盈德清華爐水煤漿氣化工藝的影響因素研究

何正兆，張華偉，蘇萬銀，唐進謙

（盈德氣體（上海）有限公司，上海 200137）

引言

為了充分利用我國豐富的煤炭資源發展煤化工，自20 世紀80年代開始，我國就引進了Texaco 水煤漿氣化技術，用于生產甲醇和合成氨。隨著其工業化應用的推廣，為了更好地提高水煤漿氣化技術的煤氣化效率，完善水煤漿氣化技術，國內許多科研機構及研發人員進行了相關研究，并推出了擁有自主知識產權的水煤漿氣化技術。

2001年，清華大學開始研發第一代清華爐（耐火磚水煤漿激冷流程），采用分級給氧技術實現非熔渣-熔渣氣化，2006年首臺氣化爐一次開車成功，該技術當時達到國際先進水平。

2008年，清華大學研發了第二代清華爐（水冷壁水煤漿激冷流程），采用水冷壁耐火襯里，擴大了煤種適應性，提高了氣化爐安全性和運行周期，2011年8月清華爐水冷壁氣化技術示范工程一次投料成功。

2011年5月，盈德氣體集團通過技術轉讓的方式成為清華爐的共同專利權人，并組建北京盈德清大科技有限責任公司（以下簡稱盈德清大），取得了清華大學的授權，開始經營清華爐煤氣化技術，并與清華大學共同進行后續相關技術的研發和推廣。

2016年，盈德清大開發第三代盈德清華爐（水冷壁水煤漿廢鍋流程），采用輻射廢鍋回收氣化室出來的高溫合成氣熱能并副產高壓蒸汽，進一步提高氣化效率。

盈德清大現已申請并擁有發明專利7 項，實用新型專利10 項，在海外14 個國家申請了專利。

1 盈德清華爐水煤漿氣化工藝原理

盈德清華爐技術特點可概括為：爐內（水冷壁）進行氣化反應，爐外（水冷壁汽/水系統）通過副產蒸汽移走部分熱量。

1.1 爐內氣化反應

水煤漿和氧氣通過工藝燒嘴進入氣化爐內，在氣化爐燃燒室的高溫、高壓環境下，氧氣和煤發生劇烈的反應，該氣化過程是一個非常復雜的耦合了一系列物理和化學變化的過程，包括脫水分和揮發分、燃燒、氣化幾個階段，且各個階段交混進行。

煤漿顆粒在氣化爐內的氣化過程經歷以下步驟：顆粒的振蕩運動、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發與顆粒中揮發分的析出、揮發產物的氣相反應、煤焦的多相反應、灰渣的形成。

氣化反應是串并聯反應同時存在的極為復雜的反應體系，可分為一次反應與二次反應：（1）一次反應區(燃燒區)：進入該區的反應物有工藝氧、煤漿以及回流流股和折返流流股中的CO、H2等。水煤漿入爐后，首先進行霧化，同時接受來自火焰、爐內壁、高溫氣體、固體物等的輻射熱以及回流流股、折返流流股的熱量。煤漿瞬間蒸發，煤粉發生熱裂解并釋放出揮發分。裂解產物、揮發分及其他易燃組分在高溫、高氧含量下迅速完全燃燒，放出大量熱。這個過程進行得相當短促，其結束的標志是氧消耗殆盡。（2）二次反應區：進入二次反應區的組分有煤焦、CO2、CH4、H2O 以及CO、H2等組分，這時主要進行的是煤焦、CH4等與H2O、CO2發生的氣化反應，生成CO 和H2，這是有效氣成分的重要來源。（3）一次反應與二次反應共存區：氣化爐中射流區、回流區、折返流區共存，時刻進行質量交換，再加上湍流的隨機性，射流區的反應組分及產物都有可能進入撞擊區、回流區、折返流區，導致這些區域既進行一次反應，也進行二次反應。二次反應以吸熱為主，致使發生二次反應的區域溫度較低。

氣化爐中主要的化學反應包括反應（1）～（11）：

熱裂解反應：

揮發分燃燒：

部分氧化反應：

氧化反應：

非均相水煤氣反應：

變換反應：

甲烷化反應：

CO2還原反應：

加氫反應：

同時還可能發生式（12）～（17）的副反應（不限于）：

氣化爐中的總反應式可寫為式（18）：

氣化爐內的反應相當復雜，既有氣相反應，又有氣- 固雙相反應。煤氣化總的反應是體積增大的反應，從化學平衡來講，提高壓力對平衡不利，但壓力的提高增加了反應物的濃度，對提高反應速度是有利的。

總之，在氣化爐燃燒室內，煤中的碳和氧氣、水等在1300 ℃～1700 ℃高溫條件下，發生復雜的氧化還原反應，并有一系列的副反應發生，最終生成以CO 和H2為主的粗合成氣。

1.2 氣化爐與水冷壁系統之間的熱交換

在氣化爐內進行氣化反應的同時，氣化爐與水冷壁的汽/水系統也進行著熱交換，在氣化爐爐溫及水冷壁掛渣厚度一定的情況下，這個熱量隨著氣化爐爐溫及水冷壁掛渣厚度的變化而變化。

2 研究模型

2.1 研究模型簡化原則

根據盈德清華爐的工藝與反應機理，研究模型的建立需要考慮以下假設[1]：（1）爐內流動為平推流，不考慮各相的動量守恒；（2）爐內的壓力變化不大，在此假設爐內壓力維持不變；（3）一維假設，假設氣體在徑向無濃度和溫度梯度；（4）煤顆粒表面和內部溫度一致；（5）軸向流速均勻。

2.2 研究模型的建立

盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化工藝主要由水煤漿制備、煤漿氣化、黑水閃蒸及灰水回收組成，本研究側重研究氣化輸入主要條件（煤質組成、煤漿質量分數、操作溫度、水冷壁等因素）對氣化主要指標（如比煤耗、比氧耗、合成氣氣體組成、合成氣有效氣含量等）的影響，因此建立的研究模型見圖1。

圖1 盈德清華爐模擬計算流程

模塊CX1 用于調整煤的組成，模塊MIX1 用于添加劑添加，模塊MIX2 用于煤、水及氧氣混合，模塊DECOMP 用于將常規固體煤按照質量平衡分解為常規組分，氣化爐GASIFIER 模塊GIBBS/RCT 用于常規組分在一定壓力及溫度下進行反應平衡計算及調整，模塊SEP 用于熔渣與氣相的分離，模塊HX/SEP 用于水冷壁副產蒸汽系統，熱流QDECOMP 用于煤分解及氣化反應的熱傳遞，熱流QST1 用于氣化爐與水冷壁汽/水系統的熱傳遞。

2.3 物性方法選擇

在進行模擬計算時，一般將所涉及的組分分成非常規組分和常規組分兩大類。定義煤為非常規組分(Nonconventional)。非常規組分固體性質模型中選用煤的焓及密度模型(Enthalpy and Density)，模型名稱選用常用煤的焓模型(HCOALGEN)與煤密度模型(DCOALIGT)，采用Peng -Robinson 方程來計算物質的相關熱力學性質[2]。

2.4 研究模型中采用的基準煤

本研究選用目前荊門盈德氣體有限公司使用的神府煤作為研究基準，其灰熔融性溫度（流動溫度）為1250 ℃，低位發熱量為24.19 MJ/kg，煤漿的質量分數為60%，其余煤質分析指標見表1。

表1 模型基準煤的煤質分析%

3 氣化工藝的影響因素研究分析

3.1 研究基準

氣化爐操作基準條件暫按壓力6.5 MPa、溫度1300℃考慮，氣化爐投煤量暫按收到基煤62500 kg/h（1500 t/d）考慮（對應氣化爐正常操作時水冷壁副產蒸汽約3000 kg/h）。

3.2 模型計算結果與工廠運行的數據對比

本研究選用模型的計算結果與工廠實際運行數據的對比見表2。

表2 模型計算結果與工廠實際運行數據的對比

從表2 可以看出，選用模型的計算結果與工廠實際運行數據比較符合。

3.3 煤中碳含量對氣化工藝的影響

以基礎煤種為基準，調整煤中碳含量，相應調整煤中氧含量，使“碳含量+ 氧含量”保持定值不變，其他組分因變化不大暫不研究。煤中碳含量對氣化工藝主要指標的影響見表3。

煤中碳含量與比氧耗、比煤耗的關系見圖2，與合成氣中各氣體組分含量的關系見圖3。

由表3、圖2、圖3 可知，煤中碳含量對氣化工藝指標有著重要的影響，隨著碳含量增加（其他參數暫按不變化考慮），氣化指標會變得更加友好，比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會下降，這將會提高項目的預期收益。

圖2 煤中碳含量與比氧耗、比煤耗的關系

圖3 煤中碳含量與各氣體組分含量的關系

表3 煤中碳含量對氣化工藝主要指標的影響

3.4 煤中灰分含量對氣化工藝的影響

以基礎煤種為基準，調整煤中灰分含量，同時相應調整煤中碳、氧含量，使得“灰分含量+（碳含量+氧含量）”保持定值不變，其他操作參數不變，得到的主要氣化指標對比見表4。

煤中灰分含量與比煤耗、比氧耗的關系見圖4，與合成氣中各氣體組分含量的關系見圖5。

由表4、圖4、圖5 可以看出，煤中灰分含量對氣化工藝指標有著重要的影響，隨著灰分含量增加（其他參數暫按不變化考慮），氣化指標如比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會相應增加，這將會降低項目的預期收益。

表4 煤中灰分含量對氣化工藝主要指標的影響

圖4 煤中灰分含量與比煤耗、比氧耗的關系

圖5 煤中灰分含量與合成氣中各氣體組分含量的關系

3.5 水煤漿質量分數對氣化工藝的影響

在不考慮煤種成漿性能的前提下，調整水煤漿的質量分數，其他操作參數不變，其主要氣化指標的對比見表5。

表5 水煤漿質量分數對氣化工藝主要指標的影響

由表5 可知，水煤漿質量分數對氣化工藝指標有很大的影響，因此在項目可研階段選擇煤種時，應盡可能選擇價格便宜、成漿濃度高的煤種，以提高項目的經濟效益。

3.6 操作溫度對氣化工藝的影響

在不考慮煤灰熔融性溫度對操作溫度影響的前提下，調整操作溫度，其他操作參數不變，其主要氣化指標對比見表6。

表6 操作溫度對氣化工藝主要指標的影響

操作溫度對比煤耗、比氧耗的影響見圖6，對合成氣中各氣體組分的影響見圖7。

圖6 操作溫度對比煤耗、比氧耗的影響

圖7 操作溫度對合成氣中各氣體組分含量的影響

由表6、圖6、圖7 可知，操作溫度對氣化工藝指標有著重要的影響，隨著操作溫度上升，在不考慮氣化參數惡化（如氣化操作溫度與所用煤種灰熔融性溫度不匹配）的條件下，氣化指標如比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會上升，因此需要根據實際情況選擇合適的操作溫度[3]。

目前運行項目中盈德清華爐的操作溫度是根據煤的灰熔融性溫度來確定的，但是原料煤是時刻變化的，煤的灰熔融性溫度也不會固定，因此需要管理人員合理管控原料煤的采購，操作人員需精心操作，特別關注相關參數的變化。

3.7 氣化爐水冷壁副產蒸汽量對氣化工藝的影響

僅調整氣化爐水冷壁的副產蒸汽量（本工況下氣化爐正常操作時水冷壁副產蒸汽約3000 kg/h，在開始操作時由于控制不當，副產蒸汽量曾達到7000 kg/h），其他操作參數不變，其主要氣化指標對比見表7。

表7 氣化爐水冷壁副產蒸汽量對氣化工藝主要指標的影響

水冷壁副產蒸汽量反映了氣化爐水冷壁的工作狀況，副產蒸汽量越大，說明氣化爐燃燒室向外散發的熱量越多，也說明氣化爐內水冷壁渣層厚度變薄，掛渣不好。這個參數側面反映了氣化爐內的結渣情況及氣化爐操作溫度（一般控制在比煤灰熔融性溫度高50 ℃）是否適宜，是指導水冷壁氣化爐操作的一個重要參數。

4 結論及建議

利用過程模擬軟件，建立了盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化的模型，模型計算結果與工廠運行數據的對比表明，該模型可以較好地反映運行工廠實際生產情況，能指導運行工廠的操作指標優化及新建項目的設計研究。從模擬計算的結果來看，煤質組成、水煤漿質量分數、氣化操作溫度、水冷壁副產蒸汽量是影響氣化工藝指標的主要因素，在保證能夠順利泵送和良好霧化效果及合適的碳轉化率的前提下，應盡可能提高煤漿質量分數，同時為保證水冷壁正常運行，應選擇合適的氣化操作溫度，只有這樣才能發揮盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化工藝的優勢。