Proceso de gasificación del carbón en tecnología de gasificación del carbón.
La gasificación de lecho fijo se caracteriza por su sencillez y fiabilidad. Al mismo tiempo, debido al contacto a contracorriente entre el agente de gasificación y el carbón, el proceso de gasificación es relativamente completo y el calor se utiliza razonablemente, por lo que la eficiencia térmica es alta.
Existen dos tipos de gasificadores de lecho fijo: gasificación intermitente (UGI) y gasificación continua (LUGI). Cuando el primero se utiliza para producir gas de síntesis, se debe utilizar carbón blanco (antracita) o coque como materia prima para reducir el contenido de CH4 en el gas de síntesis. Hay miles de gasificadores de este tipo en China y tienen muchas deficiencias. Este último tiene más de 20 estufas en China, utilizadas principalmente para producir gas urbano; el sistema preliminar de purificación de gas incluido en esta tecnología es extremadamente complejo y no se considera la tecnología de elección.
(1), Gasificador intermitente de lecho fijo (UGI)
Utilizando antracita en trozos o coque como materia prima, aire y vapor de agua como agente gasificante, bajo presión normal Produce gas de alimentación sintético o gas combustible. Esta tecnología se desarrolló con éxito en la década de 1930, con una baja inversión y un funcionamiento sencillo. Actualmente es una tecnología atrasada con baja tasa de gasificación, materia prima única y alto consumo energético. Durante el proceso de producción intermitente de gas se emite una gran cantidad de gas soplador, 5.000 m3 por tonelada de gas soplador de amoníaco sintético, que contiene CO, CO2, H2, H2S, SO2, óxidos de nitrógeno y cenizas volantes. Las aguas residuales descargadas por el depurador de enfriamiento de gas contienen alquitrán, fenoles y cianuro, lo que provoca contaminación ambiental. Hay más de 900 plantas de fertilizantes pequeñas y medianas en China, la mayoría de las cuales todavía utilizan esta tecnología para producir gas de alimentación sintético. Con el desarrollo de la política energética y el medio ambiente, en un futuro próximo será reemplazada gradualmente por nuevas tecnologías de gasificación del carbón.
(2) Gasificador Lurgi
En la década de 1930, la empresa alemana Lurgi desarrolló con éxito la tecnología de gasificación de carbón en bloque continuo de lecho fijo debido a su buena adaptabilidad a las materias primas y la capacidad de producción. de un solo horno es grande y se usa ampliamente en el país y en el extranjero. La presión del gasificador es (2,5 ~ 4,0) MPa, la temperatura de la reacción de gasificación es (800 ~ 900) °C, se descarga la escoria sólida y se finaliza el gasificador (MK ~ 1 ~ MK-5), de los cuales el diámetro interior del horno MK-5 es de 4,8 m, la cantidad de carbón entrante es (75 ~ 84) toneladas/hora y la salida de carbón pulverizado. Además de monóxido de carbono y H2, el gas de hulla también contiene entre un 10% y un 12% de metano, que puede utilizarse como gas urbano, gas natural artificial y gas sintético. Las desventajas son que el gasificador tiene una estructura compleja, hay equipos giratorios como separadores de carbón y rejillas en el gasificador, y los costos de fabricación y mantenimiento son altos, el carbón que ingresa al horno debe ser carbón en trozos; limitado; los gases de escape contienen alquitrán, fenol, etc. Los procesos de tratamiento de aguas residuales y purificación de gases son complicados, requieren procesos largos y muchos equipos. El contenido de carbono de la escoria es de aproximadamente el 5%. Para resolver los problemas anteriores, Lurgi y British Gas desarrollaron conjuntamente el gasificador de escoria líquida (BGL) en 1984, que se caracteriza por una alta temperatura de gasificación, emisión de cenizas fundidas, alta tasa de conversión de carbono, buena calidad del gas de síntesis y gasificación del carbón. Las aguas residuales generadas son menores y la dificultad de tratamiento es baja. La capacidad de producción de un solo gasificador aumenta entre 3 y 5 veces en comparación con el mismo período del año pasado. Este es un gasificador prometedor. La gasificación en lecho fluidizado también se denomina gasificación en lecho ebullente. El carbón de partículas pequeñas se utiliza como materia prima para la gasificación. Bajo la acción del agente de gasificación ascendente, estas partículas finas mantienen movimientos continuos y desordenados de ebullición y suspensión, y se mezclan e intercambian calor rápidamente para uniformar la temperatura y la composición de todo el lecho.
Las principales razones para el rápido desarrollo de la energía de gasificación en lecho fluidizado son (1) la intensidad de producción es mayor que la del lecho fijo. (2) El uso directo de pequeñas partículas de carbón triturado como materia prima se adapta al desarrollo de la tecnología de extracción de carbón y evita la contradicción entre la oferta y la demanda de carbón en trozos. (3) Tiene una gran adaptabilidad a la calidad del carbón y puede utilizar carbón de baja calidad con alto contenido de cenizas, como el lignito, como materia prima.
Los gasificadores de lecho fluidizado suelen incluir Winkler, U-Gas, lecho fluidizado circulante (CFB) y lecho fluidizado presurizado (PFB es la parte de gasificación del PFBC).
(1), Gasificador de lecho fluidizado circulante CFB
El gasificador de lecho fluidizado circulante (CFB) desarrollado por Lurgi Company puede gasificar diversos carbones y se utilizan astillas de madera, cortezas y basura combustible municipal. como materias primas de gasificación, y vapor de agua y oxígeno como agentes de gasificación. La intensidad de gasificación es el doble que la del lecho móvil y la tasa de conversión de carbono es alta (97%). Las cenizas descargadas del fondo del horno contienen entre un 2% y un 3% de carbono. Cuando las materias primas de gasificación circulan, los materiales circulantes que regresan al gasificador son el 40% de las materias primas recién agregadas. La presión de gasificación es de 0,15 MPa. La temperatura de gasificación se controla según la materia prima. Generalmente, la temperatura del ciclón en circulación se controla a (800 ~ 1050)°C. La tecnología de gasificación CFB de Lurgi ha sido adoptada por más de 60 fábricas en todo el mundo, y se están diseñando y construyendo más de 30 fábricas, ocupando una posición de liderazgo en el mercado mundial.
El gasificador CFB funciona básicamente a presión normal. Si se utiliza carbón como materia prima para producir gas de síntesis, el vapor del agente gasificante es de 1,2 kg y el oxígeno es de 0,4 kg por kilogramo de carbón, y se puede producir gas de carbón (L.9 ~ 2.0) m3. La composición del gas es CO+H2 > 75%, el contenido de CH4 es de aproximadamente 2,5% y el contenido de CO2 es de 215%, que es más bajo que el gas del horno Texaco y el horno Lurgi MK, lo que es beneficioso para la producción de amoníaco sintético.
(2) Tecnología de gasificación de carbón pulverizado en lecho fluidizado fundido con cenizas
La tecnología de gasificación de carbón fundido con cenizas utiliza polvo de carbón seco con un tamaño de partícula inferior a 6 mm como materia prima, utilizando aire o agua enriquecida con oxígeno El vapor es el agente vaporizador. El carbón pulverizado y el agente de gasificación se agregan continuamente desde el fondo del horno de gasificación. El carbón residual que no ha reaccionado completamente en el horno (1050 ~ 1100) ℃ y las cenizas volantes arrastradas en el gas crudo se recuperan mediante el separador ciclónico bipolar y. Luego regresó al horno. El gas crudo casi no contiene alquitrán, fenol ni otras sustancias nocivas y es fácil de purificar. Esta avanzada tecnología de gasificación del carbón ha sido desarrollada con éxito por China. Esta tecnología se puede utilizar para producir gas combustible, gas de síntesis y generación de energía de ciclo combinado. Es especialmente adecuada para plantas pequeñas y medianas de fertilizantes nitrogenados para reemplazar los gasificadores de lecho fijo intermitentes y carbón bituminoso para reemplazar el carbón de antracita para producir alimentación de amoníaco sintético. El gas puede reducir el costo del amoníaco sintético entre un 15% y un 20%. Desarrollo Las perspectivas son brillantes.
La planta de coque de Shanghai (120 toneladas de carbón/día) puso en funcionamiento el gas U en noviembre de 1994. Fue anormal durante mucho tiempo y se detuvo a principios de 2002. El gasificador de fusión de cenizas ICC desarrollado por el Instituto de Investigación Química del Carbón de Shanxi de la Academia de Ciencias de China se probó en el dispositivo de demostración industrial de gas de síntesis de 100 toneladas/día de Shaanxi Chenghua Co., Ltd. en 2001. CFB y PFB pueden producir gas combustible, pero no existe ningún precedente de producción de gas de síntesis en el mundo. Winkler se ha utilizado en la producción de gas de síntesis, pero tiene requisitos estrictos en cuanto al tamaño de las partículas y el tipo de carbón, un alto contenido de metano (0,7% ~ 2,5%) y una baja intensidad de producción de equipos. Ya no representa la dirección del desarrollo. La gasificación en lecho arrastrado es un tipo de gasificación de flujo paralelo. Hay dos tipos de materias primas: lodo de carbón y agua y polvo de carbón seco. En cuanto a patentes, Texaco y Shell son las más representativas. En el primero, el carbón pulverizado se convierte primero en lechada de carbón y se bombea al gasificador, y la temperatura de gasificación es de 1350 ~ 1500°C; en el segundo, el agente de gasificación arrastra el carbón pulverizado al gasificador y se gasifica a alta temperatura; de 1500 ~ 1900°C, el residuo se descarga en forma de escoria. En el gasificador, las finas partículas de carbón ingresan a la cámara de reacción a través de una boquilla especial y se encienden instantáneamente, produciendo directamente una reacción de llama y, al mismo tiempo, se encuentran en un estado de condiciones de oxidación insuficientes. Por tanto, sus reacciones de pirólisis, combustión y gasificación endotérmica se producen casi simultáneamente. Con el movimiento del flujo de aire, el agente de gasificación que no ha reaccionado, los volátiles de pirólisis y los productos de combustión son envueltos por las partículas de carbón y se mueven a alta velocidad, y la reacción de gasificación de las partículas de carbón se lleva a cabo en movimiento. Este estado de movimiento equivale al "transporte por flujo de aire" de partículas sólidas en el campo de la tecnología de fluidización, lo que habitualmente se denomina gasificación en lecho de flujo de aire.
La gasificación en lecho arrastrado tiene las siguientes características: (1) tiempo de residencia corto (generalmente 1 s); (2) temperatura de reacción alta (generalmente 1300-1500 °C) tamaño de partícula de combustible pequeño (); Sólido y líquido, generalmente menos de 0,1 mm);); (4) Descarga de escoria líquida. Además, la gasificación en lecho arrastrado normalmente funciona bajo presión (normalmente 20-50 bar) y oxígeno puro.
La gasificación de lecho arrastrado tiene principalmente los siguientes métodos de clasificación:
(1) Según el rendimiento de transporte de las materias primas, se puede dividir en alimentación seca y alimentación húmeda;
(2) Según la presión de gasificación, se puede dividir en gasificación a presión normal y gasificación presurizada;
(3) Según el agente de gasificación, se puede dividir en gasificación de aire y oxígeno. gasificación;
(4) Según las características de la escoria, se puede dividir en lecho de flujo de aire con escoria y lecho de flujo de aire sin escoria.
En un gasificador de lecho con escoria arrastrada, las cenizas del combustible se funden en el gasificador. Las cenizas fundidas se condensan en la pared relativamente fría, formando eventualmente una capa protectora, y luego la escoria líquida fluye desde la parte inferior del gasificador a lo largo de la capa protectora. La cantidad de escoria debe garantizar un flujo continuo de escoria. Normalmente, el flujo másico de escoria debería representar al menos el 6% del flujo total de combustible. Para formar escoria líquida con la viscosidad adecuada a una temperatura determinada, generalmente se agrega al combustible una sustancia llamada fundente. Este fundente suele ser piedra caliza y otros materiales ricos en calcio. En un gasificador de lecho arrastrado sin escoria no se forma escoria, lo que significa que el combustible debe contener cantidades muy pequeñas de minerales y cenizas, con un contenido máximo de cenizas típico de 65.438 ± 0%. Debido a las limitaciones de las materias primas, los gasificadores de lecho arrastrado sin escoria rara vez se utilizan en la industria.
El lecho arrastrado tiene gran compatibilidad con el tipo de carbón (carbón bituminoso y lignito), tamaño de partícula, contenido de azufre y contenido de cenizas. En el mundo existen muchos dispositivos de presión, de serie única y de gran capacidad, y su limpieza y eficiencia representan la tendencia actual de desarrollo tecnológico.
El polvo seco es alimentado principalmente por el horno K-T (Koppres-Totzek), el horno Shell-Koppres, el horno Prenflo, el horno Shell, el horno GSP y un horno b-CE, y la lechada de carbón húmeda es alimentada principalmente por Texaco. horno de gasificación y alimentación del horno Destec.
(1), gasificador Texaco
Desarrollado por Texaco (pasando a formar parte de Chevron a principios de 2002 y adquirido por GE en mayo de 2004) El proceso de gasificación de lechada de agua y carbón consiste en moler el carbón para obtener una suspensión de agua de carbón con una concentración del 60-65%, utiliza oxígeno puro como agente de gasificación y realiza la reacción de gasificación a alta temperatura y alta presión. La presión de gasificación es de 3,0-8,5 MPa y la temperatura de gasificación es de 1400 ℃. Se descarga la escoria líquida. La composición del gas es aproximadamente 80% CO+H2, no contiene alquitrán, fenol ni otras materias orgánicas, y no contamina el medio ambiente. La tasa de conversión de carbono es del 96-99%, la intensidad de gasificación es alta y la estructura del horno es alta. Simple, el consumo de energía es bajo, la tasa de operación es alta y el carbón tiene una amplia gama de aplicaciones. Actualmente, la instalación comercial más grande de Texaco es la Central Eléctrica de Tampa, que pertenece al CCT-3 del DOE. Fue establecida en 1989 y puesta en operación en julio de 1996, se anunció que había entrado en operación de verificación en febrero. El dispositivo es un horno único con una capacidad diaria de procesamiento de carbón de 2000 a 2400 toneladas, una presión de gasificación de 2,8 MPa, una pureza de oxígeno del 95 %, una concentración de lechada de carbón del 68 %, una eficiencia de gas frío del 76 % y una potencia neta de 250MW.
El gasificador Texaco consta de una boquilla, una cámara de gasificación y una cámara de enfriamiento (o caldera de calor residual). La boquilla tiene tres canales, el oxígeno de proceso pasa por uno o tres canales y la lechada de agua de carbón pasa por dos canales, entre los dos chorros de oxígeno. Las boquillas para la gasificación de lodos de carbón y agua a menudo enfrentan el problema del desgaste de las boquillas, que se debe principalmente a la erosión y corrosión de los materiales metálicos por la lechada de carbón y agua a altas velocidades lineales (aproximadamente 30 m/s). Las boquillas, los gasificadores y los anillos de enfriamiento son las tecnologías clave para la gasificación de lodos de agua y carbón de Texaco.
Desde finales de la década de 1980, China * * * ha introducido varias unidades de gasificación de lechada de carbón y agua de Texaco para producir gas de síntesis. Hemos acumulado el diseño, la instalación y la puesta en marcha de China en el campo de la gasificación de lechada de carbón y agua. Rica experiencia y conocimiento en la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías.
A juzgar por el funcionamiento de la unidad de gasificación presurizada de lodo de carbón y agua que se ha puesto en producción, las principales ventajas son: la preparación, el transporte y el control de medición de lodo de carbón y agua son simples, seguros y confiables. ; la tasa de localización de equipos es alta y la inversión baja. Debido al diseño de ingeniería imperfecto y la experiencia operativa, aún no ha alcanzado el estado óptimo de funcionamiento estable, de alta carga y a largo plazo, y todavía existen muchos problemas. Las principales desventajas son: la vida útil de la boquilla es corta, la vida útil del anillo de enfriamiento es de solo un año, la concentración de lechada de lignito es aproximadamente del 59% al 61%; la concentración de lechada de carbón bituminoso es del 65%; la lechada consume el 8% del carbón, en comparación con el consumo de oxígeno del carbón pulverizado seco como materia prima es entre un 12% y un 20% mayor y la eficiencia es relativamente baja.
(2) Gasificador Destec (Global Electronic Gas)
El gasificador Destec ha construido dos unidades comerciales, ambas en Estados Unidos: LGT1 (capacidad del gasificador 2200 toneladas/día, 2,8 MPa, puesto en funcionamiento en 1987) y Wabsh Rive (dos hornos, uno en uso y otro en espera, con una capacidad de un solo horno de 2.500 toneladas/día, 2,8 MPa, en 1995). Se divide en la primera sección (sección horizontal) y la segunda sección (sección vertical). En la primera sección, las dos boquillas se enfrentan a 180 grados, y el flujo de impacto fortalece la mezcla, lo que supera el defecto de la distribución en forma de campana (normal) de la velocidad del horno Texaco, y la temperatura máxima de reacción es de aproximadamente 1400 °C. Para mejorar la eficiencia de enfriamiento, en la segunda etapa, se utiliza del 10% al 20% de la lechada de carbón total para el enfriamiento en frío (a diferencia de Shell y Prenflo). La temperatura de reacción aquí es de aproximadamente 1040 °C y el gas de salida ingresa a la caldera pirotubular para recuperar calor. La escoria fundida fluye hacia abajo desde el centro de la primera sección del gasificador, se enfría y solidifica con agua para formar una suspensión y se descarga. El gasificador de gas eléctrico adopta un sistema de escoriado continuo en espiral de presión.
Las desventajas de la tecnología global de gasificación de E-Gas son: el tiempo de residencia de la lechada secundaria de carbón y agua es corto y la tasa de conversión de carbono es baja; hay un separador enorme para separar las cenizas y la lechada de carbón secundario; el gas primario Se separan las cenizas y los residuos de carbón en el horno. Este tipo de horno es adecuado para la producción de gas combustible, pero no para la producción de gas de síntesis.
(3) Gasificador Shell
El gasificador K-T es el primer gasificador industrial de carga de polvo seco, y se desarrollan otros gasificadores sobre esta base. Shell desarrolló con éxito la gasificación de petróleo residual a principios de la década de 1950 y pasó por tres etapas sobre esta base: en 1976, se probaron más de 30 tipos de carbón; en 1978, se asoció con la empresa alemana Krupp-Corpus (Krupp-Uh); (el predecesor de Alemania) cooperó para construir una planta de carbón de 150 toneladas en Hamburgo después de que las dos empresas se disolvieran, en 1978, Deer Garden en Houston, EE.UU., procesó 250 toneladas de carbón bituminoso con alto contenido de azufre o 400 toneladas de carbón con alto contenido de cenizas y alto contenido de cenizas. lignito de humedad todos los días. * * * Fueron necesarios 16 años, a partir de 1988, para aplicar la tecnología de carbón de Shell a la central eléctrica IGCC de Bugnem en los Países Bajos. El trabajo de diseño del dispositivo duró 1,6 años, en octubre de 1990, octubre de 1993 y octubre de 1994. Ha entrado en un período de verificación de tres años y ahora se encuentra en la etapa de operación comercial. Un horno puede procesar 2.000 toneladas de carbón al día.
La carcasa del gasificador Shell tiene un diámetro de aproximadamente 4,5 m y las cuatro boquillas están ubicadas en el mismo plano horizontal en la parte inferior del horno, distribuidas uniformemente a lo largo de la circunferencia. Con la ayuda del flujo de impacto, se fortalece el proceso de transferencia de calor y masa, haciendo que la velocidad del gas en la sección del horno sea relativamente uniforme. El revestimiento del horno es una pared refrigerada por agua con un peso total de 500 toneladas. Hay un espacio de aproximadamente 0,5 m entre la carcasa del horno y la fila de tuberías refrigeradas por agua para facilitar la instalación y el mantenimiento.
El gas transporta entre el 20% y el 30% de la cantidad total de cenizas de carbón hacia arriba a lo largo del eje del gasificador. El gas en circulación se enfría cerca de la parte superior del gasificador y la cantidad de gas enfriado representa. alrededor del 60% al 70% del gas generado. Después de enfriarse a 900°C, la escoria se solidifica, sale del gasificador y entra a la caldera tubular de calor residual hacia arriba a lo largo del tubo inclinado. Del 70% al 80% del total de cenizas de carbón fluye hacia el fondo del gasificador en estado fundido, se congela, solidifica y se descarga por el fondo.
El carbón pulverizado es arrastrado por el N2 y transportado hasta la boquilla en forma de fase densa. El oxígeno del proceso (pureza del 95%) y el vapor también entran a través de la boquilla, con una presión de 3,3 ~ 3,5 MPa. La temperatura de gasificación es de 1500 ~ 1700 ℃, la presión de gasificación es de 3,0 MPa y la eficiencia del gas frío es del 79% al 81%; el 13% del poder calorífico del carbón crudo se convierte en vapor a través de la caldera; El calor del gas del equipo y del enfriador se pierde a la atmósfera y al agua de refrigeración.
La tecnología de gasificación de carbón Shell tiene las siguientes ventajas: el consumo de oxígeno es un 15% menor que el de la lechada de carbón y agua; la tasa de conversión de carbono es alta, alcanzando el 99%; el consumo de carbón es un 8% menor que la lechada de carbón y agua; el ajuste de la carga es conveniente y se puede apagar. Para la boquilla, la carga se reduce en un 50%. El revestimiento del horno es una pared enfriada por agua, y se dice que la vida útil es de 20 años y la vida útil de la boquilla; es 1 año. Principales desventajas: la inversión en equipos es mayor que la tecnología de gasificación de lodos de carbón y agua; la estructura del gasificador y el recipiente de desechos es demasiado compleja, lo que dificulta el procesamiento.
El proyecto de licuefacción directa de nuestra empresa utiliza esta tecnología para producir hidrógeno.
(4) Gasificador GSP
GSP (GAS Schwarze Pumpe) se denomina "tecnología de gasificación por bomba de aguas negras" y fue desarrollada por el Instituto Alemán de Combustibles (DBI) de la antigua Alemania del Este. Fue desarrollado con éxito en 1956. La tecnología pertenece actualmente a Future Energy GmbH, una filial de Sustec Holding AG, fundada en 2002.
El gasificador GSP es un gasificador de escoria líquida con lecho de flujo de aire presurizado de inyección descendente. El método de alimentación de carbón es similar al de Shell y la estructura del horno es similar a la del gasificador Texaco. 1983 1983 La Empresa Conjunta Black Water Pump construyó su primer equipo industrial, con un solo gasificador con una capacidad de carbón de 720 toneladas/día. Se puso en funcionamiento en 1985. En la actualidad, los gasificadores GSP rara vez se utilizan, sólo 5 fábricas los han utilizado y 1 en China no se ha utilizado oficialmente. Ningmei Group (controlado por la Compañía) introducirá esta tecnología en proyectos químicos de carbón.
En resumen, la tecnología de gasificación de carbón en lecho arrastrado representa la dirección de desarrollo de la tecnología de gasificación en términos de sobrealimentación, gran capacidad y gran adaptabilidad a los tipos de carbón. Los estados de alimentación de la lechada de carbón y agua y del polvo de carbón seco tienen sus propias ventajas y desventajas, y los límites no son muy claros. También hay opiniones divergentes en la comunidad tecnológica nacional.