德士古水煤漿加壓氣化的幾個(gè)重要影響因素

1、 德士古水煤漿加壓氣化的幾個(gè)重要影響因素孫鴻，叢玉梅（貴州開陽化工有限公司，貴州 開陽 550300） 日期：2007-8-17德士古水煤漿加壓氣化作為第二代煤氣化技術(shù)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但也存在某些方面的局限，我們理應(yīng)對(duì)其影響因素進(jìn)行探究，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。下面我們就從原料煤、配煤及助熔劑、水煤漿濃度及粒度、氧煤比、氣化爐操作壓力和氣化爐主要部件等方面著重進(jìn)行探討：1  原料煤的選用    根據(jù)德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)的特性，在原料煤的選用上，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：    （1）原料必須定點(diǎn)供應(yīng)，這樣煤質(zhì)才能穩(wěn)定，操作才容

2、易控制，系統(tǒng)才能得以穩(wěn)定運(yùn)行。    （2）發(fā)熱量要達(dá)25.12MJ/kg（一般的煙煤都能達(dá)到這個(gè)要求），越高越好。    （3）揮發(fā)分含量越高，越有利于德士古氣化反應(yīng)，增加煤氣產(chǎn)率。優(yōu)化指標(biāo)為Vdaf37%。    （4）固定碳含量越高越好。    （5）選用含內(nèi)在水份較低的煤，這樣水煤漿的濃度可以制得高一些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最高內(nèi)在水分ad8%為宜。    （6）選用的原料煤成漿性要好，這樣制得的水煤漿才具有濃度高、表觀粘度低、流動(dòng)性好和穩(wěn)定性好的

3、性能。目前評(píng)價(jià)成漿難易程度的數(shù)學(xué)模型如下：     =7.50.5ad0.05HGI式中，ad煤的分析基最高內(nèi)在水分；HGI煤的哈氏可磨指數(shù)；成漿難度指數(shù)。    當(dāng)4時(shí)，煤易成漿；47，成漿難易程度一般；710，煤難于成漿；10，極難成漿。    （7）煤中的灰含量越低越好。煤中的灰分是不直接參加氣化反應(yīng)的惰性物質(zhì)，但在煤氣化時(shí)要消耗熱量用于灰分本身的熔化，使氧耗增加。根據(jù)有關(guān)資料介紹，在同樣氣化壓力、溫度、水煤漿濃度和有效氣體產(chǎn)率等條件下，原料煤中灰分含量增加5%，氧氣消耗增加3.5%4.5

4、%，煤耗要增加6%10%。另外，原料煤的灰含量增加，水系統(tǒng)的灰含量也會(huì)隨之增加，造成渣水處理系統(tǒng)灰垢嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在一般情況下，宜選用灰分含量低的煤，有利于節(jié)約能耗，降低成本，但經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，有時(shí)灰分含量稍高的煤也是可以采用的。一般要求不高于15%20%。    （8）宜選用低灰熔點(diǎn)的煤，以煤灰流動(dòng)點(diǎn)T4（還原性氣氛下）1300的煤最為合適。煤的灰熔點(diǎn)高，氣化爐的操作溫度就要相應(yīng)提高。氣化爐操作溫度每提高100，單位產(chǎn)品合成氣的氧氣消耗要增加6%7%，相應(yīng)地，原料煤消耗也要增加，同時(shí)還會(huì)影響氣化爐耐火磚使用壽命。實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，灰熔

5、點(diǎn)低的煤，其灰渣的粘溫特性不一定就好。    （9）煤灰渣的粘溫特性要好。原料煤在氣化爐中氣化時(shí)，其所含灰分呈熔融狀態(tài)排出氣化爐氣化室，為了延長氣化爐耐火磚的壽命，一般氣化溫度只要超過灰渣流動(dòng)點(diǎn)50100左右就可以，不能太高。同時(shí)，還應(yīng)該了解灰分流動(dòng)點(diǎn)T4與開始變形點(diǎn)T1的溫差T；T小，操作容易掌握。煤灰的粘溫特性是確定液態(tài)排渣氣化爐操作溫度的重要參數(shù)，實(shí)踐指出，為使氣化爐正常排渣，操作中，熔渣粘度應(yīng)小于25a·s為宜。否則，容易堵渣口。所以，在做煤種評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)該做煤灰渣的粘溫特性試驗(yàn)，描繪出煤灰渣的粘溫特性曲線，了解在不同溫度下熔渣的粘度及流動(dòng)性

6、，以利于氣化溫度的控制。    （10）煤的反應(yīng)活性越高越好。我國采用CO2與煤進(jìn)行反應(yīng)，以CO2的還原率來表示煤的反應(yīng)活性。    （11）煤的可磨性要好（可磨指數(shù)越大越好），要有利于煤漿粒度的分布，這樣可以節(jié)省制水煤漿的動(dòng)力，減少鋼球的磨損和消耗。    （12）煤中一般都含有鹵素，鹵素在氣化時(shí)會(huì)進(jìn)入合成氣和渣水中，會(huì)腐蝕后續(xù)設(shè)備和管道，影響管道的使用壽命，所以煤中的鹵素含量以低為好。    （13）煤中硫含量不能過高。硫在氣化爐中反應(yīng)，有的產(chǎn)物易使水系統(tǒng)結(jié)垢，有的產(chǎn)物能

7、降低有效氣體含量。另外，還有腐蝕設(shè)備及管道的可能。    （14）煤不要長期堆放。長期堆放，由于緩慢氧化會(huì)使煤變質(zhì)。2  配煤和助熔劑     在原料煤灰熔點(diǎn)較高、灰渣粘溫特性較差時(shí)，我們可以對(duì)入爐煤采用混配的方法，配入灰熔點(diǎn)低、灰渣粘溫特性好的煤，以達(dá)到降低灰熔點(diǎn)，改善灰渣粘溫特性的目的。另外，還可以通過添加一定的助熔劑來降低灰熔點(diǎn)，提高熔渣的流動(dòng)性。我們常用的助熔劑是碳酸鈣（石灰石），一般添加原則如下。    （1）煤灰中(SiO2)/(Al2O3)（質(zhì)量比）小于3時(shí)，CaO在灰中的含量達(dá)3

8、0%35%時(shí)熔點(diǎn)最低，若再增加CaO，熔點(diǎn)不降低反而有可能升高。    （2）煤灰中(SiO2)/（Al2O3）（質(zhì)量比）大于3時(shí)，（SiO2）大于50%，灰中CaO含量為20%25%時(shí)熔點(diǎn)最低，如果再增加CaO含量，其熔點(diǎn)將超過1350。    以上說明，石灰石的添加量有一個(gè)最佳值。這是因?yàn)槭沂邷叵路纸獬龅腃aO在灰渣石灰石體系中起著雙重的作用：它作為氧化劑破壞了硅聚合物，使粘度和熔點(diǎn)降低；與此同時(shí)，又形成了高熔點(diǎn)的原硅酸鈣（其純物質(zhì)在2130下熔融）。在大量添加石灰石的情況下，該物質(zhì)又升高了體系的熔點(diǎn)溫度和粘度，故添加石灰石不

9、是愈多愈好。另外，還要考慮石灰石的添加會(huì)使水煤漿的粘度和析水率有所增高，使水的硬度有所增高。    3  水煤漿濃度及粒度    （1）煤漿濃度  水煤漿濃度是德士古水煤漿氣化的一個(gè)基本條件。所謂水煤漿的濃度是指煤漿中煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，該濃度與煤炭的質(zhì)量、制漿的技術(shù)密切相關(guān)。需要說明的是，水煤漿中的水分含量是指全水分，包括煤的內(nèi)在水分。通常使用的煤也并不是完全干的，一般含有5%8%甚至更多的水分。理論上可制得的最高煤漿濃度為（）：       

10、60;   =771.2（成漿難度指數(shù)）    隨著煤漿濃度的提高，煤氣中的有效成分（CO+H2）增加，氧氣的消耗（比氧耗）下降。據(jù)資料報(bào)道，水煤漿濃度由44%增加到56%，冷煤氣效率將提高40%。因此提高和穩(wěn)定水煤漿的濃度將有利于提高氣化效率。    （2）煤漿粒度 煤漿的粒度對(duì)碳的轉(zhuǎn)化率有很大影響。因?yàn)槊毫ＭＡ舻臅r(shí)間和固氣反應(yīng)的比接觸面積與顆粒尺寸密切相關(guān)，較大的顆粒離開燒嘴后，在反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間比小顆粒的停留時(shí)間短，而且，顆粒越大氣固相的接觸面積減小，這雙重的影響結(jié)果是使大顆粒煤的轉(zhuǎn)化率降低，導(dǎo)致灰渣中的含碳

11、量增大。    綜上所述，就單純氣化過程而言，似乎水煤漿的濃度越高、煤漿粒度越小，越有利于氣化。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，不得不考慮煤漿的輸送和煤漿在氣化爐中的霧化，因?yàn)闈舛仍礁摺⒘６仍叫?，粘度就越大，輸送和霧化也就更困難，煤漿濃度一般控制在60%70%，粒度小于0.5mm，70%以上為1460m。在工業(yè)規(guī)模的條件下，煤漿粘度是其濃度和粒度的制約因素。工業(yè)上采用添加表面活性劑來降低其粘度，但其作用并不是無限的。    表面活性劑是一種兩親分子，由疏水基和親水基兩部分組成。在水煤漿中，表面活性劑的親水基伸入水中，而疏水基端卻被煤粒的表面吸引，對(duì)

12、煤粒起到很好的分散作用。水煤漿用的表面活性劑多選擇芳烴類中與煤結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)，這樣可以在煤的表面更好地吸附。    總之，德士古水煤漿加壓氣化的收益明顯受到水煤漿濃度和粒度的影響。4  氧煤比    氧煤比是德士古水煤漿加壓氣化最重要的工藝條件，它對(duì)碳的轉(zhuǎn)化率起決定性的影響。根據(jù)“六五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目水煤漿加壓氣化制合成氣開發(fā)研究（中間試驗(yàn)）技術(shù)總結(jié)報(bào)告中所列數(shù)據(jù)，繪出圖1。 圖1  氧煤比對(duì)碳轉(zhuǎn)化率等的影響1碳轉(zhuǎn)化率；2溫度；3冷煤氣效率；4CO2含量；5CH4含量；6有效氣（COH2）比氧耗/m3/

13、km3；7有效氣（COH2）比煤耗/kg/km3；8干煤產(chǎn)氣率/m3/kg    由圖中看到，碳轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)溫度隨氧煤比的增大而顯著增高；冷煤氣效率和產(chǎn)氣率隨氧煤比的增大先逐漸增高，然后又逐漸下降，出現(xiàn)最大值；二氧化碳的含量和比煤耗隨氧煤比的增大先逐漸下降，然后又逐漸增高，出現(xiàn)最小值；比氧耗隨氧煤比的增大而逐漸增大；甲烷含量隨氧煤比的增大而逐漸下降。另外，再考慮到燒嘴和耐火磚的使用壽命等因素，德士古水煤漿加壓氣化的收益將隨著氧煤比的增大而先增后降，出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。據(jù)此，可確定一個(gè)最佳氧煤比。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量靠近最佳氧煤比操作。當(dāng)實(shí)際氧煤比低于最佳氧煤比時(shí)，要適當(dāng)

14、加氧（或減煤漿）；當(dāng)實(shí)際氧煤比高于最佳氧煤比時(shí)，要適當(dāng)減氧（或加煤漿），以使其靠近最佳氧煤比。    某化肥廠曾經(jīng)因?yàn)榛以剂刻撸▽?shí)際氧煤比較低），在煤漿流量不變的條件下，通過提高氧的加入量來提高氧煤比的方法在德士古氣化裝置上進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。當(dāng)氧氣的消耗量從每天的263900m3 ，提高到267200m3 后，有效氣體（CO+H2）的含量從試驗(yàn)前的83.85%降低到81.84%；而二氧化碳的含量從試驗(yàn)前的15.94%提高到17.74%；灰渣可燃物的含量從試驗(yàn)前的43.96%降低到31.83%。與此相應(yīng)的比煤耗從試驗(yàn)前的0.5653kg/m（COH2），降低到

15、0.5410kg/ m3（CO+H2）；合成氣產(chǎn)量也從試驗(yàn)前的873350m3/d，提高到887400 m3/d。    由此可見，根據(jù)具體情況在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)氧煤比，使其接近最佳值對(duì)于提高合成氣產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)效益運(yùn)行意義重大。5  氣化壓力      德士古水煤漿加壓氣化的操作壓力可分中壓（4.0MPa）和高壓（8.5MPa）兩種。眾所周知，德士古水煤漿加壓氣化的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省煤氣的壓縮費(fèi)用。由于氣化反應(yīng)是增容反應(yīng)，在加壓氣化過程中，壓縮氧比在常壓氣化壓縮煤氣要經(jīng)濟(jì)得多，如氨合成壓力為22MPa，造

16、氣壓力為3MPa時(shí)，則可節(jié)省45%50%的壓縮功。    另外，提高操作壓力能使碳與氣化劑接觸更緊密，能增強(qiáng)燒嘴的霧化效果，從而提高碳的轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%99%，而常壓氣化只有93%95%；提高操作壓力可使氣流速度降低，更有利于煤氣中灰渣分離，其分渣效率可達(dá)93%95%；提高操作壓力能提高氣化強(qiáng)度，從而提高單爐生產(chǎn)能力。就加壓氣化和常壓氣化而言，加壓氣化的生產(chǎn)能力一般為常壓氣化的 倍左右，即V V1，其中V2V1及P分別代表加壓常壓氣化爐的生產(chǎn)能力和加壓氣化壓力。    更引人興趣的是，加壓氣化有利于實(shí)現(xiàn)氣化后等壓（如6.5

17、MPa）合成甲醇。若在8.5 MPa壓力下氣化可發(fā)展等壓合成氨工藝。    至于選擇多高的氣化壓力，通常根據(jù)煤氣的最終用途、后面工段的工藝要求等，經(jīng)過核算來確定。6  氣化爐主要部件    （1）燒嘴（噴嘴）。燒嘴是德士古氣化爐的心臟設(shè)備，燒嘴有不同的結(jié)構(gòu)，一般都采用三流道式燒嘴。它由三根同心而沿軸漸縮的噴管組裝而成，氧氣走中心管和外環(huán)隙，中心管約導(dǎo)入15%氧氣，外環(huán)隙約導(dǎo)入85%氧氣，水煤漿走內(nèi)環(huán)隙，氧氣和水煤漿并流入爐。在外噴嘴上設(shè)有冷卻水套和冷卻盤管，以減少因熱輻射可能導(dǎo)致燒嘴變形的熱應(yīng)力作用。  

18、  燒嘴的設(shè)計(jì)、制造及其安裝高度，直接影響到燒嘴霧化性能、火焰剛性及長度、合成氣有效組成、爐子壽命及其經(jīng)濟(jì)效益等。    燒嘴霧化角度與爐膛大小相匹配。若角度過大，會(huì)使耐火襯里受煤漿顆粒嚴(yán)重磨損；若過小，會(huì)導(dǎo)致爐膛高溫區(qū)上移，氣化效率低。一個(gè)良好的燒嘴設(shè)計(jì)，可以使碳轉(zhuǎn)化率由94%提高到99%。    （2）激冷環(huán)。激冷環(huán)是氣化爐的重要內(nèi)部構(gòu)件，激冷水通過激冷環(huán)上與徑向成一定角度的噴水孔噴出，在激冷環(huán)折流擋板的作用下，沿著下降管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)均布下流，形成的水膜不僅有效地保護(hù)下降管不被高溫氣流及熔渣燒壞，而且也逐漸降低氣體溫度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于激冷環(huán)垢堵及大顆?；以氯仍蚨瓜陆倒芗凹だ洵h(huán)本身燒壞的現(xiàn)象也是發(fā)生過的。目前，對(duì)于激冷環(huán)垢堵及大顆?；以氯扇〉拇胧┦嵌ㄆ谒嵯醇蛹だ渌^濾器人工疏通等。在這些措施中，尤以人工疏通最為徹底，但由于激冷環(huán)的安裝位置及本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使人工疏通的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。另外，激冷環(huán)的尺寸大小相應(yīng)決定著渣口的大小，影響著氣化爐反應(yīng)室中氣體的返混程度，而返混又對(duì)有效氣體成分產(chǎn)生直接影響。例如，當(dāng)渣口堵渣時(shí)，返混增強(qiáng)，有效氣體成分上升2%3%，一旦消