煤炭部分气化分级转化关键技术的研究

发布时间：2020-05-16 23:58

【摘要】：我国的一次能源在目前以及未来的很长一段时间里主要以煤炭为主,面对持续增长的能源需求以及日益严峻的大气污染形势,如何实现煤炭清洁高效利用已经成为一个亟需解决的课题。煤炭分级转化多联产技术作为一种高效的能源转化技术已经受到越来越多的关注,根据煤中不同组分的不同性质将热解、气化与燃烧有机结合,实现煤炭资源的梯级利用,提高了煤炭的利用效率,是解决我国如何实现清洁高效的利用化石燃料问题的技术之一。浙江大学针对目前煤炭资源利用方式单一、利用效率低下等问题提出了双流化床煤炭部分气化分级转化技术,将循环流化床煤炭部分气化技术和循环流化床半焦燃烧技术有机结合,将煤炭中易于转化的部分转化为煤气,煤气可用于燃气轮机发电或者化工原料,半焦经燃烧后用于发电。通过对煤炭的分级转化利用,可实现煤炭高效清洁的利用。本文在煤颗粒在不同气氛中的反应机理以及在循环流化床反应器中的气化特性研究基础上,在lMWt双流化床中试试验台上进行验证性试验研究,并模拟了煤炭部分气化能量转化系统,对其技术经济性进行了分析。首先,在改造后的热天平试验装置上开展了煤炭半焦的部分气化特性的实验研究,获得了半焦在H20,CO2以及H20和CO2混合气氛下的气化反应动力学试验结果。实验过程中,采用均相反应模型和Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型联立预测了半焦气化的反应速率,分析了温度和反应气氛对气化速率的影响,验证了不共用活性位和共用活性位反应机理的正确性。结果表明,在H2O和C02的混合气氛下,当温度不高于900℃时,不共用活性位假说更符合实验结果;当温度高于9000℃共用活性位假说更符合实验结果。结合对不同碳转化率下半焦比表面积的测试得出,随着反应的进行,气化反应速率先增加后减少,在反应过程中存在一个最大反应速率,半焦比表面积对气化速率有重要影响。然后,在自行搭建的小型循环流化床试验台上开展了典型煤种的部分气化实验,分别采用水蒸气-氧气和二氧化碳-氧气两种气氛,获得了气化温度、氧煤比和蒸汽煤比等运行参数对于部分气化特性的影响。实验结果表明,随着气化温度或者氧煤比的提高,有效气体成分、合成气低位热值、半焦产量、焦油含量均下降,而碳转化率上升;随着蒸汽煤比的增加,有效气体成分、合成气低位热值、半焦产量、焦油含量以及碳转化率均增大。在水蒸气-氧气的实验工况下,气化气有效成分最高含量可达70%,此时氧煤比为0.46,蒸汽煤比为0.31,气化温度为900℃,碳转化率为84.23%,采用激光拉曼光谱仪和傅里叶红外分析仪对不同条件下的半焦进行测试,拉曼光谱的结果表明,随着反应温度的增加,半焦中无序碳结构显著减少,石墨化程度总体上提高;而在二氧化碳-氧气气氛中,有效气体成分随着氧煤比的增加先增加后减小,当氧煤比为0.57时达到最大,约为40%,合成气低位热值为5.58 MJ/Nm3。通过扫描电镜和拉曼光谱的测试结果可以发现,随着反应气体进入煤颗粒内部,颗粒表面的孔隙逐渐打开,CO2进入半焦内部并与半焦发生反应,产生更多的含氧官能团和芳香族化合物,含氧官能团及芳香族化合物的产生使得半焦无序性增加。在lMWt双流化床气化燃烧实验台上开展煤炭空气部分气化实验,该实验主要分为三个工况,气化温度分别为790℃、850℃和920℃,每个工况持续3个小时左右。试验期间,各工况下系统运行稳定,调节方便,燃烧炉和气化炉能够正常协调运行。气化炉以空气作为气化介质进行部分气化,产生煤气和焦油,并将半焦送到燃烧炉中稳定燃烧,燃烧炉在燃用全部半焦的条件下可以稳定运行。试验结果表明,以空气作为气化介质时可以获得较高的煤气产量,随着工况温度的提高,依据煤气放散流量计算的每千克煤气产量也相应的提高,920℃工况下的煤气产量最高;在三个运行工况下,获得的焦油产量都很低,尤其是在920℃下,基本不产生焦油;燃烧炉燃用来自气化炉气化所剩半焦时运行稳定可靠,从密相区至炉膛出口沿炉高方向温度分布均匀,并获得较好的燃烧效率。在Aspen Plus软件平台上开展了煤炭部分气化分级转化系统的流程模拟,构建了给煤量为4320t/h的常压部分气化联合循环发电系统、加压部分气化发电系统以及煤炭部分气化甲醇电力多联产系统,其技术路线为:煤炭首先在循环流化床气化炉中与O2/H2O发生反应产生煤气;煤气经过净化处理后送至燃气轮机发电或者用于甲醇合成;剩余的半焦用于燃烧发电,蒸汽参数为超临界参数。通过系统模拟,获得了气化压力、碳转化率、蒸汽煤比、氧煤比、甲醇合成温度等对系统效率的影响及设备投资性能等参数,并与整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)进行了对比。结果表明,随着碳转化率的增加,系统效率先增加后减少,在碳转化率为80%左右时,系统效率达到最高,此时加压部分气化发电系统的效率达到了 55.96%,常压部分气化系统的发电效率为54.43%,均高于IGCC的系统效率(53.11%);随着甲醇合成温度提高,甲醇产量和系统效率均下降,随着循环尾气比例的提高,甲醇产量随之提高,系统效率随之下降,当甲醇合成温度为220℃,循环尾气比例为0.5时,此时的甲醇产量为76220kg/h,系统效率为56.8%。在经济性方面,常压部分气化联合循环发电系统的投资回报率为15.2%,远高于IGCC的3.4%;投资回报期为7.21年,远短于IGCC的18.06年,而煤炭部分气化甲醇电力多联产系统的内部收益率为24.1%,投资回报期仅为4.14年。由于在进行经济性分析的过程中,未将公司分工、员工福利等因素考虑在内,因此煤炭部分气化能量转化系统的内部收益率和投资回报期都好处于较高水平。结果表明,基于煤炭部分气化技术的三类系统具有较高的系统效率,在经济性方面具有较大优势,是一项值得推广利用的煤炭利用技术。最后,利用Aspen Plus软件构建了煤炭处理量为4320t/h煤炭空气部分气化联合循环发电系统和煤炭空气部分气化热电燃气联产系统,其中联合循环发电系统的技术方案为:煤炭在循环流化床气化炉中与空气发生反应,产生煤气;煤气经过净化后送入低热值燃气轮机进行发电;剩余半焦送入循环流化床燃烧炉中燃烧,产生的热量用于生产高参数蒸汽,进而用于发电。热电燃气联产系统的技术方案为:煤炭在循环流化床气化炉中与空气反应产生煤气;煤气经过净化后直接供应给工业用户;剩余的半焦用于燃烧发电。通过模拟计算,获得了空气煤比、碳转化率等对于气化温度、燃气组分、燃气热值及系统效率等参数的影响,并获得最佳运行参数,并对两个系统的经济学性能进行分析,获得其设备投资、内部收益率及投资回报年限等参数。通过热力学分析可得,联合循环发电系统的发电效率达到了 53.56%,热电燃气联产系统的系统效率为69.19%,两个系统的效率远高于IGCC系统效率及现有的常规煤粉电厂效率。通过经济性分析可得,联合循环发电系统的内部收益率为17.1%,投资回报年限为5.79年,热电燃气联产系统的内部收益率为30.2%,投资回报年限为3.29年。根据计算结果可知两个系统的抗风险能力强,具有广阔的市场应用前景。
【图文】：

油生产,国石,平衡图

浙江大学博士学位论文逦＾逡逑的大力发展，煤炭消费比重也有所下降，但是仍然达到６０％以上，因此在未来相逡逑当长的一段时间里，煤炭资源仍然是我国最主要的能源资源。近几十年来，我国逡逑的煤炭利用方式主要以直接燃烧为主，虽然简单易行，但是利用效率不高且易造逡逑成严重的环境污染，尤其是工业窑炉，配置分散，无法进行排气的集中净化，ＰＭ２．５、逡逑ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｃ０２等污染物的排放严重。综上所述，我国的能源现状决定了我国逡逑在未来很长一段时间的主要任务是实现煤炭的清洁高效利用。逡逑单位：亿吨逡逑

煤炭生产,平衡图,煤炭资源,褐煤

我国煤炭资源丰富，根据ＢＰ能源统计，截止到２０１６年底，我国已探明的逡逑煤炭资源储量达到２４４０亿吨，占世界总量的２１．４％。我国煤炭资源部分极不均逡逑匀，如图１－４所示，煤炭资源主要分布于华北和西北地区，占比约８０％，，在华北逡逑地区，煤炭资源主要分布于山西省和内蒙古自治区，在西北地区，煤炭资源主要逡逑分布于陕西省和新疆维吾尔族自治区３。逡逑按照煤化程度高低划分，我国的煤炭主要分为褐煤、烟煤和无烟煤，如图１－逡逑５所示。褐煤（ＨＭ）主要有１号褐煤和２号褐煤两类，烟煤（ＹＭ）种类较多，逡逑主要有长焰煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤等，无烟煤（ＷＹ）主要分为１号、２号、逡逑３号无烟煤。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ546

【参考文献】