四喷嘴对置式粉煤加压气化技术的研究与开发.doc

四喷嘴对置式粉煤加压气化技术的研究与开发郭晓镭1，代正华1，李玮锋1，陈雪莉1，龚欣1，于遵宏1；赵瑞同2，李磊2，侯志旭2，李元2，傅进军2，张大晶2，赵旨厚2，彭启蒙2，闫凤芹2，郭宝贵2；贺克农3，赵柱3，林彬彬3，孙铭绪3；谭可荣4（1.华东理工大学，上海 200237；2.兖矿鲁 2006-09-30摘 要介绍了我国自主创新的气流床粉煤加压气化制备合成气新技术，给出了该技术在国内首套中试装置上的运行数据与工艺技术指标；运行结果表明，其合成气中有效气成分为89%93，碳转化率98，各项技术指标达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。另外，还介绍以CO2为粉煤输送介质进行气化反应的合成气成分。关键词粉煤加压气化；气流床气化；煤气化0 绪 言 气流床煤气化技术具有气化温度与压力高、碳转化率高、生产强度大、易于大型化等特点，已经应用于化肥和甲醇等大宗化工产品的生产。与水煤浆气化技术相比，粉煤气流床气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等技术优势，有更强的市场竞争力。为了尽快开发自主知识产权的粉煤加压气化技术，国家科技部将“粉煤加压气化制合成气新技术研究与开发”列为“十五”国家重点科技攻关课题。 2004年末，在华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂（水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心）、中国天辰化学工程公司三家单位通力合作下，建于兖矿鲁南化肥厂的国内首套具有自主知识产权的粉煤加压气化中试装置（见图1）顺利通过72小时专家现场考核，率先在国内展示了气流床粉煤加压气化技术的优越性能。课题验收专家委员会认定，本气化技术“填补了国内空白，工艺指标达到了国际先进水平”，“该项成果适用于大规模煤气化装置，前景十分广阔”。图1 粉煤加压气化中试装置1 粉煤加压气化技术研究开发1.1实验室研究，重点攻克关键技术 粉煤密相输送是粉煤气流床气化过程的核心技术之一。在多年探索研究基础上，我们建成了采用DCS控制的大型粉煤密相气力输送装置（如图2），并开展了大量富有成效的研究工作。通过研究输送料罐结构形式、输送管道尺寸、弯管形式、输送气体分配方式、粉煤均匀分配方法、喷嘴结构尺寸、粉煤流量稳定控制方法等，掌握了粉煤密相输送过程规律，形成了专利技术，提出了中试装置粉煤加压密相输送工艺，为高压下将粉煤密相、稳定可控地输送入气化炉奠定了坚实基础。 另外，对关键的阀门仪表，特别是固体粉煤流量的计量做了大量摸索与研究工作，确保了中试装置的顺利开车运行。图2 粉煤密相气力输送实验装置1.2 建立中试装置，探索并掌握整体技术 粉煤加压气化中试装置建于兖矿鲁南化肥厂，在“九五”国家重点科技攻关计划项目支持下建设的新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉框架上扩建而成。系统分新建单元和利旧改造单元。其中新建单元为粉煤制备单元、粉煤输送与循环单元以及安全与运行控制单元；利旧整改单元包括气化单元、合成气初步净化和含渣水处理单元。与大多数国产化技术采取的引进消化吸收创新模式不同，粉煤加压气化技术是在国内尚无任何设计、建设与运行工程经验参照情况下自主创新形成的。经过中试实践探索，在工程方面积累了许多宝贵经验。 （1）工艺参数与操作方法 摸索了磨煤干燥制粉、粉煤密相输送的稳定可控供料、气化及激冷洗涤等工艺条件，特别是粉煤密相输送核心技术经受了考验。通过装置运行，掌握了制粉工艺条件及其调控方法，粉煤输送与气化炉压力同步协调的控制，气化炉运行操作参数，气化工艺指标的调节优化方法等；并且实现了四喷嘴运行与两喷嘴运行间的快速、方便切换，使该技术在操作负荷调整上具有更大的灵活性。 （2）设备与仪表 粉煤介质不同于气体、液体与浆体，对设备与仪表有更特殊的要求。在中试装置上，重点对粉煤加料与输送关键设备和仪表性能进行了全面考察。及时解决了部分仪表、阀门在运行中暴露出的异常现象和问题，为该技术的产业化和仪表设备国产化积累了经验。特别是对进口固体质量流量的性能识别与把握、标定与使用方法上教训与收获颇多。 （3）安全与控制 系统安全运行与控制是确保中试装置运行的关键。针对粉煤气化系统的特殊安全要求，经过分析研究与实践探索，制定出一整套控制连锁方案。包括开停车物流配送、切断顺序与时间，系统升降压控制联锁程序，粉煤输送程控方案等。中试装置安全平稳运行的实践结果表明，该系统安全运行与控制技术已得到掌握。2 驶粉煤加压气化中试装置工艺流程2.1工艺流程 粉煤加压气化中试装置工艺流程示意图如图3所示。原煤由运输设施送至磨煤机破碎，同时由加热的低压氮气将其干燥带出，制备出的合格煤粉存于低压料仓中。热的低压氮气大部分可循环使用。低压料仓中的煤粉先后在低压氮气和高压氮气的输送下经过粉煤锁斗进入加料罐，加料罐内的粉煤被均匀分配成四路，通过四个对置排列在同一平面上的气化喷嘴进入气化炉。气化剂氧气、蒸汽也通过喷嘴进入气化炉，在高温、高压下与煤粉进行气化反应。出气化炉的高温合成气经激冷、洗涤后进入初步净化单元，最终并入兖矿鲁南化肥厂造气车间合成气管线。熔融灰渣在气化炉激冷室中被激冷固化，经锁斗收集，定期排放。从激冷室和洗涤塔排出的黑水进入含渣水处理单元，最终送污水处理系统。2.2气化炉 气化炉为多喷嘴对置式结构，四个喷嘴位于气化炉上部，呈水平对置式，任意两相邻喷嘴间夹角为90。气化炉上部为燃烧室，内衬耐火砖，气化炉下部为激冷室，结构示意图如图4所示。该气化炉通过喷嘴配置、优化炉型结构及尺寸，在炉内形成撞击流，以强化热质传递过程，形成合理的流场结构，从而达到良好的工艺与工程效果，提高有效气成分，增加碳转化率，延长耐火砖使用寿命。图3 粉煤加压气化中试装置流程示意图1除尘设备；2低压粉仓；3粉煤锁斗；4加料罐；5气化炉6排渣锁斗；7磨煤机；8换热器；9引风机；10洗涤塔图4 气化炉结构示意图3 中试装置运行结果 中试装置气化温度为13001400，气化压力2.03.0MPa，根据一对喷嘴或四个喷嘴运行情况不同，装置操作负荷可调范围较大，为1545 t/d煤。氧煤比主要操作范围为0.50.6 m3/kg，蒸汽煤比操作范围为00.3 kg/kg。3.1煤质分析 粉煤加压气化中试装置气化用煤为兖矿鲁南化肥厂气化分厂Texaco水煤浆气化工业装置用煤，进气化炉的煤粉煤质分析结果如表1所示。 表1 煤质分析结果 %煤质分析项目分析结果工业分析水分（Mad）灰分（Aad）挥发分（Vad）固定碳（FCad）元素分析全硫（St,d）碳（Cad）氢（Had）氮（Nad）氧（Oad）0.769.1437.3852.733.5173.54.981.286.863.2合成气成分 该中试装置获得的合成气成分如表2所示，其中以二氧化碳为输送载气进行气流床粉煤加压气化的运行数据在国际上还未见报道。显然，采用二氧化碳为输送载气后，合成气中的氮气含量明显降低，这对于粉煤加压气化技术更好地应用于生产甲醇、二甲醚、醋酸、烯烃、F-T合成等具有重要意义。表2还同时列出了其他国外气流床煤气化技术公开的合成气成分。可以看到，该气化技术的合成气中有效气成分较水煤浆气化高出610个百分点，而和Shell、GSP技术基本一致。 表3还给出了以二氧化碳为输送载气、气化炉压力在1.0MPa时蒸汽碳比变化对合成气成分的影响。可见，随蒸汽煤比的降低，有效气成分呈上升趋势，CO含量明显增加，同时H2和CO2含量下降；表明CO2不仅作为输送粉煤的载气，同时也参与了气化反应。值得指出的是，二氧化碳为输送载气时气化炉操作压力最高达到了3.0MPa。 表2 中试装置合成气成分及其比较 % 技术种类COH2CO2N2(CO+H2)本装置（N2输送）5862293224478993本装置（CO2输送）596428311.570.70.98995Shell1气化技术（N2输送）64.627.21.534.1891.8GSP2气化技术（N2输送）68.923.63.14.092.5表3 以二氧化碳为输送载气时的合成气成分序号粉煤流量/kg/h氧碳比蒸汽碳比合成气成分（干基）/%COH2CO2N2110430.39 0.25 60.33 32.10 6.78 0.79 210510.39 0.20 62.53 31.27 5.39 0.81 310410.39 0.13 63.20 30.84 5.26 0.70 410370.37 0.10 64.79 30.15 4.32 0.74 510370.31 0.00 69.59 27.88 1.48 1.08 3.3 工艺技术指标 通常用有效气(CO+H2)成分、单位有效气产量的煤耗与氧耗即比氧耗与比煤耗以及碳转化率等几项技术指标考察气流床煤气化技术的性能。表4给出了本装置的工艺技术指标，以及其他技术的相应指标，包括相同煤种的兖矿鲁南化肥厂水煤浆气化工业装置同时期运行指标，以及Shell、GSP粉煤气化技术指标。表4 几种不同气化装置运行指标比较装 置 原料形态(CO+H2)/%碳转化率/%比氧耗/m3/km3比煤耗/kg/km3煤种多喷嘴对置式气化炉粉煤899398300320530540鲁化生产装置用煤（灰分9.14）水煤浆8398380550原鲁化生产装置用煤（灰分7.67）Shell1粉煤9099340590灰分18GSP2粉煤92.599315564/鲁化生产装置水煤浆83/399644鲁化生产装置用煤（灰分9.14） 由表3数据可见，本技术的各项工艺技术指标与Shell和GSP煤气化技术基本上处于同一水平。与多喷嘴对置式气化炉的水煤浆气化技术指标相比，该技术节煤2%4，节氧16%21，表现出明显的低消耗优势。4结 语 通过中试装置的成功运行，自主创新的气流床粉煤加压气化技术展现出强大的生命力，其煤种适应性强，技术指标先进，工程上易于放大，操作安全，负荷调节灵活，必将扭转我国煤气化技术长期依赖引进的局面，为企业提供更多先进、经济的技术。本粉煤气化技术采用技术成熟且投资较低的耐火砖结构气化炉和适合化工生产的激冷流程，不涉及投资大、结构复杂的水冷壁和废锅。期待在国家相关政策的支持下，加快该技术的产业化步伐，使其在解决我国化肥企业原料问题和发展煤基能源化工等方面大有作为。参考文献1 徐海龙，壳牌煤气化技术及其应用J，中国煤炭,2004,30(增刊):113130.2 Fritz Will, GSP 煤气化技术的应用A，中国生物质能/煤转油技术交流及投资研讨会.上海. 碳黑洗涤塔给水泵故障分析及对策俞坚祥 周德明 马 丹 王 斌(镇海炼油化工股份公司化肥厂，浙江宁波，315207) 2002-10-161 存在问题 镇海炼化股份公司化肥厂合成氨装置采用劣质高硫渣油掺烧炼油催化油浆，代替原设计的减压胜利渣油作为气化炉原料，取得了很好的经济效益。但由于原料的变化，对很多设备的运行带来了冲击，碳黑洗涤塔给水泵(4113-P5)就是其中之一。 4113-P5泵将来自4113-V1底部的灰水升压，经换热器(4113-E1)换热之后，送碳黑洗涤塔作洗涤水，循环使用。该泵为七级离心泵，型号HDBR-R57，一开一备。原由日本酉岛制作所制造，采用筒式结构，转子产生的轴向力平衡采用平衡鼓结构，其余由止推轴承平衡。轴封型式为填料密封，0.8MPa的纯水作为填料密封的冲洗水，平衡腔排出压力0.4MPa左右。4113-P5泵的具体参数为：灰水作介质，进口压力0.1640.45MPa，进口驱动功率700kW转速2970rmin。 4113-P5泵自2001年3月7日气化炉开始采用渣油掺烧部分催化油浆以来，经常发生平衡腔压力高，引起轴向力、振动超标，被迫倒泵抢修。自2月17日4113-P5泵投运至6月22日，因故障解体大修9次，累计运行时间最长790h，最短仅为47h平均累计运行时间为248h(见表1)。严重影响装置的安稳长运行，必须采取切实有效的措施，解决平衡腔压力升高快而引起的故障。2 原因分析 自2001年2月17日4113-P5泵投运以来，失效主要是由于平衡鼓及平衡鼓衬套磨损，平衡间隙增大，导致平衡腔压力高，轴向力、振动增大，填料泄漏，甚至发生止推轴承烧瓦。 主要原因有： 1) 原料改变引起工艺介质的变化 化肥厂从3月7日开始在气化炉原料渣油中掺入部分催化油浆，比例逐渐提高，最高时比例达51。从表2原料性质的对比中可知，催化油浆中的灰分比胜利渣油等减压渣油要高，而一般的减压渣油中没有催化油浆中的铝与硅，老催化油浆中的铝与硅又远高于新催化油浆。 气化炉原料中灰分(特别是铝与硅)含量的大幅度增加，使通过气化反应后作为4113-P5泵介质的灰水中，悬浮物含量大量增加；4月下旬掺烧老催化油浆后，灰水中的悬浮物含量更是大幅度增加，尽管通过降低气化炉的碳黑生成量、加大废水排放量、适当调整萃取工况等，但系统中悬浮物仍维持在较高水平(悬浮物设计值为200mgkg)。从4113-P5泵入口取样分析数据可知：从2000-01-032000-10-10间灰水中的悬浮物含量在63550mgkg之间，平均值为174.6mgkg，而2001年开车以来，灰水中悬浮物的含量高，变化幅度大，最大时达2776mgkg(变化趋势见图1)，悬浮物含量的平均值为500mg/kg左右，大大超过历史最高水平。 2)平衡腔出口管线配置不合理该泵的平衡管线由平衡腔出口配至泵入口罐，管线总长达21m，其中垂直高度13m，管线口径由DN25扩大到DN50，最后扩大到DN650。由于平衡管线距离长、弯头多，管径扩大后流速放慢，介质中的悬浮颗粒易于发生沉积，使平衡腔出口管线阻力增加，甚至发生堵塞，造成平衡腔内压力升高，影响轴向力的平衡效果。3 采取对策及效果 根据上述分析的结果，对影响4113-P5泵运行的介质，平衡鼓衬套的结构及平衡腔出口管线采取了有针对性的措施和改造。 1) 改善工艺介质条件 渣油掺烧炼油催化油浆造成4113-P5泵工艺条件的恶化，因此决定对催化油浆进行沉降处理。通过对贮存催化油浆的10000m3原料油罐的出油口进行改造，将原设计的出油口由罐底提高到离罐底2m，使该罐起到澄清器的作用，使灰分沉降在罐底，降低进入系统的悬浮物。6月18日，改造后的原料油罐投用，通过对油罐出口取样分析，Al和Si含量均在50mg/kg以下，证明罐内油浆中悬浮物大部分已沉降，而4113-P5泵入口处灰水取样分析数据显示(见图1)，悬浮物含量大幅下降，平均值降至385mg/kg。 2) 平衡鼓衬套结构改造 对泵的工艺介