与废热锅炉底部连通来保证压差，为防止事故状态下粗煤气倒入夹套系统，夹套系统设置有中压蒸汽吹扫管线，防止倒灌。

3.5.12固定式带式输送机

图3.2为带式输送机的结构简图。

它由输送带、驱动装置、托辊、机架、清扫器、拉紧装置和制动装置等组成。

输送带l绕经驱动滚筒2和尾部改向滚筒3形成无极的环形封闭带。

上、下两股股输送带分别支承在上托辊4和下托辊5上。

拉紧装置7保证输送带正常运转所需的张紧力。

工作时，驱动滚筒通过摩擦力驱动输送带运行。

物料装在输送带上与输送带一同运动。

通常利用上股输送带运送物料，并在输送带绕过机头滚筒改变方向时卸载。

必要时，可利用专门的卸载装置在输送机中部任意点进行卸载。

图3.2带式输送机的结构简图

3.5.13加药系统

3.5.13.1磷酸盐加药系统

本装置废热锅炉所用的水为锅炉，水质较好。

但水质再好，也不可避免地仍有微量的可溶性盐类，如Fe、SiO2等杂质带入。

这些杂质不但引起腐蚀，而且在锅炉中会生成水垢和水渣。

本装置采用加磷酸盐防止锅炉水结垢。

PO43-是磷酸盐的水解产物，磷酸盐是作为防垢剂加入炉水中的。

由于锅炉水处在沸腾条件下，且PH值在9～10.5，炉水中的Ca2+与PO43-将发生下列反应：

10Ca2++6PO43-+2OH-→Ca10（OH）2（PO4）6

生成物碱式磷酸钙是一种松软的水渣，易随锅炉排污除去，且不会粘附在锅内形成二次水垢。

由于碱式磷酸钙是一种难溶化合物，其溶度积较小，故只要炉水中保持适量的过剩PO43-，就可使炉水中Ca2+浓度非常小，从而达不到CaSO4及CaSiO3的溶度积，也就不会生成水垢。

运行中，PO43-过剩量要适度，过剩量太小，防垢效果差，过剩量过大，会造成药品消耗上升、炉水含盐量增加、形成Mg3（PO4）2垢及发生磷酸盐“隐藏”现象等，中压锅炉一般控制在2～15mg/L。

3.5.13.2氢氧化钠加药系统

激冷室的渣水在正常下为酸性，对设备的腐蚀作用很强，而且渣水的成分复杂，在酸性条件下很容易形成结垢物，导致管道堵塞。

加入氢氧化钠控制渣水的pH为7-9能很好的解决以上问题。