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提高水煤浆气化有效气成分的措施
本篇文章由王军龙提供评选
1 工艺概况
陕西延长靖边能源综合利用项目煤制甲醇项目气化装置采用西北化工研究院多元料浆气化技术,装置设计两开一备共3套,于2014 年6月首次投料,经过一年半的运行至今运行正常。
2015年6月18至6月28日,A、C气化炉满负荷运行平稳,投煤浆量均为90m3/h,在相同运行时间下,A炉有效气(CO+H2)含量明显高于C炉(见表1),其中,CH4含量含量变化不大,H2含量C套稍高于A,说明影响有效气含量主要是CO含量波动引起的。
表1 A、C炉工艺气组成
时间 | Ar+N2% | CO2% | CH4% | |||
A | C | A | C | A | C | |
6-18 | 1.36 | 1.25 | 17.24 | 19.76 | 0.17 | 0.14 |
6-20 | 0.92 | 1.17 | 17.5 | 21.16 | 0.13 | 0.12 |
6-22 | 0.53 | 0.29 | 18.37 | 21.42 | 0.11 | 0.07 |
6-24 | 1.40 | 1.42 | 17.76 | 20.9 | 0.11 | 0.12 |
6-26 | 1.27 | 1.04 | 17.75 | 23.11 | 1.13 | 0.11 |
6-28 | 0.49 | 0.96 | 18.45 | 21.58 | 0.12 | 0.08 |
CO% | H2% | O2% | |||
A | C | A | C | A | C |
46.60 | 41.89 | 34.13 | 36.36 | 0.2 | 0.3 |
46.1 | 38.33 | 34.75 | 38.52 | 0.3 | 0.3 |
44.62 | 41.18 | 35.87 | 36.54 | 0.3 | 0.3 |
44.54 | 41.63 | 35.59 | 35.33 | 0.3 | 0.3 |
45.4 | 38.83 | 34.85 | 36.31 | 0.3 | 0.3 |
47.13 | 38.33 | 33.11 | 38.35 | 0.3 | 0.3 |
通过对2套气化炉10天内的主要运行数据记录,从气化炉温度、氧煤比、中心氧量、烧嘴压差、煤浆浓度、氧气量等工艺条件对比分析,期望找到影响有效气含量的主要原因。
2 工艺条件分析
2.1 氧煤比、炉温
图1为2014年6月18至6月28日A、C炉氧煤比多次记录平均值。从图中可以看出,C炉氧煤比较A炉高一些,这与C炉总氧气量高有关,但是2炉氧煤比变化趋势一致,这与空分系统每日提供的总氧气量、氧气纯度有关。许多实验研究数据表明,当氧煤比增加到一定值后,碳转化率不再变化;随着氧煤比增加,一部分碳完全氧化生成二氧化碳,使煤气中的有效气成分降低。
表1知C炉的CH4含量略高于A炉,但是相差不大,这与图2两炉的炉温相差不大相符合。气化炉内燃烧份额增加气化温度升高,由于煤气化反应过程中的C与CO2 的反应为吸热反应,高温有利于反应向正方向移动,合成气中 CO 的含量升高。由于C炉总氧气量大于A炉,当氧量过剩时,多余 O2 会与合成气中可燃成分 H2 、CO、CH4 反应生成 CO2 和 H2O,所以导致 CO 含量先增加后又减少。A炉氧煤比低,CO含量高,说明在二次反应中参与的O2 量小,因此比氧耗低,气化成本低,这是气化装置的最优选择。
2.2 中心氧量、烧嘴压差
烧嘴是水煤浆气化炉的核心设备,其功能有二,一是雾化煤浆;二是与炉体匹配形成适宜的流场。西北化工研究院多元料浆气化技术采用“三通道预混式烧嘴”,设计中心氧气占总氧量的15%~20%。中心氧能提高氧气和多元料浆的返混程度,外环氧能减轻多元料浆对炉膛内壁的冲刷磨损烧蚀,中心氧的另一个主要作用是利用其出烧嘴后与炉膛内的压差所产生的流速,牵引烧嘴的火焰,使气化反应区域在炉膛内达到一个理想的范围。中心氧量不能太小,否则达不到对煤浆的稀释和加速作用。按照于遵宏等提出的气化炉内三区模型,即射流区、回流区与管流区,三区存在两类化学反应:一次反应(燃烧反应)、二次反应(气化反应)。一次反应区主要进行反应(1),二次反应区主要进行反应(2)。
表2中 A、C炉中心氧占总氧气量分别为16.6%、12.8%,C炉明显偏小,不符合设计值。由于C炉中心氧量小影响水煤稀释、加速作用和返混程度,导致二次反应区负荷过重,不能完全气化,残炭和CO2没有充分反应,因此C炉有效气含量低、残炭量高,与图3中 A、C炉渣残炭数据相符。虽然C炉总氧气量大,但是雾化效果不好、炭燃烧不完全,炭转化率低,有效气含量低。
表2 A、C炉部分运行工艺参数(多次记录取平均值)
项 目 | A | C |
总O2量/(m3·h-1) | 43518 | 44820 |
中心O2量/(m3·h-1) | 7251 | 5777 |
炉压/MPa | 6.09 | 6.10 |
烧嘴压差/MPa | 0.42 | 0.52 |
煤浆管线压力/MPa | 6.53 | 6.58 |
烧嘴压差=煤浆管线压力-气化炉压力。由表2知C炉烧嘴压差大于A炉,A、C炉中心氧的阀门开度相同,均为40%,然而中心氧气量相差近1500m3/h,原因可能是烧嘴喷口尺寸和结构不同,导致C炉烧嘴气阻大。同时烧嘴几何结构同样影响二次雾化过程,二次雾化主要取决于气液间的相对速度,相对速度的大小在气液物性一定时取决于反应器内的流场,因此,烧嘴喷口结构对二次雾化进行的程度起着重要作用,从而在一定程度上影响着雾化性能。另外,可能由于雾化角度和火焰的长度不够,气化炉的空间不能充分有效的利用,气化效率降低。烧嘴几何结构的作用是尽可能地减小液体束直径或液体膜厚度,影响气流速度和射入角度,从而达到雾化煤浆的目的,因此改变烧嘴结构是改变雾化效果、提高有效气含量的主要手段之一。
3 煤浆浓度
图4为A、C炉的煤浆浓度比较,从图中可以看出,A炉煤浆浓度平均值高C炉约1%。经验表明,煤浆浓度增加1%,有效气增加0.5%以上。煤浆浓度升高,有效气产率增加;H2、CH4、CO2含量随煤浆浓度的增加而减少,CO含量随煤浆质量分数的增加而增加。这是由于入炉煤的质量增加会使C + CO2 = 2CO和C + H2O =CO + H2 的反应量相对增大[。进入气化炉的水煤浆,只有小部分水参与化学反应,大部分水都被蒸发掉,而蒸发水分所需的热量是通过煤完全燃烧提供的,这样氧耗就会增加;另外,在煤完全燃烧提供热量的同时,产生CO2和H2O等大量无效气体,增加了煤耗。所以煤浆浓度对合成气组分和单位煤的产气率起着决定性作用,应尽可能维持在指标上限。
由于A、C炉使用相同的添加剂,煤浆的黏度差别不大, C炉煤浆浓度低的原因可能是粒度过细。为了证实这一点,查阅6月18日至28日煤浆粒度分析数据发现,C炉大粒度分布略低于A炉,虽然影响煤浆浓度的因素很多,但是粒度的影响也至关重要。
4 改进措施
停车检修时选择A炉烧嘴作为参照,以A炉烧嘴喷口尺寸作为标准更改B、C炉烧嘴。更换后发现B、C炉中心氧量明显改善,烧嘴压差达到设计值,有效气含量有了一定的提高。对B、C炉磨机钢棒数量和类型进行调整,严格控制煤浆粒度分布,选择多个厂家生产的添加剂进行试用对比,找到了适合于所用煤种的添加剂,将入炉煤浆浓度提高至59%以上。
5 结论
通过对A、C气化炉满负荷运行中的主要工艺数据进行记录分析,总结出影响有效气含量的主要因素是烧嘴和煤浆浓度,通过调整烧嘴喷口尺寸改变中心氧量、烧嘴压差,可以提高工艺气中有效气含量。另外对煤浆粒度进行严格控制,选择适合的添加剂提高水煤浆浓度,使有效气体含量增加。影响水煤浆加压气化工艺气组成的因素很多。
通过日常生产过程的数据进行分析对比,得出一些经验性结论,期望相关厂家和同行技术人员就此问题能够给予关注,提出更多提高有效气含量的措施。
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实践出真知一点不假
煤浆浓度过高了会不好的,勿要追求过高的浓度
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数据性很强,学习了。赞一个
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