關于氣化方法選擇意見及評價

1、關于氣化方法的選擇意見張大晶（水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心，滕州277527）摘 要 介紹了國際上先進的煤氣化工藝技術特點，以及我國具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置的運行情況，其工藝技術指標達到國際先進水平，具有廣闊的應用前景。關鍵詞 干煤粉 水煤漿 氣流床 加壓氣化目前國際上先進的煤氣化工藝技術主要是Shell公司的SCGP粉煤加壓氣化工藝、德國未來能源公司的GSP粉煤加壓氣化工藝，美國德士古公司的水煤漿加壓氣化工藝和國內具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝。選擇合適的氣流床煤氣化技術關鍵是看：技術的成熟程度（運行的可靠性）；投資；項目建設周期；專利商的工程支持能力

2、；運行與維護成本。1氣流床加壓粉煤氣化Shell1.1技術先進1) 煤種的適應性比水煤漿氣化寬水煤漿對煤灰分20，灰熔點1350（FT3）粉煤氣化對煤灰分8，灰熔點11001500，一般1450以上要加石灰石。關于煤的含水（內水）影響水煤漿的濃度，粉煤的干燥用熱量。2) 技術指標優(yōu)于水煤漿粉煤氣化比水煤漿氣化少氣化3040水分，故可省煤10，省氧氣1525。冷媒氣效率比水煤漿高6個百分點，達到8083；有效氣成分比水煤漿高710個百分點，達到9093；C轉化率比水煤漿高14個百分點，達到99；用于IGCC可使熱效率達43。3) 內件壽命比水煤漿長粉煤氣化的水冷壁代替耐火磚，設計壽命25年，耐火

3、磚1至2年，噴嘴壽命可達8000小時，水煤漿的噴嘴壽命3至4個月1.2引進企業(yè)經濟負擔重1) 工業(yè)應用業(yè)績不足。Shell目前世界上僅有一套用于發(fā)電的Shell氣化在運行，Shell氣化技術用于化工生產尚無先例，開車運行經驗少，可靠性有待驗證。2) 國產化程度較低，投資大。是Texaco氣化工藝的1.4-1.5倍。Shell氣化爐、導管、廢鍋內件定點西班牙、印度制造，加工周期14至18個月，海運3個月，設備、儀表材料的國產化率與水煤漿相比差距也較大。3) 建廠時間長。據統(tǒng)計，水煤漿建廠時間2至3年，Shell建廠時間3至5年。2001年與Shell簽約的洞庭、雙環(huán)、柳州只有雙環(huán)于2006年5月

4、試車2003年與Shell簽約的中石化安慶、云天化、云南沾化，只有安慶2006年10月開始煮爐。建廠時間長，將會使企業(yè)承受較長的還貸期，負擔較重。Shell氣化在應用于制氫和氨時，由于廢鍋流程，合成氣的熱量用于產生高壓和中壓蒸汽，氣相中含有的蒸汽較少，3.0MPa下僅14，因此后邊的變換要補充大量的水蒸氣，用于甲醇生產也要補充一部分水蒸氣于變換工序，工藝上較麻煩，也使得能量利用不合理?？傊?，目前國內18套之多引進Shell氣化技術用于化工生產，實際上風險很大，等同于高價為ShellL做工業(yè)應用的大規(guī)模示范，現有雙環(huán)、安慶、湖北枝江、湖南洞氮四家試車。據反映試車期間曾發(fā)生過噴嘴處水冷壁燒漏，噴嘴

5、保護罩燒壞，渣口處水冷壁腐蝕嚴重等。由于沒有ShellL氣化裝置在化工成熟應用為依托，因此消化吸收掌握乃至達到年設計能力，要經歷較長時間，估計不會比當年Texaco氣化耗時短。2 氣流床加壓粉煤氣化GSP2.1技術先進GSP氣化在主要技術指標上與Shell氣化基本處于同一水平，其主要區(qū)別之處是Shell是多噴嘴在側壁對置，合成氣上行，廢鍋流程，而GSP是單噴嘴頂噴，合成氣下行，激冷流程，因此更適于化工生產。2.2實力與業(yè)績不足1) GSP工藝技術于上世紀70年代末由前民主德國的德意志燃料研究所開發(fā)，1990年東西德合并后，研究所人員流失嚴重，改組頻繁，目前該技術屬于未來能源公司GmbHF。未來

6、能源公司GmbHF設計力量薄弱，缺乏向用戶提供詳細設計所需的基礎設計完整資料。2) 1984年，在黑水泵市（SchwarZePumpe）的勞柏格（Laubag）電廠建立了一套130MW冷壁爐的商業(yè)化裝置，原料處理能力為720噸/天。1990年前曾氣化過褐煤并達到過滿負荷，但1990后又改為氣化液態(tài)焦油、化學廢液、城市垃圾等，粉煤輸送系統(tǒng)已不存在，且無法向技術尋求方提供當年氣化褐煤的有關資料、數據，實際上已不存在GSP粉煤氣化裝置，沒有運行的粉煤氣化示范裝置可供考察。3) 盡管GSP技術指標與Shell處于同一水平，且激冷流程更適于化工生產，投資介于Shell與水煤漿氣化之間，被不少廠家看好，但

7、由于其不可忽視的風險，誰首先引進，誰就等于替GSP進行工業(yè)示范，因此尋求技術方更加謹慎，原與未來能源簽約引進GSP技術的某企業(yè)，現已暫停合同執(zhí)行，并轉向多噴嘴對置式水煤漿氣化技術進行一期建設。3 德士古水煤漿氣化（Texaco）德士古氣化是以60%濃度水煤漿為原料，單噴嘴頂噴，耐火磚熱壁，激冷流程為主，在我國80年代末魯南化肥廠引進該技術時，國際上已有四套工業(yè)裝置運行。魯南化肥廠首次引進德士古水煤漿氣化（Texaco）技術，用于生產合成氨，由化工部一院詳細設計，國產化率達到90以上，裝置于1993年建成試車，1995年即超過設計年產水平，以后較快的將負荷提到130以上穩(wěn)定運行，單爐最長連續(xù)運行

8、101天，年運轉率90，開車以來前6年年均運行326.8天，1995年榮獲國家科技進步一等獎，這充分說明了國內在Texaco氣化工程設計、設備國產化、操作管理等方面消化吸收改造卓有成效，對其技術已全面掌握。德士古水煤漿氣化（Texaco）在魯南化肥廠成功示范，揭開了我國潔凈煤氣化的序幕，目前我國正在運行的裝置24臺，在建裝置10臺，主要用于合成氨、甲醇的生產。4 新型多噴嘴對置式水煤漿氣化在對德士古技術的全面掌握和消化吸收的基礎上，九五期間，由華東理工大學和兗礦魯南化肥廠共同承擔了完成了“多噴嘴對置式水煤漿氣化”中試研究， 2000年10月通過國家石油和化學工業(yè)局組織的鑒定驗收，認為該技術“填

9、 補國內空白”和“國際領先水平”。 并獲得一系列發(fā)明專利和實用新型專利。 十五期間進入工業(yè)示范階段，在華魯恒升和兗礦國泰建設的3臺氣化爐已進入正常工業(yè)運行。以新型多噴嘴對置水煤漿氣化技術為依托的兩個項目“多噴嘴對置式水煤漿氣化技術”、“大型氮肥全流程技術和成套裝置技術開發(fā)與應用”雙雙獲中國石油和化學工業(yè)協(xié)會2006年度科技進步特等獎。4.1氣化爐流場及反應機理在實驗室以直徑1000mm的大型冷模對置氣化爐有機玻璃模型對氣化爐流場進行了探討。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。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)；

10、3撞擊流股區(qū)；4回流區(qū)；5折返流區(qū)；6管流區(qū)撞擊區(qū)是氣化爐內物流間混合最為劇烈的區(qū)域。研究表明，它從以下幾方面強化了氣化爐內的霧化與混合過程。(1) 撞擊區(qū)內氧氣與煤漿的相向運動產生剪切力，促使煤漿液滴進一步破碎，完善了霧化過程；(2) 四股射流經過撞擊才形成撞擊流股，其軸向速度衰減明顯加快，爐內流體的停留時間分布得到改善，即“短路”現象受到抑制；(3) 撞擊區(qū)內產生的顆粒振蕩現象，使顆粒停留時間相對延長；(4) 撞擊區(qū)內速度脈動劇烈，湍流強度最大2，說明混合效果最好。水煤漿、氧進入氣化室后，相繼進行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化等6個物理和化學過程3，前5個過程速度較快，在1、2、3

11、、4、5五個流型區(qū)域中已基本完成，而氣化反應除在上述五區(qū)中進行外，主要在管流區(qū)6中進行。煤漿顆粒在氣化爐內的氣化過程經歷了以下步驟4：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)與顆粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產物的氣相反應、煤焦的多相反應、灰渣的形成。4.2工業(yè)運行新型多噴嘴對置式水煤漿氣化屬氣流床氣化技術，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。 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化項目，氣化部分同時建設三臺水煤漿氣化爐，均為750噸煤/日，壓力6.5Mpa,兩開一備，其中一臺為多噴嘴對置式新

12、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化項目現場考核表明，氣化爐的碳轉化率99.9，有效氣成分達84，渣中含碳量5，每天比相同規(guī)模的引進水煤漿氣化裝置多創(chuàng)造經濟效益約5萬元。 兗礦國泰化工多噴嘴水煤漿氣化裝置運行情況兗礦國泰與華東理工大學共同承擔“十五”國家“863”項目，在國泰建設多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業(yè)示范裝置及配套工程。采用兩臺1150噸煤/日，壓力4.0Mpa多噴嘴氣化爐，配套24萬噸甲醇/年，71.8MW聯(lián)合發(fā)電，供20萬噸醋酸/年。多噴嘴氣化爐2003年5月開工建設，2005年10月投入工業(yè)運行（期間經歷非典）

13、，2005年12月通過中國石油和化學工業(yè)協(xié)會的連續(xù)168小時現場考核（考核指標見表1），2006年1月通過技術鑒定，認為該技術處于水煤漿氣化技術的國際領先水平。該裝置運行穩(wěn)定， 2006年生產甲醇23.6萬噸，第一年就基本達到了設計能力，截至2007年4月，我國首臺日處理1150t煤的多噴嘴對置式新型水煤漿氣化爐，在兗礦國泰化工有限公司實現穩(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)運行時間的新紀錄。同時實現了帶壓連投技術，到目前為止，累計進行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費用近700萬。實踐證明該多噴嘴對置式水煤漿氣化技術成熟可靠。表1多噴嘴氣化技術與德士古氣化技術主要技術數據

14、比較工業(yè)爐型單爐規(guī)模t/d原料煤種CO+H2%比氧耗Nm3O2/KNm3CO+H2比煤耗Kg煤/KNm3CO+H2C轉化率魯化Texaco【1】400北宿水洗煤82833365479697國泰多噴嘴【1】1150北宿水洗煤84.930953598.8上海焦化Texaco【2】500神府煤8141263895渭河Texaco【3】750華亭煤7841562795安徽淮化集團【4】500華亭、義馬混煤7742570895【1】考核、運行同期現場操作數據【2】化肥工業(yè)，31（2），2004，3740【3】大氮肥，28（1），2005，2528【4】德士古氣化技術固體進料用戶技術交流會論文集，2002

15、由上表可知：多噴嘴水煤漿氣化技術已經很成熟，各項工藝指標均優(yōu)于Texaco水煤漿氣化技術，特別是魯化Texaco、國泰多噴嘴,均使用北宿水洗煤，可比性更強，國泰多噴嘴主要技術指標比Texaco有較大提高。4.3運行特點：1）技術指標先進。國泰多噴嘴氣化爐與魯化Texaco爐同期運行數據比較，有效氣成分提高23個百分點，CO2含量下降23個百分點，碳轉化率提高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術采用四噴嘴撞擊流、預膜式噴嘴，加強混合，強化熱質傳遞。德士古水煤漿氣化技術為單噴嘴，流場為受限射流，物料停留時間分布寬，碳轉化率低，射流以較大速度沖刷耐火磚。3

16、）復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，優(yōu)于Texaco直接換熱，蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4，克服了間接換熱設備易結垢堵塞問題，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。裝置國產化率高，沒有專有設備,專利費為引進的德士古水煤漿氣化的1/31/2,從以上的運行指標可以看出，多噴嘴對置式水煤漿氣化比引進的德士古水煤漿氣化運行費用要低得多。7）兗礦集團有限公司、華東理工大學提供強大的工程與技術支撐。 8）對環(huán)境影響較小。氣化過程不產生焦油、萘、酚等污染物，易處理，高溫排出的融渣，冷卻固化后可用于建筑材料。9）實現帶壓連投技術，在氣化爐及后系統(tǒng)不停車的情況下解決故障，帶壓投料，提高了有效生產時。到目前為止，累計進行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費用近700萬。結論 通過以上分析對比，以及多噴嘴爐子一年多的示范運行，可知多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是成熟的、擁有自主知識產權的、達國際先進水平的大型煤氣化技術。目前工業(yè)運行有3臺氣化爐，正在設計建設的有六家企業(yè)，15臺氣化爐，其市場推廣正處于強勁勢頭，我們全力推薦這一爐型。參考文獻1. 譚可榮,