四噴嘴水煤漿氣化爐工業(yè)應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

張 浩

（兗礦國泰化工有限公司，山東 滕州 277527）

0 引 言

煤氣化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是推動(dòng)潔凈煤利用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。水煤漿氣化爐利用柱塞隔膜泵輸送水煤漿，克服了煤粉輸送困難及不安全的缺點(diǎn)，經(jīng)過研究機(jī)構(gòu)的逐步完善，已于20世紀(jì)80年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，并成為具有代表性的第二代煤氣化技術(shù)。中國從20世紀(jì)90年代初開始大量引進(jìn)該技術(shù)，如山東魯南化肥廠、上海焦化廠、陜西渭河化肥廠、淮化集團(tuán)有限公司等均采用該工藝。GE德士古（Texaco）水煤漿加壓氣化技術(shù)，屬氣流床加壓氣化技術(shù)，原料煤經(jīng)磨制成水煤漿后泵送進(jìn)氣化爐頂部單燒嘴噴出，下行制氣，但要求原料煤含灰量較低，還原性氣氛下的灰熔點(diǎn)低于1300℃，灰渣粘溫特性好。氣化壓力從2.5MPa、4.0MPa、6.5MPa到8.5MPa，皆有工業(yè)性生產(chǎn)裝置在穩(wěn)定長周期運(yùn)行，且裝置建成投產(chǎn)后即可正常穩(wěn)定生產(chǎn)。氣化爐內(nèi)無轉(zhuǎn)動(dòng)裝置或復(fù)雜的膜式水冷壁內(nèi)件，制造方便、造價(jià)低；在開停車和正常生產(chǎn)時(shí)無需連續(xù)燃燒一部分液化氣或燃料氣（合成氣），煤氣除塵比較簡(jiǎn)單；碳轉(zhuǎn)化率達(dá)96%～98%，有效氣成分（CO＋H2）為80%～83%，有效氣（CO＋H2）比氧耗為336～410m3／km3，有效氣（CO＋H2）比煤耗為550～620kg／km3。

四噴嘴水煤漿氣化爐是兗礦集團(tuán)有限公司（水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心）與華東理工大學(xué)在消化、吸收德士古水煤漿氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型水煤漿氣化技術(shù)，該技術(shù)是世界上最先進(jìn)的氣流床氣化技術(shù)之一。四噴嘴水煤漿氣化技術(shù)，可為化肥行業(yè)的技術(shù)改造、煤炭液化、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）、煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供龍頭技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，將大大推動(dòng)我國煤化工技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐氣化原理簡(jiǎn)介

1.1 氣化流場(chǎng)

在實(shí)驗(yàn)室以φ1000mm的大型冷模四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐有機(jī)玻璃模型，對(duì)氣化爐流場(chǎng)進(jìn)行了探討。其流場(chǎng)可劃分為射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股（上下2股）、回流區(qū)（共6個(gè)）、折返流區(qū)、管流區(qū)［1］，如圖1所示。

圖1 四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐流場(chǎng)示意

撞擊區(qū)是氣化爐內(nèi)物流間混合最為劇烈的區(qū)域。研究表明，它從以下幾方面強(qiáng)化了氣化爐內(nèi)的霧化與混合過程。

（1）撞擊區(qū)內(nèi)氧氣與煤漿的相向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生剪切力，促使煤漿液滴進(jìn)一步破碎，完善了霧化過程。

（2）四股射流經(jīng)過撞擊才形成撞擊流股，其軸向速度衰減明顯加快，爐內(nèi)流體的停留時(shí)間分布得到改善，即 “短路”現(xiàn)象受到抑制。

（3）撞擊區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的顆粒振蕩現(xiàn)象，使顆粒停留時(shí)間相對(duì)延長。

（4）撞擊區(qū)內(nèi)物流速度脈動(dòng)劇烈，湍流強(qiáng)度最大［2］，說明混合效果最好。

1.2 氣化原理

水煤漿、氧氣進(jìn)入氣化室后，相繼進(jìn)行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化等六個(gè)物理和化學(xué)過程［3］，前五個(gè)過程速度較快，在1、2、3、4、5五個(gè)流型區(qū)域（如圖1）中已基本完成，而氣化反應(yīng)除在上述五個(gè)區(qū)域中進(jìn)行外，主要在管流區(qū)（6）進(jìn)行。

煤漿顆粒在氣化爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷了以下步驟［4］：顆粒的湍流彌散、顆粒的振蕩運(yùn)動(dòng)、顆粒的對(duì)流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發(fā)與顆粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應(yīng)、煤焦的多相反應(yīng)、灰渣的形成。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大型冷模、小型熱模、霧化性能研究；同時(shí)，進(jìn)行了合成氣初步凈化研究，魯南化肥廠中試裝置采用集散控制系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)、安全，工藝先進(jìn)。在相同的煤種與煤漿濃度條件下，中試裝置比魯南化肥廠引進(jìn)的Texaco裝置有效氣（CO＋H2）體積分?jǐn)?shù)高1.5～2個(gè)百分點(diǎn)，碳轉(zhuǎn)化率高2～3個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)省氧氣2.0%～7.0%；有效氣成分、碳轉(zhuǎn)化率、比氧耗、比煤耗等技術(shù)指標(biāo)均有明顯的進(jìn)步。

2 工業(yè)應(yīng)用情況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

“十五”期間，依據(jù)以 “項(xiàng)目帶研發(fā)，以研發(fā)促項(xiàng)目”的思路，兗礦集團(tuán)有限公司決定建設(shè)日處理1150t煤、壓力4.0MPa的四噴嘴水煤漿氣化爐，配套240kt／a甲醇、71.8MW 燃?xì)獍l(fā)電工程項(xiàng)目，總投資16個(gè)億。該項(xiàng)目是我國第一個(gè)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示范工程，包含了兩項(xiàng)國家 “863”計(jì)劃，即 “新型水煤漿氣化技術(shù)工業(yè)示范裝置”和 “煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與示范”。新型水煤漿氣化技術(shù)工業(yè)示范裝置于2003年5月1日正式開工建設(shè)。氣化裝置由中國天辰化學(xué)工程公司設(shè)計(jì)，氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造；耐火磚由洛陽耐火材料研究院高耐廠、新鄉(xiāng)耐火材料廠生產(chǎn)。該工業(yè)示范工程于2005年12月11日～18日通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的現(xiàn)場(chǎng)168h的工業(yè)運(yùn)行考核。2006年1月8日在北京通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定。2006年11月新型多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)獲得2006年度中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。

2.2 生產(chǎn)運(yùn)行情況

四噴嘴水煤漿氣化裝置于2003年5月1日正式開工建設(shè)，2005年7月氣化裝置一次投料成功，打通工藝流程，投產(chǎn)第一年就基本達(dá)到了設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。目前整個(gè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，已全面超過設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，2007年前4個(gè)月累計(jì)生產(chǎn)甲醇99.5kt，2007年甲醇產(chǎn)量將達(dá)到270kt。截至2007年4月，我國首臺(tái)日處理1150t煤的四噴嘴水煤漿氣化爐，在兗礦國泰化工有限公司實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行68d，工藝燒嘴連續(xù)使用85d，創(chuàng)造了該種爐型連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的新紀(jì)錄。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了帶壓連投技術(shù)，到目前為止，累計(jì)進(jìn)行了10次帶壓連投操作，節(jié)省費(fèi)用近700萬。國泰公司新上第3臺(tái)氣化爐（C＃爐）已于2007年9月3日投運(yùn)，從目前的情況來看，拱頂加高后的效果已經(jīng)體現(xiàn)出來：與B＃爐新?lián)Q拱頂磚投運(yùn)初期相比，C＃爐拱頂壁溫普遍下降了約47℃，表明頂部空間耐火磚工作環(huán)境大為改善，預(yù)期能夠達(dá)到良好的使用壽命。

但在裝置運(yùn)行初期，A＃和B＃氣化爐拱頂同時(shí)出現(xiàn)拱頂磚超過正常燒蝕速率的問題。經(jīng)過華東理工大學(xué)和兗礦集團(tuán)有限公司的專家和兗礦國泰化工有限公司全體員工的共同努力，在已有設(shè)備條件下，先后四次改變了拱頂耐火磚／預(yù)制塊的設(shè)計(jì)，調(diào)整了工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化操作，拱頂耐火磚／預(yù)制塊的壽命已大大提高；工藝燒嘴的連續(xù)使用壽命達(dá)到80d；拱頂耐火磚壽命在5000h左右；直筒段耐火磚自從2005年10月以來未更換。至2007年，兗礦國泰化工有限公司四噴嘴水煤漿氣化裝置已經(jīng)運(yùn)行了近2a時(shí)間，雖然在運(yùn)行初期遇到了一些問題，但是通過兗礦國泰化工有限公司和華東理工大學(xué)的通力合作，這些問題都得到了圓滿地解決。目前，該氣化裝置處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，工藝指標(biāo)先進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，操作控制手段先進(jìn)靈活，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，也表明該技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用的條件。

3 四噴嘴水煤漿氣化爐的特點(diǎn)

通過對(duì)長期運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集、對(duì)比、分析，四噴嘴水煤漿氣化爐的特點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）合成氣中有效氣成分（CO＋H2）高，達(dá)到84.9%，比單噴嘴水煤漿氣化爐高2～3個(gè)百分點(diǎn)。

（2）碳轉(zhuǎn)化率高，達(dá)98%～99%。這可從渣中可燃物含量得到驗(yàn)證，單噴嘴水煤漿氣化爐的渣中可燃物一般在25%～40%，而多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐的渣中可燃物一般為5%～15%之間，平均低于10%。

（3）消耗低，噸甲醇耗煤1.35t，而使用單噴嘴水煤漿氣化爐的兗礦魯南化肥廠噸甲醇耗煤1.45t，噸甲醇可節(jié)約0.1t煤。

（4）四噴嘴水煤漿氣化爐更適合大型化。單噴嘴水煤漿氣化爐只有一只工藝噴嘴，提高氣化負(fù)荷受限制，加大燒嘴間隙則影響霧化效果。日處理1500t煤?jiǎn)螄娮焖簼{氣化爐煤漿濃度在59%時(shí)，有效氣體成分不到80%，渣中可燃物在25%以上。

（5）可帶壓連投。多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐一對(duì)燒嘴跳車（非燒嘴自身因素跳車），另外一對(duì)燒嘴可維持后系統(tǒng)生產(chǎn)，跳車燒嘴可進(jìn)行帶壓連投。而單噴嘴水煤漿氣化爐因?yàn)橹挥幸恢还に噰娮欤?dāng)出現(xiàn)跳車時(shí)，該臺(tái)氣化爐需從系統(tǒng)中退出，若系統(tǒng)中只有一臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)，還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的停車，開、停車損失較大。目前已累計(jì)帶壓連投10次，節(jié)省費(fèi)用近700萬元。

（6）高溫?zé)崤級(jí)勖L。多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐由于其流場(chǎng)和單噴嘴水煤漿氣化爐有很大的區(qū)別，決定了高溫?zé)崤級(jí)勖L，其平均使用壽命一般≥2個(gè)月。

（7）氣體凈化處理及渣水處理工藝先進(jìn)，帶灰?guī)默F(xiàn)象有了明顯的改善。與兗礦國泰化工有限公司同期投產(chǎn)的使用單噴嘴水煤漿氣化爐的生產(chǎn)裝置，后系統(tǒng)耐硫變換催化劑因床層阻力大已更換，而國泰公司的耐硫變換催化劑到目前為止使用情況仍然良好，預(yù)計(jì)再使用一年沒有問題。

［1］譚可榮，韓文，趙東志，等.新型水煤漿氣化技術(shù)的開發(fā)及其應(yīng)用 ［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2001，24 （1）：36～39.

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