多喷嘴对置式水煤浆气化技术的开发及其在大氮肥国产化工程中的应用.doc

多喷嘴对置式水煤浆气化技术的开发及其在大氮肥国产化工程中的应用于遵宏1，于广锁1，周志杰1，刘海峰1，王亦飞1，陈雪莉1，王辅臣1， 2005-09-16煤炭气化，即在一定温度、压力条件下利用气化剂(O2、H2O或CO2)与煤炭反应生成洁净合成气(CO、H2的混合物)，是对煤炭进行化学加工的一个重要方法，是实现煤炭洁净利用的关键。气流床煤气化技术代表着发展趋势，是现在最清洁的煤利用技术之一，主要包括：以水煤浆为原料的GE(Texaco)、Global E-Gas气化炉，以干粉煤为原料的Shell、Prenflo、Noell气化炉1。在新型煤化工和能源转化技术中，煤气化都起有重要作用，特别在我国，煤气化同时具有作原料气和燃料气的市场需求，被广泛应用于化工、冶金、机械、建材等工业行业和生产煤气的企业，社会需求很大，近几年内在产业应用方面将有巨大的发展。 “九五”期间华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心(兖矿鲁南化肥厂)、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”，中试装置（日投煤22t）的运行结果表明在水煤浆气化领域达到了国际领先水平。通过专利实施许可的方式，并在国家发改委“十五”重大技术装备研制项目的支持下，四喷嘴对置式水煤浆气化技术成功应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程，建设了一台投煤750t/d、气化压力6.5MPa的煤气化装置，现该装置运行状况良好。1 多喷嘴对置式水煤浆气化技术开发1.1 大型冷模研究 实验流程如图1所示。大型冷模对置气化炉直径1m。采用激光多普勒三维粒子动态分析仪(Dual PDA)、热线风速仪(Streamline 4)、毕托管等研究测试气化炉内的撞击射流湍流速度场、浓度场、压力场、停留时间分布等，获得气化炉内的流动与混合规律，为气化炉的研究开发提供科学依据。流场结构见图2，可划分为：射流区()、撞击区()、撞击流股(,上下两股)、回流区(，共六个)、折返流区(V)、管流区()。1冷模气化炉；2喷嘴；3鼓风机；4流量计；5水泵；6示踪剂；7Dual DA测试系统；8停留时间测试系统图1 大型冷模实验流程 图2 四喷嘴对置气化炉流场结构1.2 小型热模试验 在小型热模实验装置上(如图3示)研究了对置式热态模式气化炉内的火焰特性与温度分布，获得操作参数、结构参数与流动混合状态对气化反应结果及温度分布的影响规律。1热模气化炉；2喷嘴；3贮槽；4泵；5流量计；6氧气钢瓶；7气体质量流量计；8冷却室；9数据采集系统图3 热模试验流程1.3 雾化性能研究 基于大型冷态模型(15004500mm)，借助激光衍射颗粒测试仪(Malvern)，以水、甘油及水煤浆为实验介质，对不同几何结构与尺寸的喷嘴进行雾化性能研究，开发与气化炉结构尺寸相匹配、雾化性能优越的气化喷嘴(预膜式烧嘴)。实验流程图如图4所示。1冷模气化炉；2喷嘴；3Malvern测试仪；4鼓风机；5流量计；6泵；7贮槽；8过滤器；9引风机；10计算机图4 喷嘴雾化实验流程2 多喷嘴对置式水煤浆气化过程及特点 水煤浆气化压力为3.06.5MPa，温度约1300。在此高温下化学反应速率相对较快，而气化过程速率为传递过程控制。为此，采取的技术对策是：通过喷嘴配置、优化炉型结构及尺寸，在炉内形成撞击流，以强化混合(热质传递)过程并形成炉内合理的流场结构，从而达到良好的工艺与工程效果：有效气成分高、碳转化率高、耐火砖寿命长。 煤浆经隔膜泵加压，通过四个对称布置在气化炉气化室中上部同一水平面的工艺喷嘴，与氧气一起对喷进入气化炉。对置气化炉的流场结构由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成。 煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了以下步骤：颗粒的湍流弥散、颗粒的振荡运动、颗粒的对流加热、颗粒的辐射加热、煤浆蒸发与颗粒中挥发分的析出、挥发产物的气相反应、煤焦的多相反应、灰渣的形成等。 气化反应是串并联反应同时存在的极为复杂的反应，可分为一次反应区与二次反应区。 一次反应区(燃烧区) 进入该区的反应物有工艺氧、煤浆以及回流流股和折返流流股中的CO、H2等。水煤浆入炉后，首先进行雾化，同时接受来自火焰、炉内壁、高温气体、固体物等的辐射热，以及回流流股及折返流流股的热量。煤浆瞬间蒸发，煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物、挥发分及其他易燃组分在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧，放出大量热。这个过程进行得相当短促，主要发生在射流区与撞击区中，其结束的标志是氧消耗殆尽。 二次反应区 进入二次反应区的组分有煤焦、CO2、CH4、H2O以及CO、H2等组分。这时主要进行的是煤焦、CH4等与H2O、CO2发生的气化反应，生成CO 和H2。这是有效气成分的重要来源。二次反应主要发生在管流区。 一次与二次反应共存区 多喷嘴对置气化炉中射流区与撞击区、撞击流股、回流区、折返流区共存，不时进行质量交换，再加湍流的随机性，射流区的反应组分及产物都有可能进入撞击区、撞击流股、回流区、折返流区，导致这些区域既进行一次反应，也进行二次反应。 二次反应以吸热为主，致使发生二次反应的区域温度较低，相对地起到保护耐火砖的作用。 在气化炉中主要进行以下化学反应：出气化室夹带熔融态灰渣的高温合成气，在复合床结构的洗涤冷却室内完成合成气的洗涤冷却和熔渣的初步分离。3 在山东华鲁恒升化工股份有限公司的工程化应用 通过专利实施许可的方式，并在国家发改委“十五”重大技术装备研制项目的支持下，四喷嘴对置式水煤浆气化技术应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程，建设了一台多喷嘴撞击流气化装置(6.5MPa，投煤750t/d)。图5为该气化炉烧嘴平台。气化装置由中国华陆工程公司设计，气化炉由哈尔滨锅炉厂制造，喷嘴由航天部十一所(北京)制造，耐火砖由新乡耐火材料厂生产。装置于2004年底建成，并于2004年12月1日一次投料成功。经过调整和优化，四喷嘴对置式水煤浆气化装置于2005年6月初正式投入运行。图5 四喷嘴对置式水煤浆气化炉的烧嘴平台 优化后的首次运行为2005年6月2日7:40至2005年6月5日15:45，多喷嘴对置式水煤浆气化炉在连续运转80h后按计划停车。 自2005年6月初正式投入运行至今(2005年7月12日)，四喷嘴对置式水煤浆气化装置已进行6次投料，其中2次为连投。导致停车的原因均与气化装置本身无关，主要为断电、前系统动设备故障、仪表空气压力低、计划停车等。 基于对运行状况的分析，可看出以下几点。 (1)优化后四喷嘴对置式气化炉已累计运转500h以上(截至7月12日)，已经历了较长生产周期的考核。最长运行时间204h(2005年6月22日2005年7月1日，扣除连投的准备时间)。 (2)四喷嘴对置式水煤浆气化炉开、停车方便，简单易行，不存在任何问题。在正常运行过程中，气化炉运转平稳，无异常情况，运行情况良好。 (3)运行80h按计划停车后，进炉检查发现：炉内情况良好，烧嘴室无烧损痕迹，烧嘴室向火面砖完好；整个向火面耐火砖无任何异常情况；耐火砖挺拔如初，棱角分明，挂渣均匀；炉内情况表明，不存在火焰烧损对侧耐火砖的情况；炉内构件良好，激冷环、下降管、破泡条等均完好无损；各个工艺烧嘴完好，无任何磨损、烧蚀情况。2005年7月2日拆检发现，四个工艺烧嘴无任何异常，烧嘴室状况良好。据此，完全有理由相信，炉内耐火砖将有理想的使用寿命。 (4) 在工艺指标方面，多喷嘴对置式气化炉展现了较大优势。6月22日7月1日的运行工艺指标统计值如下。 多喷嘴对置式水煤浆气化炉操作负荷约30.5m3/h。 多喷嘴对置式水煤浆气化炉有效气（CO+H2）比煤耗约581.34kg/km3，单喷嘴顶置式气化炉比煤耗约630.80kg/km3，降低约8.5%。考虑到多喷嘴对置式水煤浆气化炉的碳洗塔出口温度平均比单喷嘴顶置式气化炉低约4.04，比煤耗实际上应更低。 多喷嘴对置式水煤浆气化炉合成气中有效气CO+H2含量为约83.51%，单喷嘴顶置式气化炉约83.05%。 多喷嘴对置式水煤浆气化炉中的H2含量普遍高于单喷嘴顶置式气化炉，平均约高1个百分点左右。 灰渣中残碳含量为约2.21%，表明碳转化率应大于98%。 多喷嘴对置式水煤浆气化炉相对于单喷嘴顶置式气化炉，在操作方面展现了较多的优势，如激冷室液位稳定、易于控制，带水量降低等。在提高操作负荷和装置生产能力方面，多喷嘴对置式气化炉有很大的潜力，这是源于其撞击流的技术原理和先进的工艺技术。4 结语 具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术，通过专利实施许可的方式，已成功应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程，被实践证实工程上是完全可行的。该技术的产业化成功，将扭转我国煤气化技术长期依赖进口的局面，同时它将为拓宽氮肥的原料来源、减少对无烟块煤的依赖提供先进、经济的支撑技术，将为我国化肥行业的技术改造和节能降耗提供技术保障，推进相关产业的技术进步。该技术煤种适应性强，可采用资源丰富、分布广泛的烟煤或褐煤，并对粒度、灰分和含硫量有较大的兼容性。可作为核心技术集成为大氮肥装置、大宗化学品生产装置(甲醇、烯烃等)、联合循环发电(IGCC)装置、煤基“多联产”装置，也可为煤直接液化、间接液化提供气源，具有十分广阔的应用前景。 煤炭气化技术(特别是先进的纯氧气化技术)，投资高，而气化的产品为合成气，并非最终可售商品，必须配套后续系统，因此建设以多喷嘴对置式水煤浆气化技术为龙头的煤基工业装置的资金投入较大。国家应该鼓励多喷嘴对置式水煤浆气化技术在国内的推广应用，在产业化方面形成一个较完善的支撑体系，在各方面予以支持，如立项、国拨资金、银行贷款免息或贴息、减税、政策支持(如电能的上网)等，为该技术尽早大规模产业化应用创造良好的条件分级气流床煤气化技术的实验室研究张建胜1，岳光溪1，顾大地2，李思斌2，韩喜民3，王中刚3（1. 清华大学热能工程系，北京 100084；2. 北京达立科科技有限公司，北京 100088；3. 山西丰喜肥业集团股份有限公司临猗分公司，山西 临猗 044100） 2007-02-14摘 要 介绍了一种具有自主知识产权的分级气流床气化工艺，并进行了冷热态实验研究。研究结果表明，在同样运行条件下，分级气化的有效气体成分要高于连续气化。关键词 气化；分级；有效气体 煤气化是洁净煤技术的重要组成部分，它以煤炭为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸气等气体为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，得到不同组分不同热值的煤气。将廉价的煤炭转化成为清洁煤气，既可用于生产化工产品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电（IGCC）和以煤气化为基础的多联产等领域1，2。以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统，可同时获得多种高附加值的化工产品和多种洁净的二次能源。可以相信，以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统将是中国煤化工今后的发展方向。煤化工的发展必须以煤气化为“龙头”，因此煤气化技术是煤化工的关键。 煤气化技术的发展表明，气流床煤气化炉具有很好的煤种适应性和优良的技术性能，是煤气化的首选技术，其中最具代表性的是德士古（Texaco）水煤浆气化技术、Destec水煤浆气化技术和谢尔（Shell）干煤粉气化技术3,4。近几十年来在原国家科委、计委、教委和各工业部门的支持下，我国在煤气化的研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作，开发了多喷嘴对置式水煤浆气化技术5、灰熔聚煤气化技术6等。清华大学、北京达立科科技有限公司也提出了一种新的高温纯氧气流床煤气化技术，即分级气流床煤气化技术。下面介绍这一技术的实验室研究情况。1 工艺介绍 针对目前商业运行的水煤浆气化炉存在的问题和缺点，清华大学和北京达立科科技有限公司提出了将水煤浆的连续气化过程进行分级，形成一种新的煤气化工艺分级气流床煤气化工艺。采用分级气化工艺，可以进行水煤浆、干煤粉及其他含碳物质的气化，其工艺过程如图1所示。 原料（水煤浆、干煤粉或者其他含碳物质）通过给料机构进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，其他气体，如CO2、N2、水蒸气等作为喷嘴雾化介质。在第一段控制氧气加入的比例，保持第一段的温度在合适的水平，不至于太高。在第一段中生成的气体以及未反应的固体混合物进入第二段，在第二段再补充部分氧气，使气化炉内的温度达到煤的灰熔点以上，在第二段完成全部的气化过程。图1 分级气流床煤气化工艺示意图 在国家863和973计划的支持下，清华大学对分级气流床气化技术进行了冷态实验研究、热态实验研究和模型研究。2 冷态流场研究 在实验室建立分级气流床气化炉的冷态模拟实验台，采用三维激光颗粒动态分析仪（Particle Dynamic Analyzer, PDA）对气化炉内的三维流场进行测量，包括气化炉内的三维速度、雾化后的颗粒粒径、浓度分布等，重点研究了分级后二次射流对气化炉内流场的影响。 为了使测量结果具有指导意义，实验台尺寸是根据相似准则设计的。实验台设计的关键是水煤浆喷嘴，相似参数主要是几何相似和雷诺数相似，它们决定了流动模型和流动特征。对于像气化炉这样的同轴射流系统还要保证Thring-Newby准则数相同，这样就可以保证两系统相似。根据这些准则设计的实验台如图2所示。为便于加工和观察，喷嘴和炉体都采用有机玻璃制造。炉体直筒段高度为1300mm，直径为500mm。在离开炉体直筒段上沿250mm、450mm、650mm、850mm和1050mm的高度上分别设置了5个测量用的观察窗，从上到下依次编号为I、II、III、IV、V。同时在侧面距离直筒段上沿250mm、350mm和450mm的位置设有三层二次射流口，即图中的T、M、B位置，每层布置4个。二次气流经过这几个二次射流口由特殊的二次喷嘴进入炉内。为了比较二次气流的影响，同时测量了不加二次气流工况下的炉内速度分布情况。在加入二次射流的情况下，测量了不同二次射流流量和二次气流分别从上、中、下三层进入炉体时气化炉内的流场情况。图2 冷态实验台观察窗和二次射流口位置示意图 图3和4给出了二次射流的流量和位置对气化炉内截面I处轴向和切向速度的影响。从图3(a)的轴向速度分布来看，二次气流加入后，从壁面开始到炉膛中心，在相当的距离范围内存在一个轴向速度接近0的区域，说明壁面附近的二次气流对主气流有一个截断作用。而在靠近炉膛中心处，轴向速度则比不加二次气流时有所增加，这主要是因为到达炉膛中心后，二次气流方向已经由横向转为和主气流方向一致，并混入到主气流中，由于总流量的增加使中心处的轴向速度增加。从图3(b)可以看出，二次气流加入后，气化炉内出现了反方向的切向速度。这意味这二次射流加强了炉内的混和，对应到气化炉上就是气化炉内的物料混和得到加强，这对于气化反应的充分进行是有利的。截面I上二次射流大小对炉内流场的影响图3截面I上二次射流位置对炉内流场的影响图4 从图4的轴向速度和切向速度分布来看，二次射流分别由上层、中层、下层二次射流口加入时，三条速度曲线基本重合在一起，意味着气化炉内的流场对二次射流开口的位置并不敏感。这对于气化炉的加工和运行非常有利，可以降低对二次射流口加工位置精度的要求。3 热态实验 一种新的气化工艺，从设想到工业应用必须要经过热态测试才行。为此清华大学建立了钢壳直径1m的分级气化炉实验台，在此实验台上进行了连续气化（类似Texaco工艺）和分级气化的热态对比实验。图5是热态模拟实验台的外形图。 在气化炉燃烧室的壁面衬有耐火砖，耐火砖外面是保温层，使气化炉钢壳外的温度保持在150左右。热态实验采用水煤浆进料，在气化炉的燃烧室内水煤浆与氧气混合经过雾化后开始发生部分燃烧反应。由于采用CO2作为雾化剂，水煤浆先发生不完全燃烧反应。通过控制氧气和CO2的量，使喷嘴附近的温度保持在较低的水平。图5 分级气化炉热态实验台外形图 图6给出了连续气化和分级气化时气化炉内的温度分布情况。从图中可以看出采用分级气化，在以CO2作为雾化剂的情况下，喷嘴附近的温度比连续气化降低200左右，从而有效延长了喷嘴的使用寿命。从图6还可以看出，分级气化气化炉下部温度要高于连续气化，从而使整个气化炉从上到下的平均温度得到提高，有利于气化反应的充分进行，因此分级气化的有效气体成分要高于连续气化。气化室内温度分布比较图64 结论 为了对连续气化和分级气化进行更全面的比较，对气化炉进行了模拟计算，如表1所示。在其他运行参数相同的情况下，分级气化的合成气中有效气含量比连续气化要高2个百分点左右，冷煤气效率也得到提高，碳转化率提高2个百分点左右。在达到同样碳转化率的条件下，采用分级气化较小的氧煤比就可以提高合成气中有效气体的含量。这对于工业生产具有非常重要的意义，因为较低的氧煤比意味着氧气消耗量减少，从而可以减少空分