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中国科学院战略性先导科技专项课题“气化灰渣和细粉灰CFB再燃技术以及高温水蒸气制备技术”介绍与研究进展
发稿时间:2015-01-20         作者:任强强          来源:循环流化床实验室     【字号:

  一、课题研究背景 

  我国以煤为主的能源结构在未来相当长的时期内不会改变,在已探明的煤炭储量中,一半以上为低阶煤,由于低阶煤水分高、热值低,目前其利用方式(直接燃烧或气化)效率低、污染物排放高,寻求一条适合我国国情的低阶煤洁净综合利用新技术一直是我国能源战略部署的重中之重。 

  为此,中国科学院针对低阶煤的组成与结构特征,提出了低阶煤清洁高效梯级利用的解决方案,即以高效热解为先导,提取煤中的油气资源,剩余半焦燃烧发电或经气化转化为液体燃料和化学品,形成“热解-油气提质-半焦燃烧-发电”、“热解-气化-合成”和“热解-气化-费托合成-油品共处理”三条技术路线,并以这三条技术路线为主线,设立了战略性科技先导专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”,致力于形成适合我国资源特征的高能效、低污染、低排放和高值化的低阶煤综合利用技术体系,推动我国煤电和煤化工行业的技术进步。 

  工程热物理研究所承担的院战略性先导科技专项项目五“新型分级转化半焦/煤气化技术及工业示范”课题3“气化灰渣和细粉灰CFB再燃技术以及高温水蒸气制备技术”,其执行期为20132016年,课题负责人为包绍麟研究员本课题是与多段分级转化流化床气化工艺相匹配,利用循环流化床燃烧技术,结合气化细粉灰的特点以及燃烧特性,对气化细粉灰循环流化床燃烧关键技术开展针对性的研究,目的是形成气化灰渣和细粉灰CFB再燃利用技术,利用燃烧产生的热量生产高温蒸汽,为煤气化工艺提供气化剂,从而提高系统的碳转化率。 

  二、课题研究目标 

  课题总体目标为提出气化灰渣和细粉灰循环流化床燃烧、产生高温蒸汽的设计准则,形成工程技术实施方案,实现煤炭的梯级综合利用。通过本课题实施,将完成气化灰渣和细粉灰循环流化床燃烧关键技术的研究开发,提高循环流化床气化工艺的技术水平与市场竞争力。 

  气化灰渣和细粉灰的微观结构和化学成分决定了其燃烧特性。煤气化产生的细粉灰经历了部分熔融,孔隙结构不发达,几乎没有微孔。具有粒径超细、灰分高、挥发分几乎为零、燃烧反应活性较低、着火温度及燃尽温度高等特点。气化细粉灰的平均粒度仅约20μm,常规的燃煤循环流化床锅炉无法实现气化细粉灰的高效燃烧,必须针对气化细粉灰的性质采用新的循环流化床技术方案。因此,如何组织气化细粉灰在循环流化床内的稳定燃烧、保证细粉灰的燃尽、合理布置过热蒸汽受热面,是本课题的主要难点和技术创新点。围绕课题的研究目标和任务,研究人员制定了基础实验-小试-中试-工业规模试验的研究路线,研发气化细粉灰中试和工业规模燃烧技术,形成可供低阶煤气化炉配套使用的工程技术实施方案。 

  三、课题研究进展 

  根据课题的研究内容和总体目标,研究所循环流化床实验室成立了项目组,制定了科研策划并进行了任务分解,以保证课题的高效实施和顺利完成。课题自2013年启动两年以来,进展顺利,主要成果如下: 

  1.研发5/日气化灰渣和细粉灰CFB燃烧-高温蒸汽发生系统中试平台,完成气化灰渣和细粉灰循环流化床燃烧中试研究 

  依托中国科学院战略先导专项,研究所循环流化床实验室在廊坊研发中心建设了5/日气化灰渣和细粉灰CFB燃烧-高温蒸汽发生系统中试平台(以下简称“5/日中试平台”),用于开展气化细粉灰燃烧及产生高温蒸汽的关键技术研究。 

  中试平台为自主研制,201212月完成概念设计,20132月完成基本设计,201311月完成中试平台全部建设任务,201413日完成了连续35小时热态调试。 

  2014年,项目组研发人员在该中试平台上针对多种气化细粉灰进行了系统的燃烧试验。中试平台的气化细粉灰的燃烧处理量为5.2 t/d,经过反复试验,最终燃烧效率达到99%,全面达到了课题的考核指标,其中部分指标优于考核指标。燃烧后的飞灰含碳量为0.8%,飞灰可以直接再利用,实现了气化细粉灰的环保资源化再利用。 

  通过系统的中试研究,在气化细粉灰循环流化床稳燃及燃尽特性方面获得如下主要进展: 

  (1) 气化细粉灰的突出特点是挥发分含量几乎为零、粒径仅为约20μm、着火及燃尽温度高。项目组提出了适合于气化细粉灰燃尽的强化预热+高温燃烧的循环流化床燃烧工艺,研发了新型循环流化床燃烧装置,申请了两项发明专利,解决了气化细粉部分石墨化导致难以燃尽的问题。中试平台燃烧试验结果表明,新型循环流化床燃烧装置经过合理的设计,完全可以实现气化细粉灰的自持燃烧及高效燃烧,燃烧后的飞灰含碳量<1%,燃烧效率超过99%。利用循环流化床技术燃烧气化细粉灰,可以利用循环流化床的优势,减小氮氧化物及硫氧化物的排放。 

  (2) 研发了新型气化细粉灰预热结构系统,形成了气化细粉灰与物料及空气混合分配及调节技术,实现了气化细粉灰在小空间条件下的快速预热,在气化细粉灰循环流化床燃尽难题上实现了技术突破,掌握了影响气化细粉灰预热效果的关键因素。 

  (3) 掌握了不同来源气化细粉灰燃烧反应特性及循环流化床燃烧与燃尽特性,初步建立了气化细粉灰循环流化床燃烧特性数据库。 

  (4) 气化细粉灰属于典型的Geldart C类颗粒,在循环流化床的流化过程特性是循环流化床燃烧技术的关键。项目组借助于冷态循环流化床实验及不同尺度循环流化床燃烧试验,掌握了超细气化细粉灰循环流化床的流化特性、旋风分离器的分离特性及返料特性,解决了制约气化细粉灰循环流化床燃烧效率及炉内流动的难题。 

  (5) 获得了气化细粉灰循环流化床燃烧过程系统物料平衡及热平衡匹配特性,包括高温过热蒸汽的产生、换热及结构布置特性,为工业规模循环流化床的研发提供了基础数据。 

  (6) 气化细粉灰为煤高温气化后的产物,晶相结构及硫、氮的赋存形态与原煤相比发生了很大改变。项目组研究了低阶煤经煤气化转化为细粉灰的过程中硫、氮元素的赋存形态变化规律,获得了气化细粉灰循环流化床燃烧过程中污染物排放及控制特性,为实现气化细粉灰洁净燃烧提供了支持。 

  2.对气化细粉灰循环流化床燃烧锅炉容量进行放大,研发40/日气化灰渣和细粉灰CFB燃烧-高温蒸汽发生系统工业试验装置 

  在完成中试研究的基础上,项目组进一步研发了气化细粉灰循环流化床工业规模放大技术,提出了气化细粉灰循环流化床燃烧技术的放大准则,为工业化应用提供了有价值的试验数据和工艺探索研究。 

  建设与循环流化床煤气化工艺相匹配的气化灰渣和细粉灰燃烧工业试验装置,产生的高温蒸汽用于煤气化工艺,实现煤气化/燃烧的热力匹配,这是本课题的一大难点和技术创新点,同时也是实现气化细粉灰循环流化床燃烧锅炉产业化应用的关键。 

  本课题于20149月落实了工业试验装置的用户,201410月设计完成了40/日气化灰渣和细粉灰CFB燃烧-高温蒸汽发生系统工业试验装置(以下简称“40/日工业试验装置”)。 

  目前,40/日工业试验装置已完成了技术设计,现场建设正顺利进行,钢架的安装与本体的加工制造已经完成,建设进度已经超前于先导专项课题的要求。 

  40/日工业试验装置的特点及功能主要为: 

  (1) 气化细粉灰循环流化床燃烧锅炉与现有循环流化床煤气化炉系统相集成,40/日工业试验装置燃烧产生的高温蒸汽直接用做煤气化炉的气化介质; 

  (2) 煤气化炉分离下来的高温气化细粉灰不经过冷却,直接进入40/日工业试验装置进行燃烧,利用了气化细粉灰的物理热,避免了能量浪费; 

  (3) 40/日工业试验装置实现了与煤气化工艺的热力匹配,为产业化系统配套集成提供有价值的试验数据和工艺探索研究。 

  四、下阶段工作计划 

  气化细粉灰燃烧技术关乎低阶煤煤气化技术的发展,是提高低阶煤的综合利用效率、实现低阶煤梯级利用的一个关键环节。研发具有市场竞争力的气化细粉灰循环流化床燃烧技术,并与循环流化床煤气化炉实现热力匹配是先导专项赋予我们的责任。 

  项目组研发人员将聚焦于气化细粉灰循环流化床燃烧核心技术,完成日处理百吨级以上规模的气化细粉灰循环流化床燃烧关键技术和工程技术方案,实现气化细粉灰循环流化床燃烧锅炉工程技术示范。 

 
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