多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用

1、多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用張大晶1 馬明2（1水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心，滕州277527；2兗礦國泰化工有限公司，滕州277527）摘 要 介紹了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的研發(fā)、氣化爐流場及煤氣化機(jī)理、工藝流程以及特點，技術(shù)推廣應(yīng)用前景廣闊。 關(guān)鍵詞 多噴嘴 水煤漿 煤氣化 工業(yè)化1 研發(fā)過程我國是煤炭資源大國，我們迫切需要形成自主知識產(chǎn)權(quán)、能與國際先進(jìn)水平競爭的煤氣化技術(shù)。九五期間，華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠和中國天辰化學(xué)工程公司在消化、吸收德士古水煤漿氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，共同承擔(dān)了國家九五重點科技攻關(guān)課題新型(多噴嘴對置 水煤漿氣化爐開發(fā)，建成

2、并成功運行了多噴嘴對置式氣化爐的中試裝置，于2000年10月通過了石油和化學(xué)工藝局的技術(shù)鑒定與驗收，專家認(rèn)為該技術(shù)填補(bǔ)國內(nèi)空白，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，榮獲九五攻關(guān)國家科技部、財政部、原國家計委、原國家經(jīng)貿(mào)委 優(yōu)秀科技成果獎， 并獲得了10余項國家專利。十五期間，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)示范階段。華東理工大學(xué)、兗礦集團(tuán)有限公司共同承擔(dān) 十五國家863計劃 新型水煤漿氣化技術(shù)，在兗礦國泰化工有限公司建設(shè)日處理1150噸煤，氣化壓力4.0Mpa 的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的商業(yè)示范裝置，于2005年10月投入運行，2006年1月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會的技術(shù)鑒定，認(rèn)為具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)

3、的大型化多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)處于水煤漿氣化技術(shù)的國際領(lǐng)先水平。榮獲石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會2006年度科技進(jìn)步特等獎；在國家經(jīng)貿(mào)委十五重大技術(shù)裝備研制項目的支持下，通過專利實施許可的方式，在山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國產(chǎn)化工程項目中，建設(shè)了一套日處理750噸煤，氣化壓力6.5MPA 的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，于2005年6月投入運行。該項目也同時榮獲石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會2006年度科技進(jìn)步特等獎。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)成功應(yīng)用，打破了國外跨國公司對水煤漿氣化技術(shù)的壟斷，為我國能源和煤化工市場提供了新的技術(shù)路線。2 工藝過程及技術(shù)特點2.1氣化反應(yīng)機(jī)理在實驗室以直徑1000mm 的

4、大型冷模對置氣化爐有機(jī)玻璃模型對氣化爐流場進(jìn)行了探討。流場可劃分為：射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股(上下2股 、回流區(qū)(共6個 、折返流區(qū)、管流區(qū)1，如圖1所示。 6A圖1 多噴嘴對置式氣化爐流場示意圖1射流區(qū)；2撞擊區(qū)；3撞擊流股區(qū)；4回流區(qū)；5折返流區(qū)；6管流區(qū)水煤漿、氧進(jìn)入氣化室后，相繼進(jìn)行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化等6個物理和化學(xué)過程2，前5個過程速度較快，在1、2、3、4、5五個流型區(qū)域中已基本完成，而氣化反應(yīng)除在上述五區(qū)中進(jìn)行外，主要在管流區(qū)6中進(jìn)行。煤漿顆粒在氣化爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷了以下步驟3：顆粒的湍流彌散、顆粒的振蕩運動、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發(fā)與顆粒中

5、揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應(yīng)、煤焦的多相反應(yīng)、灰渣的形成。2.2工藝流程多噴嘴對置式水煤漿氣化屬氣流床氣化技術(shù)，主要包括煤漿制備、輸送單元，多噴嘴對置式水煤漿氣化單元，煤氣初步凈化單元、含渣水處理單元。關(guān)鍵單元為氣化、煤氣初步凈化，含渣水熱回收。煤漿制備、輸送單元工藝簡單。煤與水、煤漿添加劑進(jìn)入煤磨機(jī)磨制出合格的煤漿60%65%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），通過煤漿泵加壓后輸送至氣化單元。多噴嘴對置式水煤漿氣化單元，采用四噴嘴對置式，來自高壓煤漿泵的水煤漿和來自空分的高壓氧氣通過工藝噴嘴同軸射流進(jìn)入氣化爐，在氣化爐內(nèi)形成撞擊反應(yīng)區(qū)，進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成的粗合成氣、熔渣一起向下進(jìn)入氣化爐激冷室，大部分熔

6、渣在水浴中激冷固化，落入激冷室底部，通過靜態(tài)破渣器后進(jìn)入鎖斗收集，定期排放，粗合成氣在氣化爐激冷室液位下鼓泡后出激冷室。四噴嘴對置形成撞擊流，加強(qiáng)混合，強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞，達(dá)到理想的工藝效果。煤氣初步凈化采用分級的概念，即先粗分再精分，出氣化爐的合成氣先經(jīng)過混合器潤濕除去夾帶的固體顆粒，再經(jīng)過旋風(fēng)分離器除去合成氣中夾帶的大部分細(xì)灰，然后進(jìn)入洗滌塔進(jìn)一步洗滌，出洗滌塔的合成氣送后工序(含塵量小于1mg/Nm3 。洗滌效果良好，克服帶水、帶灰現(xiàn)象。含渣水處理單元, 采用直接換熱方式，來自氣化和凈化單元的含渣水首先進(jìn)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室，蒸發(fā)室內(nèi)含渣水大量汽化，溶解在水中的酸性氣體解吸出來，蒸發(fā)室產(chǎn)生的蒸汽

7、進(jìn)入熱水室，與循環(huán)灰水直接接觸，使灰水得到最大程度的升溫，蒸發(fā)室底部含固量增濃的液相送入真空閃蒸器，經(jīng)閃蒸后的黑水進(jìn)入澄清槽，加入絮凝劑強(qiáng)化沉降。濃縮的黑水經(jīng)澄清槽底物泵送入過濾機(jī)，澄清的灰水經(jīng)閃蒸氣加熱回收熱量后返回系統(tǒng)。另有部分灰水去廢水處理工序，無環(huán)境污染。同時完成了熱質(zhì)傳遞，能量回收好，避免了結(jié)垢，操作周期長。 圖2 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)流程示意圖2.3工藝特點1 技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)。國泰多噴嘴氣化爐與魯化Texaco 爐同期運行數(shù)據(jù)比較，有效氣成分提高23個百分點，CO 2含量下降23個百分點，碳轉(zhuǎn)化率提高23個百分點，比氧耗降低7.9，比煤耗降低2.2。2 多噴嘴對置式水煤漿氣化技

8、術(shù)采用四噴嘴撞擊流，加強(qiáng)混合，強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞。德士古水煤漿氣化技術(shù)為單噴嘴，流場為受限射流，物料停留時間分布寬，碳轉(zhuǎn)化率低，射流以較大速度沖刷耐火磚。3 復(fù)合床洗滌冷卻使液位平穩(wěn)，有效避免了Texaco 爐子激冷室液位波動，帶水帶灰問題，粗合成氣與黑水溫差比Texaco 小10，表明其傳熱、傳質(zhì)效果好。4 粗合成氣分級凈化，節(jié)能、高效、壓降小，分離效果好（含塵量小于1mg/Nm3）。5 含渣水直接換熱，蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4，克服了間接換熱設(shè)備易結(jié)垢堵塞問題，也提高了換熱效率（Texaco 閃蒸汽、冷凝液兩相溫差最大60）。6 投資。裝置國產(chǎn)化率高，沒有專有設(shè)備, 專利費為引進(jìn)的德士古

9、水煤漿氣化的1/31/2,從以上的運行指標(biāo)可以看出，多噴嘴對置式水煤漿氣化比引進(jìn)的德士古水煤漿氣化運行費用要低得多。7 氣化裝置負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定，四個噴嘴之間負(fù)荷相互配合，可實現(xiàn)氣化微調(diào)操作。8 實現(xiàn)帶壓連投技術(shù)，煤化工在高壓狀態(tài)下連續(xù)投料，歷來被稱為安全生產(chǎn)的禁區(qū)。兗礦國泰化工有限公司通過低、中壓狀態(tài)下投料等反復(fù)試驗，完善和解決了30多項技術(shù)難題，走出了一條高壓狀態(tài)下帶壓投料、安全生產(chǎn)的新路子。可實現(xiàn)氣化爐及后系統(tǒng)不停車的情況下解決故障，帶壓投料，提高了有效生產(chǎn)時。到目前為止，累計進(jìn)行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費用近700萬。3工業(yè)應(yīng)用及推廣3.1工業(yè)裝置運行情況目前，正在運行工業(yè)爐的有3

10、臺，其中德州華魯恒升化工有限公司一臺日處理750噸煤的氣化爐；兗礦國泰化工有限公司兩臺日處理1150噸煤氣化爐。 德州華魯恒升多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置運行情況德州大氮肥國產(chǎn)化項目，氣化部分同時建設(shè)三臺水煤漿氣化爐，均為750t 煤/d，壓力6.5Mpa, 兩開一備，其中一臺為多噴嘴對置式新型氣化爐，于2004年12月一次投料成功，2005年6月2日正式運行，2006年3月國家組織對大氮肥國產(chǎn)化項目現(xiàn)場考核表明，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率99.9，有效氣成分達(dá)84，渣中含碳量5，每天比相同規(guī)模的引進(jìn)水煤漿氣化裝置多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約5萬元。該項目榮獲石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會2006年度科技進(jìn)步特等獎。 兗礦國泰化

11、工多噴嘴水煤漿氣化裝置運行情況兗礦國泰化工采用兩臺1150t 煤/d，壓力4.0Mpa 的多噴嘴氣化爐，配套生產(chǎn)24萬噸甲醇/年，聯(lián)產(chǎn)71.8MW 發(fā)電。多噴嘴氣化爐2003年5月開工建設(shè)，2005年10月投入工業(yè)運行（期間經(jīng)歷非典），同年12月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會的連續(xù)168小時現(xiàn)場考核（考核指標(biāo)見表1），2006年1月通過技術(shù)鑒定，認(rèn)為該技術(shù)處于水煤漿氣化技術(shù)的國際領(lǐng)先水平，并榮獲石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會2006年度科技進(jìn)步特等獎。該裝置運行穩(wěn)定， 2006年生產(chǎn)甲醇23.6萬噸，第一年就基本達(dá)到了設(shè)計能力，表明該技術(shù)成熟可靠。截至2007年4月，我國首臺日處理1150t 煤的多噴嘴對置式

12、新型水煤漿氣化爐，在兗礦國泰化工有限公司實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)運行68天，工藝燒嘴連續(xù)使用83天，創(chuàng)造了該種爐型連續(xù)運行時間的新紀(jì)錄。同時實現(xiàn)了帶壓連投技術(shù)，到目前為止，累計進(jìn)行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費用近700萬。表1 多噴嘴氣化技術(shù)與德士古氣化技術(shù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)比較 上 海 焦 化 Texaco 【2 】 500 750 500 神府煤 81 412 638 95 渭河 Texaco 【3 】 華亭煤 華亭、義 馬混煤 78 415 627 95 安徽淮化集 團(tuán) 【4 】 【1 】 77 425 708 95 考核、運行同期現(xiàn)場操作數(shù)據(jù) 【2 】 化肥工業(yè) ，31（2） ，2004，3740 【3

13、 大氮肥 ，28（1） ，2005，2528 德士古氣化技術(shù)固體進(jìn)料用戶技術(shù)交流會論文集 ，2002 【4 】 由上表可知：多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)已經(jīng)很成熟，各項工藝指標(biāo)均優(yōu)于 Texaco 水煤漿氣化技術(shù)，特別是魯化 Texaco、國泰多噴嘴,均使用北宿水洗煤，可比 性更強(qiáng)，國泰多噴嘴主要技術(shù)指標(biāo)比 Texaco 有較大提高。 3.2 技術(shù)推廣 截至目前，已經(jīng)有六家企業(yè)，十二臺氣化爐在設(shè)計建設(shè)。國泰公司第三臺 日處理 1150 噸煤氣化爐，4.0MPa，配套生產(chǎn)醋酸；魯南化肥廠雙結(jié)構(gòu)項目一臺 日處理 1150 噸煤氣化爐，4.0MPa，年產(chǎn)合成氨 24 萬噸；滕州鳳凰化肥公司兩 臺（一開一備）

14、日處理 1500 噸煤氣化爐，6.5MPa，年產(chǎn) 60 萬噸醇氨一期項目； 江蘇索普 60 萬噸醋酸改造項目三臺（兩開一備）日處理 1500 噸煤氣化爐， 6.5MPa、年產(chǎn) 50 萬噸甲醇；江蘇靈谷化工有限公司兩臺（一開一備）日處理 1800 噸煤氣化爐，4.0MPa；神華集團(tuán)寧煤 83 萬噸二甲醚一期項目三臺（兩開 一備）日處理 1800 噸煤氣化爐，值得一提的是，靈谷公司、寧煤集團(tuán)已經(jīng)簽訂 了 GSP 氣化專利合同，但考慮到企業(yè)所承受的風(fēng)險，以及多噴嘴對置式水煤漿 氣化技術(shù)的良好運行業(yè)績，該公司暫緩了 GSP 技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用該技術(shù)。 另外還有多家公司意采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，包括：澤楷集團(tuán) 赤峰甲醇 60 萬噸項目、寧波萬華 MDI 二期項目、山東魯西化工有限公司 40 萬 噸氨醇項目、山東盛大科技集團(tuán) 100 萬噸二甲醚項目 多噴