水煤浆加压气化技术的国产化与问题探讨.doc

水煤浆加压气化技术的国产化与问题探讨周 夏，黄 敏，丁汉虎 (华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253024) 2007-03-08 自20世纪70年代以来，我国从国外引进了30多套大型氮肥生产装置，但缺少自主知识产权。2002年9月12日，我国第1套国产化水煤浆加压气化装置技术改造项目在山东华鲁恒升化工股份有限公司开工奠基，并于2004年12月28日正式建成投产。该装置为水煤浆气化配套30万ta合成氨、20万ta甲醇(项目在建)，采用华东理工大学具有自主知识产权的四喷嘴对置式气化技术，设置3台气化炉，处理煤量1500 td。该项目总投资较进口设备节省一半以上，以投资计算的国产化率为 94.5。 当今，石油价格不断上涨，缺油少气富煤的中国急需这样的国产化成果，相关政府部门和相关企业对此给予了极大的关注，而作为国产化核心技术之一的四喷嘴对置式加压气化技术更是成为人们关注的焦点。笔者在此仅就水煤浆加压气化技术国产化的关键环节进行分析和比较，并对试车、投产后出现的问题作一简单介绍，以期能对业界提供一些参考。1 工艺方案的确定 由于我国是一个富煤少油缺气的国家，煤气化技术对国内化肥、甲醇等企业来说至关重要。目前，工业化的煤气化技术有Shell煤气化技术、Texco煤气化技术、鲁奇固定床加压气化技术以及国产化技术。这些先进的煤气化技术，在国内都已有工业化的装置。对比各种工艺以后，考虑到国产化技术转化率高、投资省、适合我国国情，遂决定采用华东理工大学开发的四喷嘴对置式的国产化水煤浆气化技术。相比国外技术，该项技术在气化炉、灰水处理等方面具有独特的工艺，气化反应温度比较均匀，返混少，碳转化率高，且灰水处理采用直接逐级换热回收热能，可节约投资。2 气化压力的选择 气化压力的选择应根据投资者的需要进行综合的分析和比较，不宜简单地说4.0 MPa和6.5 MPa哪一个更好。山东华鲁恒升化工股份有限公司确定采用6.5 MPa的气化压力，主要是从以下几方面考虑的。 (1)粗煤气用途 粗煤气用作化工原料时，气化压力应考虑与最终产品或中间产品的合成压力相适应：今后若生产甲醇，气化压力选用6.5 MPa可以达到等压合成的目的；生产合成氨时，较高的气化压力可以节省动力消耗。 (2)投资和能耗 以1000td合成氨计算，采用6.5 MPa气化压力需投资112000万元，合成氨能耗45.18 GJt；采用4.0 MPa气化压力需投资114500万元，合成氨能耗47.16GJt。新建1套30万ta合成氨装置，6.5 MPa气化压力的综合能耗和投资比采用4.0 MPa的均低35。 (3)制气能力 一般来说，6.5 MPa比4.0 MPa单炉制气能力高35左右。3 基本工艺流程 我国引进水煤浆加压气化装置的简况见表1。山东华鲁恒升化工股份有限公司水煤浆加压气化装置气化压力6.5 MPa，是我国第1套采用国内技术的水煤浆加压气化技术装置，技术来源于水煤浆气化与煤化工国家工程中心、华东理工大学的水煤浆四喷嘴撞击流气化专利技术。 加压气化工艺可以分为3种典型的基本流程，即激冷流程、废锅流程和废锅激冷流程。激冷流程设备简单，投资少，粗煤气中可达到较高的水气比，能满足CO全变换的需要，特别适用于合成氨生产。废锅流程可以利用高位能副产高压蒸汽，主要用于联合循环发电。废锅激冷流程适用于CO部分变换的需要，若单独生产甲醇，宜采用该流程。废锅流程和废锅激冷流程有一个共同的缺点，就是废锅庞大而复杂，投资比较大。 山东华鲁恒升化工股份有限公司国产化水煤浆加压气化装置采用的是激冷流程，激冷装置采用了先进的破泡板结构，有力地防止了气化炉液位的波动。在变换工段，生产合成氨时，粗煤气经过第一变换炉R0901和第二变换炉R0902进行CO全变换后去后续的低温甲醇洗、液氮洗和氨合成工段；生产甲醇时，粗煤气只经过第一变换炉R0901进行CO部分变换后去后续的低温甲醇洗、甲醇合成工段。4 原料煤种选择 虽然水煤浆加压气化工艺对原料煤的适应性较强，但从工艺本身及装置管理维护考虑，对煤的灰分含量、灰熔点、内水含量、挥发分和熔渣黏温特性等还是有一定的要求的。鉴于国内几套引进装置在用煤方面的经验教训，公司按照科学的程序进行调查、取样、分析和试烧，最终确定采用陕西神华煤。陕西神华煤形成于侏罗纪，为低变质程度的烟煤不粘煤和长焰煤，具有水分较高、灰分低、硫分低、发热量较高、煤灰熔点普遍较低等特点，除因水分较高不易制得高浓度煤浆外，总体上比较适合于气化。 经对8种煤样进行试烧、评价，最终选择了神府煤的大柳塔煤矿作为原料煤，该矿生产能力大，煤质稳定，有利于气化的稳定操作。5 设备材料国产化 (1)压力容器 所有压力容器本体均已实现了国产化，其中气化炉、锁斗由哈尔滨锅炉厂有限公司制造，水洗塔由锦西化工机械(集团)有限公司制造。大煤浆槽、絮凝剂槽等设备上的搅拌器因使用环境恶劣且比较关键，遂采用了美国莱宁技术。气化炉壳体材料SA387Gr11CL2仍为进口。 (2)烧嘴 工艺烧嘴由北京航天石化工程有限公司根据华东理工大学专利技术制造，烧嘴采用了外混式的3通道烧嘴，喷射角大，可有效减少对耐火砖的冲击。预热烧嘴由洛阳石化工程有限公司设计、制造。 (3)主要机泵 棒磨机、破渣机分别由洛阳矿山机械厂、北京航天石化工程有限公司设计、制造。除氧水泵、灰水循环泵分别由沈阳水泵厂股份公司、江苏双达泵阀集团设计、制造。高、低压煤浆泵仍为进口。 (4)阀门 象氧阀、煤浆切断阀、锁渣阀和大部分调节阀等关键部位的阀门仍然采用进口产品。部分气动切断球阀、手动球阀、截止阀采用的是国内产品。 (5)耐火材料 耐火材料全部实现了国产化，其中气化炉耐火衬里分别由新乡耐火材料厂和洛阳耐火材料研究院生产。6 相关问题探讨 自2004年10月气化试开车投料运行至今，气化装置出现了一些问题，我们进行了相应改进，取得了很好的效果。 (1)托砖板超温 气化炉托砖板超温是困扰、制约高负荷生产的一大难题，通过对燃烧室筒体下部及锥底炉砖进行改造、彻底更换托砖板热电偶、激冷室顶部折流裙板改造和加强水质管理后，情况得以改善。 (2)布水内件损坏过频 2005年411月，下渣筒挂渣并严重鼓包、布水环结垢、冲漏和烧裂等现象严重，通过采取改进布水环结构、合理加大置换水量、加强检修时的清洗工作等措施，问题得以解决。 (3)高温热水器和低温热水器分离效果差由于灰水处理岗位的高温热水器和低温热水器对闪蒸汽中夹带的灰分分离效果较差，使灰水加热器壳程短时间内严重垢堵而影响换热效果。由于设计的灰水加热器为固定管板式，只得多次剖开壳体进行清灰。公司拟将高温热水器和低温热水器分离空间加大，增加气相出口挡板。 (4)泵损坏 由于耐磨泵是攻关试制产品，试车时泵壳脆裂，原因是耐磨泵硬度太高，后经渣浆泵生产厂家将硬度适当降低后再没出现破裂问题。实践证明，灰水循环泵和渣浆泵的过流部分及叶轮应采用Ni-hard材料，叶轮的硬度应控制在HRC4550比较合适，这样，泵壳、叶轮既耐磨又有一定的韧性，不易破碎。 高压煤浆泵采用了隔膜加软管的结构，对提高隔膜寿命有好处，但软管损坏稍显频繁。高压煤浆泵出口流量的波动非常关键，以越小越好，现在选用的三柱塞隔膜泵基本能满足气化要求。 除氧水泵出现过几次平衡鼓过度磨损、止推瓦烧毁的事故，若采用叶轮对称布置、轴向力自平衡的结构可能会更好一些。 灰水处理岗位使用的水环式真空泵开始时因加水过多、泵出口管线阻力过大导致排水不畅，多次出现泵壳穿漏，后在泵壳中部开了1个排水小孔，同时工艺控制上合理加水，现情况已大为改善，但从长远来看，仍需改造出口管线，以减少泵出口阻力。 (5)灰水管线损蚀 自2004年10月试开车至 2005年9月，部分灰水管线，尤其是调节阀后的管道多次出现腐蚀、磨蚀、穿孔的现象，给正常生产带来了极大的困难。通过调整管线布局、加大管径、采用衬陶瓷管等措施，问题得以解决。 (6)阀门问题 气化炉排水及灰水处理岗位在容易结垢的管线上采用了一些轨道球阀，实践证明，轨道球阀的应用是成功的。个别部位的轨道球阀安装由于方向不对，致使阀门关闭时密封不好。 当水洗塔排水管线主线路上调节阀失灵时，副线阀门每次开关都受到冲蚀，导致其寿命太短，至今还没有有效的解决办法。 (7)气化炉顶部堵头易损 作为侧置四烧嘴气化炉，正常生产时燃烧室顶部装有堵头，其结构为浇铸料外包耐热钢壳体。由于对撞气流的冲刷和烧蚀，开始运行时，仅仅86 h就烧蚀近50。将下部浇铸料改为耐热钢筋挂耐火砖外包耐热钢壳体结构后，运行时间有所延长。 2006年3月，再次改进顶部堵头结构，使堵口砖与耐火砖洞口呈“紧配合”，使火焰难以窜入。在连续生产26天后，检查发现顶部堵头损蚀较轻，较好地解决了这一问题。 (8)拱顶砖侵蚀 工艺烧嘴洞口周围及以下 500mm和以上筒体热面砖在运行中侵蚀较快，气化炉在累计使用3425 h后拱顶砖则已损蚀130 mm，为延长拱顶砖的使用周期，公司正与相关单位研究解决方案。若可解决这一问题，该技术将更具有应用优势。 (9)气化炉烧嘴室结构易“窝火” 烧嘴室的结构是：工艺烧嘴就位后置于前面的扩口砖后方，扩口砖洞口比喷嘴外径小。该结构在运行中很容易造成“窝火”，严重时会烧毁扩口砖后面的耐火砖甚至喷嘴本身。将扩口砖洞口改大后，再没出现窝火现象。 综上所述，水煤浆加压气化装置的国产化，特别是四喷嘴气化技术总体上值得肯定，问题是局部的，暂时的。随着装置在生产应用中不断探索和完善，国产化水煤浆加压气化技术必定成为煤气化行业的主导技术之一。水煤浆加压气化技术改造小结杨贵州，王军，杨国强(山东兖矿鲁南化肥厂机动处 滕州 277527) 2002-02-16 兖矿鲁南化肥厂水煤浆加压气化装置自1994年3月10日通过生产考核以来，根据实际情况对不适应系统稳定生产的设备、装置进行了一系列的改造，目前整个工艺系统运行平稳，达到了设计能力。 1 技术改造主要内容 (1)文氏洗涤器增设除垢装置 当气化系统运行一段时间后(一般为57d)，洗涤器开始结垢，垢层逐渐增加，直到气化炉压差过大，使激冷水供应不足而导致停车。在150的管道内结垢曾经达到52mm，对系统的长周期稳定运行带来了非常不利的影响。据分析，结垢较快的主要原因是系统带灰过多所致，因此在文氏洗涤器增设水力喷管，洗涤器结垢问题得到了控制。 (2)气化炉上升管支撑的改造 气化炉内上升管原采用4条拉筋和4个角钢支架支撑，在开停车过程中由于压力的骤变而产生巨大的振动，使支架变形、断裂，导致整个上升管脱落。本着弹性减震和刚性保护相结合的方针，在上升管的底部增加1个托盘，使上升管通过弹性支架支撑在托盘上，上部的拉筋仅起到定位作用。改造后彻底解决了这一现象。 (3)闪蒸系统管道的改造 在运行过程中闪蒸系统的工艺管道存在一定的设计和工艺问题。气化炉至高压闪蒸罐管线原先从激冷室底部出来，垂直向下15m再折流向上进入高压闪蒸罐。这就使黑水中的灰尘沉积在折流处，造成堵塞，影响生产的正常进行。我们把这段管线改为水平布置，减少了灰垢在管道中的沉积。 (4)气化炉渣口的改造 气化炉渣口的尺寸对气化各项工艺参数影响很大。为了能达到最佳的工艺状态，从1998年开始先后与华东理工大学、西北院等进行了交流和论证，在取得充分理论依据的前提下，将气化炉渣口由625改为525。改造后合成氨产量提高了近8，渣的可燃物含量由42.95降为39.03，大大改善了工艺状况。 2 不断深化设备、材料、备品配件的国产化工作 进口设备、材料、备品配件的国产化是一项需要长期坚持的工作。在确保长周期稳定运行的同时，不断开展和深化设备、材料、备品配件的国产化工作为我厂带来了较好的经济效益。 (1)气化炉耐火材料的国产化 气化炉耐火材料在德士古装置的安装和运行过程中占有相当重要的地位，属于造价高、损耗快的易损材料。最初进口1炉耐火砖折合人民币约600多万元，使用寿命在5 0008 000h左右。由于价格高、使用周期短，直接影响了生产成本。因此，实现气化炉耐火材料的国产化是德士古技术国产化任务中最艰巨、最重要的部分。 1993年8月，在原化工部国产化办公室的协调下，组成了由鲁南化肥厂、洛阳耐火材料研究院和新乡耐火材料厂共同参加的八五科技公关小组。经过努力，第一套气化炉用国产耐火砖于 1994年11月在我厂投入使用，寿命达到6 002h，基本达到国产化指标。以后的几年我们立足于国内，完全解决了耐火材料的质量问题，使国产耐火砖的寿命达到了13000h，其价格在68万元t，大大低于进口耐火砖的价格，为降低我厂的生产成本作出了很大的贡献。 (2)气化炉烧嘴的国产化 烧嘴是气化装置的关键部件之一，我厂最初的4套烧嘴均是从德士古公司进口的，每支烧嘴的价格约10万美元。在使用过程中，发现烧嘴的一次氧部位在7个月内全部损坏，且存在价格高和到货不及时的现象，严重制约着我厂的长周期运行。为此，先后与北京钢铁研究总院、华东理工大学、镇海烧嘴研究所和国营9327厂等单位联合，在较短的时间内解决了这一难题。目前所使用的烧嘴全是国内自制，最长使用寿命达到90d，完全满足了气化炉的工艺要求。 (3)高、低压煤浆泵的国产化 高、低压煤浆泵负担着工艺运行过程中煤浆的传送任务，系从国外引进。由于煤浆中含有大量的微小颗粒，对设备的磨损快，普通的柱塞泵根本满足不了气化装置的工艺要求，