RH粉煤气化炉技术特点及建设情况

0  前言
    内蒙古宏裕科技股份有限公司（以下简称宏裕科技公司），位于呼伦贝尔地区扎兰屯市，现正建设一个年产300 kt合成氨、520 kt尿素韵化肥项目。此项目着眼于国内技术和自主创新，本着投资省、见效快、技术成熟但不落后原则。项目于2012年破土动工。目前，煤气化装置区的主框架土建已经完成，厂房进行了封闭，设备基础全部完成。气化的设备制作安装、气化炉内保温耐火砖的砌筑和烘炉都已完成。煤气管道制作安装完成，剩余管道安装今年上半年即将完成。预计下半年进行试车投产。下面就宏裕科技公司RH气化炉的开发情况、技术特点、工艺过程、工艺条件、工艺指标及消耗、工艺参数和我们的一些体会向各位读者做一介绍。
1 RH炉的开发背景和过程
    目前，国内外煤气化装置较多，有代表性的如壳牌炉、德士古炉、清华炉、GSP炉、鲁奇炉、航天炉、BGL炉、科林炉、ESE炉、两段炉、灰熔聚炉、固定层( UGI)间歇气化炉等。各种炉型均有其各自的特点，有的对煤种要求比较严格，所需煤种和煤质必须要好、价格高；有的投资高，建设期长；有的运行不稳定，技术成熟性有待提高。公司经多方考查和衡量，根据呼伦贝尔地区韵煤质基本都是褐煤和长焰煤等低质煤特点，选择了目前国内烧呼伦贝尔地区劣质煤最成熟的，循环流化床煤气化技术。而以前的流化床煤气化技术（如温克勒或发展后的恩德炉）或多或少的都存在一定的不足，宏裕科技公司和青岛软控重工共同合作，把原来循环流化床炉的各种不足，用公司的技术和丰富的经验，加以优化和改造，开发出了具有自主知识产权的，适合于呼伦贝尔地区的煤质特点的，RH循环流化床式粉煤气化炉。
2   RH粉煤气化炉的工艺技术特点
2.1  优点
2.1.1  采用当地呼伦贝尔地区的煤种，煤源丰富价廉    
    呼伦贝尔地区‘煤原广泛，贮藏丰富（约2000亿t左右），但煤质较差，绝大多数为褐煤和长焰煤等劣质煤。RH炉煤气化技术，可以使用当地的劣质煤种，资源得到充分合理利用，同时由于褐煤不易长途运输，所以价格比较低，这样就可以使煤气制造成本显著下降。
2.1.2  气化强度大
    由于流化床的气固相接触好，加强了热传导和热交换，强化了传热过程，使气化强度变大。宏裕科技公司的RH炉的单炉产气量可达40000 m³/h（标态）以上。
2.1.3  解决了带出物含碳量高的问题
    在生产过程中，由于摩擦、碰撞、热解使煤的颗粒变小。在原来的中部二次喷嘴的基础上，进行了进一步的改造，使小颗粒煤炭的气化更加完全。另一种方法是采取热回流的方法，即用干式旋风除尘器。从粗煤气中分离出的固体颗粒通过回流管返回气化炉内，再次流化气化，使灰渣中的含碳量降低到8%以下，飞灰中的含碳量降低到20%以下，从而提高碳的利用率。
2.1.4  极少产生焦油，煤气净化系统简单
    在循环流化床气化炉中，由于温度高而且各处温度分布均匀（均在900～950℃以上），原料中的挥发份受热迅速分解，焦油、重质碳氢化合物等裂解比较完全，从而煤气中焦油、油渣等含量低，净化系统简单，污染少。
2.1.5  操作弹性大，开停炉方便
    RH气化炉最小负荷受到流化所需要的最小速度的限制，最大负荷则受到残留物完全燃烧所需最短时间的限制。气化炉生产负荷可在设计负荷60%～110%范围内自由韵进行调节。
    气化炉开停炉操作方便，如需停炉，可停供氧气（或富氧空气）、煤和蒸汽，在几分钟内即可实现停炉。因流化床冷却速度慢，即使在几天之后仍可鼓入氧（空气或富氧）和蒸汽重新启动。停炉期每天喷入一次或两次少量空气就可维持炉温。这一特点对于工业燃气的生产组织和调度创造了条件。
2.1.6  运转稳定可靠、检修维护少
    由于RH炉没有炉箅和下部进氧问题，所以避免了炉底结渣问题，气化炉实际就是一个空桶。气化炉仅由内衬耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成，没有传动部分和易损件，供煤系统的供煤机有备车，所以运转比较稳定可靠，也不需太多的维修即可获得较高连续运转率，正常开工率一般可达90%以上。
2.1.7  运行成本较低。
    RH炉生产工艺较简单，运行稳定，易损件少，炉砖一次砌筑后可用多年，维护量小，所以运行的费用较低。
2.1.8  废热能利用回收，自产蒸汽量大
    从整体工艺考虑，可产的蒸汽压力可从0.6～4.0 MPa任意选择设计，产出的蒸汽可自用，也可外送品质较高蒸汽，而使用外部品质较低的蒸汽。每lOOOOm³(标态)煤气可产5.0 t左右蒸汽(P=2.7MPa)。如需自用时，所产的蒸汽80%自用，20%外送。做到气化系统蒸汽自给并有富余。
2.1.9  投资少，建设期短
    以每小时产10000m³（标态）煤气计算，RH炉煤气化装置的全部投资额是1000～1500万元（随热值定），小于航天炉、德士古气化炉投资的40%（德士古按国产化方式建设）。单台RH炉规模增加，单位投资将进一步降低。
2.1.10  所产的煤气用途广泛
    RH炉可根据煤气的要求采用空气、富氧空气、氧气作为气化剂，生产不同组成和热值的煤气，可用作工业用燃料气、民用燃料气、合成气（生产合成氨、甲醇、其它化工用气）等等。
2.1.11  实现干法下灰后，减少了庞大的灰水处理系统。
    改后的RH炉下灰系统，全部采用了千法下灰，系统密闭并用气力输送方法把灰输入灰仓。这样即可以使现场的卫生条件大大改善，同时也使庞大的灰水处理系统大大减小，灰水系统的投资大大降低。
2.1.12  采用布袋除尘，使送出气体更洁净
    宏裕科技公司的除尘系统，经多方考查和论证，采用了布袋除尘器，使出口气体中的粉尘含量大大降低。原循环流化床气化系统出口气中，粉尘含量较高，一般在80mg/m³（标态）左右，宏裕科技公司使用布袋除尘方法后，出口气体中的粉尘含量可达10 mg/m³（标态）以下。污水处理系统所产生的煤泥量大大减少，只用1台卧螺式离心机即可满足煤泥的分离工作。
2.2  缺点
2.2.1  需备煤干燥系统
    因褐煤，特别是呼伦贝尔当地的褐煤，水分含量高达30%以上，而RH炉使用原煤要求水分在8%～1 6%，所以需设煤干燥装置。而目前国内的煤干燥工艺还不是十分完善、成熟。因干燥后粉尘大，需设除尘系统等，增加了基本投资。
2.2.2  炉温偏低，碳转化率不高
    因此工艺为循环流化床气化工艺，排渣为固态排渣，所要求的炉温必须在灰熔点以下。碳转化率为85%～91%，和国际、国内先进的气流床炉型比，如壳牌、航天炉等碳转化率≥99%，德士古≥95%相比，碳转化率偏低。
2.2.3  此工艺为常压煤气化工艺，生产出的煤气压力低，和后部工艺配套时，气体需要加压，增加了气体的压缩能耗。
3  RH炉的工艺过程及原理
3.1  供煤工序
    原料煤通过破碎、筛分一体后，粒度小于Φ13mm，利用滚筒式干燥筒和热风炉加热的烟道气顺流接触，将原煤中全水分降至16%以下，通过皮带送入制气系统的粉煤漏斗。粉煤漏斗内的粉煤，根据中间储煤槽的料位，借助刀型闸阀、放料阀进入储煤槽。贮煤槽中的粉煤，通过3台供煤机进入煤气发生炉，供煤量由变频器调节供煤机的转数和运转台数来调整。贮煤槽内通入0.4 MPa安全气保压，以防止发生炉的煤气倒流。
3.2  制气工序
    气化剂：氧气压力0.05 MPa，蒸汽压力0.4～0.6 MPa，温度200～240℃，在上、下喷嘴混合器混合之后，通过设在发生炉下部，的喷嘴和中部的喷嘴进入发生炉内，与供煤机送入发生炉内的粉煤进行气化反应。
    气化炉内的粉煤和气化剂在炉内高温情况下，经过复杂的分解、氧化、还原等化学反应而生成水煤气。水煤气和未完全反应的碳及粉尘，由发生炉上部切向进入回流旋风分离器，颗粒偏大的粉尘及未完全反应的碳在此部分进行回收，经回流管返回发生炉内进行二次气化反应。出自回流旋风分离器的煤气，切向进入高温旋风分离器进一步除去煤气中的粉尘，粉尘通过排灰管利用冷灰机进行冷却，后由气力输送装置送到灰仓。煤气进入废热锅炉系统。集聚在发生炉底部的炉灰温度600～900℃，通过排灰管分别用2台排灰机排入贮灰槽，贮灰槽内充有安全气。贮灰槽内的灰渣通过气动放料阀排入冷渣机，灰渣在冷渣机内用循环冷却水进行间接冷却降温至80℃，后从下部排出，通过刮板机送入斗提机系统，利用斗提机提到渣仓。然后用运渣车运到渣场。
    废热锅炉：．出自高温旋风分离器的煤气温度为880～930℃，后进入废热锅炉，利用其余热生产蒸汽。由废热锅炉产生的饱和蒸汽经压力调节阀进入过热器，经过热器过热后，产生温度350℃、压力≤2.7 MPa的过热蒸汽送到中压蒸汽外管网。也可以通过减压阀减压至0.5 MPa后进入分汽缸，经分汽缸后分别进入制气系统各用汽点。来自外网温度110℃左右、压力≥3.5 MPa的软化水，经废热锅炉上汽包液位调节阀进入省煤器，利用煤气余热预热软水到160～190℃后，供给废热锅炉上汽包，然后通过垂直式降水管往下流动并与煤气进行热交换而产生蒸汽。由废锅下部、省煤器下部沉降和分离下来的粉尘，通过贮尘槽后进入仓泵，利用气力输送送至灰仓。
3.3  煤气除尘降温工序
    出自省煤器的煤气温度为240℃左右，进入热管式煤气冷却器，利用低温的软水，间接冷却并调节出口气温度在140～160℃，后进入低温旋风分离器，进一步除去煤气中的粉尘。后进入布袋除尘器除去煤气中剩余的粉尘，使煤气中的尘含量≤10 mg/m³（标态）。除尘后的煤气进入一除尘洗涤塔利用喷头喷淋的水进行煤气的降温和除尘，后进入二除尘洗涤塔，利用喷头和填料进一步给煤气进行除尘和降温，使煤气温度≤35℃。然后通过U型弯水封送入20000 1113（标态）煤气柜。
    低温旋风分离器分离下的粉尘和布袋除尘器过滤下来的粉尘，下到贮尘槽，后通过仓泵打到灰仓。
    来自造气污水处理后的清水(温度<35℃、压力≥0.4 MPa)分别从一、二除尘洗涤塔上部进入，利用喷头喷淋和填料，对煤气洗涤和降温，然后从塔的底部排出，通过水封器、地沟，进入污水处理系统。
3.4  工艺流程简图（见图1）
4   RH气化技术的工艺条件
4.1  原料煤的选择
4.1.1  煤的活性（即与C02的反应性）
    在一定的温度下，活性越好的煤反应速度快，效率高，反应接近平衡的时间好越短，气化效率就越高，反应的越完全，煤耗就越低，反之则越高。公司要求气化用煤的反应性在950℃时应大于65%。
4.1.2  煤中的水分
    呼伦贝尔当地的褐煤水分含量较高，一般的都在30%～33%。水分高的煤对气化生产极为不利，因为不仅蒸发水分需要消耗大量的热，煤耗、氧耗增加，而且水分高时易粘结，特别是冬季易冻结，堵塞设备和通道，，严重时造成篷煤不下，易造成气化炉超温或停车。另外，煤的水分高会使煤气中的C02含量高，有效气含量降低。所以如用水分高的煤，必须上煤干燥系统，这样，会增加一部分投资。干燥后的煤水分越低越好，考虑到投资和操作，公司要求干燥后的煤中水分要≤16%。
4.1.3  灰分
    气化过程中灰分基本是惰性物质，通常随着煤中灰分含量增多，损失于灰渣中的碳也增加，随渣排出的热量增加，各种消耗指标上升。虽然灰分较高的煤（如灰含量≥35%）在RH炉中能使用，但能耗高：经济指标会降低。所以一般要选甩灰分小于25%的煤为宜。
4.1.4  灰熔点及结渣性
    我们都知道，公司用的固态排渣流化床气化炉，温度越高越有利于煤的反应，有效气成分也越高。所以选择煤的灰熔点越高，对气化反应越有利。我们选煤种时，要兼顾多方面因素，最好选择灰熔点T2>1250℃的煤。
煤的灰熔点不能完全反映煤在气化炉中的结渣情况。也与灰渣的分布、在高温区的停留时间、小颗粒的比率等有关。所以要求灰渣的结渣性要小。
4.1.5  煤的粘结性
    对于以小颗粒煤为原料的流化床气化炉，要求煤的粘结性必须要小，不能使煤在气化炉内粘结，而破坏炉内的正常流化工况。一般的要求煤的粘结指数要<2，也就是选择的煤种只能是褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤。
4.1.6  煤的粒度
    RH循环流化床气化炉对煤的粒度有一定的要求。粒度过大，煤在炉内流化不好，灰渣中残碳高。粒度过小，火焰分布不均，带出物增多，飞灰中含碳量增加。一般的要求为：<0.5 mm：<10%；0.5～4 mm:25%；4～7 mm:  45%；7～10 mm:15%；>10 mm: 5%。但以上的指标不是绝对的，只要相近就可以。
 
4.2  气化剂的选择
    当采用不同气化剂时，可以生产出不同质量、不同性质的煤气。可根据所需用途不同，而选择不同的氧化剂。．般来讲，．用空气和蒸汽作氧化剂，所产出的煤气为空气煤气。一般用作燃料气等。用富氧空气和蒸汽作氧化剂，所产出的煤气为半水煤气。可用作制取合成氨等韵原料气。用氧气和蒸汽作氧化剂，所产生的煤气为水煤气。可用作甲醇、合成氨、制氢等的原料气。宏裕科技公司选择的是气化制取水煤气，后部配氮来生产合成氨的工艺。优点是，煤气中有效气成分高，净化系统负荷小。
4.3  操作温度
    实际操作温度的选定，取决于原料煤的活性和灰熔点。反应温度越高反应速度越快，活性好，所产的煤气中有效气成分( CO+H2)越高，碳的利用率和蒸汽分解率越高，但操作温度又受到煤的灰熔点的控制，实际的操作温度要低于煤灰熔点150～200℃，我们选择的操作温度为950～1050℃。
4.4  操作压力
    在一些条件的限制下，宏裕科技公司现只做了常压制气的气化装置。在常压制气的生产中，炉底部的压力最高。它的压力取决于炉内沸腾层的阻力（即炉内上下的压差），加上炉后除尘、降温系统的阻力、加上煤气柜内压力总合。一般炉内的压差为2.5～3.0 kPa，炉出口到煤气柜的阻力约5～8 kPa，煤气柜压力约4.0 kPa。所以宏裕科技公司选择的气化炉底部压力为12～16 kPa。
5  RH炉设计的气化指标及消耗定额
5.1  气化指标（见表1）
 
5.2  消耗定额[每生产1000 m³（标态）煤气的消耗定额，见表2
 
6  主要工艺技术参数（见表3）
 
7  谈一下建设RH炉的几点体会
    (1)选择煤气化装置时，不要一味的追求最先进、效率高、洁净等（当然上述很重要）。工厂主要考虑的应是经济效益，也就是先考虑占总成本60%的原料的来源、价格。再选择适合本原料的炉型，选炉型时要考虑到投资多少，建设期长短、是否能稳定高负荷运行、是否成熟可靠等等。也就是应了一句老话，适合我们一的才是最好的。    
    (2)宏裕科技公司位于呼伦贝尔地区，扎兰屯市。本地区地产有丰富的褐煤和部分长焰煤资源，而且价格低、运距短。现用褐煤进行气化制取煤气的也有几种炉型，但都没有循环流化床炉投资低，建设期短，运行稳定。而原来的恩德炉存在几个比较大的弊病，主要是带出物多，煤气中粉尘含量高，灰水和煤泥比较难处理。针对以上情况，宏裕科技公司和青岛软控重工联合，共同开发了RH炉。公司对原来的炉喷嘴进行了改进，使煤气中带出物减少。用了布袋除尘，解决了送出的煤气中粉尘含量高的问题。废热锅炉系统、低温旋风分离器使用了干法下灰，并采用气力输送方法排灰，解决了灰水不易处理和煤泥难处理的问题。
    (3)利用公司的优势，和国内知名企业合作，解决部分资金来源。宏裕科技公司为私有企业，在资金不充足的情况下，和实力较强的青岛软控重工合作，由它们提供气化装置设备，解决了部分资金不足问题。公司又和全国最大的制氧企业杭氧进行合作，由它们投资建厂给公司供氧，又解决了部分资金问题。在此基础上，公司和杭汽又进行合作，用少量资金，解决了工程所需的汽轮机和压缩机问题。这样，使公司工程的投资大大减少，工厂成本和投资成本都有所降低，工厂建成后，产品就更具有竞争优势。
    (4)各厂有各自特点，要针对本厂的特点。和设计部门多多进行勾通，要把本部门的特点和实际情况和设计进行充分结合，要求设计出符合自己厂特点的工艺，、包括管道、设备、电气、仪表、厂房、保温砌筑、系统防爆区域等等。另外步图纸的审核要仔细，发现问题及早联系解决。建成投产后再发现问题，解决起来就麻烦得多，工、材、物都要造成损失。
    (5)设备的制作和安装，耐火材料的砌筑，土建施工等等，公司的技术人员要提前介入，要和施工单位的技术人员一起。，把好各个质量关，对以后的试车投产，生产长周期稳定运行，设备的使用寿命等都有很大好处。
    (6)在有条件的情况下，新工人要早进入，组织到流化床炉生产厂家进行现场实际实习，请专业人员讲课，对于提高新工人技术水平和操作能力有很大好处，可为试车、稳定生产及生产调优、事故处理等打下良好基础。前面的投资，后面会有加倍回报。    
    (7)气力输煤系统，经过山东煜龙气力输送设备有限公司和通辽金煤化工、通辽通顺铝业共同合作试验，比较顺利，试验结果较好。后又在抚顺抚矿进行生产运行，结果也比较理想，认为可行。气力输送，就是利用仓泵和惰性气，把粉碎和干燥后的原料煤用气力输送方法，送到气化系统供煤用的贮煤槽。它的优点是，投资小，点地面积小，操作人员少，现场卫生条件可以大大改善等。在煤的输送方面，具有广泛发展前途。但所输送的煤种必须是干燥后的，或是外水较小的，粉碎后的、粒度<Φ30 mm的煤种。
8  结束语
    通过宏裕科技公司过去对RH炉的合作开发、建设等，学到了较多的东西，。积累了较丰富的经验。特别是呼伦贝尔地区”，劣质煤资源非常丰富，而公司的RH炉，非常适合当地的煤种，应该说是有较大的优势。我们岭东地区水资源也非常丰富，更具有建设煤化工的优势。公司要利用好这些优势，把项目做好，并达到尽快投产。同时也希望更多的煤化工朋友对宏裕科技公司多多提出宝贵意见，让我们共同学习、探讨，共同提高，为我国的煤化工事业做一些贡献。