水煤漿氣化與粉煤氣化的模擬評(píng)價(jià)

1、水煤漿氣化與粉煤氣化的模擬評(píng)價(jià)唐宏青 ( 中國(guó)石化集團(tuán)蘭州設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州,730060) 2001-12-16由于油價(jià)的上漲使以油為原料的化肥、甲醇企業(yè)面臨困境，以渭河化肥廠為代表的大型水煤漿制氨廠卻閃起生機(jī)，為潔凈煤化工開辟了新的前景?，F(xiàn)在，眾多廠家又提出引進(jìn)粉煤氣化技術(shù)，進(jìn)一步提高潔凈煤化工的效益。但是外商及其代理人在提出這一新技術(shù)時(shí)，有過分夸大粉煤氣化效益的傾向，最突出一點(diǎn)是：粉煤氣化的有效氣量(CO+H) 比水煤漿氣化多10 12，氧耗量低15 25。如此可2貴的技術(shù)進(jìn)步，引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的嚴(yán)肅思考，對(duì)其真實(shí)性存有疑問。許多人提出應(yīng)該用高新技術(shù)對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，為投資決策者提供可

2、靠的依據(jù)。對(duì)這兩個(gè)工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，單純依靠外商報(bào)價(jià)是無濟(jì)于事的。用模擬技術(shù)對(duì)國(guó)外報(bào)價(jià)進(jìn)行評(píng)價(jià)的辦法，已在多項(xiàng)工程中得以應(yīng)用?？梢杂行判牡卣f，在研究模擬技術(shù) 30 年后的今天，做這一件事并不困難。毫無疑問，“模擬評(píng)價(jià)”是化學(xué)工程的成熟技術(shù)。1 客觀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)建國(guó)至今，我國(guó)已經(jīng)引進(jìn)三十多套大型合成氨裝置，可以博覽世界氮肥新技術(shù)。不妨回憶引進(jìn)的過程，每當(dāng)引進(jìn)簽約時(shí)，都是國(guó)際先進(jìn)水平，投產(chǎn)時(shí)就不一定了。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，技術(shù)在逐漸發(fā)展，國(guó)情也有一定的變化。歷年來，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)與設(shè)計(jì)院為這些企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造。普遍的看法是，有百年歷史的合成氨技術(shù)進(jìn)步是漸進(jìn)的，大幅度的技術(shù)進(jìn)步是難以得到的。為了正確地評(píng)價(jià)

3、這兩個(gè)工藝，應(yīng)該建立一個(gè)“評(píng)價(jià)平臺(tái)”。在這個(gè)平臺(tái)上，盡量設(shè)置一個(gè)相對(duì)一致的初始和終止條件，輸入兩種工藝不同的數(shù)據(jù)，從而客觀地評(píng)價(jià)這兩個(gè)過程效果。無疑，這樣的評(píng)價(jià)是比較公正的。目前見到的對(duì)這兩種工藝的評(píng)價(jià)，都是數(shù)字來自于資料的評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)片面地建立在只針對(duì)氣化爐的基礎(chǔ)上作出的，而且只是從氣化爐出口組成的百分?jǐn)?shù)出發(fā)的，忽略了氣化爐出口干氣絕對(duì)量的變化。這就是問題所在。現(xiàn)在這兩種爐子不僅僅打算用在制取合成氣上，還打算用在制取甲醇、二甲醚、煤液化、合成油和氫氣的工藝上。氣化爐出來的粗水煤氣的成分、數(shù)量、溫度、壓力將影響到它的后續(xù)工藝的指標(biāo)。也就是說，只有在產(chǎn)物一致的前提下，才能比較這兩種工藝的區(qū)別，

4、可以讓人看清各自的特點(diǎn)，成為投資者建廠的依據(jù)。2 評(píng)價(jià)平臺(tái)2.1工藝終點(diǎn)兩種煤氣化工藝評(píng)價(jià)的終點(diǎn)，是合成氨工藝中可以設(shè)想為達(dá)到一致的地方。這無疑應(yīng)該是液氨產(chǎn)品。但進(jìn)行這樣的模擬過分煩瑣，不利于對(duì)比分析。兩種煤氣化工藝的評(píng)價(jià)流程分別見圖 1 和圖 2。因此，可以將這一終點(diǎn)前移至中變?nèi)肟邳c(diǎn)。在水煤漿制氨的工藝中，這一點(diǎn)是客觀存在的，在粉煤氣化制氨流程中，這一點(diǎn)是很接近的，不會(huì)失去粉煤氣化流程的真實(shí)性。這樣的工藝評(píng)價(jià)終點(diǎn)是合理的，盡管這一評(píng)價(jià)終點(diǎn)的氣體組成、溫度、壓力不盡相同，其后續(xù)工藝上也會(huì)稍有變化，但這一區(qū)別已經(jīng)不影響評(píng)價(jià)的結(jié)果，可視為公平的評(píng)價(jià)終點(diǎn)。上述工藝終點(diǎn)僅僅適合于合成氨，對(duì)于甲醇、二甲

5、醚、合成油、制氫等工藝，還不能這樣做。圖 1 和圖 2 是合成氨流程從投煤到評(píng)價(jià)終點(diǎn)的工藝信息圖。2.2工藝參數(shù)1) 煤盡管兩種工藝實(shí)際生產(chǎn)過程中用煤的組成不可能一致，但在評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)該一致。目前已經(jīng)肯定， 水煤漿氣化應(yīng)該用灰熔點(diǎn)低一些的煤，根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，粉煤氣化在用于發(fā)電時(shí)，可以用熔點(diǎn)高的煤，但在化工上正期待著新的實(shí)踐。為了滿足兩種工藝的需求，評(píng)價(jià)時(shí)都用低灰熔點(diǎn)的煤，見表 1。2) 操作條件隨著氣化后續(xù)工藝的區(qū)別，評(píng)價(jià)用的操作條件難以做到完全一致，隨工藝不同有所區(qū)別。水煤漿流程的操作數(shù)據(jù)基本上取自國(guó)內(nèi)唯一的 30 萬噸水煤漿制氨裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。粉煤氣化流程的操作數(shù)據(jù)基本上取自國(guó)外報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)。表2

6、 列出了評(píng)價(jià)用的操作條件，其中變換前的 H2 O CO，水煤漿流程取在評(píng)價(jià)流程終點(diǎn)，而粉煤氣化流程取在預(yù)變換前，這是為滿足變換摧化劑的要求而確定的。投料量不是根據(jù)爐子的大小確定，而是計(jì)算的基準(zhǔn)。2.3評(píng)價(jià)工具采用中國(guó)石化組織開發(fā)的合成氨流程模擬軟件SAPROSS。3 評(píng)價(jià)結(jié)果表 3 和表 4 是計(jì)算結(jié)果。表 3 是氣化爐出口的干氣組成和數(shù)量，可以看出兩種流程的噸煤純合成氣量是不同的。粉煤氣化流程的純合成氣的含量比水煤漿流程的高，但干氣總量少，兩者相乘除以投煤量，才是真正的氣化效果一噸煤純合成氣的產(chǎn)量。表 4 是評(píng)價(jià)終點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是該文用來進(jìn)行兩種流程比較的數(shù)據(jù)。在水煤漿流程中，由于激冷過程中氣體

7、還有損耗，因此部分?jǐn)?shù)據(jù)與氣化出口還有區(qū)別。4 結(jié)論從評(píng)價(jià)終點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以得到，粉煤氣化比水煤漿氣化投入少，產(chǎn)出多。從表4 的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)果：粉煤氣化比水煤漿氣化的氧耗量少5.82 ，粉煤氣化比水煤漿氣化的純合成氣產(chǎn)量高6.49 ，粉煤氣化在氣化后補(bǔ)充水蒸汽量略高于產(chǎn)汽量。該數(shù)據(jù)比前文中的數(shù)據(jù)低得多，但足以令人相信這不是商業(yè)運(yùn)作的結(jié)果，而依賴嚴(yán)格的計(jì)算。上述結(jié)果對(duì)于不同的煤種基本上差不多，因此具有代表性。由于水煤漿氣化評(píng)價(jià)終點(diǎn)的壓力高于粉煤氣化，水煤漿氣化后續(xù)工藝中還有一些有利的條件沒有計(jì)入，并應(yīng)把多耗的蒸汽轉(zhuǎn)為煤耗。如果評(píng)價(jià)終點(diǎn)設(shè)在液氨，可用以下數(shù)據(jù)作為綜合評(píng)價(jià)：用于合成氨流程的粉煤氣化工

8、藝比水煤漿氣化工藝氧耗量低6，純合成氣產(chǎn)量高6。更直接的說法是，粉煤氣化比水煤漿氣化效率高6。水煤漿氣化制合成氨技術(shù)改進(jìn)呂運(yùn)江，王延坤，黃長(zhǎng)勝（兗礦魯南化肥廠，山東滕州277527） 2004-07-16兗礦魯南化肥廠德士古水煤漿加壓氣化制合成氨裝置，是在僅引進(jìn)水煤漿加壓氣化技術(shù)軟件包（PDP）和部分關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)上，由天津第一設(shè)計(jì)院承擔(dān)工程設(shè)計(jì)的煤氣化裝置，裝置總投資1.6 億元（氣化、空分兩部分），裝置的國(guó)產(chǎn)化率90%以上。氣化裝置為年產(chǎn)80kt合成氨提供合成氣，是國(guó)內(nèi)第一套德士古水煤漿加壓氣化示范裝置。經(jīng)過十多年的運(yùn)行，該裝置年生產(chǎn)合成氨最高達(dá)107kt ，是設(shè)計(jì)能力的134%。該裝置于

9、 1993 年 3 月在魯南順利投入試生產(chǎn)，由于是國(guó)內(nèi)第一套示范裝置，工藝流程復(fù)雜，開車初期出現(xiàn)了一系列問題。主要存在閃蒸系統(tǒng)流程長(zhǎng)，渣漿泵運(yùn)行周期短，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)污染嚴(yán)重，維修工作量大；煤種單一，煤質(zhì)差，煤灰熔點(diǎn)高，制漿需添加石灰石，水系統(tǒng)部分設(shè)備和管線結(jié)垢，進(jìn)而引起換熱器垢堵；氣化爐激冷水系統(tǒng)運(yùn)行周期短等一系列問題。 經(jīng)過針對(duì)性地組織技術(shù)攻關(guān)，解決了大量生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題，為國(guó)內(nèi)繼續(xù)引進(jìn)德士古技術(shù)提供了技術(shù)支持。1調(diào)整原料魯南德士古氣化設(shè)計(jì)使用高灰熔點(diǎn)氣化煤，由于灰熔點(diǎn)T31400，熔融排渣困難，必須添加助熔劑石灰石，造成制氣成本上升，產(chǎn)品成本居高不下。為了降低生產(chǎn)成本，以低灰熔點(diǎn)煤代替高

10、灰熔點(diǎn)煤，提高氣化爐發(fā)氣量。經(jīng)過對(duì)周邊礦點(diǎn)十幾個(gè)煤樣復(fù)配，尋找到了適宜的低灰熔點(diǎn)配方，并由兩種煤復(fù)配，發(fā)展到多種煤復(fù)配，配煤取得了突破，改燒低灰熔點(diǎn)煤，甩掉了原設(shè)計(jì)石灰石制漿系統(tǒng)及添加系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了煤漿制備流程，煤漿發(fā)熱量增加38.4 ，合成氨產(chǎn)量迅速增加并突破設(shè)計(jì)值，制漿運(yùn)行成本降低15.9 ；由于煤灰熔點(diǎn)降低，操作溫度隨之降低，延長(zhǎng)了耐火磚的使用壽命，氣化爐維修費(fèi)用迅速降低。2 簡(jiǎn)化改進(jìn)閃蒸系統(tǒng)2.1閃蒸系統(tǒng)暴露的問題（ 1）原設(shè)計(jì)三級(jí)閃蒸為高壓閃蒸、中壓閃蒸、真空閃蒸，三級(jí)閃蒸黑水出口在錐底。由于真空閃蒸罐與沉降槽處于同一高度，真空閃蒸罐處在 0.005MPa 壓力下操作，真空閃蒸罐的黑水

11、必須通過泵送入沉降槽，泵送介質(zhì)為含固渣漿，泵的輸送介質(zhì)差，造成泵的泄漏量大，維修難度大，維修費(fèi)用高。（ 2）由于采用三級(jí)黑水閃蒸流程，減壓閥的閥后含渣黑水流速快，閥后短節(jié)在高速渣水的沖刷下，經(jīng)常磨穿，輕則系統(tǒng)減量后帶壓堵漏，重則停車更換，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行周期。（ 3）閃蒸系統(tǒng)液位計(jì)渣堵或垢堵后無法確認(rèn)閃蒸罐的真實(shí)液位，經(jīng)常導(dǎo)致大量的黑水夾帶在閃蒸汽中，進(jìn)入各級(jí)閃蒸汽換熱器，在換熱器內(nèi)結(jié)垢沉積，換熱器換熱能力迅速降低，工藝狀況明顯惡化。（ 4）隨著三級(jí)閃蒸的進(jìn)行，黑水中的2+2 等離子濃度不斷濃縮，濃度逐漸升高達(dá)到CaCO3析出條件，與黑水中的碳黑Ca、CO3、HCO3顆粒結(jié)垢吸附在管道、

12、設(shè)備內(nèi)壁上，慢慢形成較厚的垢層。每次停車、開車時(shí)，由于溫度變化大，設(shè)備、管道和垢層的膨脹系數(shù)差別大，垢層在降溫過程被擠壓，在開車升溫過程中隨著溫度的升高，設(shè)備、管道膨脹大，垢層脫落堆積在設(shè)備及管道的底部，造成閃蒸系統(tǒng)設(shè)備管道黑水出口或管道低點(diǎn)堵塞，無法正常生產(chǎn)。以上問題的存在從經(jīng)濟(jì)和安全的角度綜合考慮，系統(tǒng)改造勢(shì)在必行。2.2閃蒸系統(tǒng)進(jìn)行的改造（ 1）抬高真空閃蒸罐，甩掉沉降槽底流泵，改變黑水出口部位，減少黑水堵塞問題。（ 2）減少管線不必要的 U 型彎，減少了堵塞機(jī)會(huì)。（ 3）減壓閥后法蘭、短節(jié)使用內(nèi)襯陶瓷材料的短節(jié)。同時(shí)，改變沖刷部位及增設(shè)耐磨板，利用短停機(jī)會(huì)及時(shí)更換閥后耐磨板，徹底解決影

13、響系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行周期的難題。3 操作運(yùn)行方面的創(chuàng)新3.1成功地實(shí)施了不換燒嘴聯(lián)投操作原設(shè)計(jì)每次停、開車必須置換系統(tǒng)，倒開工抽引盲板，更換燒嘴，加插開工抽引盲板，程序復(fù)雜，停車時(shí)間一般在4h 以上，停車時(shí)間長(zhǎng)。我廠經(jīng)過大量的研究論證，成功地實(shí)施了不換燒嘴聯(lián)投操作，不換燒嘴聯(lián)投的開車時(shí)間控制在1 2h 內(nèi)，我廠最快的一次聯(lián)投開車僅 32min，解決了更換燒嘴時(shí)間長(zhǎng)、激冷水流量下降、浪費(fèi)人力物力、對(duì)后工序影響大、系統(tǒng)開工率低的難題。系統(tǒng)不換燒嘴聯(lián)投技術(shù)的突破，標(biāo)志著我們對(duì)德士古氣化技術(shù)的掌握已走在世界同行業(yè)前列。3.2實(shí)現(xiàn)了不停車倒換高壓煤漿泵和高壓煤漿泵不停車單缸退出運(yùn)行我廠德士古氣化爐設(shè)計(jì)為一開一

14、備，配套的高壓煤漿泵也是一開一備。高壓煤漿泵因煤漿質(zhì)量問題經(jīng)常出現(xiàn)墊缸（單缸不工作）或單缸隔膜破裂，初期必須停車。我廠經(jīng)過大量的研究論證，成功地實(shí)施了運(yùn)行過程中不停車倒換高壓煤漿泵操作。1996 年 8 月 25 日成功實(shí)現(xiàn)了不停車倒高壓煤漿泵，減少了系統(tǒng)停車；2002 年后成功地實(shí)現(xiàn)4 次高壓煤漿泵不停車單缸退出運(yùn)行，儀表更換驅(qū)動(dòng)液系統(tǒng)2 位 2 通氣控閥（高壓煤漿泵補(bǔ)油延時(shí)聯(lián)鎖解除），這是我廠在德士古氣化技術(shù)上的又一次突破。4 設(shè)備創(chuàng)新進(jìn)展4.1計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)改進(jìn)計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)采用雙電源串UPS供電系統(tǒng)，確保系統(tǒng)供電安全，保證了斷電時(shí)系統(tǒng)安全停車。4.2氣化爐配套的高、低壓煤漿泵實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

15、高、低壓煤漿泵原為引進(jìn)荷蘭產(chǎn) GEHO隔膜泵，由于煤漿泵輸送的為高濃度、高粘度顆粒物料，工藝要求高，普通的柱塞泵類無法滿足工藝要求，而隔膜泵我國(guó)尚未開發(fā)，為此，我廠與沈陽(yáng)有色冶金機(jī)械廠、上海大隆機(jī)械廠聯(lián)合，開發(fā)生產(chǎn)高、低壓隔膜泵，通過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，沈陽(yáng)有色冶金機(jī)械廠生產(chǎn)的低壓煤漿泵性能穩(wěn)定，已運(yùn)行 4 年，各項(xiàng)指標(biāo)與進(jìn)口設(shè)備相近，上海大隆機(jī)械廠生產(chǎn)的高低壓煤漿泵經(jīng)過測(cè)試，性能也很好，計(jì)劃下一步投入正式運(yùn)行；同時(shí)，對(duì)原進(jìn)口的兩臺(tái)低壓煤漿泵減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了成功改造，基本完成了主要引進(jìn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。4.3氣化爐耐火磚國(guó)產(chǎn)化氣化爐耐火磚是易損材料，最初的耐火磚為進(jìn)口法國(guó)磚，單爐價(jià)格600 萬元以上，使用壽

16、命43008500h，生產(chǎn)成本長(zhǎng)期居高不下，因此，耐火材料的國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)成為德士古技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的重要組成部分。1994 年我廠與洛陽(yáng)耐火研究院、新鄉(xiāng)耐火材料廠共同參加了國(guó)家八五科技攻關(guān)，經(jīng)過努力，第一爐向火面耐火磚于1994 年 11 月在我廠使用，運(yùn)行達(dá)6000h 以上。經(jīng)過分析殘磚晶間結(jié)構(gòu)，基本搞清了耐火磚腐蝕、磨蝕的原因，經(jīng)過不斷研發(fā)，國(guó)產(chǎn)耐火磚的壽命可以達(dá)到 13050h（拱頂、筒體磚）。氣化爐渣口磚尺寸對(duì)氣化的運(yùn)行參數(shù)影響較大，為了達(dá)到最佳運(yùn)行的工藝運(yùn)行狀態(tài)，在充分論證的基礎(chǔ)上，將氣化爐渣口磚由 625mm縮小至 525mm，延長(zhǎng)了氣體在燃燒室的停留時(shí)間，提高了合成氣有效成分，降低了

17、灰渣可燃物，實(shí)現(xiàn)了效益運(yùn)行。由于錐底耐火磚與筒體耐火磚使用周期不同步，取消了錐底、筒體耐火磚間榫槽，使錐底耐火磚更換方便，磚縫質(zhì)量得到保證。4.4工藝燒嘴的國(guó)產(chǎn)化我廠最初使用的工藝燒嘴由德士古提供，每臺(tái)10 萬美元，運(yùn)行費(fèi)用高，一般運(yùn)行周期在45 天左右；為此，我廠向科研單位學(xué)習(xí)，同時(shí)借鑒了兄弟廠家經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)燒嘴材質(zhì)、結(jié)構(gòu)，燒嘴運(yùn)行最長(zhǎng)周期達(dá)到2420h 的紀(jì)錄。4.5激冷水系統(tǒng)改進(jìn)氣化爐激冷環(huán)堵塞問題，已成為制約氣化長(zhǎng)周期運(yùn)行的首要因素。在激冷水管線上我廠進(jìn)行了大量改造。激冷環(huán)入口總管增加了一個(gè)過濾器，過濾器網(wǎng)孔選擇直徑為 5mm，將尺寸 5mm的顆粒阻擋在過濾器內(nèi)，根據(jù)激冷水變化情況，及時(shí)

18、反沖過濾網(wǎng)，保激冷水流量不下降。擴(kuò)大激冷環(huán)噴淋水進(jìn)水孔尺寸，噴淋水尺寸由 12mm擴(kuò)至 16mm，降低堵塞幾率，提高流通面積，保激冷水流量穩(wěn)定，同時(shí)將進(jìn)水口角度由徑向改為具有一定傾角，確保保激冷環(huán)水分布均勻。同時(shí)，將激冷外環(huán)改造成可拆卸式，以便于清理管道內(nèi)積灰。通過改造，運(yùn)行周期由原來的34 個(gè)月上升至8 個(gè)月以上。5 溶劑的開發(fā)應(yīng)用（ 1）為了制備優(yōu)質(zhì)煤漿，開發(fā)了利用造紙廢液直接用于生產(chǎn)高濃度煤漿。使用造紙廢液制漿，不僅可以降低制漿成本，而且可以解決造紙行業(yè)的污染問題，促進(jìn)了地方環(huán)保建設(shè)。（2）與天津科研單位合作，開發(fā)了黑水絮凝劑、灰水穩(wěn)定劑。黑水絮凝效果好，懸浮物可以達(dá)到50mg/L 以下；合作開發(fā)的灰水穩(wěn)定劑使氣化系統(tǒng)結(jié)垢緩慢，運(yùn)行周期提高至6