新型多喷嘴对置水煤浆气化炉技术的研发及在洁净煤领域的应用前景

1、新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉技术的研发及在洁净煤领域的应用前景陈建利（山东兖矿国泰化工有限公司滕州277527） 2007-01-17新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉是国家“九五”重点科技攻关项目，由华东理工大学、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共同完成，是我国首创的煤气化关键设备。该技术于2000年11月1日在北京通过了由原国家石油和化学工业局组织的专家鉴定，与会专家对新型水煤浆气化炉技术给予了高度的评价，认为所开发的新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉技术性能优于德士古气化炉，已经达到国际领先水平，并可望在以下方面发挥作用：推进化肥领域的技术进步；促进动

2、力燃料及大宗化学品原 料路线由油基向煤基的转换；促进煤清洁利用产业的发展。1新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉的技术特点及工艺流程概述1.1技术特点水煤浆气化的控制步骤是热质传递。新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉通过喷嘴配置、气化炉结构及尺寸优化，形成撞击流以强化混合，这不仅使炉内气流场及温度分布合理，而且优化了气化效果，减轻了对耐火衬里的损伤，为实现长周期运转创造了条件。1.2工艺流程概述新型水煤浆气化炉流程示意见图1和图2。Flll发島水塔s *新整水化炉流as图（S2新型水燦浆化炉抚程示憲图（二）（i）气化煤与水、煤浆添加剂进入煤磨机，制得煤浆浓度为60%65% （质量分数）的煤浆，经煤浆给料

3、泵加压后，进入4只工艺烧嘴；来自空分装置的纯氧分 4路经氧气流量调节后进入工艺烧嘴；水煤浆与氧气一起通过工艺烧嘴喷入气化炉，在气化炉内形成撞击反应区，进行 部分氧化反应，生成的粗合成气、熔渣一起向下进入气化炉激冷室，大部分熔渣在水浴中经激冷固化后落入激冷室底部，然后进入锁斗收 集，定期排放；粗合成气出气化炉，通过加湿混合后送入水洗塔进行洗涤除尘，含尘量1 mg/m的合成气送合成气净化系统。来自气化炉激冷室、水洗塔底部的黑水分别经过减压送入高温热水塔，然后送入真空闪蒸器进行真空闪蒸；闪蒸后的黑水进入澄清 槽，加入絮凝剂以强化沉降；浓缩的黑水经澄清槽底部被泵送入压滤机，澄清的灰水大部分经闪蒸气加热

4、回收热量后返回系统，其余去废 水处理工序，无环境污染。(2) 合成气变换 出新型水煤浆气化炉的水煤气具有压力高、温度高、水气比高、含硫量高和含碳量高等特点。因此，选择高温耐硫变换流程，煤气 不必先冷却脱硫，而是先变换后脱硫。(3) 合成气净化甲醇装置：气体净化采用有机硫水解、耐硫变换、NHD脱硫和脱碳、氧化铁精脱硫技术。发电装置：设置有机硫水解、NHD兑硫。甲醇装置与发电装置的合成气净化能力依甲醇产量和发电量不同的需要而设置，届多联产技术。酸性气体(H2S、CQ)的脱除采用NHD脱硫、脱碳工艺。该工艺在524C下操作，尤其在 3.5 MPa左右压力下对HLS、CO、COS选 择吸收能力较强，适

5、应对H2S、CO含量高的气体净化。而且NHD溶液挥发性小、无毒、无腐蚀，具有能耗低、消耗低、成本低的优点。硫回收采用克劳斯 +还原吸收硫磺技术，以确保满足环保要求。 冷冻采用氨吸收制冷技术，利用变换低位余热，以降低电耗。(4) 甲醇合成 甲醇合成塔采用华东理工大学的专利技术，甲醇精馏采用先进的三塔技术。2 新型 ( 多喷嘴对置 ) 水煤浆气化炉技术指标 该气化炉有效气体(CO+H)达83%，它比相同条件下的德士古炉(80 %81% )高1.5 %2.0 %。(2) 碳转化率大于98%(德士古炉为95%)，比德士古技术高2%3%。(3) 比煤耗为550 kg，比德士古炉的 640kg低7%。(4

6、) 生产1000mi(标态)有效气体的比氧耗为 380m1(标态)，比德士古炉的410mi(标态)低7 %。3 国内、外煤气化技术情况3.1 国外气化技术1812 年世界上第一家生产煤气的公司成立于英国，显示了气体燃料作为热力与动力来源的优越性。早期的煤气化技术采用固定床，最有代表性的是1933年Lurgi Oil，Gas and Chemicals Company(Lmgi)开发的加压气化炉，几经修改完善，沿用至今。该炉型的生产强 度较低，尚未出现日处理千吨煤级的商业装置。从煤种和粒度的适应性、单系列、大型化、高强度等指标加以衡量，该炉型有其不足之处。流化床气化炉始于 1922年的 Wink

7、ler( 德国专利 437970) ，此后 High Temperature Winkler(HTW) 、U-Gas(1nstitute Of Gas Technology 技术) 、 KRW(M.W.Kellog 技术)等技术相继问世。从煤种和粒度的适应性、 生产强度、 大型化等方面看， 流化床难以与气流床竞争。 迄今世界上已商业化的 Integrated Gasification Combined Cycle(IGCC)大型(250 MW以上)电站都是采用气流床煤气化炉，可见其技术上具有优势。气流床煤气化技术包括以水煤浆为原料 的 Texaco Development Corporatio

8、n(Texaco) 、 Global E-Gas( 原 Destec) 和以干粉煤为原料的 Shell InternationalLimited(Shell) 、Prenflo。气流床气化炉的共同特点是加压(3.06.5 MPa)、高温、细粒度，但在煤处理、进料形态与方式、实现混合、炉壳内衬、排渣，余热回收等技术单元上对策迥异，从而形成不同风格的技术流派。世界上规模较大、应用较多的有Texaco 、 Global E-Gas、 Shell 、 Prenflo及GSP气化炉等煤气化技术。综上所述，煤气化技术经过190多年的发展，特别是近 10多年来的大容量IGCC电站示范与商业化运行证明，与固定

9、床、流化床相比，气流床具有较大的煤种与粒度适应性和更优良的技术性能，是煤基大容量、高效洁净、运行可靠的燃气与合成气制备装置的首选技术， 这是由其技术原理所决定的。该技术采用13001700C的气化温度，液态排渣，使气化过程由900C的化学反应控制、1100C的化学反应与传递共同控制（9001100C为固定床、流化床的通常温度范围）跃升为传递控制。此时，煤的化学活性已退居次要地位；而采用90卩m的粉煤或煤浆进料，对原料煤已不再有大粒度（650mm要求；正是因为采用粉煤浆，煤的比表面积比6mm粒煤增加了近2个数量级，对提高热质传递速率、消除内扩散极为有利。3.2 国内现有技术基础我国煤的商业化和社

10、会化迄今已100多年，但没有形成能与国际竞争的具有自主知识产权的商业化煤气化技术。我国政府极其关注煤气化技术的研究工作。 20 世纪 70年代末至今，国家化费巨额外汇相继引进德士古技术，分别用于鲁南、上海 焦化、首钢、渭河、淮南 5 套以水煤浆为原料的气化装置上。 1993 年国内第一套水煤浆加压气化装置在鲁南化肥厂投料试车成功，随后国 家计委以鲁南化肥厂为依托成立了水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，并建立了1 套8.5 MPa 中试装置作为研究开发的试验装置。“九五”期间，华东理工大学、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课题“新型（多喷嘴对置 ）水煤浆气化炉开发”。

11、该课题已通过有关部门组织的鉴定和验收，被专家评为“填补国内空白”和“国际领先”，该技术现已获发明专利。鉴定结果表明：中试装置的有效气成分达到 83%，比相同条件下的Texaco生产装置高1.5 %2.0 %;碳转化率 98%，比Texaco高2%3%; 比煤耗、比氧耗均比 Texaco 降低 7，显示了良好的商业应用前景。目前国际上以水煤浆为原料的气化技术只有美国德士古和道化学 2 家公司，而在世界上推广的仅德士古公司。新型气化炉的研制成 功，从某种程度上讲已打破了国外公司的技术垄断，为发展我国煤化工工业打下了坚实的基础。4 新型 （ 多喷嘴对置 ） 水煤浆气化炉在洁净煤领域的应用前景4.1

12、工业化效益可观我国是煤能源大国，煤炭资源极为丰富，煤在我国能源结构中的占有比例在75%以上，大力发展煤的转化利用，对于我国能源结构调整有举足轻重的意义。但我国有不少是高硫煤和褐煤，加上煤气化生产工艺相对落后，每年排放到大气中的粉尘、氮化物、硫化物分别 达 5500、 1500、 5000 kt 。为了走可持续发展的道路，避免重蹈发达国家的先污染后治理的覆辙，国家制定法规加大环保力度，并从1999年1月1日起对硫化物、氮化物的排放严格限制，超标准排放严厉处罚，并逐步限制高硫煤的开采。新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉的开发成功，为煤的洁净利用开辟了重要途径，该技术的使用和推广必将带来巨大的经济效益和

13、社会效益。（1）它不仅可以以水煤浆 （ 高硫煤和褐煤 ） 为原料制备合成气，进而应用于合成氨、合成甲醇、羰基合成、海绵铁、城市煤气、联合循环发电 （IGCC） 等煤化工、能源热电领域，推进化肥、化工领域的技术进步和中、小化肥企业的技术跨越，而且可以通过煤的间接液化制 油品、烯烃、海绵铁等途径，实现大宗化学品原料路线由油基向煤基路线的转变。此项技术可采用烟煤、褐煤为原料，对煤的粒度、灰分 和含硫量有较大的兼容性，用于改造现有中、小化肥企业，将大大降低化肥生产成本，提高企业的竞争力。（2）该技术为我国自主开发，具有自主知识产权，推广使用可大大节省外国专利费开支。按目前德士古公司专利费计算方法，1用

14、（标态） 有效气体为 2.4 美元，建设 1 套年产 100 kt 合成氨装置需支付的专利费将达 170万美元，加上专利许可、培训服务等总计将达 400万 美元。如果中、小化肥企业产氨量的 25%（5 Mt） 采用本技术，仅专利费一项即可节约 8500万美元。4.2 推广前景广阔（1）可以节约大量能源。在化肥生产方面，使合成氨的综合能耗大幅降低；用于整体气化联合循环发电（IGCC），使热效率提高至45% 左右，煤炭利用率大大提高。（2）符合越来越苛刻的环保要求。本技术不仅不制造污染，而且还可以消除其它污染源，如可在煤中掺烧可燃的生活垃圾、废旧轮 胎、生化处理的细菌尸体等。（3）由于本技术燃烧反

15、应以后的气体温度在1400C左右，产生的煤气不含焦炉煤气中难以消除的萘、酚、焦油等有机化合物，稍作处理更适宜作为长距离输送的城市煤气。该项目推广应用的范围主要是油基大型氨厂以及中、小化肥企业传统造气技术改造、整体煤气化联合循环（IGCC）发电、煤电化一体化、煤间接液化以及用于直接液化制液体燃料的氢源、合成气制烯烃及含氧有机化合物等。据了解，我国目前合成氨工业中有66%的产量采用无烟煤为原料，而无烟煤集中产在山西阳泉、晋城两地，运输费用高；由于国际油价的飙升，我国以渣油、石脑油为原料的大、中型 化肥企业目前大多改产，正寻求采用煤（无烟煤、褐煤）为原料的气化技术。因此，该成果将具有极为广阔的应用前

16、景。5 结语为了将拥有自主知识产权的专利技术转换为生产力，新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉技术已经被山东华鲁恒升集团采用。为推广本项目，兖矿集团有限公司正在鲁南地区建设日投煤量1kt的新型气化炉商业示范装置。 此项目有2项技术被国家科技部列为国家高科技863计划科技攻关课题，即兖矿集团有限公司与华东理工大学共同承担的“新型水煤浆气化技术”课题和兖矿集团有限公司与中科院工程热物理所共同承担的“煤气化发电与甲醇联产系统关键技术的研发与示范”课题。此项目是山东省重点工程， 规模为年产甲醇240kt、发电76 MW新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业化应用路文学（水煤浆气化及煤化工国家工程中心，山东滕州2

17、77527） 2007-01-23兖矿集团有限公司与华东理工大学在煤气化、多联产关键技术的研究中，成功开发岀具有自主知识产权的新型多喷嘴对置式水煤浆气化技 术，打破了国外跨国公司对水煤浆气化技术的垄断，为我国能源和煤化工市场提供了新的具有自主知识产权的技术。本文主要从工业化应 用方面阐述了新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术。1多喷嘴对置式气化炉简介1.1 气化流场在实验室以 1 000 mmX4 000 mm的大型冷模对置气化炉有机玻璃模型对气化炉流场进行了探讨。研究结果表明流场可划分为：射流区、撞击区、撞击流股区 （上下2股）、回流区（共6个）、折返流区和管流区，撞击区是气化炉内物流间混合最为剧

18、烈的区域。如图1所示。】一射疏区；2攔击區汩一楂击流股区回血区1折返濂区；&骨壷区图1务喷嘴对置式丸化炉流场禾意圈1.2 气化反应机理水煤浆、氧进入气化室后，相继进行雾化、传热、蒸发、脱挥发分、燃烧、气化等6个物理和化学过程，前 5个过程速度较快，而气化反应除在上述前 5个区中发生外，主要在管流区中进行。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岀、挥发产物的气相反应、煤焦的多相反应、灰渣的形成等。通过实验室对气化炉的大型冷模、小型热模、雾化性能以及合成气初步净化研究，并在鲁南化肥厂进行中试，中试装置

19、采用集散控制系统，研究结果表明该设备生产运行平稳、安全，工艺先进；在相同的煤种与煤浆浓度条件下，中试装置比鲁南化肥厂引进的Texaco装置有效气（CO+H2）体积分数高1.5 %2.0 %;碳转化率高2.0 %3.0 %;节省氧气2.0 %7.0 %;有效气成分、碳转化率、比氧耗、比煤 耗等技术指标均有明显提高。2工业化实践2.1 应用概况“十五”期间多喷嘴对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。兖矿集团有限公司、华东理工大学共同承担“十五”国家高技术研究发展计划（“863”计划）重大课题一一“新型水煤浆气化技术”，在兖矿国泰化工有限公司建设多喷嘴对置式水煤浆气化工业装置及配套工程。工业化结果

20、利用 2台煤处理能力1 150 t /d的多喷嘴对置式水煤浆气化炉 （4.0MPa）配套年产24.0万t甲醇、联产71.8 MW发电， 装置于2005年10月投入运行。通过专利实施许可的方式，并在国家发展改革委员会“十五”重大技术装备研制项目的支持下，将多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，建设多喷嘴对置式水煤浆气化装置（6.5 MPa，煤处理量750t /d），并于2005年6月初正式投入运行。兖矿国泰化工有限公司空分装置采用高效的分子筛吸附前端处理技术和国际上先进、可靠的液氧泵内压缩流程，以兖矿集团高硫煤为煤气化原料。产生的水煤气分成2股，一股去燃气

21、发电装置，一股去甲醇生产装置。用于发电的水煤气经过聚乙二醇二甲醚（NHD）脱硫后进入燃气轮机发电，燃气轮机尾气中的热量由余热锅炉回收，产生3.82 MPa、450C的过热蒸汽。生产甲醇的水煤气经耐硫变换、NHD脱硫脱碳后，生成合格的合成气经压缩后进入甲醇合成反应器。合成装置采用国际上先进的低压甲醇合成技术，合成塔采用华东理工大学专利 技术一一绝热等温甲醇合成反应器，甲醇合成系统压力为5.0 MPa。甲醇精馏采用节能型三塔精馏，精馏塔采用规整填料塔。2.2 工艺流程煤、水与煤浆添加剂进入磨煤机，制得质量分数60%65%的煤浆，经煤浆给料泵加压后，进入4只工艺喷嘴。空分装置来的纯氧分4路经氧气流量

22、调节后进入工艺喷嘴。水煤浆与氧气一同通过喷嘴喷入气化炉，在气化炉内形成撞击反应区，进行部分氧化反应，生成的粗合成气、熔渣一起向下进入气化炉激冷室，大部分熔渣在水浴中激冷固化，落入激冷室底部，通过静态破渣器后进入锁斗收集，定期排放。粗合成气在气化炉激冷室液位下鼓泡后岀激冷室，进入撞击混合器及旋风分离器，再送至水洗塔洗涤除尘，含尘质量浓度小于1 mg/m的合成气送至合成气净化系统。如图2所示。洗堪油一離发鷄术磨门一H空丙顒祸用-沿清構;护惡术摘图2新莖多喷嘴对置丸水煤桨丸化工艺示惠图来自气化炉激冷室、旋风分离器及水洗塔底部的黑水分别经过减压送入高温蒸发热水塔，然后送至真空闪蒸器，闪蒸后的黑水进入

23、澄清槽，加入絮凝剂强化沉降。浓缩的黑水经澄清槽底物泵送入压滤机，澄清的灰水经闪蒸气加热回收热量后返回系统。另有部分灰水去 废水处理工序。2.3 技术特点多喷嘴对置式水煤浆气化技术含煤浆制备、多喷嘴对置式水煤浆气化和煤气初步净化工序、含渣水处理工序，技术特点是：多喷嘴 对置式气流床气化炉、预膜式长寿命高效气化喷嘴、交叉流式洗涤水分布器、复合床高温煤气冷却洗涤设备、分级净化的煤气初步净化工 艺、蒸发分离直接换热式含渣水处理及热回收工艺已获一系列发明专利和实用新型专利，是具有完全自主知识产权的煤气化技术。四喷嘴 对置式水煤浆气化相对于引进技术，在操作方面展现了较大的优势，如激冷室液位稳定、易于控制，

24、带水量降低，交叉流式洗涤冷却水分 布器的水均布、洗涤、冷却性能好等。工业运行结果表明，气化炉运转平稳、情况良好。分析测定数据见表1。表t峯喷嘴对式水煤姨吒代按术运行插标煤址埠能押爼徉蓟转比叱煤桎/ 比1130S353W水烘浆化单唏术煤幫40032.0 -骑Or547336徐097.0注：叱窿耗带毎所缶消旺的煤质比筑掩憎邮所裔消咙妁輒咒悴躲血叽2.4 创新与发展(1) 煤化工生产在高压状态下连续投料，历来被称为安全生产的“禁区”。兖矿集团有限公司通过在低、中压状态下投料等多次试验，解决和完善了 30多项技术难题，走岀了一条高压状态下带压投料、安全生产的新路子。带压连投操作技术，可实现气化炉及后系统在 不停车的情况下解决故障，大大增强了抵御故障的能力，提高了有效生产时间。2005年11月29日，气化炉因煤浆波动导致一对喷嘴跳车，气化系统中一对喷嘴维持甲醇系统50%负荷生产，另一对喷嘴在3.0 MPa压力下带压投料(单喷嘴气化炉跳车后甲醇系统需切换停车，投料后甲醇系统重新开车)，保证了甲醇系统不切换