德士古氣化爐

1、 texaco（德士古）氣化爐2 z% p: q- u- 德士古氣化爐是一種以水煤氣為進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝。德士古氣化爐由美國(guó)德士古石油公司所屬的德士古開(kāi)發(fā)公司在1946年研制成功的，1953年第一臺(tái)德士古重油氣化工業(yè)裝置投產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，1956年開(kāi)始開(kāi)發(fā)煤的氣化。本世紀(jì)70年代初期發(fā)生世界性危機(jī)，美國(guó)能源部制定了煤液化開(kāi)發(fā)計(jì)劃，于是，德士古公司據(jù)此在加利福尼亞州蒙特貝洛（montebello）研究所建設(shè)了日處理15t的德士古氣化裝置，用于燒制煤和煤液化殘?jiān)?目前國(guó)內(nèi)大化肥裝置較多采用德士古氣化爐，并且世界范圍內(nèi)igcc電站多采用德士古式氣化爐。典型代表產(chǎn)品我廠(chǎng)制造過(guò)的德士古氣化爐典型

2、的產(chǎn)品有：渭河氣化爐、恒升氣化爐、神木氣化爐、神華氣化爐等。1992年為渭河研制的德士古氣化爐是國(guó)際80年代的新技術(shù)，制造技術(shù)為國(guó)內(nèi)先例，該氣化爐獲1995年度國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。它的研制成功為化工設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，替代進(jìn)口做出了重要貢獻(xiàn)。德士古氣化爐是所以第二代氣化爐中發(fā)展最迅速、開(kāi)發(fā)最成功的一個(gè)，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。一、德士古氣化的基本原理 德士古水煤漿加壓氣化過(guò)程屬于氣化床疏相并流反應(yīng)，水煤漿通過(guò) 噴嘴在高速氧氣流的作用下，破碎、霧化噴入氣化爐。氧氣和霧狀水煤漿在爐內(nèi)受到耐火磚里的高溫輻射作用，迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒以及碳的氣化等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，最后生成一氧

3、化碳，氫氣二氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣，熔渣和未反應(yīng)的碳，一起同向流下，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入爐子底部激冷室水浴，熔渣經(jīng)淬冷、固化后被截流在水中，落入渣罐，經(jīng)排渣系統(tǒng)定時(shí)排放。煤氣和飽和蒸汽進(jìn)入煤氣冷卻系統(tǒng)。 水煤漿是一種最現(xiàn)實(shí)的煤基流體燃料,燃燒效率達(dá)9699%或更高,鍋爐效率在90%左右,達(dá)到燃油等同水平。也是一種制備相對(duì)簡(jiǎn)單,便于輸送儲(chǔ)存,安全可靠,低污染的新型清潔燃料1。具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景。水煤漿的氣化是將一定粒度的煤顆粒及少量的添加劑在磨機(jī)中磨成可以泵送的非牛頓型流體,與氧氣在加壓及高溫條件下不完全燃燒,制得高溫合成氣的技術(shù),以其合成氣質(zhì)量好、碳轉(zhuǎn)化率高、單爐產(chǎn)氣能力大、三廢排

4、放少的優(yōu)點(diǎn)一直受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注,我國(guó)也將水煤漿氣化技術(shù)列為“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的科技攻關(guān)項(xiàng)目。 本文基于目前我國(guó)水煤漿氣化技術(shù)的現(xiàn)狀,以texaco氣化爐為研究對(duì)象,根據(jù)對(duì)氣化爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒和氣化反應(yīng)的特性分析,將texaco氣化爐膛分成三個(gè)模擬區(qū)域,即燃燒區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū),分別對(duì)各區(qū)運(yùn)用質(zhì)量守恒和能量守恒方程,建立了過(guò)程仿真模型。該模型考慮了氣固兩相流動(dòng)、煤熱解、輻射換熱及包括均相和異相在內(nèi)的氣化反應(yīng)過(guò)程。在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)仿真,并進(jìn)行參數(shù)化研究和仿真結(jié)果分析,分析不同參數(shù)下仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)。 為更進(jìn)一步了解氣化爐內(nèi)氣體組分以及溫度的分布情況,本文利用flu

5、ent建立texaco氣化爐的cfd模型,采用非預(yù)混燃燒模型,考慮氣固兩相流動(dòng),化學(xué)反應(yīng)、對(duì)流、輻射換熱以及反應(yīng)熱。揮發(fā)份的氣相湍流燃燒用混合分?jǐn)?shù)法來(lái)模擬,用標(biāo)準(zhǔn)k ?紊流模型模擬氣固兩相流動(dòng),對(duì)爐內(nèi)燃燒的輻射與對(duì)流換熱采用p-1輻射模型。仿真結(jié)果很好的驗(yàn)證了本文對(duì)氣化爐膛中三區(qū)模型劃分的正確性,并進(jìn)行參數(shù)化研究和仿真結(jié)果分析,得出結(jié)果與過(guò)程仿真結(jié)果結(jié)果吻合。二、texaco（德士古）氣化爐技術(shù)特點(diǎn)2爐 z% p: q- u- 德士古氣化爐是一種以水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床氣化裝置，水煤漿由氣化劑夾帶由專(zhuān)門(mén)的噴嘴噴入爐內(nèi)，瞬間氣化。 優(yōu)點(diǎn)： （1）甲烷含量低，利于甲醇與氨的合成 （2）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

6、，內(nèi)件很少；理論上可以用于任何煤種 （3）具有較長(zhǎng)的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，操作危險(xiǎn)性小，可用率達(dá)80%-85% （4）利用水煤漿便于高壓泵送的特點(diǎn)，可以制備壓力很高的粗煤氣 （5）能充分利用一切污水源制作水煤漿 （6）氣化爐的運(yùn)行費(fèi)用較低 （7）后續(xù)的除灰系統(tǒng)比較簡(jiǎn)化2 z% p: q- u- 裝置特點(diǎn)：（1）原料適應(yīng)廣。各種煙煤、氣煤、肥煤，都可以用來(lái)制氣，對(duì)煤的水分、灰分、可然霧含量、灰熔點(diǎn)等沒(méi)有苛刻的要求，這有利于廠(chǎng)家就近選煤，可大大節(jié)約成本。1 v a. d+ : q（2）氣體有效成分高。有效成分(co+h2)80%-82%，魯奇氣化工藝的有效氣成分(co+h2)只有50%-70%（見(jiàn)表1）。

7、排渣無(wú)污染，污水污染小易處理。因高溫氣化，氣體中含甲烷很低（ch40.1%），無(wú)焦油，廢渣可以綜合利用。/ c4 s- l$ k- x(# f0 ?( r8 o 5 v（3）氣化壓力范圍大。從2.56.5mpa皆有工業(yè)化裝置，以4.0mpa較為普遍，氣化壓力高可節(jié)省合成氣壓縮功。+ g& ) h, + q4 w . s* j, ?6 f; i( （4）碳的轉(zhuǎn)化率高。碳的轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%。z8 z, 4 5 c3 g% c7 （5）氣化爐熱量利用。氣化爐有激冷，廢鍋，激冷和廢鍋結(jié)合的3種流程?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品進(jìn)行選擇氣化流程。由激冷工藝制得合成氣，汽氣比達(dá)到1.4，特別適合作為生產(chǎn)合成氨和甲醇的氣頭

8、（見(jiàn)表2），也可作為制氫、羰基合成氣等，用途廣泛。廢鍋流程適合用做然氣透平循環(huán)聯(lián)合發(fā)電工程，副產(chǎn)的高壓蒸氣用于蒸氣透平發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)多聯(lián)供 （6）氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單生產(chǎn)能力大。氣化爐內(nèi)無(wú)傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一臺(tái)3200mm的氣化爐氣化壓力4.mpa0生產(chǎn)的合成氣可以日產(chǎn)合成氨760t以上。vq$ ) i8 * ?# v# o _# 缺點(diǎn)： 對(duì)煤質(zhì)要求方面，要求活性好，灰熔點(diǎn)低，由于其工藝原料是水煤漿（含碳60%左右）要求流動(dòng)性、成漿性、灰熔點(diǎn)、可磨性、灰份要求嚴(yán)格必須試燒認(rèn)可，改變煤種也需要經(jīng)過(guò)試燒認(rèn)可。同時(shí)水煤漿中含35%水分，因此比氧耗高，比煤耗高。同時(shí)氣化爐噴嘴使用周期短，耐火材料容易侵

9、蝕損壞，灰水處理系統(tǒng)較大，濕灰處理較困難，對(duì)廠(chǎng)區(qū)環(huán)境影響教大。texaco水煤漿加壓氣化工藝，目前仍是廣泛應(yīng) 用的煤氣化技術(shù)之一。它是以氧氣為氣化劑與水 煤漿混合霧化后一起高速通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣流床反 應(yīng)器(也稱(chēng)為氣化爐)，并在高溫下發(fā)生不完全氧化 反應(yīng)，最終生成h 、co、co 等合成氣，不生成焦 油、酚及高級(jí)碳?xì)浠衔锏扔泻Ω碑a(chǎn)品，合成氣體 可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、二甲醚、醋酸等化學(xué)品和 循環(huán)發(fā)電。氣化過(guò)程為達(dá)到較高碳轉(zhuǎn)化率，采用部 分氧化反應(yīng)釋放大量熱能，維持反應(yīng)器內(nèi)溫度在煤 灰熔點(diǎn)溫度以上 j。但是在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，工藝 方面操作條件和控制指標(biāo)的變化，會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn) 題，影響系統(tǒng)正常的運(yùn)行

10、。三、 texaco水煤漿加壓氣化的工藝流程 texaco氣化爐分為淬火型氣化爐和配置有輻射 制冷器的氣化爐(又稱(chēng)全熱能回收型) 。如圖1 和圖2所示。兩種氣化爐的上部結(jié)構(gòu)和氣化工藝是 相同的，下部合成器的冷卻方式不同。texaco水煤 漿氣化工藝過(guò)程包括煤漿的制備和輸送、煤漿氣化 和熱量回收、煤氣的冷卻和凈化、閃蒸及水處理等 工序。在氣化爐中，工藝氣和灰渣經(jīng)下降管進(jìn)入激 冷室，激冷室上部有激冷環(huán)，下部進(jìn)入水中，煤氣中 的熔渣迅速冷卻后分離下來(lái)，并沉降在激冷室底 部，隨后進(jìn)入渣灌，由排渣系統(tǒng)定時(shí)排放 ；冷卻后 的工藝氣在水中激冷至露點(diǎn)溫度，使其處于水蒸氣 飽和狀態(tài)滿(mǎn)足變換反應(yīng)要求，經(jīng)過(guò)側(cè)壁上的

11、出口離 開(kāi)氣化爐的工藝氣進(jìn)入洗滌工序經(jīng)冷卻凈化后送 人變化工序；氣化爐排出的灰水經(jīng)4級(jí)閃蒸后，一部 分循環(huán)利用，另一部分作廢水處理。 煤性質(zhì)的影響 水煤漿氣化工藝過(guò)程與煤的性質(zhì)要求有一定 的限制，主要包括： （1）煤所含的內(nèi)水即煤的結(jié)合水，能影響煤漿的濃度，內(nèi)水含量越高，制備的煤漿濃 度越低，降低了煤氣的氣化率，同時(shí)產(chǎn)生的工藝氣 中有效氣的含量低。 （2）灰分和灰熔點(diǎn)，灰分的主要 化學(xué)成分是fe2o3、tio2、sio2、a12o3、cao、mgo、 na，o等，灰分是以結(jié)晶成不同的結(jié)構(gòu)的混合物，灰 分含量大，氧氣的耗損量也相應(yīng)的增大，同樣煤的 消耗量也增大，灰分每增加1，氧消耗量增加 06；

12、灰分含量高，熔渣對(duì)氣化爐的耐火材料沖刷 和滲透就大，縮短耐火材料的使用壽命?；胰埸c(diǎn)的 高低程度一般用(tio2+sio2+a12o3)(cao+mgo +na：o+fe o，+k o)來(lái)計(jì)算，其比值范圍在 19884329之間屬于易熔 j，所以由該式可知 cao、mgo、na20、fe：o，、k o含量越多，灰熔點(diǎn)越 低，tio 、sio 、a1：o 含量越高，灰熔點(diǎn)越高。通過(guò) 添加含cao、mgo、fe o等物質(zhì)的助熔劑，降低煤的 灰熔點(diǎn)和黏度，從而能有效的減少工藝管道結(jié)垢發(fā) 生堵塞現(xiàn)象。 （3）煤中的氮、砷含量，氮含量決定著 灰水處理系統(tǒng)的ph值和氨的生成，ph值高能減輕 對(duì)系統(tǒng)的腐蝕，但

13、同樣使得水中的ca、mg 絕大 部分以碳酸鹽的形式存在引起結(jié)垢，反之酸度高， 對(duì)管道和設(shè)備的腐蝕也很?chē)?yán)重，水中ph盡可能保 持在7左右；過(guò)多的氨，能和系統(tǒng)中生成的co 反 應(yīng)形成碳酸氫銨，在低溫下能堵塞變化工序的管 道。砷能使變換系統(tǒng)中的co-mo催化劑中毒，造成觸媒粉化 j。 煤漿濃度和粒度的影響 texaco氣化工藝要求煤漿粒度為238mm，因 為粒度的大小，影響傳熱速度和氣化效率。煤漿含 固量為60563，煤漿含固量過(guò)高，粒度過(guò)細(xì)， 從氣化的角度來(lái)講有利于氣化效率的提高，但此時(shí) 煤漿黏度過(guò)大，流動(dòng)性差，不利于煤漿的輸送和儲(chǔ) 備，煤漿流速一般在0609 ms 之間，大于 09 ms一時(shí)對(duì)管

14、道腐蝕嚴(yán)重；反之，煤漿濃度過(guò)低，粒度過(guò)粗，一方面使發(fā)熱量降低，氣化效率低， 另一方面還會(huì)影響煤漿的成漿性及穩(wěn)定性，顆粒易 于析出，經(jīng)驗(yàn)上煤漿濃度增加1，工藝氣體含量 (主要是co和h 的含量)增加05以上 。如 圖3所示。 溫度、壓力的影響 溫度和壓力對(duì)氣化反應(yīng)的影響 煤氣質(zhì)量主要包括有效氣的組分和熱值，而且 氣化過(guò)程是一個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，所以溫度和壓力 對(duì)于化學(xué)過(guò)程煤氣產(chǎn)率和化學(xué)組成的影響是很顯 著的，甚至是起到?jīng)Q定性作用。水煤漿在氣化爐內(nèi) 的反應(yīng)大致包括熱裂解反應(yīng)、燃燒反應(yīng)和氧化還原 反應(yīng)，可用下式表示： 氣化過(guò)程中，由于壓力的不同，一氧化碳、二氧化 碳、氫氣和甲烷的比率也不同，如圖4所示

15、，隨著壓 力的增加，煤氣中二氧化碳和甲烷含量增加 j，而 氫氣和一氧化碳的含量則減少。氣化爐操作溫度 的選擇主要取決于煤的灰熔點(diǎn)、煤漿濃度及氧純 度，一般在13001450c。texaco氣化工藝用于合 成甲醇的氣化壓力是68mpa，工藝氣的組成為：co(4046)、h2(33一40)、co2(1722)、ch (400150010 )。 氣化爐溫度的判斷方法 溫度是氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的前提，爐溫的高低與煤漿流量、煤漿濃度、氧氣流量以及氧煤比有密切關(guān)系，其中氧煤比是控制爐溫的主要因素。如圖5所示。氣化爐爐溫是通過(guò)安裝在上下不對(duì)稱(chēng)的4支方向互成直角的高溫?zé)犭娕紒?lái)進(jìn)行測(cè)量的 ，熱電偶是根據(jù)兩種金屬在不

16、同溫度下產(chǎn)生不同的電勢(shì)差來(lái)確定被測(cè)環(huán)境的溫度。由于氣化爐是在高溫、高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行，為了保護(hù)熱電偶在高溫下不被爐子內(nèi)產(chǎn)生的還原性氣體(氫氣、一氧化碳)所腐蝕，通常向爐內(nèi)充高壓氮?dú)狻?在高溫?zé)犭娕紦p壞或指示不準(zhǔn)的情況下，可以根據(jù)一些工藝參數(shù)來(lái)判斷和控制爐溫，氣化爐下渣口壓差，如果其值增大，爐溫偏低，而且灰渣中可燃物含量較高。工藝氣中co 含量，其含量隨著爐溫的升高而升高，反之下降。從熱力學(xué)可知，850k以下，ch 是穩(wěn)定的，另外燃燒為火焰反應(yīng)，甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)為控制反應(yīng)，可以用甲烷轉(zhuǎn)化代替煤轉(zhuǎn)化，換 言之，可以在一定條件下通過(guò)甲烷的含量來(lái)判斷爐 溫，前提是要求作出甲烷含量與溫度之間的關(guān)系 圖。氣化爐溫

17、度和壓力的大小，會(huì)給整個(gè)工藝過(guò)程 危害，例如，渣口與下降管的堵塞、氣化爐耐火 材料的浸蝕和磨損、氣化爐合成氣帶水等等，這些 危害嚴(yán)重時(shí)都能造成系統(tǒng)的停車(chē)。 5 結(jié) 語(yǔ) texaco氣化工藝控制指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到合 成氣的質(zhì)量、氣化強(qiáng)度、灰渣含量、氣化熱效率、碳 轉(zhuǎn)化率，關(guān)系到生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此控制好 各項(xiàng)指標(biāo)是至關(guān)重要的。 texaco氣化技術(shù)在中國(guó)煤化工行業(yè)生產(chǎn)合成氨 和甲醇領(lǐng)域的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了十多年的實(shí)踐，使得這 一技術(shù)越來(lái)越成熟，在氣化技術(shù)方面積累了豐富的 設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也優(yōu)化和完善了texaco氣化技術(shù) 自身的缺點(diǎn)，同時(shí)也形成了中國(guó)自己的新型水煤漿 氣化技術(shù)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣

18、化技術(shù)。這 一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安全、穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行以及生產(chǎn) 效益的大幅度提高。 texaco煤氣化工藝的影響因素 texaco煤氣化工藝的影響因素 。 參考文獻(xiàn)： 1 李波，郭本陸，張艷群德士古煤氣化工藝氣管道堵塞 的原因及處理方法j大氮肥，2008，31(3)：187 189 2 鄭寶祥，史建輝淺談德士古氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的要點(diǎn) j西部煤化工，2003，20(1)：2022 3 chris higmangasificationmunited states of ameri ca：elsevier science，2003120125 4 張旭東，包宗宏德士古水煤漿氣化裝置工程設(shè)計(jì)問(wèn) 題探討j化學(xué)工

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21、emperature and gasificati。n pressureit may provide certain reference meanings t。rati。na1ai1d efiective utilizati。n。f c。al resources and gasmer operation achieved the best stable state in long term keywords：texaco coal gasification；syngas；coal slurry concentration (上接第98頁(yè)) analysis of extracts from s

22、olvent extraction of group components to tongting coal hou cuili，qin zhihong，chen deren，chen juan，zhang liying，li bao min (key laboratory of coal processing and eficient utilization，school of chemical and engineering， china university ofmining and technology，xhou 221116，china) abstract：the soxhelt e

23、xtraction was carried on in succession with four solvents(n hexane，methanol，acetone and chlomf0m1)t0 the three group components(asphahene component，ultrapure coal and residues)which came trom the tongting coal extracted and antiextracted by the cs2nmp mixed solventthe extracts were analyzed with fy ir and gc to investigate the characteristie of structure and existing rule of s