多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的工程應用及其優勢

李仕超 孔 艷 李 杰

(兗礦國宏化工有限責任公司,山東鄒城,273512)

生產與應用

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的工程應用及其優勢

李仕超 孔 艷 李 杰

(兗礦國宏化工有限責任公司,山東鄒城,273512)

介紹了華東理工大學和兗礦集團合作開發的具有完全自主知識產權、國際首創的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工程應用及其優勢,同時對其關鍵工藝指標與 Texaco水煤漿氣化技術進行了對照比較。

多噴嘴 對置式 水煤漿 氣化技術 工程應用 優勢

1 概述

從上世紀80年代末我國開始引進Texaco水煤漿氣化裝置,至今已引進多套,建成投產的有:山東魯南(三臺氣化爐,單爐日處理450噸煤,2.8MPa)、上海吳涇(八臺氣化爐,六開二備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、陜西渭河(四臺氣化爐,三開一備,單爐日處理750噸煤,6.5MPa)、安徽淮南(三臺氣化爐,二開一備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、黑龍江伊春(二臺氣化爐,一開一備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、江蘇金陵(三臺氣化爐,二開一備,單爐日處理1000噸煤,4.0MPa)等約30臺氣化爐。這些裝置均用于生產合成氣,制氨、甲醇或氫氣。Texac氣化技術引進初期,暴露了很多不足,通過我國工程技術人員大量的艱辛工作,在工程上對其進行了完善和優化。該技術許多設備都可以國產化,如山東魯南的第一套引進 Texaco裝置,設備國產化率超過90%。Texaco氣化技術在原理上存在著制約因素,導致其工藝指標不夠理想、大型化有難度。

由華東理工大學、兗礦集團有限公司擁有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是在多年研究國際上大型氣流床氣化技術基礎上進行創新的煤氣化技術,在魯南化肥廠完成了中試研究。中試裝置(22噸煤/天)的運行結果表明:有效氣成分83%,比相同條件下的單噴嘴氣化裝置高1.5～2個百分點;碳轉化率>98%,比單噴嘴氣化裝置高2～3個百分點;比煤耗、比氧耗均比單噴嘴氣化裝置降低7%。“十五”期間,在國家科技部、國家發改委的大力支持下,倍受業界人士關注的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術分別于山東魯南、山東德州建設了工業示范裝置。示范裝置的成功運行已充分證實:該技術工程上完全可行,工藝指標優于引進的水煤漿氣化技術,操作非常平穩。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術相對于國外引進的水煤漿氣化技術、干煤粉氣化技術,在設備投資、運行費用(源于工藝指標的優勢)及專利實施許可費等方面具有很大的優勢。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術涉及以純氧和水煤漿為原料制合成氣的過程,裝置包括磨煤單元、氣化及初步凈化單元及含渣水處理單元。技術特點:多噴嘴對置的水煤漿氣流床氣化爐及復合床煤氣洗滌冷卻設備;混合器、旋風分離器、水洗塔三單元組合煤氣初步凈化工藝;蒸發分離直接換熱式含渣水處理及熱回收工藝[1],其工藝流程示意圖見下圖1。

圖1

2 工程應用

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已成功應用于國內多套工業生產裝置中,并有多套裝置在建,同時該技術還出口至國外,取得了較好的業績和成果,填補了我國在煤氣化技術方面的空白。

2.1 在山東華魯恒升化工股份有限公司使用情況

通過專利實施許可的方式,并在國家發改委“十五”重大技術裝備研制項目的支持下,多噴嘴對置式水煤漿氣化技術應用于山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國產化工程,建設了一臺多噴嘴對置式撞擊流氣化裝置(6.5MPa,750t煤/d)。氣化裝置由華陸工程科技有限責任公司設計,氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造。

2004年12月該氣化裝置投入試運轉。2005年6月初開始,多噴嘴對置式水煤漿氣化爐投入正式運行。該氣化裝置自2005年6月初正式運行至今,累計運行時間超過15000小時。氣化爐內耐火磚等設備構件情況正常。拱頂耐火磚壽命已達到7300小時,有望超過8000小時;直筒段耐火磚自從2004年12月以來未更換。

現該氣化爐操作負荷為設計值的110%,運轉平穩,運行情況良好。目前多噴嘴對置式氣化爐成為生產主力,生產周期長。該氣化爐的技術特色體現在:

(1)燒嘴及耐火磚使用壽命長;

(2)負荷調節靈活,燒嘴間負荷調節靈活,氣化爐整體負荷調節范圍寬(可在50%～115%負荷范圍內操作);

(3)比煤耗低、發氣量大、渣中含碳量低。測算表明,多噴嘴對置式氣化爐運行一天較單噴嘴氣化爐要多產生5萬元左右的經濟效益。

2.2 在兗礦國泰化工有限公司使用情況

兗礦集團有限公司在山東魯南(兗礦國泰化工有限公司)建設多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及配套工程,利用兩臺日處理1150噸煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)配套生產24萬噸甲醇、聯產71.8MW發電。空分裝置由華陸工程科技有限責任公司設計,氣化裝置由中國天辰化學工程公司設計。示范裝置于2003年5月1日正式開工建設,由中國化學工程第三建設公司負責氣化裝置、空分裝置的建設。氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造。

氣化裝置于2005年7月21日23:26一次投料成功,一次打通整個工藝流程,在完成80小時連續、穩定運行后,于2005年7月25日8:00計劃停車(當時兗礦國泰化工有限公司的空分裝置尚未具備運行條件,借用兗礦魯南化肥廠的氧氣進行氣化系統試運行)。2005年10月15日,在空分裝置具備條件后,該裝置正式進入工業運行。

在開車初期,曾經出現拱頂耐火磚燒損沖刷嚴重的問題,經過華東理工大學深入研究,并基于兗礦集團相關技術人員認真分析,確認氣化爐拱頂耐火磚沖刷嚴重是由于上部空間偏小、操作過程中噴嘴出口速度偏大等原因造成。針對這一情況,華東理工大學仔細研究了氣化爐上部空間的速度分布和溫度分布,提供了在現有裝置上的操作負荷和操作壓力的對應關系,以優化流場,提高拱頂耐火磚壽命。

這一調整取得了明顯的效果,自2006年3月17日A#爐開車至2006年6月6日停車大修,整個氣化系統連續運行81天,單爐連續運行49天。大修期間進爐檢查,發現爐內耐火磚情況良好,拱頂耐火磚情況大為改善,目前拱頂耐火磚壽命在5000小時左右;直筒段耐火磚自從2005年10月以來未更換。至今,A#、B#氣化爐累計運行超過30000小時。2006年,兗礦國泰生產甲醇 23.4萬噸。2007年,兗礦國泰甲醇產量超過30萬噸。

華東理工大學根據研究結果,重新確定了氣化爐上部空間的高徑比,用于兗礦國泰第三臺氣化爐的設計,以確保拱頂耐火磚具有更為理想的使用壽命。大連金州重型機械廠制造的第三臺氣化爐(C#爐)已于2007年9月3日15:08投運,運行狀況正常。從目前的情況來看,拱頂加高后的效果已經得以體現,頂部預熱口封堵在運行兩個月后只磨損1cm,運行3000多小時后進爐檢查,拱頂耐火磚狀況非常理想,預計頂部耐火磚使用壽命在8000小時以上。C#爐氣化工藝指標與未加高的A#、B#爐基本相同。

3 總結

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術自動化程度高,全部采用集散控制系統(DCS)控制,特別是氧煤比完全可以投自動串級控制。工業運行證實,該裝置開車方便、操作靈活、負荷增減自如,操作的方便程度優于引進水煤漿氣化裝置。

帶壓連投技術的實現是煤氣化技術上重大突破,大大降低了氣化爐停車幾率,提高了氣化爐的有效生產時間。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已被工程實踐證實完全可行,工藝指標也極為先進。該裝置2005年12月通過了由中國石油和化學工業協會組織的168小時現場運行考核,確認了該裝置工藝指標達到國際領先水平。2006年1月8日通過了中國石油和化學工業協會組織的專家鑒定。2006年5月通過科技部組織的國家“863”課題驗收。兗礦國泰化工有限公司的消耗總結報告中指出,與采用同樣煤種的兗礦魯南化肥廠 Texaco裝置制備合成氣用于合成甲醇的煤耗相比,每噸甲醇的煤耗減少100～150kg,這對于大化工裝置來說是非常可觀的成本優勢。

通過多套氣化裝置的運行考核來看,鑒定的主要結論如下:

(1)以北宿煤為原料,裝置滿負荷運行的技術指標:(I)比氧耗309Nm3O2/1000Nm3(CO+H2);(II)比煤耗535kg/1000Nm3(CO+H2);(III)合成氣有效氣成分(CO+H2)84.9%;(IV)碳轉化率98.8%。

(2)氣化裝置安全可靠,自動化程度高,操作控制靈活,開車到正常生產過渡期短。采用獨特的氧氣流量控制技術和帶壓連投操作技術,增強了抵御故障的能力,使裝置運行更加平穩[2]。

(3)該技術是自主創新的煤氣化技術,裝置性能與技術指標達到國際領先水平。與國外水煤漿氣化技術相比,其技術特點和優勢(創新點)在于:(I)多噴嘴對置式氣化爐和新型預膜式噴嘴的氣化效率高,技術指標先進。與采用國外水煤漿氣化技術的兗礦魯南化肥廠同期運行結果相比,有效氣成分提高2～3個百分點,CO2含量降低2～3個百分點;碳轉化率提高2～3個百分點,比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。(II)多噴嘴對置式氣化爐噴嘴之間的協同作用好,氣化爐負荷可調節范圍大,目前為50%～110%,負荷調節速度快,適應能力強,有利于裝置大型化。(III)由于采用四個噴嘴進料,系統運行更為穩定,當一個或一對燒嘴煤漿或者氧氣波動時,由于有其他噴嘴的互相補充、制約,因此氣化爐整體進料穩定,不易產生爐溫的瞬間波動。(IV)復合床型洗滌冷卻技術的熱質傳遞效果好,液位平穩,避免了引進技術的帶水帶灰問題。(V)分級式合成氣初步凈化工藝節能、高效。表現為系統壓降低,分離效果好,合成氣中細灰含量低(<1mg/Nm3)。(VI)渣水處理系統采用直接換熱技術,熱回收效率高,克服了設備易結垢和堵塞的缺陷[3]。

(4)從中試到工業示范裝置,多噴嘴對置式水煤漿氣化技術成功實現了工程化放大(一次性放大52倍),表明研究與放大方法科學、正確,掌握了該技術的工程放大規律,奠定了向更大規模跨越的理論與工程化基礎[4]。

(5)該技術與國外水煤漿氣化技術相比,既降低了原料煤和氧氣的消耗,又大大減少了專利實施許可費,同時具有良好的環保性能。該技術的開發成功打破了國外公司在大型煤氣化技術上的壟斷,實現了我國大型煤氣化技術零的突破,為推動我國煤化工產業的發展和能源結構調整提供了技術支撐,經濟效益、社會效益顯著。

[1]步學朋,忻仕河,等.煤炭氣化發展及應用中的熱點問題探討.潔凈煤技術,2007,13(2).

[2]于遵宏,王輔臣,等.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術研究與開發

[c].首屆多噴嘴對置式煤氣化技術推廣及應用研討會論文集.

[3]龔欣,劉海峰,王輔臣,等.新型多噴嘴對置式水煤漿氣化爐[J].節能與環保,2001(6).

[4]于光元,李亞東.煤氣化工藝技術分析.潔凈煤技術,2005,11(4).

The Engineering Application and Advantages of the Coal-water Slurry Gasification with Opposed Multi-burner

Li Shichao,Kong Yan,Li Jie
(Yan Kuang GuoHong Chemicals Co.,L td,Zoucheng273512,China)

This ariticle introduces the international’s first engineering application and advantages of the coalwater slurry gasification with opposed multi-burner,which was co-developed by East China University of Science and Technology and YanKuang Group with independent intellectual property rights,and compares the key technic index with Texaco pressurized water-coal slurry gasification technology.

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