德士古水煤漿加壓氣化技術的優(yōu)化創(chuàng)新

1、德士古水煤漿加壓氣化技術的優(yōu)化創(chuàng)新王延昆，王 偉（兗礦國宏公司氣化部，山東鄒城273500 ） 2007-03-230 前 言目前我國以煤為原料生產(chǎn)合成氨、氫氣和羰基合成氣的工業(yè)裝置，其造氣大致分為德士古水煤漿加壓氣化、魯奇碎煤加壓氣化、常壓 固定層間歇氣化和近期引進的謝爾粉煤加壓氣化等幾種。其中比較先進的氣化方法為德士古水煤漿加壓氣化和謝爾粉煤加壓工藝兩種。前 者是50年代初期，由美國德士古公司在重油部分氧化氣化基礎上開發(fā)成功的，隨后在日本、瑞典和意大利等國工業(yè)應用。我國的兗礦魯南化肥廠、淮南化肥廠和吉化公司化肥廠等均采用這種工藝。后者是荷蘭殼牌公司開發(fā)的一種先進煤氣化技術。始于1972年，

2、期間經(jīng)歷了數(shù)次小試、中試和工業(yè)化放大試驗，于1993年在荷蘭Demclec建成循環(huán)聯(lián)合發(fā)電裝置，從而實現(xiàn)該技術的工業(yè)化。我國的湖北雙環(huán)科技股份有限公司、洞庭氮肥廠和柳州化學工業(yè)公司等10余家企業(yè)，已將該技術用于合成氨和甲醇的生產(chǎn)。有許多文獻報道：與德士古水煤漿加壓氣化技術相比，Shell煤氣化具有對煤質(zhì)要求低，合成氣中有效組分（CO+H89%含量高，原煤和氧氣消耗低，環(huán)境污染小和運行費用低等特點。但筆者認為上述觀點并不全面，本文結(jié)合多年來對德士古水煤漿加壓氣化操作的體會，對這兩種氣化工藝進行比較，談談水煤漿氣化技術的優(yōu)化創(chuàng)新。1 兩種氣化工藝存在的技術問題1.1 謝爾技術殼牌公司的SCGF技術

3、，由于是干法進料，氣化爐的操作溫度比較高，碳的轉(zhuǎn)化率比較高，系統(tǒng)的熱量利用率比較高，氧氣的消耗也比較少。但是由于是干粉進料，在加壓狀態(tài)下進行氣流輸送，對進料系統(tǒng)閥門的耐磨性能和密封性能要求比較高，而且進料的壓力也不 能控制得太高，還有無用的氮氣進入氣化爐內(nèi)，顯然不如德士古技術的水煤漿進料方便。另外干粉進料的謝爾氣化過程實際只是純氧條件 下的部分氧化過程，入爐水蒸氣的分解率非常低，引入蒸汽的目的，實際是為了通過部分水蒸氣的分解，調(diào)節(jié)氣化爐內(nèi)的溫度，通過引入 蒸汽消耗熱量，這樣做并不科學。在這一點上德士古氣化工藝的氣化爐內(nèi)水蒸氣的比例比較大，水蒸氣的分解量比較大，能從水當中得到 氫氣，從而大大提高

4、單位質(zhì)量原煤的產(chǎn)氣率，其經(jīng)濟效益是十分可觀的。因為一分子碳和水蒸氣反應可以生成一分子CO和一分子H2，而一分子碳和一個氧原子反應只能生成一分子CO。1.2 德士古氣化技術德士古水煤漿氣化爐采用濕法進料，因此操作比較方便。但因為采用液體排渣技術，由此而產(chǎn)生了一系列的問題，比如：要求煤種的灰熔點和灰分含量不能太高，煤灰在操作條件下熔融灰的黏度比較低，流動性比較好等。所有這一切要求都是基于要保證液體排渣的順利進行，產(chǎn)生這些問題的根本原因在于進料帶入了大約35%勺水。德士古氣化最大的優(yōu)勢是水煤漿進料而帶來的操作上的方便，最大的問題也是源于水煤漿進料而產(chǎn)生的熱量平衡緊張和排渣的困難。因為由于這35%勺水

5、進入氣化爐后，水分的蒸發(fā)、升溫要吸收大量的熱量，導致了 TCGP氣化工藝氣化爐內(nèi)的反應溫度相應比干粉氣化低，氣化爐內(nèi)的熱量平衡狀況比較緊張，因而碳的轉(zhuǎn)化率比干粉氣化低，氧耗也比干 煤粉氣化高。人們往往用氣化爐產(chǎn)生的合成氣中CO + H2的高低來對比德士古氣化和謝爾氣化兩種氣化技術的優(yōu)劣，筆者認為用這種方法來比較并不科學。表1列出了兩種氣化工藝的氣體組成。由表1可見，Shell氣化產(chǎn)生的氣體中CO含量高，H和CQ含量都低，經(jīng)過變換后才能達到與Texaco氣化后相同的組成，因此，可以說干煤粉氣化單位質(zhì)量原煤的產(chǎn)氣率并不高。因為合成氣生產(chǎn)廠家進行煤炭氣化的目的是生產(chǎn) 氫氣，出爐粗煤氣中CQ+H的含量

6、實際上并不能真正代表有效氣的含量。Shell氣化產(chǎn)生的CQ含量高，在變換工段要消耗大量的水蒸氣來完成高含量CQ合成氣的變換過程，因此，如果以每生產(chǎn)1000 m3氫氣來計算各種消耗，謝爾氣化的許多經(jīng)濟技術指標就不那么優(yōu)越了，投資巨大的廢熱鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的水蒸氣剛好供后續(xù)工段變換使用，還不如德士古氣化用激冷流程，使熱量回收和氣體除塵同時進行，投資少、 操作簡單、運行費用低、洗滌效果好。表1不同氣化工藝組成對比%項目CO0旳呂111吒化(51.73.8227.6Texaco氣化46717.834.fiShwll預變后航114.9333.12 水煤漿氣化技術的優(yōu)化創(chuàng)新思路通過上面的分析可以看出水煤漿氣化

7、的優(yōu)點是：（1）水煤漿氣化技術在進料上比較方便和安全；（2）水煤漿氣化單位質(zhì)量原料煤的有效氣產(chǎn)量比干煤粉氣化高；（3）合成氣的冷卻和洗滌采用激冷流程，比Shell氣化采用廢鍋流程投資少，而且操作簡單，洗滌效果好。但是水煤漿氣化工藝在原料的選擇上有一些限制，認真分析水煤漿氣化技術問題的根源在于入爐的水消耗了氣化爐內(nèi)太多的熱量，再加上氣化 反應本身就是一個較強的吸熱過程，所以德士古氣化爐從安放燒嘴的燃燒室上部到下面的排渣口，溫度下降的梯度是比較明顯的，又是采 用液體排渣形式，所以對原料發(fā)熱量、灰熔點等物性有比較嚴格的要求。為此人們試圖通過提高煤漿的濃度來解決這個問題。但是要磨制 高濃度的水煤漿有一

8、定的難度，即便是能磨制岀高濃度的水煤漿，其流動性又成了問題。人們又試圖開發(fā)油、煤、水三元料漿和摻混石油 焦的多元料漿，雖然有所改善，但是解決不了根本問題，而且原料制備過程比較復雜。以天然氣等可燃氣體為原料制取合成氣的轉(zhuǎn)化工藝，由于原料的含碳量比較高、發(fā)熱量比較高，所以反應溫度非常高，氣化爐內(nèi)的熱量相對太富裕了。必須加入一定量的水蒸氣，并通過水蒸氣的分解來消耗熱量，降低氣化爐的溫度。如果在一個氣化爐上同時使用水煤 漿和天然氣或者焦爐煤氣等可燃氣體進行氣化，就可以巧妙地把單一使用水煤漿氣化原料發(fā)熱量低、系統(tǒng)內(nèi)熱量平衡緊張的問題和單一使 用天然氣或焦爐煤氣轉(zhuǎn)化氣化發(fā)熱量太富裕的問題同時解決，變劣勢為

9、優(yōu)勢，可以收到意想不到的效果。由此，筆者想到了一種優(yōu)化革新水煤漿氣化爐的思路，那就是開發(fā)一種同時使用煤和天然氣或者同時使用煤和焦爐煤氣兩種原料的復合原料氣化爐。結(jié)合我國煤炭資源豐富的基本國情，還是應當以煤氣化為主。在這種新型氣化爐中要以煤為主要原料，以可燃氣體為輔 助原料。該爐型的設計以德士古水煤漿氣化爐為原型，在氣化爐的頂部安裝一個主工藝燒嘴，向氣化爐投入水煤漿和氧氣，在氣化爐的中 部安裝兩個輔助工藝燒嘴，用來加入可燃氣體和氧氣，但是輔助工藝燒嘴不再配加普通天然氣轉(zhuǎn)化所用的水蒸氣。兩個用作可燃氣體進料的輔助工藝燒嘴要采用相對噴入的方式安裝，這樣可燃氣體噴入氣化爐以后相互對撞，可以防止氣流沖擊

10、對面的耐火材料，同時有來自氣 化爐頂部主工藝燒嘴噴射下來的氣流推動，輔助工藝燒嘴噴入的可燃氣體就更難以噴到對面的耐火材料上了。而且輔助工藝燒嘴的負荷量 比較小，對氣化爐內(nèi)的流場不會產(chǎn)生較大的影響。引入了輔助的高熱值可燃性氣體原料以后，由于向氣化爐內(nèi)提供的熱量大大增加了，入爐的水量相對減少，優(yōu)化了氣化爐內(nèi)的熱平衡狀況。對于這種氣化爐，如果70%勺原料是濃度是65%勺水煤漿，30%勺原料是天然氣或者是焦爐煤氣，就相當于把進料水煤漿的濃度提高到了 72.7%，而且由于可燃氣不含灰分，不存在灰渣融化問題，所以帶岀的熱量又減少許多，再加上可然氣體轉(zhuǎn)化本身要消耗一定量的水 蒸氣，實際相當于把進料水煤漿的濃

11、度提高到了80%90%這對于優(yōu)化氣化爐內(nèi)水煤漿的氣化操作具有十分重要的意義。尤其氣化爐中部可燃氣體的引入，減少了整個氣化爐上下溫度差，相對提高了氣化爐下部渣口處的溫度。有利于頂部主工藝燒嘴噴入的水煤漿中煤粉的進 一步轉(zhuǎn)化，有利于氣化爐的排渣操作。同時不必像德士古氣化那樣要求氣化爐保持較高的反應溫度，可以相對降低頂部水煤漿主工藝燒嘴 燃燒區(qū)的溫度，提高氣化爐下部還原區(qū)的溫度，使氣化爐上下成為一個溫度相對均勻而且相對低溫的反應體系，有利于延長氣化爐耐火材 料的使用壽命。另外由于引入了輔助的高熱值可燃性氣體，使整個氣化爐的溫度特別是氣化爐中下部的溫度有了一定幅度的提高，因而可 以大大提高煤的轉(zhuǎn)化率，

12、改善氣化爐內(nèi)熱平衡狀況，對提高氣化爐內(nèi)水蒸氣的分解率，提高有效氣體成分、提高碳的轉(zhuǎn)化率、降低比氧耗 和比煤耗都很有幫助。同時亦不必對原料煤的發(fā)熱量和灰熔點、灰分含量等指標提過高的要求，原料的適用范圍就更廣泛。對于這種氣化 爐，氣化爐燃燒室的長度可以比德士古氣化爐的燃燒室再長一點，這樣可以進一步提高氣化爐的生產(chǎn)能力，延長原料的轉(zhuǎn)化時間，提高原料的轉(zhuǎn)化率，這對于水煤漿氣化是非常有意義的。這種氣化爐的開車投料可采取先點燃可燃氣體的輔助工藝燒嘴，然后讓頂部的水煤漿主 燒嘴投入水煤漿和氧氣的方式，這樣氣化爐投料的安全性和可靠性就比德士古氣化又高多了。該氣化爐同樣應當使用激冷流程來對氣化爐 產(chǎn)生的合成氣進

13、行洗滌冷卻。有人認為，水煤漿氣化氣化爐內(nèi)的熱量緊張問題可以通過提高入爐的氧氣量來解決。雖然提高入爐的氧氣流量能提高氣化爐內(nèi)的溫度，緩解水煤漿氣化內(nèi)熱量緊張的問題，但再提高入爐氧氣的比例，將會增加岀爐氣體中CQ的含量，德士古氣化工藝岀爐氣體中CQ含量為17% CO的含量為45%,這說明原料中有27.4%的煤要完全燃燒生成 CO來為氣化爐提供熱量。因此，進一步提高入爐氧氣的比例對于提 高單位質(zhì)量原料的有效氣體產(chǎn)率是不利的。所以加入另外一種高熱值的原料，來緩解水煤漿氣化爐內(nèi)熱量平衡緊張的問題是經(jīng)濟可行的， 它既不必增加總的氧氣消耗量，因為可燃氣體本身轉(zhuǎn)化的過程也會產(chǎn)生一定量的有效氣體，同時又有利于水

14、煤漿中碳的徹底轉(zhuǎn)化，提高原 料的有效氣體產(chǎn)率。3 結(jié)束語引入可燃氣體的復合原料氣化可以進一步優(yōu)化水煤漿氣化工藝，具有十分廣闊的前景。用作輔助原料的可燃氣體可以是天然氣、煤層氣、焦爐煤氣等多種氣體，甚至是渣油，對于綜合利用焦爐煤氣、開發(fā)使用煤層氣，推動渣油的進一步開發(fā)利用都是很有幫助的，同時 這對實現(xiàn)原料的綜合運用和循環(huán)利用，建設循環(huán)經(jīng)濟具有積極的意義。德士古水煤漿加壓氣化試車總結(jié)陳方林（安徽淮化集團有限公司，安徽淮南232038） 2001-07-16淮化集團公司的德士古水煤漿加壓氣化裝置于2000年8月在美國德士古公司 仃exaco）和日本宇部公司（UBE）專家指導下，進行化工投料試車，一次

15、成功。在較短時間內(nèi)（20天）轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)，創(chuàng)造了試車時間最短的記錄，并在穩(wěn)定運行的基礎上，于2000年11月開始進行義馬煤配華亭煤摻燒試驗。目前，義馬煤、華亭煤摻配比例各占50 %。該裝置投運以來，經(jīng)過半年的運行，顯示生產(chǎn)能力大、運行安全穩(wěn)定、操作彈性大的特點。截止到2001年1月底，已生產(chǎn)合成氨 46kt。1 裝置概況氣化裝置采用的是美國 Texaco技術，由日本UBE公司承包并進行基礎設計，東華公司（原化工部第三設計院）進行詳細設計。該裝置共安裝二套磨機系統(tǒng)，三臺氣化爐系統(tǒng)和一套灰水處理系統(tǒng)。正常情況下氣化爐二開一備，裝置能力為1264000ml/ d（100 %的H2+CQ干基）；氧氣用量

16、23000m3/h;原煤用量44.2t / h（濕基），副產(chǎn)0.485MPa蒸汽14.7t /h，排出界區(qū)細渣量為1.34t /h（干基），粗渣量為2.58t / h（干基）。該裝置采用4.0MPa氣化，激冷流程，灰水處理系統(tǒng)采用中壓（0.485MPa）、真空（-0.049MPa）二級閃蒸，以回收熱量并循環(huán)利用處理后的灰水。氣化裝置有104種設備，共計211臺套，其中關鍵設備均是進口的，共34臺，如煤稱重給料機、破渣機、德士古燒嘴，煤漿泵、激冷水泵、鎖斗循環(huán)泵等。關鍵的閥門、儀表DCS系統(tǒng)亦是進口的，其余設備經(jīng)Texaco公司認可由UBE公司委托國內(nèi)制造，如碳洗塔、氣化爐等。2 主要設計參數(shù)淮

17、化德士古氣化采用的是河南義馬煤，義馬煤有關性能參數(shù)見表1，裝置主要工藝參數(shù)如下鎖目tm期 3 93C65. 74MgO3.115-4* 93H心TiOf血 5 1- SSQr 93SOiWNfl. 91013-87IT1090a?。篒T為幼加強愿掘鹿用亍為秋配凰屋舊為半球弦康FT為喪功S1仏主要工藝參數(shù)氧氣壓力6.2MPa氣化壓力4.0MPa合成氣壓力3.7 3.9MPa中壓閃蒸壓力0.485 MPa真空閃蒸壓力-0.049MPa氣化爐溫度1380C碳洗塔岀口溫度112 116C合成氣水汽比1.4 1.6合成氣有效成分(CO+H)75 %氧煤比464氧氣流量（單爐）311500m / h煤漿流

18、量（單爐）24.71 m 3/ h煤漿濃度58 %62%煤漿比重1.24g / cm煤漿粒度分布8 目（通過率）100 %14目（通過率）98 %100 %40目（通過率）90 %95%325目（通過率）25 %35%3 化工試車及生產(chǎn)運行情況氣化裝置于2000年二季度末全面建成。2000年8月9日，在Texaco和UBE專家指導下，第一次化工投料試車取得成功。整個化工 試車及試生產(chǎn)可分為三個階段?；ぴ囓嚨谝浑A段（2000.8.98.17）單臺氣化爐60%負荷運行，合成氣放空到火炬。該階段用九天時間，3水氣化爐投料5次，全部取得成功。并且第四次停車時，在未換德士古燒嘴、未重新升溫的情況下，連

19、投成功。（2）化工試車第二階段（200091910.9）此段時間由于公司老裝置大修（2000年8月18日9月中旬），空分停車，啟動二臺氣化爐，合格煤氣送入下游工序并打通合成氨 流程，轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)階段。（3）試生產(chǎn)階段（2000.10.9以后） 配華亭煤試燒在裝置穩(wěn)定運行的基礎上，為解決原料煤供應單一的問題， 于2000年11月上旬開始配華亭煤試燒，華亭煤的摻配比例由最初的 5%， 逐步提高到目前的50%，工藝狀況穩(wěn)定。摻配煤氣化的成功，為我公司開辟煤源提供了寶貴的經(jīng)驗。 氣化裝置的性能考核2000年12月15日，美國Texaco和日本UBE公司的專家對淮化德士古氣化裝置進行為期24h的滿負荷性能

20、測試，各項主要指標均達到或優(yōu)于PDP保證值，測試數(shù)據(jù)見表 2?？己似陂g，裝置運行有代表性數(shù)據(jù)見表3。表2測試值與PDF性能銀證值比較項H強證值1ZMOOO12UOOOO0. 7620. 7080.697607電耗4科h0” 03976 02960.04970.00003槨爐蠟水什氏0. 3790-31936-835-3裏耳藝運標有代表性的纏據(jù)一覽表2000 年 12 帖日 23： 00）項巨運行值|凄目2*護爐2 爐護爐人護14-$71-8132 4327.98理漿憑度/魅eb 56人爐115531145ACO4L ft?41-76叫優(yōu)護壓力3, MHi34.8535. 8BB5Q1J50COi絡022K937180070200HjS/XlO-*1050合戒汽卩度/X?210N(+Ar0.40-4相渣頻卓4 5S 672224274 氣化裝置停車原因統(tǒng)計德士古水煤漿加壓氣化裝置的高負荷、連續(xù)運行對降低工廠生產(chǎn)成