CFB锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析.pdf
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1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析赵强1,杜常宗2,卢宇飞3,刘宏林2,王东亮1,陈毅烈2,杜建鹏3,张宝利1,马涛2,戴思远2,郭伟2,罗春桃2,曲献伟3,匡建平2(1陕西渭河煤化工集团有限责任公司,陕西 渭南714000;2宁夏神耀科技有限责任公司,宁夏 银川750011;3上海复洁环保科技股份有限公司,上海200438)摘要:目前我国煤化工行业多年持续发展使得国内煤气化系统细渣处理量高速增加。气化细渣经真空带式或板框过滤机过滤后含水率普
2、遍达到 40%60%,干基残碳质量分数通常在 18%50%。煤气化细渣的无害化处理和资源化利用已成为当前国内外煤化工行业亟待解决的痛点。以水煤浆气化细渣的特性为基础,从气化细渣的残碳(热值)、含水率、掺烧比例和混合燃烧特性等方面研究了水煤浆气化细渣对掺烧的影响。陕煤集团渭化公司水煤浆气化炉气化细渣经过深度脱水干化后含水率降低到 28%,输送简单方便,与原料煤掺混后混合燃料的流动性不会造成堵煤断煤,调整混合燃料的含水率和热值等满足 CFB 锅炉要求后,对锅炉换热效率和运行寿命影响不大。针对气化细渣掺烧进 CFB 锅炉的运行情况进行分析,掺烧后锅炉运行参数如床层温度、烟气氧含量、排烟温度、床层差压
3、等变化不大;烟气中 SO2,NOx质量浓度未剧烈变化,不会影响到锅炉脱硫脱硝系统。掺烧前锅炉飞灰含碳量在 10%20%,掺烧后降低到 5%10%,证明合适的掺加量对燃烧有促进作用。气化细渣掺烧后,由于其灰分较原料煤高,进入烟道的飞灰总量将增加,在掺烧比例15%时,布袋除尘器的设计裕量可以满足掺烧工况。将气化细渣的含水率一次性降低至 28%左右,然后掺烧至 CFB 锅炉,可以节省细渣的处置费,并利用细渣内残碳燃烧产生蒸汽以达到节能的目的,掺烧后增加的灰渣可用于建材,经济收益和环保效益十分可观,是一条节能环保,切实可行的固废资源化利用途径。关键词:气化细渣;CFB 锅炉;掺烧;运行特性;资源化利用
4、中图分类号:TQ546文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1030509移动阅读收稿日期:20220701修回日期:20220801责任编辑:钱小静DOI:1013225/jcnkijccs20220994作者简介:赵强(1977),男,陕西渭南人,高级工程师,硕士。Email:zhaoqiang6505 163com通讯作者:杜常宗(1990),男,河南新乡人,工程师,硕士。Email:duchangzong nxsytccom引用格式:赵强,杜常宗,卢宇飞,等 CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析J 煤炭学报,2023,48(S1):305313ZHAO Qia
5、ng,DU Changzong,LU Yufei,et al Study and operation analysis on blended combustion of coal waterslurry gasification fine slag in CFB boilerJ Journal of China Coal Society,2023,48(S1):305313.Study and operation analysis on blended combustion of coal waterslurry gasification fine slag in CFB boilerZHAO
6、 Qiang1,DU Changzong2,LU Yufei3,LIU Honglin2,WANG Dongliang1,CHEN Yilie2,DU Jianpeng3,ZHANG Baoli1,MA Tao2,DAI Siyuan2,GUO Wei2,LUO Chuntao2,QU Xianwei3,KUANG Jianping2(1Shaanxi Weihe Coal Chemical Corporation Group Ltd,Weinan714000,China;2Ningxia Shenyao Technology Co,Ltd,Yinchuan750011,China;3Shan
7、ghai Ceo Environmental Protection Technology Co,Ltd,Shanghai200438,China)Abstract:At present,the many yearsdevelopment of China s coal chemical industry has led to a rapid increasein the amount of fine slag treatment in the domestic coal gasification system After being filtered by vacuum belt orplat
8、e frame filter,the moisture content of gasification fine slag generally reaches 40%60%,and the mass fractionof dry basis residual carbon is usually 18%50%The harmless treatment and resource utilization of coal gasification煤炭学报2023 年第 48 卷fine slag has become a pain point that needs to be solved urge
9、ntly in the coal chemical industry at home and abroadBased on the characteristics of coal water slurry gasification fine slag,the influence of coal water slurry gasification fineslag on mixing combustion was studied from the aspects of carbon residue(calorific value),moisture content,mixingproportio
10、n and mixing combustion characteristics of coal water slurry gasification fine slag After deep dehydrationand drying,the moisture content of the gasification fine slag of the coal water slurry gasifier of a group in ShaanxiCoal Group Weihua Company is reduced to about 28%After blending with the raw
11、coal,the blended fuel is easy tobe transported and its fluidity will not cause raw coal blockage and interruption After adjusting the moisture contentand calorific value of the blended fuel to meet the requirements of the CFB boiler,it will have little impact on the heatexchange efficiency and opera
12、ting life of the boiler Based on the analysis of the operation of the CFB boiler blendedwith gasification fine slag,the boiler operation parameters such as bed temperature,flue gas oxygen content,flue gas temperature,bed differential pressure and so on have little change after blended combustion The
13、 concentrationof SO2and NOxin flue gas does not change dramatically and will not affect the boiler desulfurization and denitrificationsystem The carbon content of boiler fly ash is reduced from 10%20%to 5%10%after blended combustion,whichproves that the appropriate amount of blending can promote the
14、 combustion After the blended combustion of gasifica-tion fine slag,the amount of fly ash entering the tail flue will increase because its ash content is higher than that ofraw coal When the mixing proportion is less than 15%,the design margin of bag filter can meet the mixing conditioneducing the m
15、oisture content of gasification fine slag to about 28%at one time,and then burning it in the CFB boil-er can save the disposal cost of fine slag,and burning the residual carbon in fine slag to produce steam can achieve thepurpose of energy conservation,and the increased fly ash after burning can be
16、used for building materials,so the eco-nomic and environmental benefits are very considerable It is an energy-conserving,environment-friendly,and practicalway for the resource utilization of solid wasteKey words:fine slag of gasification;CFB boiler;blended combustion;operating characteristics;resour
17、ce utilization我国 2020 年能源消费结构中煤炭占比 567%1,煤炭消费量同比保持增长态势。随着煤化工行业的快速发展,行业耗煤逐年增加2,同时煤气化渣排放量逐年增加,在 2019 年已达 3 300 万 t/a3,国内外对气化渣的应用研究主要有以下几个方向:浮选分离、燃烧设备掺烧、土壤改良、制备材料、水处理4,浮选分离是将气化细渣中的灰分和未燃固定碳分离后进行分级利用,灰分作建材等添加材料,未燃碳进入燃烧设备掺烧;由于气化细渣固定碳含量高,气化细渣可以直接在燃烧设备掺烧,但由于含水率高,大规模掺烧时,燃烧效率不高,易对锅炉设备造成磨损,需先对气化细渣进行干燥;气化细渣中硅铝成
18、分高,孔隙发达,比表面积大,能够成为调节剂和肥料改善盐碱地和沙地的土质,但需针对不同土壤配制不同配方,不利用推广;利用气化细渣制备建筑材料及合成复合材料,尚处于试验阶段;利用气化细渣孔隙发达,比表面积大可以作为吸附剂对污水进行处理,但工艺复杂,工业化风险高。上述应用方向都存在各种各样的瓶颈,尚无法进行大规模工业化综合利用。目前气化渣只能大量外送至渣场进行填埋,处置过程中会对生态环境造成严重的破坏,如扬尘、水体及土壤污染等。气化细渣残碳和热值很高,填埋也造成了资源的大量浪费。随着各地化工园区环保力度的提高,气化细渣堆放和填埋费逐年高昂。煤气化细渣的大规模无害化处理和资源化利用已成为国内外煤化工行
19、业亟待解决的行业痛点。气化细渣来源于原料煤与氧化剂发生不完全燃烧反应生成合成气过程中,煤中矿物质和固定碳在高温高压环境中经过复杂的物化反应形成的。残碳颗粒与矿物质颗粒结合后经过水浴洗涤从黑水出口排出,经过多级闪蒸后进入澄清槽,再经过真空带式或板框过滤机进行脱水处理后得到了气化细渣,脱水处理后含水率通常为 40%60%,含水率仍过高,虽然干基残碳和热值较高,但燃烧过程中水分会先吸热汽化,如无法降低含水率,残碳热值不足以维持自身的燃烧,即无法在煤粉炉和循环流化床锅炉中自稳定燃烧,从而限制了气化细渣大规模掺烧利用。循环流化床锅炉燃料品种多,燃烧效率高,床内传热不随负荷变化,能够利用劣质燃料56。如果
20、解决了气化细渣的含水率过高的问题,虽然其热值相对于原料煤低,但在 CFB 锅炉中大规模掺烧已具有较强的可行性。笔者针对陕煤集团渭化公司水煤浆气化炉气化细渣进行特性分析,对经过深度脱水干化含水率降低到 30%以下后,掺烧进 240 t/h603增刊 1赵强等:CFB 锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析CFB 锅炉的运行情况进行研究,并对掺烧进行经济性分析,得出 CFB 锅炉掺烧是解决煤气化细渣的有效途径,利用渣中残碳产生蒸汽实现节能的同时避免了污染问题,为今后气化细渣如何进行工业化规模掺烧利用提供参考。1气化细渣的特性研究目前,不同煤气化工艺气化细渣的化学组成、矿相性质、形状特征等已被充分研
21、究。煤气化渣主要由大量的非晶态物质和少量的矿物结晶组成。宋瑞领等7 对多种气流床气化细渣的矿物组成进行汇总(表 1)。表 1气流床气化细渣矿物学组成7 Table 1Mineralogical composition of entrained-flowgasification fine slag7 炉型矿物组成神木化工玻璃态+残碳90%,石英+方解石等10%宁煤集团玻璃态为主,部分石英,少量镁铝柱石宁煤集团玻璃态为主,部分石英,含有机质贵州天福玻璃态质量分数74%,微量莫来石、石英、铁相煤粉气流床莫来石晶体,各相态石英气化细渣中非晶态玻璃体结构和残碳质量分数远超过矿物结晶。气化细渣的矿物组成是
22、与气化炉内的转化过程、炉内反应温度、灰渣停留时间等密切相关的。高旭霞等8 研究得出,气化细渣相对于粗渣在炉内停留时间短。气流床气化炉中多相流动模型介于平推流反应器和全混流反应器之间,原料煤气化反应经过返混停留时间长,碳转化率高于固定床和流化床气化炉,而煤中难燃灰分和未燃残碳共同组成灰渣,其中渣通过附着在耐火砖热壁面或水冷壁面形成流动渣层向下渣口流动,经过激冷水浴后形成粗渣进入捞渣机;灰跟随合成气快速通过下渣口进入水浴,少量跟随合成气进入下游,大部分留在水中形成黑水,再经过闪蒸工艺和澄清槽后脱水形成细渣,因此细渣在炉内停留时间短,由于未进行充分燃烧渣中残碳含量高,也为后续能在锅炉中掺烧利用提供了
23、基础。气化细渣的化学组成除了固定碳外以 SiO2,CaO,Fe2O3,Al2O3为主4,9,与原煤相比,其灰分占比较高,几乎无挥发分,属于相对难以燃烧的燃料,N 元素和 S 元素低于原煤,因此将气化细渣脱水后掺烧进CFB 锅炉不会对脱硫脱硝装置产生不利影响。笔者针对水煤浆气流床气化细渣的可能会影响到掺烧的特性进行研究分析。1.1水煤浆气化细渣结构特性分析对不同项目不同炉型水煤浆气化细渣比表面积和孔容积特性进行分析,见表 2。序号 1 为针对陕煤集团渭化公司水煤浆气化细渣取样分析的结果,与序号 26 所在文献中的分析结果进行对比可知,不同炉型不同煤种的气化炉,产生的气化细渣比表面积和孔容积也各不
24、相同,但都处于同等数量级,比表面积都大于 100 m2/g,孔容积都大于 014 cm3/g,而较高的比表面积和孔容积在掺烧过程中能够与氧气接触的更充分。表 2水煤浆气化细渣比表面积和孔容积分析Table 2Analysis of specific surface area and pore volume offine slags from coal water slurry gasification序号炉型比表面积/(m2g1)孔容积/(cm3g1)1四喷嘴2062360270 024 Texaco2582900235 434 Texaco2029800162 144 四喷嘴10488001
25、41 854 四喷嘴1117000148 567 四喷嘴1785800237 9对陕煤集团渭化公司水煤浆气化细渣进行扫描电镜观察,其显微结构如图 1 所示,图 1(a)为放大1 000倍后气化细渣表面形状,图 1(b),(c)为放大2 000倍后气化细渣表面细节处形状,图 1(d)为针对多孔微团表面放大 20 000 倍后的形状。由图 1(a),(b)可知,气化细渣中玻璃体多为规则的球形,经过 EDS 分析,玻璃体主要元素为 Si,Al,Ca,O 及少量 Fe 等8;由图1(c),(d)可知,条状微团为多孔结构,图 1水煤浆气化细渣扫描电镜分析Fig1SEM analysis of fine
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