水煤漿水冷壁氣化技術(shù)綜述

第2期中氮肥No. 22012年3月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressMar.2012水煤漿水冷壁氣化技術(shù)綜述李戰學(xué),韓喜民,孟令兵,翟玉鵬[山西陽(yáng)煤豐喜(肥業(yè))集團有限責任公司,山西運城04400[摘要]水煤漿水冷壁氣化技術(shù)是我國自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的新一代大型煤氣化技術(shù),該技術(shù)的工業(yè)示范裝置已經(jīng)在山西陽(yáng)煤豐喜集團建成并運行。本文著(zhù)重介紹了水煤漿水冷壁氣化技術(shù)的研發(fā)歷程、設計原理和技術(shù)優(yōu)勢,簡(jiǎn)要介紹了示范裝置的運行情況。示范裝置的運行情況表明:該氣化技術(shù)具有工藝指標先進(jìn)、運行費用低、煤種適應性強等優(yōu)點(diǎn)[關(guān)鍵詞]水煤漿;水冷壁;分級氣化爐[中圖分類(lèi)號]TQ546[文獻標識碼]A[文章編號]1004-9932(2012)02-0007-04Comprehension Discussion on Technology of Water-CoalSlurry gasificationLI Zhanxue, HAN Ximin, MENG Lingbing, ZHAI YupengShanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Industry Group Co, Ltd, Yuncheng 044000, China)Abstract: The technology which is based on Tsinghua gasifier is a new generation of technology for large-scalecoal gasification with self-owned intellectual property right in China. Its industrial demonstration plant hasbeen built and put into running in Shanxi Yangmei Group. This paper mainly discusses the research coursedesign principle and advantages of the technology, briefly introduces the actual operation situation, from whichthe advanced process indicators, lower running cost and good adaptability to various coals are shown upKey Words: water-coal slurry cooling screen; staged gasifier0引言此,如何改進(jìn)氣化技術(shù)和選擇氣化方法就成為傳統煤化工行業(yè)面臨的嚴峻課題。中國缺油、少氣、富煤是資源稟賦。煤炭占未來(lái)幾年,我國煤化工的發(fā)展趨勢將以煤制全國能源總量的π0‰,有效利用煤炭資源、合烯烴、煤制乙二醇等煤基材料和煤制油、煤制天理發(fā)展煤化工是平衡我國能源消耗的有力措施。然氣等新型煤化工為發(fā)展方向,但這都需要先進(jìn)在眾多煤炭利用技術(shù)中,煤氣化技術(shù)是煤炭能源的煤氣化技術(shù)來(lái)支撐,可以說(shuō)誰(shuí)掌握了最先進(jìn)的轉化的基礎和關(guān)鍵。氣化技術(shù)誰(shuí)就掌握了煤化工行業(yè)發(fā)展的未來(lái)。近些年,我國煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要是以合近20a來(lái),我國花費數百億人民幣引進(jìn)多成氨、甲醇等傳統煤化工產(chǎn)品為主,主要采用固項先進(jìn)氣化技術(shù),主要有德國魯奇固定床加壓氣定床間歇氣化技術(shù),新型煤氣化技術(shù)在產(chǎn)能中占化技術(shù)、美國德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)、荷蘭的比例較小。固定床間歇氣化技術(shù)是以?xún)?yōu)質(zhì)無(wú)煙殼牌粉煤氣化技術(shù)、德國GSP氣化技術(shù)。這些塊煤為原料,原料來(lái)源有限且質(zhì)量要求較高,因引進(jìn)技術(shù)有的經(jīng)過(guò)多年的消化吸收,已具備了氣而價(jià)格高,企業(yè)面臨的成本壓力較大。煤氣化技化裝置的國產(chǎn)化能力并有所改進(jìn)和創(chuàng )新,有的還術(shù)密切關(guān)系著(zhù)傳統煤化工行業(yè)的發(fā)展與生存,因在摸索和待驗證過(guò)程中。引進(jìn)技術(shù)普遍存在投資偏高的缺點(diǎn),而且還[收稿日期]2011-1220有部分引進(jìn)氣化技術(shù)存在運行不穩定或運行費用作者簡(jiǎn)介]李戰學(xué)(1984-),男,山西運城人,助理工程高的缺陷。如何根據我國的實(shí)際情況,研發(fā)出師,從事技術(shù)管理工作。種技術(shù)先進(jìn)、投資少、運行平穩、運行費用低中氮肥第2期煤種適應性寬的氣化技術(shù),已成為煤化工行業(yè)亟存在的不足,同時(shí)解決生產(chǎn)過(guò)程中出現的一些實(shí)需解決的一大難題際問(wèn)題,2009年山西陽(yáng)煤豐喜集團提出了“由通過(guò)對現有傳統氣化方式的改變和對引進(jìn)氣水冷壁掛渣代替原耐火磚內襯,提高爐內的耐溫化技術(shù)的改進(jìn),山西陽(yáng)煤豐喜集團與清華大學(xué)、性能,拓寬此種氣化爐的適用煤種范圍”的新北京達立科公司合作成功開(kāi)發(fā)出了具有自主知識思路,同時(shí)申請了“水煤漿水冷壁氣化爐”的產(chǎn)權的水煤漿水冷壁氣化技術(shù),該氣化技術(shù)具有實(shí)用新型專(zhuān)利,于2010年得到授權。煤種適應性寬、氣化強度高、污染少、操作簡(jiǎn)清華大學(xué)和北京達立科公司組成了專(zhuān)門(mén)的課便、投資少、見(jiàn)效快、與后工段壓力相匹配等題組,主要對水冷壁氣化爐的原理進(jìn)行研究,提特點(diǎn)。供理論分析計算數值和實(shí)驗室模擬數據,并在清1研發(fā)歷程華大學(xué)進(jìn)行水冷壁氣化爐的點(diǎn)火試驗和小試。課題組在水冷壁技術(shù)應用于水煤漿加壓氣化技術(shù)方“水煤漿水冷壁氣化技術(shù)”是在清華大學(xué)、面的實(shí)驗取得突破性進(jìn)展后,進(jìn)行了煤種試燒,北京達立科公司和山西陽(yáng)煤豐喜集團合作開(kāi)發(fā)的并且成功通過(guò)了計算機模擬驗證。非熔渣一熔渣分級氣化技術(shù)”基礎上進(jìn)行的技隨后,清華大學(xué)同山西陽(yáng)煤豐喜集團一起進(jìn)術(shù)改進(jìn)和創(chuàng )新,屬于第3代煤氣化技術(shù)。行了工業(yè)裝置放大試驗。該示范裝置——水煤漿“非熔渣一熔渣分級氣化技術(shù)”是我國具有水冷壁氣化爐在陽(yáng)煤豐喜臨猗公司于2009年10自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新技術(shù)。該技術(shù)于2002年8月開(kāi)始土建,2010年6月設備安裝,2011年6月列入“863”計劃,其后清華大學(xué)完成了數學(xué)月系統安裝完成,經(jīng)過(guò)2個(gè)月的系統調試,于模型、冷態(tài)試驗、熱態(tài)試驗、工藝包等多項工2011年8月22日一次投料成功,并同時(shí)送氣供作,為后來(lái)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎。給后系統生產(chǎn)合成氨。該氣化裝置連續運行了2003年,山西陽(yáng)煤豐喜集團采用該氣化技術(shù)的90多天,創(chuàng )造了煤氣化試車(chē)歷史上的奇跡。100kt/a甲醇裝置正式開(kāi)工建設,2006年1月23日建成投產(chǎn)。截止到2007年10月,已2技術(shù)概述累計運行637d,生產(chǎn)粗甲醇203369.88t,運轉2.1設計原理率94.66%,平均負荷88.66%。2007年10月該采用水冷壁結構的氣化爐提高運行溫度是一氣化技術(shù)通過(guò)中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì )組織專(zhuān)家條切實(shí)可行的技術(shù)途徑,但是點(diǎn)火和穩燃問(wèn)題是驗收,獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。水冷壁結構氣化爐的一個(gè)關(guān)鍵。該氣化技術(shù)實(shí)現了設備國產(chǎn)化,打破了國外水煤漿進(jìn)料的耐火磚結構氣化爐的點(diǎn)火技術(shù)對新型煤氣化技術(shù)的壟斷,但在實(shí)際運行中也存成熟可靠,靠耐火磚的蓄熱來(lái)實(shí)現水煤漿的點(diǎn)在以下問(wèn)題?；?。以She爐為代表的水冷壁氣化爐的點(diǎn)火過(guò)(1)氣化爐內壁襯里釆用耐火磚結構,運程復雜,分3步進(jìn)行,依次點(diǎn)燃燃氣噴嘴、燃油行費用較髙。耐火磚的價(jià)格非常昂貴,每1.5a冫噴嘴和煤粉噴嘴,點(diǎn)火程序復雜且經(jīng)常發(fā)生燃油需更換1次,每次需花費200萬(wàn)元,最高時(shí)需噴嘴燒損的情況。以GSP爐為代表的水冷壁氣300萬(wàn)元;此外,更換1次向火面磚,拆卸、筑化爐則采用組合燒嘴,燒嘴結構復雜,需要火焰爐、烘爐、檢査、試壓就得花費1.5~2月,嚴檢測、長(cháng)明燈等,燃氣費用高。重影響正常生產(chǎn)?；谇迦A爐(非熔渣一熔渣分級氣化爐)(2)煤種適應性窄,不能實(shí)現氣化用煤本使用預混氣體可以由可燃氣切換為惰性氣體再切地化。氣化爐內壁襯里采用耐火磚結構,由于受換為氧氣的特點(diǎn),清華大學(xué)和北京達立科公司提耐火磚性能的影響,氣化原料煤只能使用在陜出采用中心管液化氣一惰性氣一氧氣“火點(diǎn)火西、內蒙購買(mǎi)的灰熔點(diǎn)在1350℃以下的煤,而方案,很好地解決了水煤漿水冷壁氣化爐的點(diǎn)火山西本地的高硫、高灰煤的灰熔點(diǎn)大都在1500問(wèn)題。膜式水冷壁是成熟技術(shù),解決了水煤漿的℃以上,難以被氣化。點(diǎn)火過(guò)程,那么這種爐型的工程化就不會(huì )有任何為了完善“非熔渣一熔渣分級氣化技術(shù)”風(fēng)險。第2期李戰學(xué)等:水煤漿水冷壁氣化技術(shù)綜述清華大學(xué)和北京達立科公司針對水冷壁氣化下降管的作用,經(jīng)出水管口排出激冷段?；以?jīng)爐點(diǎn)火問(wèn)題,設置專(zhuān)門(mén)的課題組進(jìn)行研究,對水排渣口排出氣化爐煤漿的著(zhù)火過(guò)程進(jìn)行分析并制定了詳細的“火2.3主要設備點(diǎn)火”方案。為此,清華大學(xué)進(jìn)行了3種不同水煤漿水冷壁氣化技術(shù)主要設備見(jiàn)表1(單方案的實(shí)驗研究,即冷壁爐水煤漿點(diǎn)火、大空間套裝置)。水煤漿火焰觀(guān)察和水煤漿進(jìn)料水冷壁氣化爐點(diǎn)火表1水煤漿水冷壁氣化技術(shù)主要設備燃燒試驗。備名稱(chēng)數量/臺備注清華大學(xué)技術(shù)團隊在水冷壁技術(shù)應用于水煤煤漿槽攪拌器常開(kāi)漿加壓氣化技術(shù)方面的實(shí)驗取得了突破性進(jìn)展,水冷壁氣化爐的點(diǎn)火試驗表明:采用“火點(diǎn)火破渣機常開(kāi)程序對水煤漿進(jìn)行點(diǎn)火是成功可靠的,在極其苛高壓煤漿泵常開(kāi)刻的水冷壁條件下,水煤漿能夠在沒(méi)有其他助燃鎖斗循環(huán)泵1開(kāi)1備鍋爐水循環(huán)泵1開(kāi)1備燃料的條件下穩定著(zhù)火燃燒。加藥泵1開(kāi)1備2.2流程概述煤漿槽水煤漿水冷壁氣化爐如圖1所示,燒嘴、氣汽包化段外殼、激冷段筒體、下降管、排渣口均同軸鎖斗豎向排列,氣化段外殼和激冷段筒體為上下連接鎖斗沖洗水罐的一個(gè)整體。開(kāi)工抽引器分離器激冷水過(guò)濾器並配藥槽工藝燒嘴氧氣放空消聲器開(kāi)工抽引器預熱燒嘴次氧氣噴嘴冷卻水冷卻水2.4技術(shù)優(yōu)勢(1)適合我國高灰分、高灰熔點(diǎn)煤種的氣化令卻水目前我國引進(jìn)大型煤氣化技術(shù)耗資已達數百億元。顯然,煤氣化技術(shù)的發(fā)展完全依賴(lài)引進(jìn)是不合理的,而引進(jìn)技術(shù)暴露出的問(wèn)題也說(shuō)明國外圖1水煤漿水冷壁氣化爐技術(shù)并不能適應我國高灰分、高灰熔點(diǎn)煤的氣1—氣化燒嘴;2—氣化段外殼;3-氣化段水冷壁;化。水煤漿水冷壁氣化爐采用獨特的膜式水冷壁氣化段錐底;5—激冷段筒壁;6一下降管;7一激冷環(huán)替代耐火磚后,可將氣化爐燃燒室內溫度提高至水煤漿由燒嘴中間環(huán)隙通道進(jìn)入,氧氣由燒1500℃(普通耐火磚氣化爐的運行溫度不能超嘴外側環(huán)隙通道進(jìn)入,2股物料在水煤漿水冷壁過(guò)1400℃),適用于國內高灰分、高灰熔點(diǎn)煤氣化爐內發(fā)生氣化反應,生成主要成分為CO、的氣化,尤其是山西的高硫、高灰熔點(diǎn)煤的氣H2、CO2、H2O的高溫氣體,氣化段溫度在化,徹底解決了山西省高硫、高灰熔點(diǎn)煤氣化難1100~1400℃。氣化段的高溫氣體經(jīng)下降管進(jìn)的問(wèn)題。人激冷段。在激冷段,高溫氣體在液面下離開(kāi)下(2)獨特的膜式水冷壁結構降管,穿過(guò)冷卻液向上,被冷卻至110~280℃該氣化技術(shù)采用獨特的膜式水冷壁結構,將通過(guò)出氣管口送出氣化爐;冷卻液從2個(gè)入口經(jīng)傳統的盤(pán)管式水冷壁結構改進(jìn)為全新的立管式設激冷環(huán)送入下降管,沿管內壁向下流淌,起保護計,并且進(jìn)出水管通過(guò)上下集箱連接,集箱與氣10中氪肥第2期化爐殼體外的鍋爐水系統采用多重冗余設計,從門(mén),使水煤漿進(jìn)入氣化爐,同時(shí)加大外環(huán)O2的而降低了水冷壁系統的阻力,使水冷壁系統在沒(méi)流量,此時(shí)LPG仍然不斷供給進(jìn)入氣化爐。待有強制循環(huán)的情況下也可實(shí)現自身的循環(huán)。溫度升高到一定程度后,在水煤漿射流周?chē)梢栽摷夹g(shù)克服了盤(pán)管式水冷壁結構形式的不形成足夠的高溫回流氣體,這些回流氣體的能量足,布水均勻,水冷管線(xiàn)單通道長(cháng)度縮短為原來(lái)足以點(diǎn)燃水煤漿射流,此時(shí)可以逐步關(guān)小LPC的1/3,在氣化爐熱負荷不變的情況下,減少氣管道的閥門(mén),同時(shí)逐步打開(kāi)中心通道的CO2或液分層,本質(zhì)安全,更容易掛渣以實(shí)現“以渣N2等惰性氣體閥門(mén),直至LPC管道的閥門(mén)完全抗渣”,具有生產(chǎn)安全環(huán)保、工藝簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)關(guān)閉,中心通道的CO2或N2等惰性氣體閥門(mén)完單、投資成本少、運行費用低等特點(diǎn)。全打開(kāi),此時(shí)即完成氣化爐的啟動(dòng)和點(diǎn)火過(guò)程,(3)科學(xué)的氧氣分級供給技術(shù)氣化爐進(jìn)入正常運行狀態(tài)。氧氣分級供給技術(shù)是指在氣化爐主燒嘴和側3示范裝置運行情況壁氧氣燒嘴分別向氣化爐內加氧,在主燒嘴中心通道可采用氧含量從0~100%的不同氣體作為陽(yáng)煤豐喜臨猗公司的水煤漿水冷壁氣化爐直主燒嘴預混氣體,不僅調整了火焰中心的溫度,徑為2800m,高16.3m,水冷壁高7m,水冷而且調整了火焰中心距主燒嘴端面的距離,有利壁爐操作壓力4.5MPa,配套合成氨生產(chǎn)能力于降低主燒嘴端部溫度,延長(cháng)其使用壽命。采用150kU/a。2011年8月22日水冷壁氣化爐一次氧氣分級供給,改善了爐內的溫度場(chǎng),使氣化爐開(kāi)車(chē)成功,并同時(shí)送氣供給后系統生產(chǎn)合成氨軸向溫度均衡,提高了爐內的平均氣化溫度,不一直連續、穩定運行90多天,綜合能耗達到世僅使合成氣中有效氣含量提高1%~2%,而且界先進(jìn)水平。氣化單元的相關(guān)數據:投煤量750使氣化爐的排渣更加順暢。t/d,操作壓力4.0MPa,煤氣中有效氣(CO+(4)安全的環(huán)唇結構大法蘭密封技術(shù)H2)含量≥80%,1000m(CO+H2)耗O2≤近年來(lái),隨著(zhù)大型煤氣化技術(shù)的發(fā)展,尤其390m3,1000m3(CO+H2)耗煤≤550kg,碳是水冷壁氣化技術(shù)的發(fā)展,如何將水冷壁內件安轉化率≥98%,渣中可燃物含量≤5%。噸氨氣裝在氣化爐內,并且保證安裝后氣化爐大法蘭的化單元綜合能耗為33.043GJ,噸氨氣化單元各有效密封就成為了一大難點(diǎn)。環(huán)唇結構大法蘭密項消耗:煤(千基)1333kg,電78kW·h,封技術(shù)成功實(shí)現了上述工藝需求,填補了國內外O2820m3,脫鹽水0.34t,新鮮水0.75t,循環(huán)該技術(shù)領(lǐng)域的空白。該技術(shù)將環(huán)唇密封的結構形水90t,副產(chǎn)0.5MPa高閃氣0.54t,副產(chǎn)4.5式嫁接到直徑2800mm氣化爐的大法蘭上,環(huán)MPa蒸汽0.024t唇采用了獨立的不銹鋼鍛件,通過(guò)雙邊焊接工藝4結語(yǔ)進(jìn)行加工,達到了有效的密封效果。如果大法蘭出現密封不嚴的情況,采用環(huán)唇密封技術(shù),只需雖然現階段“水煤漿水冷壁氣化技術(shù)”的通過(guò)現場(chǎng)焊接處理即可;而使用常規的法蘭密封研發(fā)取得了一些成績(jì),并且在山西陽(yáng)煤豐喜集團技術(shù),就必須對密封面進(jìn)行重新修復,費時(shí)、建成了1套工業(yè)化示范裝置,但該套氣化示范裝費工。置尚有許多技術(shù)難點(diǎn)與運行的相關(guān)參數需要更多(5)先進(jìn)的“火點(diǎn)火”技術(shù)的同行參與探討,尤其是要100%使用本地高灰采用清華大學(xué)提出的中心管液化氣一惰性氣熔點(diǎn)煤代替神木、華亭低灰熔點(diǎn)煤,實(shí)現氣化煤氧氣“火點(diǎn)火”方案,很好地解決了水煤漿本地化,還需要付出更多的努力。水冷壁氣化爐的點(diǎn)火問(wèn)題。該氣化技術(shù)以其適用煤種范圍寬、單爐氣化在氣化爐采用“火點(diǎn)火”啟動(dòng)程序時(shí),讓強度高、投資低、運行費用低等優(yōu)點(diǎn)受到新建煤液化石油氣(LPG)或者弛放氣進(jìn)入氣化爐,在化工企業(yè)以及現有煤制化肥企業(yè)的青睞。在當前外環(huán)通道助燃O2的作用下,LPG在氣化爐內形國際石油價(jià)格高位難降的形勢下,我國煤化工行成穩定的高溫火焰對氣化爐進(jìn)行加熱升溫。待溫業(yè)發(fā)展勢頭強勁,再加上有不少化肥企業(yè)面臨裝度升到一定程度后,打開(kāi)環(huán)隙通道的水煤漿閥置的更新?lián)Q代,該氣化技術(shù)的前景將會(huì )一片光明。