劣質煤熱解燃燒分級轉化技術在300 MW CFB鍋爐中的應用淺析

(山西省朔州市山西平朔煤矸石發電有限責任公司,山西 朔州 036800)

1 引 言

1.1 能源發展趨

我國是一個以煤炭為主要能源資源的國家。目前我國煤炭產量已達40億t左右，占一次能源消費量的65%左右。雖然在未來幾十年內我國煤炭能源的比例將逐步下降，但煤炭在我國能源結構中的主導地位不會發生根本的改變，我國仍然是一個以煤為主要能源的國家。

長期以來煤炭往往被作為單一用途來利用，目前 80%左右以利用效率較低的直接燃燒方式利用。目前我國發電耗煤約18億t，占我國煤炭消費量50%以上。但現有火電廠只將煤炭作為燃料直接燃燒，造成系統效率偏低，污染物控制成本高，且浪費了煤中具有高附加值的油、氣和化學品。

1.2 煤炭的利用現狀及多聯產技術的優勢

以煤熱解為基礎的分級轉化梯級利用技術從煤炭既是能源同時又是電力、化工、冶金等行業的資源這一角度出發，將煤的熱解、氣化、燃燒、合成等各個過程有機結合，在同一系統中生產多種具有高附加值的化工產品、液體燃料以及用于工藝過程的熱和電力等產品。煤炭中不同組分在化學反應性上差別巨大，揮發分是煤組成中最活躍的組分，通常在較低溫度下就會析出，同時揮發分也是煤中比較容易利用的組分，而固定碳較為穩定，反應所需活化能較高，在低溫下不易反應。針對煤炭的這種特性，熱解氣化燃燒分級轉化技術通過熱解將揮發分提取出來，揮發分中的煤氣可用于制取天然氣、合成液體燃料或制取氫氣，焦油可提取有用的化學品或提質制取燃料油；富碳半焦則可用于燃燒或氣化，也可用于制活性炭等其他用途。通過上述生產過程在系統中的有機耦合集成，簡化工藝流程，減少基本投資和運行費用，根據市場需求和煤炭特性，通過耦合熱解、氣化、燃燒分級轉化方式，適用于具有復雜煤質的褐煤或煙煤，可實現多種產品聯產，降低各產品成本，從而實現了煤的分級轉化綜合利用，提高了煤轉化效率和利用效率，降低污染排放，實現煤炭利用系統整體效益最優化。

1.3 文中研究內容

本項目改造方案為在現有電廠3號機組的1臺循環流化床鍋爐一側的二個高溫分離器之間布置1套熱解系統，煤氣粗凈化系統為1套，熱解產生的半焦全部回用作為鍋爐的部分燃料，其燃燒所產生的蒸汽可滿足發電150 MW；熱解焦油處理后外賣；熱解產生的熱解氣(富含 CH4、CO、H2、C2、C3等)經脫氨、脫硫、脫苯萘、脫碳、精脫萘油、精脫硫、干燥和低溫液化分離等處理得到清潔能源LNG(液化天然氣)和管道燃料氣(富含CO和H2)。

2 流化床熱解爐的實驗研究

循環流化床鍋爐運行溫度在850～900 ℃之間，大量的高溫物料被攜帶出爐膛，經分離機構分離后部分作為熱載體進入以再循環煤氣為流化介質的流化床熱解爐。煤經給料機進入熱解爐和作為固體熱載體的高溫物料混合并加熱(運行溫度在 550～800 ℃之間)。煤在熱解爐中經熱解產生的粗煤氣和細灰顆粒進入熱解爐分離機構，經分離后的粗煤氣進入煤氣凈化系統進行凈化。除作為熱解爐流化介質的部分再循環煤氣外，其余煤氣則經脫硫等凈化工藝后作為凈煤氣供民用或經變換、合成反應生產相關化工產品。收集下來的焦油可提取高附加值產品或改性變成高品位合成油。煤在熱解爐熱解產生的半焦、循環物料及煤氣分離器所分離下的細灰(灰和半焦)一起被送入循環流化床鍋爐燃燒利用，用于加熱固體熱載體，同時生產的水蒸汽用于發電、供熱及制冷等。

某電廠2×300 MW燃煤循環流化床發電機組鍋爐為上海鍋爐廠制造的SG-1060 /17.4-M801型亞臨界中間再熱、單鍋筒自然循環鍋爐。采用緊身封閉布置、全鋼構架、采用支吊結合的固定方式，鍋爐采用單鍋筒自然循環、集中下降管、平衡通風、絕熱式旋風氣固分離器、循環流化床燃燒方式，煙井內布置對流受熱面。

3 熱解爐與流化床的耦合技術研究

煤在熱解爐內熱解時會產生易燃易爆危險性物質，主要有一氧化碳、氫氣、硫化氫、等。所以要采取可靠的措施，在發生異常工況時，可以快速有效的將熱解爐與流化床燃燒爐隔離，并將易燃易爆危險性物質控制在安全范圍內。

熱解燃燒分級轉化多聯產系統的方案最關鍵的技術是采用來自循環流化床燃燒爐的固體熱載體提供氣化熱源。因此，物料循環系統是關鍵，既要保證氣化室和燃燒室間有合適的循環物料量以提供氣化所需的熱量，并控制熱解爐運行溫度在合適的溫度下，以獲得較大的煤氣產率。因此該電廠在循環回路上設置錐形灰渣閥以控制進入熱解爐物料。

4 結束語

煤制氣項目，本身是很成熟的，只是利用現在的鍋爐返料部分返料到新建的熱解爐，與燃料混合，達到600多度，自然就產出氣了，但與流化床的結合是關鍵，該廠的熱解燃燒轉化裝置出力為150 MW，替代原來鍋爐1/2的出力，在運行調整上講面臨很多新挑戰。故文中得出以下主要結論：

(1)長期以來煤炭往往被作為單一用途來利用，但現有火電廠只將煤炭作為燃料直接燃燒，造成系統效率偏低，污染物控制成本高，且浪費了煤中具有高附加值的油、氣和化學品。因此熱解燃燒與流化床鍋爐相耦合技術是有相當好的發展前景。

(2)在耦合過程中，如何保證流化床的正常穩定運行，如何快速隔離熱解爐運行是關鍵，需要在以后的實驗過程中深挖研究。

(3)推廣應用煤炭分級轉化綜合利用技術適合我國的國情和特色，充分體現煤炭既是能源又是資源的理念，既可對現有燃煤電廠進行分級利用改造，又可適用于新建電廠，可應用于高效清潔發電、替代工業鍋爐燃煤、運輸燃料替代和煤化工等領域，對于我國清潔高效煤炭發電、油氣等資源替代、大幅度節能減排、循環經濟等具有重要戰略意義。