德士古水煤漿氣化爐簡介

1、德士古水煤漿氣化爐簡介我國石油和化學(xué)工業(yè)在快速發(fā)展的同時，正面臨著資源、能源和環(huán)境等多重 壓力”。由于我國石油和天然氣短缺，煤炭相對豐富的資源特征，加之國際油價 的持續(xù)高位運行狀態(tài)，煤炭在我國的能源和化工的未來發(fā)展中所處的地位會變得 越來越重要。目前，煤炭在我國的能源消費比重不斷加大，用于發(fā)電和工業(yè)鍋爐 及窯爐的比例大約為70流右，其余主要是作為化工原料及民用生活。隨著煤化 工技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭作為化工原料的比重將會得到不斷的提高。傳統(tǒng)的煤化 工特點是高能耗、高排放、高污染、低效益，即通常所說的“三高一低”。隨著科技的不斷進(jìn)步，新型的煤氣化技術(shù)得到了快速的發(fā)展，煤炭作為化工原料的重 要性得到

2、了普遍的認(rèn)可。煤化工目前采用的方法主要有三個途徑：煤的焦化、煤 的氣化、煤的液化。由于最終產(chǎn)品的不同，三種途徑均有存在的市場。煤焦化的 直接產(chǎn)品主要有焦炭、煤焦油及焦?fàn)t氣，煤氣化的直接產(chǎn)品主要有合成氣、一氧 化碳和氫氣，煤液化后可直接得到液體燃料。煤焦化產(chǎn)業(yè)相對比較成熟，煤液化 存在直接液化和間接液化兩種方法，技術(shù)的成熟程度和投資等原因，制約了產(chǎn)業(yè) 化和規(guī)?；倪M(jìn)一步發(fā)展。隨著煤氣化技術(shù)的不斷成熟，特別是加壓氣化方法的逐步完善和下游產(chǎn)品的 多樣化，煤氣化已成為我國目前煤化工的重中之重。其中煤炭氣化中以德士古水煤漿氣化爐為典型代表。德士古氣化法是一種以 水煤漿為進(jìn)料的加壓氣流床氣化工藝。它是由美

3、國德士古石油公司下屬德士古開 發(fā)公司在以重油和天然氣為原料制造合成氣的德士古工藝基礎(chǔ)上開發(fā)成功的。第 一套日處理15t煤的中試裝置于1948年在美國建成，試驗了 20種固體燃料，包括褐煤、煙煤、無煙煤、煤液化半焦以及石油焦等。1956年在美國摩根城(MorganTown)又建立了日處理100t煤、操作壓力為2. 8MPa的德士古爐。目前,德士古氣化的工業(yè)裝置規(guī)模已達(dá)到日處理煤量1600t。它是經(jīng)過示范性驗證的、既先進(jìn)又成熟的第二代煤氣化技術(shù)。德士古氣化爐是所有第二代氣化爐中發(fā)展最 迅速，開發(fā)最成功的一個，并已實現(xiàn)工業(yè)化。德士古水煤漿氣化爐工作原理德士古水煤漿加壓氣化爐過程屬于氣流床疏相并流反應(yīng)

4、。水煤漿通過噴嘴在 高速氧氣的作用下，破碎、霧化噴入氣化爐。氧氣和霧狀水煤漿在爐內(nèi)受到耐火 襯里的高溫輻射作用，迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、煤的干餾、揮發(fā)物的裂解燃燒 以及碳的氣化等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。最后生成以一氧化碳、氫氣、二 氧化碳和水蒸氣為主要成分的濕煤氣、熔渣和未反應(yīng)的碳，一起同流向下，離開 反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入爐子底部激冷室水浴，熔渣經(jīng)淬冷、固化后被截留在水中，落入渣 灌，經(jīng)排渣系統(tǒng)定時排放。煤氣和飽和蒸汽進(jìn)入煤氣冷卻凈化系統(tǒng)。與同為氣流床氣化的K T氣化法相比較，德士古氣化法在兩點上有所改進(jìn)，一 是采取高壓氣化；-是以水煤漿形式的濕法進(jìn)料。加壓氣化能有效地提高生產(chǎn)能 力和煤氣品質(zhì)，但

5、是在高壓條件下解決于粉進(jìn)料和煤鎖裝置問題是相當(dāng)困難的， 因此改進(jìn)為水煤漿濕法進(jìn)料的方式。德士古水煤漿加壓氣化工藝德士古氣化工藝流程包括煤漿制備、氣化爐及排渣系統(tǒng)、高溫煤氣的冷卻與 凈化。原料煤用球磨機(jī)、棒磨機(jī)或盤式研磨機(jī)濕磨后，使其粒度小于90/ 1m的達(dá)到40% 86%，再與水或油混合制成煤漿、煤漿含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為60% 70%。制成的煤漿以液力輸送至煤漿槽，再以高壓煤漿泵把煤漿送人氣化爐的燃燒器。高壓煤漿泵的工作壓力應(yīng)高于氣化爐的工作壓力德士古氣化爐由上、下兩部分組成，氣化爐上部是部分氧化室，內(nèi)壁襯有多 層耐火磚，外壁為圓筒形高壓容器。內(nèi)、外壁分別承擔(dān)耐高溫和耐高壓的職能， 爐壁內(nèi)襯長

6、期在高溫下工作，經(jīng)受高速煤漿的沖刷，所以必須具備耐高溫和耐磨 損的性能。爐壁內(nèi)襯的耐火材料以氧化鉻為主，同時添加少量的氧化鋁或氧化鎂， 視煤灰渣的酸堿性而定。氧化鋁適用于酸性灰渣，氧化鎂適用于堿性灰渣。水煤漿和氧氣從爐頂?shù)娜紵鞲咚龠B續(xù)地噴人部分氧化室。高溫狀態(tài)下工作 的燒嘴設(shè)有冷卻水裝置。水煤漿噴人氣化爐內(nèi)迅速發(fā)生反應(yīng)，數(shù)秒鐘內(nèi)即完成氣 化過程，爐內(nèi)達(dá)到13001500%，氣化壓力為4. 34. 8MPa氣化壓力的高低 視煤氣用途而定。如用于合成氨時取其高限，如作為合成甲醇的原料氣可取較低 壓力，這樣后續(xù)工段不需另外加壓。德土古氣化法采取液態(tài)排渣，爐內(nèi)灰分熔融 成為液渣。在部分氧化室生成的粗

7、煤氣夾帶了熔渣向下流人氣化爐下部的冷卻 室。氣化爐的下部因冷卻方式不同有兩種型式。一種是激冷型冷卻方式，高溫粗 煤氣夾帶著熔渣流人下部的急冷室，熔渣激冷固化后被分離出來并落人灰鎖斗， 灰渣在鎖斗中泄壓后進(jìn)入熔渣槽，再由熔渣分離器分離出粗熔渣去處理，分離出 細(xì)灰渣送至沉清槽，沉淀下細(xì)灰及煤焦或者再循環(huán)人爐，或者送出處理。另一種冷卻方式是廢熱鍋爐型。高溫粗煤氣首先經(jīng)輻射式廢熱鍋爐冷卻至 700 r左右，這時熔渣已冷卻固化落入水急冷區(qū)而排至鎖斗。熱煤氣再經(jīng)過對流 立管式廢熱鍋爐，進(jìn)一步冷卻至300。C。兩級廢熱鍋爐在冷卻煤氣的同時獲得高 壓蒸汽，可以用于發(fā)電。煤氣經(jīng)進(jìn)一步冷卻、除塵、脫硫后可得到潔凈

8、的冷煤氣。 脫除下來的少量煤焦和飛灰進(jìn)入沉清槽分離后處理或循環(huán)人爐。因為粗煤氣中不 含有焦油、酚類，所以凈化工藝比較簡單，對環(huán)境污染較小。德士古水煤漿氣化爐在中國的應(yīng)用經(jīng)過十多年的實踐探索，中國在水煤漿氣化技術(shù)方面，積累了豐富的操作、運行、管理與制造經(jīng)驗，氣化技術(shù)日趨成熟與完善。經(jīng)過長期科技攻關(guān)，在水煤 漿氣化領(lǐng)域，形成完整的氣化理論體系，研究開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國 際領(lǐng)先水平的水煤漿氣化技術(shù)。德士古水煤漿氣化技術(shù)的引進(jìn)與完善為了充分利用我國豐富的煤炭資源發(fā)展煤化工，自80年代至今，我國相繼引進(jìn)了 4套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產(chǎn)甲醇與合成氨。該技術(shù)具有氣化爐 結(jié)構(gòu)簡單、煤種適

9、應(yīng)較廣、水煤漿進(jìn)料易控制安全、單爐生產(chǎn)能力大等特點。引 進(jìn)裝置情況表：地點氣化爐（臺）處理煤量（噸/天）fon t氣化壓力（Mpa）產(chǎn)品投產(chǎn)時間技術(shù)來源魯南23503.0氨1987.7Texaco專禾U許可證、工藝軟件包；原化工部第一設(shè)計院設(shè)計吳涇415004.0甲醇1995.5Texaco專禾U許可證、工藝軟件包；原化工部第一設(shè)計院設(shè)計渭河315006.5氨1996.2Texaco專禾U許可證日本宇部承包淮南315004.0氨2000.7Texaco專禾U許可證日本宇部承包水煤漿氣化噴嘴已由國產(chǎn)噴嘴替代美國引進(jìn)噴嘴，使用壽命約為2個月；氣化爐用耐火磚已由國產(chǎn)洛耐磚替代進(jìn)口法國磚，價格比為 0

10、.5 : 1。另外，我國 已具備以下一些設(shè)備的設(shè)計制造能力，如磨煤機(jī)、氣化爐、激冷環(huán)、鎖渣斗、撈 渣機(jī)、高、低壓煤漿泵、灰水泵、文氏管等。兗礦魯南化肥廠的設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上。總之，通過對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，我國不僅積累了豐富的水煤漿氣化技術(shù)工 程經(jīng)驗，掌握了先進(jìn)技術(shù)的運作規(guī)律，同時在實踐中不斷進(jìn)行技術(shù)調(diào)整與完善， 進(jìn)一步推動了我國水煤漿氣化技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)中國煤種特點，中國科學(xué)院山西 煤炭化學(xué)研究所從煤化學(xué)角度研究了煤炭成漿性能的影響因素，中國礦業(yè)大學(xué)通過試驗與生產(chǎn)實踐，提出了評價煙煤成漿性難度指標(biāo)的經(jīng)驗公式。這些研究成果，為中國水煤漿制備技術(shù)發(fā)展提供了有益的指導(dǎo)。目前，中國已有多個水

11、煤漿用添加劑和水煤漿生產(chǎn)廠家。根據(jù)煤種不同，選用不同品種與系列的添加劑 制備水煤漿，氣化用水煤漿濃度為 6065%。德士古水煤漿氣化爐得到的合成氣與應(yīng)用德士古法氣化得到的產(chǎn)品煤氣主要成分是 CO H:、CO和H: 0,此外還有少量的CH N:、H: S、COS等。所得煤氣可以作為合成原料氣，如用于合成氨高溫煤氣經(jīng)急冷室激冷，達(dá)到飽和狀態(tài)。可以直接變換轉(zhuǎn)化，使煤氣中co變換成H2,而不必再加蒸汽。產(chǎn)品煤氣也可用于發(fā)電或作為燃料氣。如1984年建成試生產(chǎn)的美國加州的涼水灘(CoolWater)工程，在世界上首次實現(xiàn)煤氣化聯(lián)合循 環(huán)發(fā)電(19cc)。該系統(tǒng)的煤氣化設(shè)備是一臺每天氣化1000t煤的廢熱

12、鍋爐型德士古氣化爐，另有一臺同樣規(guī)模的激冷型德土古氣化爐作為備用。投料的水煤漿含 量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到65%，氣化爐的操作壓力為4。3MPa氣化溫度為1370。C。 氣化爐出來的、已冷卻至370。C的粗煤氣在洗滌器中除塵并進(jìn)一步冷卻，再經(jīng) 脫硫后入一臺65MW勺燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。廢熱鍋爐產(chǎn)生 11MP0I勺高壓飽和蒸汽， 并由燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣進(jìn)行過熱，該過熱蒸汽進(jìn)入55MW勺蒸汽輪機(jī)發(fā)電。兩臺機(jī)組共發(fā)電120MW，除了工廠自用(包括制氧設(shè)備在內(nèi))外，可外供電力IOOMWV 如按總輸入能量計算，包括氣化效率在內(nèi)的總發(fā)電效率為 34%，其三廢排放量僅 為聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)的1/10，能滿足環(huán)保要求，這在當(dāng)時

13、是一項成功的范例。德士古水煤漿氣化爐的優(yōu)點(1) 煤種適應(yīng)性廣。德士古氣化工藝可以利用次煙煤、煙煤、石油焦、煤加氫 液化殘渣等。不受灰熔點限制(灰熔點高可加助熔劑)，同時因煤最終要磨制成 水煤漿,故不受煤的塊度大小限制。原設(shè)計為河南義馬煤，但在近幾年煤炭市場 緊俏的情況下，我們經(jīng)常摻燒山東、陜西等地的煤種，經(jīng)過局部的工藝調(diào)節(jié)，同 樣能夠平穩(wěn)運行。(2) 連續(xù)生產(chǎn)性強(qiáng)。氣化爐的原料煤漿、氧氣的生產(chǎn)是連續(xù)的，因此也就能夠連續(xù)不斷地進(jìn)入氣化爐。排渣經(jīng)排渣系統(tǒng)固定程序控制，不需停車，氣化 開停少，系統(tǒng)操作穩(wěn)定。迄今單爐連續(xù)穩(wěn)定運行最長已達(dá) 53天。(3) 氣化壓力高。氣化爐內(nèi)的高壓，首先是相同質(zhì)量的產(chǎn)

14、品氣大幅度減小了比 容積，提高了單爐產(chǎn)量；其次產(chǎn)品氣具有的高壓節(jié)省了煤氣壓縮所需要的能耗 和費用。對于淮化公司4.0MPa級的氣化爐而言，僅在合成氣壓縮一項，年節(jié)約 開支約合950萬元(根據(jù)單爐實際產(chǎn)干氣量34500Nm3/h氣體平均分子量23、 出爐壓力3.85MPa及市場電價折算而得)。對于壓力級別更高的氣化工藝而言, 則收益更多。(4) 合成氣質(zhì)量好。國內(nèi)外已有的德士古水煤漿氣化工藝產(chǎn)品煤氣中有效成份(CO+H2) 般都在80%上。淮化公司采用的義馬煤因成漿性較差,煤氣中 CO+H275%, CH4V0.1%,可作為生產(chǎn)氨、甲醇的原料氣,也可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。(5) 氣化溫度高。氣化爐運

15、行溫度一般在 11001540C,提高了煤的碳轉(zhuǎn)化率。 淮化公司氣化爐實際運行溫度在 1370 30r左右,碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)96%98鳩上; 同時，高溫產(chǎn)生的熱能回收后生產(chǎn)蒸汽，能滿足其它工序的生產(chǎn)需要。(6) 安全性能好。由于德士古工藝采用濕法磨煤，避免了干磨法中煤粉這一易燃 易爆物質(zhì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來的巨大安全隱患。德士古公司最初的設(shè)計為將原料煤干燥后磨制成煤粉，再進(jìn)入混合槽調(diào)配成煤漿。1978年，前西德魯爾煤/魯爾化學(xué) 公司在德國豪伯荷森建成一套工業(yè)性示范裝置，該裝置是在對德士古煤氣化法 進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上建成的，其相對于最初的德士古工藝兩大顯著特點就是將 煤的干磨改為濕磨以及提供了比較完善的熱

16、回收流程。(7) 有利于環(huán)保。首先，德士古氣化工藝由于氣化爐內(nèi)溫度高，所以不生成焦 油、酚等污染環(huán)境的副產(chǎn)物，廢水主要成份是含氰化合物，遠(yuǎn)比煤焦產(chǎn)生的廢水 易于處理；其次，氣化系統(tǒng)的水在本系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用，外排廢水很少(在 0.5t/tNH3以下)，遠(yuǎn)比其它氣化方法產(chǎn)生的廢水量少；第三，配制水煤漿時，可利用工廠排出的含大量有機(jī)物、較難生化處理的廢水。如淮化公司使用焦化含 酚廢水16t/h,用于配制水煤漿，從而大幅度降低了因滿足環(huán)保要求而支出的廢 水處理費用；第四，氣化爐渣為固態(tài)排放物，沒有飛灰等帶出，不污染環(huán)境，而且是良好的建筑材料。德士古水煤漿氣化爐的缺點(1) 制漿噪音大。煤在磨制(球磨、棒

17、磨)成煤漿的過程中，由于磨料(鋼球、 鋼棒)的相互碰撞，不可避免地產(chǎn)生噪音污染，一般制漿廠房的噪音都在95dB 以上，給現(xiàn)場操作人員的身體健康帶來極為不利的影響。(2) 煤漿泵備件消耗高。其主要備件隔膜及單向閥的使用壽命基本在 46個月， 其中單向閥每套價格在11500元左右，隔膜每只約8000元，每臺泵需用單向閥6套，隔膜3只，維護(hù)費用很高；并且到目前為止，該類備件完全依賴進(jìn)口，購買周期長，給穩(wěn)定生產(chǎn)帶來隱患。(3) 水煤漿氣化氧耗高。德士古氣化爐氧耗一般都在 400Nm3/1000Nm3 ( CO+H2)以上。為了降低氧耗，需選擇灰份低、灰熔點低的煤，且煤的成漿性要好，以便 制得高濃度的煤

18、漿，減少氣化爐內(nèi)氣化水而耗氧。當(dāng)煤的灰份、灰熔點上升，成漿性能降低時，氧耗將大幅度提高，同時助熔劑、煤漿添加劑、爐磚的消耗也迅 速上升，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。(4) 需備用熱源。德士古氣化爐投料時,其爐內(nèi)溫度必須在1000C以上方可,這 就要求本系統(tǒng)外有備用熱源設(shè)備，已經(jīng)超出了大部分工礦企業(yè)常規(guī)的水、氣、汽 公用工程；另外，如果需要維持熱備用爐，其能耗是很大的，需煤氣150 1500Nm3/h空氣1501500Nm3/h及部分抽引蒸汽和冷卻水。(5) 氣化爐耐火材料壽命短。氣化爐耐火材料一般包括背襯磚、支撐磚及向火 面磚。其中向火面磚的使用壽命是決定氣化爐能否長周期運行、降低生產(chǎn)成本的 關(guān)鍵因素之一。(6) 排渣系統(tǒng)閥門損耗大?；椿練饣癄t的收渣、排渣系統(tǒng)介質(zhì)為水激后的 固態(tài)煤熔渣，具有很高的硬度，因此對系統(tǒng)閥門造成很強(qiáng)的磨損傷害，經(jīng)常引 起收、排渣系統(tǒng)閥門內(nèi)漏、開關(guān)故障從而影響生產(chǎn)。該部分閥門因要對抗高硬度 爐渣的沖刷，故閥門材料必須具有很高的硬度和很強(qiáng)的耐磨性 ，目前國內(nèi)的制 造水平還難以滿足這些要求，基本依賴進(jìn)口。每臺閥門的價格均在數(shù)十萬元至百 余萬元，耗費巨大，且同樣存在購買周期長的問題。(7) 洗氣、渣水系統(tǒng)易堵塞。由于煤氣出爐時不可避免地攜帶一定量的煤渣灰，渣水內(nèi)含灰就更不必說。因此，隨著運行時間的延長，在洗氣、渣水系統(tǒng)沉積， 引起阻力增加及管路堵塞。