多元料漿氣化工藝與多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝的分析比較

李俊凱，李 國，吳 鵬，賴智樂

(中國五環工程有限公司 管道室，湖北 武漢 430223)

我國“富煤少油缺氣”的能源結構，決定了煤炭在我國的能源戰略中具有重要作用。怎樣高效利用煤炭，是一項重要課題。煤氣化是煤炭潔凈利用的一種有效途徑，有著良好的經濟效益[1]。按照不同的進料方式，煤氣化可分為粉煤氣化、水煤漿氣化等[2]。水煤漿氣化以其技術相對較成熟、投資較低的優勢，成為目前實際生產應用較多的煤氣化技術。我公司最近幾年承擔的兩個大型項目中，伊泰項目采用多元料漿氣化工藝，湖北三寧項目采用多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝。本文將以這兩個項目為基礎，對多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝與多元料漿氣化工藝進行分析比較。

1 概述

1.1 水煤漿氣化流程

水煤漿氣化主要流程可分為煤漿制備、煤漿輸送、氣化、洗滌、渣水處理5部分。

1-磨煤機；2-磨機出料槽；3-低壓料漿泵；4-料漿儲槽；5-高壓料漿泵；6-氣化爐；7-鎖斗；8-撈渣機；9-黑水過濾器；10-文丘里洗滌器；11-灰水循環泵；12-洗滌塔；13-低壓閃蒸罐；14-真空閃蒸罐；15-灰水泵；16-澄清槽進料泵；17-灰水槽；18-澄清槽；19-過濾機給料泵

圖1 多元料漿氣化流程圖

粉煤、水、添加劑一起進入磨煤機共磨制得濃度約為60%的煤漿，然后煤漿自流至磨機出料槽，經低壓煤漿泵去料漿儲槽，再通過高壓煤漿泵去燒嘴，在燒嘴附近與氧氣一起進入氣化爐，在氣化爐內進行氣化反應，生成以CO、H2為主要成分的粗合成氣。進入激冷室，對熔渣進行淬冷、降溫，對粗合成氣進行冷卻、除灰以及夾帶的部分水分。淬冷、降溫后的爐渣經鎖斗、撈渣機排出。粗合成氣經文丘里洗滌器、洗滌塔除灰、洗滌后送往變換工段。洗滌塔底部部分黑水經灰水循環泵向文丘里洗滌器及氣化爐激冷水分布器供水。 自氣化爐激冷室、洗滌塔排出的黑水分別減壓后送入低壓閃蒸罐。閃蒸氣從低壓閃蒸罐頂部送出，然后進入灰水加熱器與來自脫氣水槽的洗滌塔給水進行換熱冷卻，再經水冷器進一步冷卻后進入低壓閃蒸分離器。不凝氣及飽和水汽視情況經過壓力調節送變換汽提或火炬。低壓閃蒸罐底部黑水進入真空閃蒸罐。真空閃蒸罐排出的黑水經澄清槽進料泵送往澄清槽。真空閃蒸罐頂部出來的閃蒸氣經真空閃蒸空冷器冷凝后進入真空汽液分離器進行氣液分離，冷凝液送往灰水槽。澄清槽底部黑水經過濾機給料泵送往細渣過濾單元。經澄清后的灰水自流入灰水槽，分別送往脫氣水槽、鎖斗沖洗水罐或去渣池。為防止灰水中溶解物在水系統中的累積和沉積，保持灰水中溶解物的平衡，部分灰水去廢水處理。上述即為多元料漿氣化工藝的典型流程，流程圖見圖1。

相比于多元料漿氣化工藝，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝[3]增加了蒸發熱水塔，采用三級閃蒸。蒸發熱水塔為渣水處理工序的關鍵設備，目的是將酸性氣體、不凝性氣體與黑水分離，并回收黑水熱量，由蒸發室及熱水室組成。氣化爐激冷室、旋風分離器、水洗塔排出的黑水經過減壓閥進入蒸發熱水塔中的蒸發室。然后再去低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐閃蒸，經閃蒸罐閃蒸后的黑水送往澄清槽。經澄清后的灰水自流入灰水槽，部分灰水通過低壓灰水泵進入蒸發熱水塔的熱水室，直接與氣化爐激冷室、旋風分離器、水洗塔排出的黑水進行換熱，部分送往鎖斗沖洗水罐、部分去廢水處理。多噴嘴對置式水煤漿氣化流程圖見圖2。

1-磨煤機；2-磨煤機出料槽；3-磨煤機出料槽泵；4-煤漿槽；5-煤漿給料泵；6-氣化爐；7-鎖斗；8-撈渣機；9-黑水過濾器；10-旋風分離器；11-黑水循環泵；12-水洗塔；13-高溫熱水泵；14-高溫熱水罐；15-蒸發熱水塔；16低壓閃蒸罐；17-真空閃蒸罐；18-低壓灰水泵；19-鎖斗沖洗水泵；20-灰水槽；21-澄清槽；22-澄清槽底物泵

圖2 多噴嘴對置式水煤漿氣化流程圖

1.2 兩種水煤漿氣化工藝對比

1.2.1 噴嘴數量及布置方式

多元料漿氣化工藝是西北化工研究院自主開發的一種水煤漿氣化技術，采用單只噴嘴頂噴布置(圖3)。多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝是華東理工大學與兗礦國拓共同研發的一種水煤漿氣化技術，采用四只噴嘴水平對置布置(圖4)。單只噴嘴的煤漿量對氣化爐的氣化效率有一定的影響。單只噴嘴在一定時間內進入氣化爐的煤漿不能太多，否則會降低噴嘴的效果，影響氣化爐的氣化效率。

圖3 單只噴嘴頂噴布置

圖4 四只噴嘴水平對置布置

1.2.2 裝置規模及投資

要保證氣化爐的氣化效率，單只噴嘴的煤漿量不能太大。如果在單只噴嘴相同的煤漿量的情況下，增加噴嘴數量會加大進入氣化爐的煤漿量，從而可以增大裝置的規模，進而降低投資成本。

1.2.3 碳轉化率

與多元料漿氣化工藝相比，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用四只噴嘴水平對置布置，四股煤漿經噴嘴水平進入氣化爐，在氣化爐的中心匯合、發生碰撞，提高了煤漿的混合效果并延長了其在氣化爐內的部分氧化反應時間，反應更充分，碳轉化率因此得以提高。

1.2.4 能量利用率

在蒸發熱水塔中，來自灰水槽的部分灰水直接與氣化爐激冷室、旋風分離器、水洗塔排出的黑水進行換熱，灰水溫度高，傳熱效率高，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在該處的能量利用率要優于多元料漿氣化工藝。

1.2.5 凈化效果

多元料漿氣化工藝中，粗合成氣經文丘里洗滌器、洗滌塔除灰、洗滌，達到初步凈化的目的。多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝則采用混合器、旋風分離器、水洗塔的二次凈化方式，除灰更徹底，凈化效果更佳。

2 設備布置

設備布置應滿足工藝設計和環境保護的要求，保證安全生產，方便操作、檢修和施工，并應考慮當地的地理位置和氣候條件，做到經濟合理。多元料漿氣化工藝與多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在設備布置方面的主要區別在渣水處理框架。

圖5 多元料漿氣化工藝設備布置

多元料漿氣化工藝采用二級閃蒸，渣水處理框架為混凝土結構，總高為33 m。按照工藝流程從上到下布置低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐，澄清槽進料泵和澄清槽均布置在地面上。低壓閃蒸罐在框架的高點，自氣化爐激冷室、洗滌塔排出的黑水有足夠的壓差進入低壓閃蒸罐。之后黑水依靠重力流去真空閃蒸罐，自真空閃蒸罐底部出來的黑水經澄清槽進料泵送入澄清槽，見圖5。

多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用三級閃蒸，渣水處理框架同樣為混凝土結構，總高為30 m。采用步步高布置，從下往上依次為蒸發熱水塔、低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐，蒸發熱水塔和澄清槽布置在地面上，真空閃蒸罐支撐在框架的最高層。蒸發熱水塔底部黑水依靠壓差流入低壓閃蒸罐，低壓閃蒸罐底部黑水同樣依靠壓差送往真空閃蒸罐，自真空閃蒸罐底部出來的黑水自流入澄清槽，見圖6。采用這種布置方式，關鍵要確定蒸發熱水塔與低壓閃蒸罐的高度差、低壓閃蒸罐與真空閃蒸罐的高度差能否滿足工藝要求。蒸發熱水塔采用裙座形式支撐在地面上，低壓閃蒸罐、真空閃蒸罐均為耳式支座形式，分別支撐在EL23.500、EL30.000。通過計算可知，該高度差完全滿足工藝要求。

圖6 多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝設備布置

3 管道設計要點

(1)多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝和多元料漿氣化工藝均使用耐火磚結構，需要定期拆卸氣化爐噴嘴進行檢修。因此，布置氣化爐噴嘴層時，要預留足夠的操作空間和檢修空間。

(2)水煤漿氣化工藝在許多方面均具有優勢，但也存在不足之處，黑水管線堵塞及磨損就是一個較大的問題[4]。當黑水管線中的黑水流速慢時，固體顆粒易沉積在管道內，堵塞管道；當黑水管線中的黑水流速快時，則會導致彎頭易磨損。因此，布置該管道時，要有一定坡度，盡量減少彎頭，避免形成袋形，采用大半徑彎頭并且彎頭最好加厚耐磨處理。

(3)黑水過濾器的作用是除去進入氣化爐的激冷水中的較大顆粒，長周期運行后，激冷水管線和黑水過濾器均容易結垢，造成激冷水流量下降，影響系統穩定。因此，黑水過濾器需一開一備，兩路激冷水管線在中間位置匯合，閥門距離三通最近，以減少固體顆粒的沉淀。

(4)燒嘴層所需儀表橋架、儀表箱及儀表空氣管布置在該層樓面下。

4 結語

水煤漿氣化工藝在許多方面均具有優勢，技術相對較成熟、投資較低，在實際生產應用較多。相比于多元料漿氣化工藝，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝采用4只噴嘴水平對置布置、增加一級閃蒸、在蒸發熱水塔中直接換熱等設計。這些優化設計使得多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝在裝置規模及投資、碳轉化率、能量利用率、凈化效果等方面具有一定優勢。