几种德士古气化渣水系统的技术评价

1、几种德士古气化渣水系统的技术评价王建军1，王 林1，张 亮2(1.贵州开阳化工有限公司，贵州开阳 550300；2.兖矿鲁南化肥厂气化分厂，山东滕州 277527) 2007-07-13    自从德士古第1套水煤浆加压气化装置在鲁南化肥厂投料开车以来，国内近十几年又陆续建设了十多套水煤浆加压气化装置，均已取得成功运行经验。德士古气化渣水系统包括黑水处理与灰水循环。黑水为气化炉、洗涤塔或水洗塔、热水塔去闪蒸装置的水。灰水为黑水澄清处理后的清水。渣水系统运行得正常与否，直接影响到整个系统能否长期安全稳定运行。国内各厂的渣水系统经过不断革新和改造，运行已趋稳定，但仍然

2、存在着不少问题。笔者拟通过对国内几种德士古气化渣水系统工艺流程和运行情况的对比，对渣水处理装置的改进效果进行技术评价。1  鲁南化肥厂渣水处理系统1.1  工艺流程    兖矿鲁南化肥厂德士古水煤浆加压气化装置于1989开始建设，1993年4月投入试生产，1995年全面投产。2001年12月鲁南化肥厂又新增全部国产化的第3台气化炉。气化炉运行方式改为2开1备，同时配套增设第2套闪蒸系统。2004年新增第3套闪蒸系统，达到了3台气化炉配置3套闪蒸系统运行。    该装置早期运行中存在气化炉和洗涤塔带水、黑水系统堵塞和

3、磨损、灰水系统结垢等问题，严重制约系统的连续稳定长周期运行。黑水系统的运行周期一般为36个月，经过不断改造，气化系统运行非常稳定，备用的闪蒸系统投入后，极大地缓解了黑水系统对主系统连续运行的影响。渣水系统工艺流程见图1。1.2  装置特点    该灰水处理采用三级闪蒸，高压为0.71 MPa，中压为0.20 MPa，真空0.0550.065 MPa。这套灰水处理系统是国内最早的装置，有多年生产运行经验，操作比较熟练。该装置主要缺点如下。    (1)因闪蒸罐气相(废气)直接火炬排放，开停车过程中压力和液位(闪蒸罐)比较难以控

4、制。    (2)系统结垢严重。该系统使用的大多为U型管换热器，运行周期短，一般检修后只能运行3个月。换热器列管堵塞比例高达23，闪蒸罐清理难度大。由于罐内汽液分离器短时间无法清理彻底，被迫拆下清理，导致检修周期过长。    (3)管道和阀门更换频繁，检修费用较高。2  渭化渣水处理系统    渭河煤化工集团有限公司采用6.5 MPa水煤浆加压气化技术的大型化肥装置于1992年3月开工建设，1996年5月生产出尿素产品，1997年正式进入生产运营阶段，2000年生产达标，2001年实现盈利。2.

5、1  工艺流程    渭化渣水系统工艺流程见图2。从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水减压后进入高压闪蒸器，闪蒸出大部分溶解的合成气，含尘液体再经低压、真空闪蒸被浓缩后进入澄清槽，水中加入絮凝剂使其加速沉淀。澄清槽底部的细渣浆经泵抽出送往过滤机给料槽，由过滤机给料泵加压后送至真空过滤机脱水，渣饼由汽车运出厂外。高压闪蒸器闪蒸出的高压气体经过灰水加热器回收热量之后，通过气液分离器分离冷凝液，然后进入变换工段汽提塔。    低压闪蒸器闪蒸出的低压气体温度约120，直接送至洗涤塔给料槽作脱氧热源。真空闪蒸出的气体，经真空闪蒸冷凝器冷凝后

6、由蒸汽喷射泵及真空泵抽出进入分离器，气体放空，冷凝水可作为系统水。澄清槽上部清水溢流至灰水槽，由灰水泵送至洗涤塔给料槽，少量灰水排往废水处理系统。2.2  装置特点    气化灰水处理采用四级闪蒸，能更有效地闪蒸出黑水中的酸性气体，黑水被浓缩，加入絮凝剂更有利于黑水沉降。但该工艺流程过于复杂，增加了设备投资。闪蒸汽进入变换工段汽提塔，不再采用火炬排放，有利于环境保护。3  淮化渣水处理系统    2000年淮化公司建成投产了1套18万ta合成氨，30t,a尿素的生产装置，其中气化部分采用美国德士古公司的水煤浆加压气

7、化工艺，是国内继鲁南化肥厂之后投运的第4套水煤浆加压气化装置。装置包括2套磨煤系统、3台气化炉系统和1套灰水处理系统。气化炉为2开1备，气化压力为4.0MPa，产气能力(H2+CO)为1 264km3d。    该装置运行时间已近4年，其间对系统进行了大小几百项技术改造，并成功地进行了义马煤中配入华亭、北宿、新河煤及石油焦的试烧工作，并创造性地参烧了淮南、关桥精煤，于2003年达到了设计能力。淮化渣水系统工艺流程见图3。渣水处理装置存在的问题及实施的改进措施如下。3.1  碳洗塔带灰、带水及改进    气化装置自开车以来一直

8、存在着碳洗塔带灰、带水等问题，表现为：碳洗塔阻力上升较快，运行1个月左右阻力就增至0.2 MPa以上，停车检查发现除沫器结灰严重，说明除沫器堵塞是碳洗塔阻力上升的主要原因；后工序变换炉之前的煤气分离器分离的冷凝液量较多，灰随合成气带入变换炉，影响变换触媒的活性，降低了触媒的使用寿命；变换系统阻力上升较快，运行3个月时间阻力增加到0.3 MPa以上，迫使系统停车处理，严重影响了系统的经济运行。该厂德士古气化装置设计运行灰分为14.78，而自运行以来煤的灰分均在20左右。煤灰分条件改变，而系统中影响洗涤因素的参数却未做相应调整，使激冷室、碳洗塔洗涤水中的灰含量增加，影响了洗涤效果。合成气中的灰含量

9、增高，造成碳洗塔、变换系统阻力上升。    针对以上问题，并根据实际工况，进行了以下改进：调整系统与洗涤有关的工艺运行参数；对碳洗塔进行相应的改造。改造后效果明显，基本上解决了带灰、带水问题。3.2  灰水处理系统存在问题及改进    灰水系统采用二级闪蒸，流程简单，操作方便，且气化炉排黑水和碳洗塔排黑水分开进高压闪蒸罐，很好地解决了气化炉和碳洗塔因共用同一黑水排放总管而使碳洗塔黑水管线堵的现象。    灰水系统存在的问题是：闪蒸罐及管壁出现结垢；真空闪蒸除沫器堵塞严重，操作不稳定时，壁垢脱落堵

10、塞管道或卡住阀门。这些问题导致闪蒸罐的液位提高进入换热器，使换热器效率变差，灰水质量下降，影响系统的稳定运行。一般运行3个月就须停车对闪蒸系统清理。改进的措施是充分利用开工冷却器的处理能力，做到系统不停车直接清理闪蒸系统。开工冷却器只是在开、停车时使用。在气化炉温度、压力未正常之前，黑水冷却后直接用泵送入沉降槽，温度、压力正常后再返回闪蒸。这样当灰水处理系统出现堵塞时，可把系统的黑水全部排入开工冷却器，为灰水处理系统留出检修清理时间，检修完毕后黑水重新返回。4  国泰化工渣水处理系统    国泰化工有限公司煤气化装置于2005年7月建成投产，采用新型四喷

11、嘴对置气化技术，气化炉操作压力为4.0 MPa，2台气化炉，2套渣水处理系统。蒸发热水塔的操作压力为0.45 MPa，真空闪蒸罐的压力为0.070.08 MPa，蒸发热水塔分为黑水闪蒸室和填料塔。4.1  新型洗涤冷却室结构    运用交叉流式洗涤冷却水分布器和复合床高温合成气冷却洗涤设备，既强化高温合成气与洗涤冷却水间的热质传递过程，又很好地地解决了洗涤冷却室带水、带灰、液位不易控制等问题，并使合成气充分润湿，有利于后续工段进一步除尘净化。4.2  分级净化式合成气初步净化工序    采用“分级净化”的概念，由混

12、合器、分离器、水洗塔三单元组合，形成合成气初步净化工艺流程，即先“粗分”再“精分”，具有高效、节能的作用。混合器后设置分离器，除去8090的细灰，使进入水洗塔的合成气较为洁净，加入水洗塔的洗涤水比加入混合器的润湿洗涤水更清洁，以保证洗涤效果。表现为系统压力降低(0.080.1 MPa)，分离效果好，合成气中细灰含量低(1 mgm3)。    分级净化的方法避免了合成气初步净化工序的堵塞问题。德士古水煤浆气化炉投料初期，附着在工艺气出口管线内壁上的垢污受热及高速气流冲刷后脱落，极易造成水洗塔出口管线堵塞。由于多喷嘴气化技术设置了分离器，灰垢被预先挡在分离器内，这样，

13、即使分离器排水管线被堵，碳洗塔排水照样可以起到排灰作用。4.3  含渣水处理序    采用含渣水蒸发产生的蒸汽与灰水直接接触，同时完成传质、传热过程。该法的优越性为：无影响长周期运转的隐患；回收热量充分，高温灰水与闪蒸汽温差2，热效率高。在工业装置运行中已证实具有较长的操作周期和很好的能量回收效果。渣水处理系统关键设备蒸发热水塔的操作灵活性和稳定性远优于其他渣水处理技术。4.4  装置特点    合成气经旋风分离器，水洗塔二级除尘、降温，有利于气体的净化。灰水系统采用二级闪蒸。结构更加紧凑，流程简便，操作简单。经过

14、二级闪蒸，能够有效地分离出黑水中的酸性气体，节省设备投资，有利于环保。渣水系统工艺流程见图4。5  渣水处理装置综合评价    (1)鲁南的装置与渭河的区别不大，但渭河装置的运行效果优于鲁南，主要在于低压闪蒸汽液相无换热器，高压闪蒸汽送入变换冷凝液汽提塔。    (2)淮化渣水处理装置与其他3家不同的是增设了1台开工冷却器。当渣水系统出现堵塞时，可把系统排放的黑水全部导入开工冷却器，为灰水处理系统留出检修清理时间，同时保证检修期间的安全。在疏通真空闪蒸系统管道堵塞的工作中，国内各厂都曾发生过烫伤事故。  

15、  (3)国泰化工的蒸发热水塔减少了换热器的配置，闪蒸废气去火炬，闪蒸罐压力不受其他系统的影响。1台旋风分离器与水洗塔配置，就能有效地保障粗煤气含尘量指标的稳定运行。灰水系统流程简单，易于操作，投资费用少。    (4)无论采用哪一种运行方式，目的都是为了降低合成气的灰分，以免灰分进入变换系统，避免系统堵塞现象，减少疏通管道的劳动强度，降低检修费用，从而降低单位产品成本，为企业增加效益。    (5)操作时避免炉温过低。操作人员应根据煤种变化及灰融点分析及时调整炉温，防止因烧嘴雾化效果不好而造成黑水中含碳颗粒大量增加，黏度增

16、大，导致在设备、管道中大量沉淀，引起堵塞。    (6)严格控制出真空闪蒸罐的黑水温度，不能过高。温度过高，不利于黑水中固体颗粒的沉降，造成沉降效果差，从而使水系统在循环时夹带大量的灰颗粒，引起设备、管道的结垢堵塞。    (7)设备和管道内壁轻微结垢问题仍未得到彻底解决，还需要研究和开发更为理想的用于黑水沉降的化学药剂，进一步改善黑水的沉降效果，以便更加有效地阻止结垢现象的发生。    综上所述，对于国内引进的各种煤气化技术，要创造性地加以吸收和利用，同时注意利用各种新技术新设备来改进目前的渣水系统。因

17、为许多问题还需要继续研究，比如：如何实现在线调整灰水的pH值，降低灰水的碱性；换热器和减压阀的选型是否合理；如何在排水量不大的情况下调整Cl含量；对激冷水系统和黑水系统的酸洗采用哪种方式、哪几类酸进行配比既能起到酸洗效果又可减少对系统的损害。新建项目应结合国内渣水系统的运行经验，探索出可操作性强、运行更为稳定、更节能和更环保的渣水运行方式。 煤气化方法的选择赵绍民，唐广军（兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 277527） 2005-09-160  引  言    面对世界能源的日益匮乏，能源利用问题成为世界各国关注的焦点。中国是资源和能源相

18、对匮乏的国家，缺油、少气，煤炭资源相对丰富，但人口众多，人均能源消费增长较快，既是能源消费大国，也是能源进口大国，从国家的经济实力和资源情况看，我国的经济发展必须建立在以煤为主要原料的基础之上。我国有1万亿t的煤炭储量，占能源资源探明总储量的87.4，使煤化工的发展有了深厚的基础。当前，大力发展煤化工、合理开发利用煤资源已成为有识之士的共识。    煤化工是以煤为原料生产化工产品的基础化学工业。首先以煤制备合成气（CO+H2），而后合成其他化工产品，因此，煤的气化是煤化工的核心，其投资一般占整个产品投资的60以上，发展煤化工，选择煤的气化方法尤为重要。 

19、   纵观我国的各种煤气化方法，无论是20世纪初的间歇式固定层煤气炉，还是在70年代引进的以块煤为原料的Lurgi气化炉，亦或80年代引进的Texaco水煤浆气化技术，以及90年代引进的Shell煤气化技术，都存在着先进技术的掌握、吸收以及创新的问题。本文重点对Lurgi气化技术、Texaco水煤浆气化技术、Shell煤气化技术、恩德炉煤气化技术进行分析比较。1  各气化技术的工艺流程及装置特点1.1  Texaco气化    为改变煤气化的原料路线，我国20世纪80年代引进美国德士古公司的水煤浆加压气化技术，并在鲁南化肥厂

20、建设工业性示范装置。该装置是世界第五套、国内第一套水煤浆加压气化装置，国产化率达90以上。1989年4月正式动工，1993年4月建成并顺利投入试生产，同年6月通过国家技术鉴定，1995年全面达产。其气化炉设计为一开一备，配套设计生产能力为年产80 kt合成氨、130 kt尿素。该装置设计单炉日投煤量450 t，先将原料煤制成水煤浆，水煤浆经煤浆泵送入气化炉内，与氧气混合燃烧，通过激冷、洗涤，制得水煤气。经过10 a的技术攻关，水煤浆加压气化技术逐渐成熟，单炉产量已达到设计能力的138，运行周期逐步延长，创造了许多运行纪录：单炉连续运行纪录106 d；国产喷嘴使用寿命达到100 d以上，且修复后

21、可以重复使用；耐火砖全部国产化，使用寿命达到了12 000 h，大大提高了装置的可靠性、经济性。    继我厂引进德士古技术之后，渭河化肥厂、上海焦化总厂、淮南化工总厂等采用该技术以水煤浆为原料生产合成氨、甲醇等化学品也取得了成功。目前，德士古公司已在我国技术转让了16套气化装置，有的以煤炭为原料，有的以渣油为原料。据德士古公司资料介绍，已投用的11套装置累计每年减少20 000 kt的SO2、NO2、CO2及可溶性固体废物排放。  工艺原理及流程    水煤浆加压气化工艺属气流床气化，采用水煤浆进料，以纯氧为气化剂。气化压

22、力可在2.08.5 MPa范围选择，气化温度为1 3001 500 ，湿煤气主要含有CO、H2、CO2、H2O、N2 、H2S、CH4等。在气化炉中进行的主要反应有：煤的热裂解与挥发物的燃烧气化；固定碳与气化剂（氧气、蒸汽）间的反应；反应生成气体彼此间进行的反应；生成的气体与气化剂、固定碳之间的反应。    原煤经湿磨制浆后成为63左右的水煤浆，经过高压煤浆泵送至气化炉顶与纯氧（98）一起进入德士古喷嘴，煤浆经喷嘴雾化与氧气在气化炉内发生部分氧化反应，生成水煤气（合成气）。气化炉压力3.0 MPa，温度1 300 左右。合成气出气化炉后，经文氏管、洗涤塔增湿除尘后

23、送往后工序，用于制合成氨或甲醇。灰渣经锁灰斗收集，定期排出系统。废水经闪蒸回收热量，再沉降处理返回系统使用。  装置的技术特点    (1)原料适应性广。各种烟煤、气煤、肥煤都可以用来制气，对煤的水分、灰分、可燃物含量、灰熔点等没有苛刻的要求，有利于厂家就近选煤，可大大节约成本。    (2)气体有效成分高。有效气成分（CO+H2）达80%82%，而Lurgi气化工艺的有效气成分（CO+H2）只有50%70%。因是高温气化，气体中甲烷含量很低（0.1），无焦油，排渣无污染，废渣可以综合利用，污水量小且易处理。 &#

24、160;  (3)气化压力范围大。从2.56.5 MPa皆有工业化装置，以4.0 MPa较为普遍，气化压力高可节省合成气压缩功。    (4)碳转化率高，可达98%。    (5)气化炉热量利用率高。气化炉有激冷、废锅、激冷和废锅结合三种流程。可以根据产品进行气化流程的选择。激冷工艺制得的合成气汽气比达1.4，特别适合作为合成氨和甲醇生产的气头，也可作为制氢、羰基合成气等用途。废锅流程适合用作燃气透平循环联合发电装置，副产的高压蒸汽用于蒸汽透平发电机组，实现多联供。    (6)气化炉结构简单，

25、生产能力大。气化炉内无传动装置，结构比较简单。一台3 200 mm的气化炉（气化压力4.0 MPa）生产的合成气可以日产合成氨760 t以上。1.2  Shell气化  工艺流程    目前，从Shell煤气化的示范装置到大型工业化装置均采用废锅流程。其流程为：原料煤经破碎由运输设施送至磨煤机，在磨煤机内将原料煤磨成煤粉（按质量计，其中90的粒子粒度100 m）并干燥，煤粉经常压煤粉仓、加压煤粉仓、给料仓由高压氮气送至气化炉喷嘴。氧气经氧压机加压并预热后，与中压过热蒸汽混合后导入喷嘴。粉煤、氧气及蒸汽在气化炉高温加压条件下发生碳的氧化及各种转化

26、反应。气化炉顶部约1 500的高温煤气由除尘、冷却后的冷煤气激冷至900 左右进入废热锅炉。经废锅回收热量后的煤气进入干式除尘及湿法除尘洗涤系统，处理后的煤气含尘量1 mg/m3，送至后工序。  装置的技术特点    （1）干煤粉进料，气化温度高，煤种适应性广，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰熔点范围要求比其他气化工艺更宽，高灰分、高水分、高硫煤种都同样适用。      （2）气化温度1 4001 600 ，碳转化率高达99以上，产品相对洁净，不含重烃，甲烷含量极低，煤气中有效气体（CO+H2）高达9

27、0以上。    （3）氧耗低。与水煤浆气化相比，氧气消耗低20左右。    （4）单炉生产能力大。目前已投入运转的单炉气化压力3.0 MPa，日处理煤2 kt。但目前国内无投运装置。    （5）气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，无需备用炉。      （6）热效率高。煤中约83的热能转化为合成气，约15的热能被回收为高压或中压蒸汽，总热效率为98左右。1.3  Lurgi气化    Lurgi炉和固定

28、层煤气炉类似，炉体为立式圆筒，设有夹套锅炉。炉内煤层高度在4 m左右，操作压力3 MPa，最高温度1 500 ，炉上部设有煤分布器及搅拌器，下部设有转动炉箅及相应的传动机构。Lurgi碎煤加压气化的特点如下。    （1）采用碎煤入炉，入炉煤的处理费用较低，可以使用高水分、高灰熔点和高灰分含量的非强粘结性煤，对劣质的贫煤也能稳定、可靠、高效地气化。    （2）因净煤气中含有10%15的甲烷，故可以降低煤气化的耗氧量，特别适宜于联产城市煤气。    （3）净煤气中H2/CO为1.61.7，不用变换即可直接

29、利用F-T或改良F-T工艺合成各种液体燃料，联产甲醇，便于对季节性、时段性城市煤气的平衡进行调节，并可进一步发展甲醇化学，提高整个系统的经济性。    （4）煤气成分复杂，处理费用高。煤气中含有高附加值的焦油、轻油、石脑油及酚等，是否是优势，关键取决于产品的规模。    （5）国产化的实现和投资费用的大幅度下降，将使其多联产系统的经济性大大提高。1.4  恩德粉煤气化    恩德粉煤气化技术是在温克勒气化炉基础上经过改进逐步形成的，采用常压循环硫化床技术，主要设备有：气化炉、分离器、废热锅炉、省

30、煤器、激冷塔、洗涤塔、文丘里洗涤器。运转设备有：鼓风机1台、螺旋进料机4台、螺旋排灰机2台、引风机1台。运转设备较简单，维修工作量较小。但因设备较庞大，故装置占地面积较大。恩德炉气化的特点如下。    （1）煤种适应性较宽。适用于褐煤、长焰煤、不粘或弱粘煤，对煤的活性和灰熔点有一定的要求，要求活性65、灰熔点1 250 ，与固定层造气炉相比，煤的适应性较宽。    （2）气化效率较高，达76，高于固定层气化炉，与Lurgi炉相当，但比Texaco和Shell炉低。    （3）技术成熟可靠，可用于较大规模

31、生产。    （4）对环境的影响小。恩德气化炉由于是连续气化，无焦油、粉尘等，与固定层造气炉相比，消除了吹风气的污染。    （5）投资省，约为Texaco炉和Shell炉的40。2  各种气化技术的比较与评述    Texaco水煤浆气化技术、Shell煤气化技术、Lurgi气化工艺、恩德炉气化技术的水煤气（干气）成分及工艺比较分别见表1和表2。     Lurgi碎煤加压气化和Texaco水煤浆加压气化同属第二代煤气化技术，而Shell干粉煤气化则属于第三代煤气化技术。    以上比较可以看出，Shell工艺在运行周期、单炉产能、变负荷能力、碳的转化率和有效气(CO+H2)含量等方面优势明显，而且在环保和资源综合利用方面也具有优势，有较好的技术发展前景，但该技术设备投资较大。中国石化集团公司和壳牌公司合作，已投资136亿美元在岳阳洞庭化肥厂建设日耗煤2 000 t的煤气化厂，以煤代油生产合成氨300 kt/a。目前还有多家采用Shell粉煤气化工艺造气用于生产合成氨的装置正在建设中。&