对水煤浆加压气化工艺技术的评述

2008-11-20 13:08:13| 分类： 默认分类 | 标签： |字号大中小 订阅

1 水煤浆加压气化工艺技术的现状

  水煤浆加压气化是美国德士古公司开发并应用于工业化生产的。国外已建成投产的装置有6套，15台气化炉。国内已建成投产的装置有7套，21台气化炉；正在建设、设计的装置还有4套，13台气化炉。这些已建成投产的装置最终产品有合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、氢气、一氧化碳、燃料气、联合循环发电，各装置自建成投产后，一直连续稳定、长周期运行。该工艺技术的专利许可证费已有大幅度降低，装备国产化率已达90%以上，由于国产化率高，装置投资相应降低。一套投煤量500 t/d，气化压力为4.0MPa的气化炉系统投资约7000万元。一套投煤量1000t/d，气化压力为4.0MPa的气化炉系统投资约11000万元。一套投煤量750t/d，气化压力为6.5MPa的气化炉系统投资约9000万元。

  近年来国内有关大专院校和科研单位还开发了具有自主知识产权的水煤浆气化工艺技术。华东理工大学开发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术，西北化工研究院开发的多元料浆加压气化技术，都各有其特点。

2   特点及优点

  （1）水煤浆气化对煤质的适应性较广。烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点劣质煤、石油焦等均能用作气化原料。气化温度一般比在还原性气氛下的灰熔点T4高50～100℃，由于耐火砖衬里承受高温抗渣的限制，一般要求煤的灰熔点在还原性气氛下T4＜1300℃。气化温度下的煤灰粘度要求在25~40Pa.s之间，且变化平稳。对较高灰熔点的煤，也可以采用高灰熔点煤与低灰熔点煤混配煤或加石灰石作助熔剂以降低灰熔点的办法来解决。

  原料煤中含氯、氟等卤素低一些比较好，否则在气化及后续系统的设备、管道选材上需要特别注意。

  原料煤的成浆性必须作实验室试验，成浆性好的煤，其煤浆流动性能好，气化用的氧气消耗少。要求制成水煤浆的煤浆浓度在60%以上。影响制成高浓度水煤浆的一个重要因素是原料煤的内在水分，要求内在水分低于10%，否则制不成高浓度的水煤浆。西北化工研究院曾对兖矿南屯煤矿洗煤厂的煤泥作过制成高浓度水煤浆的研究，证明洗煤厂煤泥可以制成符合加压气化的水煤浆，这样便可以降低生产成本。原料煤的可磨性指数（HGI）要高，原料煤容易磨细，磨煤消耗的功率就少，成浆性能好。

  原料煤中灰份含量要低，一般煤中灰分含量从20%降至6%，可节省煤耗5%左右，氧耗10%左右。有的厂已采用煤灰含量低的洗煤作原料，效果比较好。

  （2）气化压力从2.5到8.5MPa皆有工业性生产装置在稳定长周期运行。采用6.5MPa气化有利于采用甲醇等压合成工艺，采用8.5MPa气化有利于采用氨等压合成工艺，以降低能耗，节省投资。

  （3）气化系统的热利用，有两种形式，一种是废热锅炉型，可回收煤气中的热量副产高压蒸汽，适用于联合循环发电，另一种是水激冷型，可制得水气比高达1.4的合成气，满足后续工序一氧化碳变换的需要，变换工序不需要外供蒸汽。适用于煤化工制合成氨、氢气、甲醇等化工产品。

  （4）气化炉生产能力比较大，目前最大的气化炉日投煤量为2000t，国内最大的气化炉日投煤量为1000t，直径 3200mm。

  （5）气化系统不需要外供蒸汽及输送气化原料用的N2或CO2。

  （6）气化系统总热效率高达94%～96%，高于Shell干法气化（为91%~93%）和GSP干法气化（为88%～92%）。

  （7）气化炉结构简单，为耐火砖衬里，气化炉内无转动装置或复杂的膜式水冷壁内件，所以制造方便，造价低。同时，因为采用热壁炉，内部热容量比较大，耐火砖升温至1000℃以上后，即可直接喷水煤浆投料，生产安全可靠，不像冷壁炉那样为了开工点火，防止熄火和保证安全生产，在开停车和正常生产时都需要连续燃烧一部分液化气或燃料气。

  （8）制备和输送水煤浆的流程比Shell法和GSP法制备粉煤和输送粉煤流程短，水煤浆泵送入气化炉比干法输送粉炉入炉简单得多，并且安全可靠，投资省。

  （9）气化炉系统在有备用炉的情况下，气化装置运转率可高达100%，远高于单台气化炉（不设备用炉）的Shell法（只有74%～78%），水煤浆法单台气化炉的年运转率与Shell法单台气化炉相仿。

  （10）煤气除尘比较简单，只需要一个文氏管洗涤器和一台洗涤塔就可以了，不需要像Shell法采用国内尚不能制造且价格昂贵、需经常更换内件的高温高压飞灰过滤器。

  （11）碳转化率高达96%~98%，如采用多喷嘴对置式加压气化炉，碳转化率可达到99%。

  （12）粗渣可用作建筑材料，细渣可作锅炉用燃料，如返回制浆系统，则更为经济。排出的一小部分灰水处理简单，处理后排出对环境无污染。

  后续工序变换排出的部分冷凝液及工厂排出的废水，可作为制备水煤浆的用水。

气化后合成气中的H2S、COS等酸性气体可在后续脱除酸性气体工序中脱除并回收利用。

  总的来说，水煤浆加压气化工艺属于洁净煤气化工艺技术。

3  缺点和存在的问题

  （1）气化用原料煤受气化炉耐火砖衬里的限制，适宜于低灰熔点的煤，否则需要配煤或加助熔剂，使在还原性气氛下的煤灰熔点T4＜1300℃。

  （2）碳转化率较低（96%～98%），冷煤气效率较低（73%～74%），有效气成分（CO+H2）较低（80%～83%），有效气（CO+H2）比氧耗为336～410 m3/km3，有效气（CO+H2）比煤耗为550～620 kg/km3。（注：氧耗和煤耗与煤质的关系比较大）。

  （3）气化炉现用的耐火砖使用寿命较短，一般为1～2年，国产砖寿命为1年左右，耐火砖较贵，1台投煤量为1000t/d的气化炉耐火砖需400万元左右，有待改进。

  （4）气化炉喷嘴使用寿命较短，一般使用2个月后，需停车进行检查，维修或更换喷嘴头部。

4  国内对德士古水煤浆加压气化技术的收获

4.1  对工艺技术的掌握

  我国自从鲁南化肥厂第一套水煤浆加压气化装置（2台气化炉）于1993年建成投产以来，相继建成了上海焦化厂气化装置（1995年建成投产），渭河化肥厂气化装置（1996年建成投产），淮南化肥厂气化装置（2000年建成投产），金陵石化公司气化装置（2005年建成投产），浩良河化肥厂气化装置（2005年建成投产），南化公司气化装置（2006年建成投产）。由于我国有关生产厂的精心消化吸收，已掌握了丰富的连续稳定运转经验，新装置一般都能顺利投产，短期内达到连续稳产、高产、长周期运行。并且掌握了以石油焦为原料的气化工艺技术。

4.2  人才的培养

  通过上述工厂的设计、建设，我国已培养出了有丰富经验的工程公司及工程技术人员，可以独立进行水煤浆加压气化的工程设计和工程总承包工作，节约了建气化装置的软件费支出。同时，培养出了有丰富建筑安装经验的工程公司和工程技术人员。也培养出了经验丰富的对煤种作实验室评价和煤种试烧的工程技术人员。对于常规煤种，工程技术人员已有能力只凭煤种的实验室评价进行气化装置的工程设计。

4.3  装置的国产化率

  通过上述装置的设计、制造、建设和生产的工程技术人员密切配合，装置的国产化率已有很大提高。软件设计全部可以由国内有经验的工程公司承担。主要设备如喷嘴、气化炉、破渣机、锁斗、捞渣机、文氏管洗涤器、洗涤塔、低压煤浆泵、高低压及真空黑水闪蒸罐、灰水沉降槽、高低压灰水泵、锁斗循环泵、洗涤塔循环泵、细灰过滤机等国内都能生产。耐高温又抗渣的耐火砖，国内有几家耐火材料厂已都能生产。只有高压煤浆泵，国内正处于试制和试用阶段。

4.4  装置的投资

  水煤浆加压气化装置的建设费用比Shell法和GSP法都要省，其建设费用比为Shell法∶GSP法∶水煤浆法=（2～2.5）∶1.5∶1，所以其固定生产成本比其他两种方法都低。

  还有一点需要提一下的是煤耗和氧耗问题，它与原料煤质的关系比较大。但是无论是Shell法或GSP法，在粉煤气化时，需向气化炉内输入过热蒸汽，其用量相当于120~150kg/km3（CO+H2），过热蒸汽与粉煤的比例相当于（0.22～0.25）∶1，相当于水煤浆中含水20%。宣传资料上介绍的煤耗和氧耗，实际上是忽略了生产过热蒸汽所用的煤耗及将蒸汽加热到1400～1500℃的煤耗和氧耗；在正常生产时，需燃烧一部分燃料气，必将增加氧耗及燃料气耗（折煤耗）；备煤时煤干燥需要增加煤耗。按宣传资料介绍，这两种方法的煤耗和氧耗比较低，有效气（CO+H2）煤耗为550～600kg/km3，氧耗为330～360 m3/km3，加上以上这些煤耗和氧耗，实际上有效气（CO+H2）总煤耗将为620～670 kg/km3 ，总氧耗将为380~410 m3/km3。煤耗和氧耗不但没有降低，反而比水煤浆气化法多了或相仿。另外还要考虑制煤粉和输送煤粉增加的电耗。

  鉴于以上几点，水煤浆加压气化工艺技术是一项成熟、国产化率高、投资省、建成后就能顺利投产，长周期稳产高产的工艺技术。

5  对国内开发的水煤浆技术的建议

  近年来，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂和中国天辰化学工程公司开发研制了多喷嘴对置式水煤浆加压气化工艺技术，通过兖矿国泰化工有限公司（两套日处理1000~1150t的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉，气化压力4.0MPa，配套生产240 kt/a甲醇，联产71.8MW电）和山东德州华鲁恒升化工股份有限公司（一套日处理煤750t的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉，气化压力6.5MPa。）的设计、制造、建设、生产、实践，证明该气化工艺技术基本上是成功的。比单喷嘴顶喷气化炉可降低氧耗8%，煤耗2.2%，并且都通过了鉴定验收。但两个公司的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉都存在气化炉顶部耐火砖磨蚀较快和炉顶超温的问题，有待改进。有的专家认为主要是炉顶高径比取得过小，导致炉子顶部耐火砖磨蚀过快引起的。作者认为现在的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉已比常规同生产能力的单喷嘴顶喷气化炉要高出许多，如再加高及加大直径，必然在喷嘴顶部空间会形成死气层，停车时气化炉内难以用氮气置换干净，不够安全，且增加投资。现在的多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉由于比常规的单喷嘴顶喷气化炉要高，再加上多3套喷嘴和其相应的高压煤浆泵、煤浆阀、氧气阀、止回阀、切断阀以及连锁控制仪表，一套气化炉系统的投资已比常规的单喷嘴气化炉多约3000万元，每年还要多增加维护检修费。虽然氧耗和煤耗都有所降低，但是由于其固定生产成本高，维修费用高，已失去了一部分优越性。所以作者认为应从多喷嘴的安装角度、水煤浆和氧气从喷嘴喷出的速度、喷嘴喷射型式上下功夫加以改进，促成该工艺技术的发展。

  近年来，西北化工研究院开发的多元料浆加压气化工艺技术引起了煤化工界和建设单位的重视，一些新建厂又把注意力集中到建设多元料浆加压气化装置上来。开发多元料浆的目的是在制备多元料浆时掺入油类制成发热量较高的水、油、煤多元料浆，提高煤浆的热值，降低煤耗和氧耗。作者认为该工艺技术有一定的片面性，国内许多以重油和石脑油为原料的化肥厂，由于原料涨价，生产成本提高，都在以煤代油改变原料路线，现在又提出水煤浆中掺和重油，不符合国情。同时，掺少了意义不大，如掺重油后的多元料浆热值想达到相当于煤的热值，则1 m3水煤浆（水煤浆浓度按63%）中要掺入670 kg重油，如重油价按3500元/t，煤价以400元/t计，则1吨多元料浆的价格约为1400元，在工业生产上是用不起的。所以有待改进。