幾種水煤漿氣化技術的分析比較

王杰杰

(新疆中泰化學股份有限公司 新疆烏魯木齊 830001)

我國是一個富煤貧油的國家，充分發揮煤化工優勢，對煤炭進行清潔利用，是我國國家的政策方向。我國煤化工行業通過多年的發展，以煤為原料，替代原油生產基礎化工產品的技術日益成熟，近幾年投產的煤制烯烴和煤制油項目都體現了其技術的成熟性，特別是煤制烯烴項目還體現了良好的經濟性。

煤氣化技術是煤化工裝置的核心部分，煤氣化技術的選擇直接影響裝置的穩定運行和企業的經濟效益。在各種煤氣化技術中，水煤漿氣化技術是目前相對較成熟的氣化技術，在實際生產運行中應用較多，目前較流行的幾種水煤漿氣化技術分析如下。

1 水煤漿氣化技術簡介

(1)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是由華東理工大學與兗礦集團聯合研發，原料煤磨制成水煤漿后，經泵加壓送至氣化爐上部4只水平對置的噴嘴內，采用下行制氣，氣化爐為內襯耐火磚結構，激冷流程。

與其他水煤漿氣化技術相比，多噴嘴對置式水煤漿氣化爐引入了噴嘴對置碰撞的理念，增強了煤漿進入爐內以后的混合效果并延長其在爐內的停留時間，同時在激冷洗滌和除塵方面均有很大的改進，有效降低了合成氣攜帶的灰塵量。

(2)GE德士古水煤漿加壓氣化技術

我國于20世紀80年代引進GE德士古水煤漿加壓氣化技術，屬氣流床加壓氣化，原料煤經磨制成水煤漿后，由泵加壓送至氣化爐頂部，單噴嘴下行制氣，氣化爐燃燒室采用內襯耐火磚結構，燃燒室下行合成氣的熱量回收方式分為全激冷流程和輻射廢熱鍋爐加激冷流程。

(3)晉華爐氣化技術

晉華爐氣化技術是在清華爐氣化技術的基礎上發展起來的第3代水煤漿水冷壁加壓氣化技術，由清華大學和陽煤集團共同研發，屬氣流床加壓氣化，原料煤經磨制成水煤漿后，由泵加壓送至氣化爐頂部，單噴嘴下行制氣。晉華爐氣化技術將傳統的水煤漿氣化技術燃燒室內的耐火磚改成了水冷壁，同時將清華爐的激冷流程改為輻射廢熱鍋爐加激冷流程，利用合成氣的高位熱副產高壓飽和蒸汽，與GE德士古水煤漿加壓氣化技術的輻射廢熱鍋爐流程類似。

2 不同水煤漿氣化技術氣化爐結構對比分析

2.1 不同水煤漿氣化技術的相同點

上述3種氣化技術均屬于水煤漿加壓氣化技術，其操作壓力均可達到6.5 MPa。此外，水煤漿加壓氣化技術均有工藝流程短、原料輸送穩定的優點。但由于采用水煤漿工藝，相對于干煤粉氣化技術而言，均存在工藝噴嘴磨蝕較快的問題，所以3種氣化技術均需定期對工藝噴嘴進行更換和維護。

2.2 不同水煤漿氣化技術氣化爐結構不同點分析

2.2.1 工藝噴嘴數量不同

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用4只噴嘴水平對置布置，而晉華爐氣化技術和GE德士古水煤漿加壓氣化技術均采用單噴嘴頂噴布置。

噴嘴數量的不同，對氣化爐的氣化效率和大型化具有一定的影響。在相同入爐煤漿流量的情況下，增加噴嘴數量可以降低單只噴嘴的煤漿流通量；在相同的噴嘴煤漿流通量的情況下，噴嘴數量的增加提高了入爐煤漿的流量，為裝置的大型化奠定了基礎。此外，噴嘴的煤漿流通量對噴嘴的霧化效果有很大影響，即隨著噴嘴煤漿流通量的增大，會逐漸降低噴嘴的霧化效果，從而降低氣化爐的碳轉化率，影響其氣化效率。因此，單噴嘴氣化爐的煤漿流通量不能太大，否則會影響氣化爐的整體效率。

噴嘴數量的不同，對系統的穩定性具有一定影響。噴嘴數量的增加，會增加噴嘴的故障點，增大噴嘴故障的概率。但由于噴嘴數量的增加，在一對噴嘴出現故障時，不會造成氣化爐停運，只是降低了氣化爐的運行負荷，在故障解除后可采用帶壓聯投(目前有單對噴嘴連續運行近24 h的案例)予以恢復。若氣化爐只有1只噴嘴，在噴嘴系統出現故障時，則須停車處理。此外，在系統停車倒爐檢修時，多噴嘴具有噴嘴逐對停、備爐逐對開的優點，可減輕全系統的波動。

噴嘴數量的不同，對投資、檢修量具有一定影響。由于噴嘴是氣化爐最重要的部分，對管道選材、閥門要求都是最高的，所以噴嘴數量的增多，會造成管道材料、閥門數量的增加，從而增大了裝置的投資。此外，由于噴嘴屬于需定期維護的設備，噴嘴數量的增加會增大檢修量和維護成本。

2.2.2 噴嘴布置方式的不同

在3種煤氣化技術中，晉華爐氣化技術和GE德士古水煤漿加壓氣化技術均采用單噴嘴頂噴布置，原料煤漿由頂部豎直噴入氣化爐內；而多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用4只噴嘴水平對置布置，原料煤漿由水平對置噴嘴分別進入氣化爐內。

煤漿通過水平對置布置的噴嘴進入氣化爐后，會與對面噴入的煤漿發生碰撞、折返而改變流向，相對于單純的單噴嘴頂噴而言，增強了原料的混合效果并延長了煤漿在爐內的停留時間，提高了氣化爐的碳轉化效率。但若對置式噴嘴同心度偏差過大，容易造成對爐磚的損害，所以對氣化爐的加工要求和噴嘴的安裝要求相對較高。

2.2.3 噴嘴結構形式的不同

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用外混式結構的噴嘴，GE德士古水煤漿加壓氣化技術采用內混式結構的噴嘴，晉華爐氣化技術采用點火一體化內混式結構的噴嘴。

無論是多噴嘴對置式水煤漿氣化技術還是GE德士古水煤漿加壓氣化技術，由于采用的是非點火一體化噴嘴，所以在氣化爐烘爐結束后、開始點火時，均需進行噴嘴的更換。而晉華爐氣化技術采用了點火一體化噴嘴，在整個過程中無需進行噴嘴的更換，可以避免因噴嘴更換而引起的潛在危險。

與外混式噴嘴相比，內混式噴嘴的混合效果較好，但煤漿通過水平對置布置的噴嘴進入氣化爐后，還會發生煤漿的碰撞和混合，彌補了外混式噴嘴的缺陷。此外，內混式噴嘴由于煤漿與氧氣在噴嘴內進行了預混合，改變了煤漿的流動方向，會加速噴嘴頭部的磨損，相對于外混式噴嘴，對噴嘴的使用周期會產生一定的影響。

2.2.4 燃燒室耐火襯里的不同

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術和GE德士古水煤漿加壓氣化技術的燃燒室均采用耐火磚襯里，而晉華爐氣化技術采用水冷壁作為耐火襯里。

燃燒室耐火襯里的不同，對氣化爐投爐時間具有一定影響。采用耐火磚作為襯里，是利用耐火磚襯里的蓄熱來進行投料點火，一般投料前需要的烘爐時間較長。而采用水冷壁耐火襯里時，氣化爐采用燃料氣伴燒方式進行點火，無需長時間的烘爐準備，點火準備時間短。

燃燒室耐火襯里的不同，對氣化爐襯里的維修工作量有一定影響。根據目前運行的情況，多噴嘴對置式水煤漿氣化爐的拱頂磚為耐火襯里最薄弱的部位，運行約8 000 h需全部更換；GE德士古水煤漿加壓氣化爐的錐底磚為耐火襯里最薄弱的部位，目前約運行半年需全部更換；而水冷壁耐火襯里無需進行頻繁的更換，但由于水冷壁向火面焊有大量的鉚釘用于固定耐火料，會隨著爐壁不斷的侵蝕而出現損壞，故每次檢修時需對出現問題的鉚釘進行更換或修補，并對耐火料進行修補。

2.2.5 冷卻室冷卻方式的不同

對于冷卻室的冷卻方式，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術采用冷卻水激冷的方式，晉華爐采用輻射廢熱鍋爐加激冷的方式，GE德士古水煤漿加壓氣化技術采用全冷卻水激冷方式或輻射廢熱鍋爐加激冷的方式。

冷卻室冷卻方式的不同，造成對合成氣熱量回收利用方式的不同。輻射廢熱鍋爐加激冷的方式可利用輻射廢熱鍋爐回收合成氣的高位熱能以副產高壓飽和蒸汽，將合成氣冷卻至700 ℃以后再用冷卻水激冷。全激冷流程主要通過水汽方式回收熱量，在后工序中副產蒸汽。

冷卻室冷卻方式的不同，對合成氣的水氣比產生影響。采用輻射廢熱鍋爐加激冷的方式，其粗合成氣的水氣比較低，而全激冷流程生產的粗合成氣的水氣比相對較高。粗合成氣水氣比的不同，對后續變換工序的設計有較大影響，水氣比過低，可能無法滿足變換工序的要求，需通過補充部分蒸汽進行水氣比的調整。

對于多噴嘴對置式水煤漿氣化技術與GE德士古水煤漿加壓氣化技術的全激冷流程，冷卻室的結構也有所不同。GE德士古水煤漿加壓氣化技術在冷卻室內設置了合成氣上升管，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術未設置上升管，而是設置泡罩條。由于多噴嘴對置式水煤漿氣化技術充分利用了下部冷卻室的空間，降低了氣體的流速，利用泡罩條破碎合成氣攜帶的氣泡，從而有效降低了合成氣帶水的概率，有利于系統液位的穩定。

3 不同水煤漿氣化技術物耗及運行穩定性分析

3.1 碳轉化率

碳轉化率是衡量原料煤在氣化爐內利用率的重要指標，其最直接的表現為氣化爐粗渣、細灰中的含碳量。

3種氣化技術均采用液態排渣技術，即氣化爐內的反應溫度均在灰渣的灰熔點以上。理論上講，只要給原料煤漿充足的反應時間，煤中的碳均可完全轉化，之所以實際運行中存在碳無法完全轉化的問題，是由于部分碳在爐內停留時間不足所致。

原料煤漿在爐內停留的時間受噴嘴布置形式影響較大。對于噴嘴頂置的布置形式，噴嘴噴出的煤漿以高速進入爐內，部分煤漿顆粒會直接流向冷卻室而未進行反應或反應時間不足。特別是隨著爐型的大型化后，由于爐體直徑增大，錐底直徑相應增大，直接流出或反應時間不足的煤漿顆粒會更多。而在多噴嘴對置式水煤漿氣化技術中，原料煤漿的噴射角度不是直接對向冷卻室，從噴嘴噴出的煤漿在爐內經碰撞后改變流向，部分折轉流向冷卻室，通過此過程延長了煤漿在爐內的平均停留時間并減少了直接流入冷卻室的煤漿顆粒，從而提高了原料煤的碳轉化率。

在實際運行中，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的粗渣含碳質量分數基本保持在5%以下；而頂置噴嘴氣化技術粗渣的含碳質量分數在5%以下的較少，且隨著爐型的增大，粗渣中含碳量有上升的趨勢。

3.2 不可再利用能量損失分析

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術與GE德士古水煤漿加壓氣化技術全激冷流程基本類似，不可再利用的能量損失也基本相同，最大的不同在于渣水處理工段。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術將灰水直接與閃蒸的黑水進行換熱，而GE德士古水煤漿加壓氣化技術采用換熱器進行間接換熱，因此多噴嘴對置式水煤漿氣化技術在此處的能量回收效果優于GE德士古水煤漿加壓氣化技術。

爐壁產生的能量損失是不可再利用的，耐火磚氣化爐的爐體表面溫度在200 ℃左右，而水冷壁氣化爐的爐體表面溫度在100 ℃左右，但水冷壁氣化爐為了降低爐壁溫度，需要通過副產蒸汽帶走部分熱量。根據目前運行的情況，水冷壁主要副產0.5 MPa或1.0 MPa飽和蒸汽，副產此部分飽和蒸汽增加了原料的消耗，通過計算，副產1 t飽和蒸汽需消耗約200 m3(標態)的CO和100 m3(標態)的O2。

輻射廢熱鍋爐流程利用合成氣中的高位熱能副產高壓飽和蒸汽(4.0～10.0 MPa)，1 000 m3(標態)有效氣可副產高壓飽和蒸汽0.6 t左右；出輻射廢熱鍋爐的合成氣溫度低于700 ℃，利用水進行冷卻，大部分熱量被水汽化吸收，攜帶水汽的粗合成氣進入后工序，熱量在后工序通過副產蒸汽得到進一步回收。激冷流程則完全利用激冷水進行冷卻，其大部分熱量被水汽化吸收，隨合成氣進入后工序副產蒸汽進行回收，少部分熱量進入洗滌水中。

輻射廢熱鍋爐流程和激冷流程不可再利用的能量損失為進入洗滌水中的熱量，包括渣水處理階段高壓節流造成的損失、低壓閃蒸和真空閃蒸造成的熱量損失以及沉淀池造成的熱量損失?？梢院唵蔚孛枋鰹檫M入渣水處理工段的熱水，除了閃蒸出的氣體的熱量可回收利用之外，其他的熱量均為不可再利用的熱損失。由于全激冷流程的水量大于輻射廢熱鍋爐的水量，所以全激冷流程的熱量損失大于輻射廢熱鍋爐流程。

進入合成氣中的熱量主要在變換工段進行回收，用于副產2.0 MPa、1.0 MPa和0.5 MPa的蒸汽，剩余熱量由循環水帶走而造成不可再利用損失。在輻射廢熱鍋爐流程中，由于大部分的熱量已被輻射廢熱鍋爐回收，所以在后工序副產的其他等級蒸汽相對于全激冷流程少，由循環水帶走的剩余熱量也少。

綜上所述，在輻射廢熱鍋爐流程中，合成氣水汽比小，所以在后工序需要冷卻水冷卻的水汽少，不可再利用能量損失少；由于進入渣水處理工段的熱水少，不可再利用能量損失也少。

3.3 影響長周期運行的因素分析

3.3.1 噴嘴使用壽命的影響

基于所輸送原料的特性，無論是哪種水煤漿氣化技術，噴嘴都存在磨蝕的問題，同時運行環境也會對噴嘴使用壽命產生影響。從目前運行業績看，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的噴嘴使用壽命一般在90 d左右，最長運行周期超過150 d，但大多數企業以穩定生產為目標，均進行定期的計劃檢修，一般計劃檢修周期為90 d。GE德士古水煤漿加壓氣化技術噴嘴一般在使用60 d左右即進行計劃檢修。晉華爐氣化技術的噴嘴使用壽命一般超過100 d，最長使用壽命超過150 d，但均為小型氣化爐，未有大型氣化爐的運行數據。

噴嘴使用壽命還受噴嘴的結構形式、工作環境的影響。在3種氣化爐中，只有多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的噴嘴采用外混式，其他2種氣化技術均采用內混式，從理論上講，內混式噴嘴的磨損比外混式嚴重，但混合效果好。晉華爐氣化技術的噴嘴所用冷卻水為水冷壁水，溫度較高，在200 ℃左右，據專利商介紹，此種改進可有效延長噴嘴的使用壽命，而其他2種氣化技術的噴嘴均采用30 ℃的冷卻水進行冷卻保護。

3.3.2 耐火襯里對運行周期的影響

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐和GE德士古水煤漿加壓氣化爐均采用耐火磚作為耐火襯里，但由于結構形式的不同，2種爐型耐火磚的使用壽命也不同。多噴嘴對置式水煤漿氣化爐最薄弱的耐火磚是拱頂磚，目前正常的更換周期為8 000 h，而筒體磚基本滿足2年的使用要求。GE德士古水煤漿加壓氣化爐最薄弱的耐火磚是錐底磚，基本每半年更換1次，筒體磚基本可滿足2年的使用要求。

晉華爐采用水冷壁結構，無需定期進行維護，只需在每次氣化爐停爐時進行內部檢查，若水冷壁有損害進行修補即可， 但是若水冷壁出現磨損泄漏等故障時，檢修的難度較耐火襯里高。

3.3.3 冷卻室對運行穩定性的影響

晉華爐氣化技術和GE德士古水煤漿加壓半輻射廢熱鍋爐氣化技術采用輻射廢熱鍋爐回收熱量，但由于2種氣化技術均采用液態排渣，輻射廢熱鍋爐表面不可避免地存在黏渣和積灰問題，隨著運行時間的延長，對換熱效果的影響逐漸增大，對運行工況產生影響。同時，渣和灰對輻射廢熱鍋爐會產生腐蝕現象，國內某企業最早運行的輻射廢熱鍋爐已經因腐蝕而產生泄漏現象，且維修費用較高。

采用全激冷流程的關鍵點在于激冷環及下降管的保護，運行過程中要防止激冷環的部分堵塞而造成激冷水分布不均，從而引起下降管損壞，國內運行的氣化裝置中發生過類似事故。

3.4 裝置大型化分析

隨著技術的不斷發展，在保證技術成熟、穩定運行的基礎上，設備的大型化是企業降低投資成本和運行能耗的有效措施，設備大型化是所有企業及專利商共同追求的目標。

在目前運行的項目中，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術最大的運行業績為3 000 t/d，GE德士古水煤漿加壓氣化技術為2 000 t/d，晉華爐氣化技術為1 000 t/d。

4 結語

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術和GE德士古水煤漿加壓氣化技術與晉華爐氣化技術相比，應用業績較多，技術相對成熟，生產運行中的眾多問題得以暴露和解決。與GE德士古水煤漿加壓氣化技術、晉華爐氣化技術相比，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術在碳轉化率、大型化及裝置投資、運行能耗等方面具有一定優勢。晉華爐氣化技術在合成氣熱量回收利用方面比全激冷流程具有一定優勢，但輻射廢熱鍋爐流程生產的合成氣水氣比較低，在變換工段的設計過程中需注意其造成的影響。

我國煤化工行業經歷了多年的發展，在氣化技術的選擇方面曾付出過沉痛的代價。因此，氣化技術的選擇首先應建立在技術成熟可靠、運行穩定的基礎上，再從能耗等方面進行綜合考慮。