水煤浆水冷壁气化技术综述

第2期中氮肥No. 22012年3月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressMar.2012水煤浆水冷壁气化技术综述李战学,韩喜民,孟令兵,翟玉鹏[山西阳煤丰喜(肥业)集团有限责任公司,山西运城04400[摘要]水煤浆水冷壁气化技术是我国自主研发的具有自主知识产权的新一代大型煤气化技术,该技术的工业示范装置已经在山西阳煤丰喜集团建成并运行。本文着重介绍了水煤浆水冷壁气化技术的研发历程、设计原理和技术优势,简要介绍了示范装置的运行情况。示范装置的运行情况表明:该气化技术具有工艺指标先进、运行费用低、煤种适应性强等优点[关键词]水煤浆;水冷壁;分级气化炉[中图分类号]TQ546[文献标识码]A[文章编号]1004-9932(2012)02-0007-04Comprehension Discussion on Technology of Water-CoalSlurry gasificationLI Zhanxue, HAN Ximin, MENG Lingbing, ZHAI YupengShanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Industry Group Co, Ltd, Yuncheng 044000, China)Abstract: The technology which is based on Tsinghua gasifier is a new generation of technology for large-scalecoal gasification with self-owned intellectual property right in China. Its industrial demonstration plant hasbeen built and put into running in Shanxi Yangmei Group. This paper mainly discusses the research coursedesign principle and advantages of the technology, briefly introduces the actual operation situation, from whichthe advanced process indicators, lower running cost and good adaptability to various coals are shown upKey Words: water-coal slurry cooling screen; staged gasifier0引言此,如何改进气化技术和选择气化方法就成为传统煤化工行业面临的严峻课题。中国缺油、少气、富煤是资源禀赋。煤炭占未来几年,我国煤化工的发展趋势将以煤制全国能源总量的π0‰,有效利用煤炭资源、合烯烃、煤制乙二醇等煤基材料和煤制油、煤制天理发展煤化工是平衡我国能源消耗的有力措施。然气等新型煤化工为发展方向,但这都需要先进在众多煤炭利用技术中,煤气化技术是煤炭能源的煤气化技术来支撑,可以说谁掌握了最先进的转化的基础和关键。气化技术谁就掌握了煤化工行业发展的未来。近些年,我国煤化工产业的发展主要是以合近20a来,我国花费数百亿人民币引进多成氨、甲醇等传统煤化工产品为主,主要采用固项先进气化技术,主要有德国鲁奇固定床加压气定床间歇气化技术,新型煤气化技术在产能中占化技术、美国德士古水煤浆加压气化技术、荷兰的比例较小。固定床间歇气化技术是以优质无烟壳牌粉煤气化技术、德国GSP气化技术。这些块煤为原料,原料来源有限且质量要求较高,因引进技术有的经过多年的消化吸收,已具备了气而价格高,企业面临的成本压力较大。煤气化技化装置的国产化能力并有所改进和创新,有的还术密切关系着传统煤化工行业的发展与生存,因在摸索和待验证过程中。引进技术普遍存在投资偏高的缺点,而且还[收稿日期]2011-1220有部分引进气化技术存在运行不稳定或运行费用作者简介]李战学(1984-),男,山西运城人,助理工程高的缺陷。如何根据我国的实际情况,研发出师,从事技术管理工作。种技术先进、投资少、运行平稳、运行费用低中氮肥第2期煤种适应性宽的气化技术,已成为煤化工行业亟存在的不足,同时解决生产过程中出现的一些实需解决的一大难题际问题,2009年山西阳煤丰喜集团提出了“由通过对现有传统气化方式的改变和对引进气水冷壁挂渣代替原耐火砖内衬,提高炉内的耐温化技术的改进,山西阳煤丰喜集团与清华大学、性能,拓宽此种气化炉的适用煤种范围”的新北京达立科公司合作成功开发出了具有自主知识思路,同时申请了“水煤浆水冷壁气化炉”的产权的水煤浆水冷壁气化技术,该气化技术具有实用新型专利,于2010年得到授权。煤种适应性宽、气化强度高、污染少、操作简清华大学和北京达立科公司组成了专门的课便、投资少、见效快、与后工段压力相匹配等题组,主要对水冷壁气化炉的原理进行研究,提特点。供理论分析计算数值和实验室模拟数据,并在清1研发历程华大学进行水冷壁气化炉的点火试验和小试。课题组在水冷壁技术应用于水煤浆加压气化技术方“水煤浆水冷壁气化技术”是在清华大学、面的实验取得突破性进展后,进行了煤种试烧,北京达立科公司和山西阳煤丰喜集团合作开发的并且成功通过了计算机模拟验证。非熔渣一熔渣分级气化技术”基础上进行的技随后,清华大学同山西阳煤丰喜集团一起进术改进和创新,属于第3代煤气化技术。行了工业装置放大试验。该示范装置——水煤浆“非熔渣一熔渣分级气化技术”是我国具有水冷壁气化炉在阳煤丰喜临猗公司于2009年10自主知识产权的创新技术。该技术于2002年8月开始土建,2010年6月设备安装,2011年6月列入“863”计划,其后清华大学完成了数学月系统安装完成,经过2个月的系统调试,于模型、冷态试验、热态试验、工艺包等多项工2011年8月22日一次投料成功,并同时送气供作,为后来的产业化发展奠定了扎实的基础。给后系统生产合成氨。该气化装置连续运行了2003年,山西阳煤丰喜集团采用该气化技术的90多天,创造了煤气化试车历史上的奇迹。100kt/a甲醇装置正式开工建设,2006年1月23日建成投产。截止到2007年10月,已2技术概述累计运行637d,生产粗甲醇203369.88t,运转2.1设计原理率94.66%,平均负荷88.66%。2007年10月该采用水冷壁结构的气化炉提高运行温度是一气化技术通过中国石油和化学工业协会组织专家条切实可行的技术途径,但是点火和稳燃问题是验收,获国家科学技术进步二等奖。水冷壁结构气化炉的一个关键。该气化技术实现了设备国产化,打破了国外水煤浆进料的耐火砖结构气化炉的点火技术对新型煤气化技术的垄断,但在实际运行中也存成熟可靠,靠耐火砖的蓄热来实现水煤浆的点在以下问题。火。以She炉为代表的水冷壁气化炉的点火过(1)气化炉内壁衬里釆用耐火砖结构,运程复杂,分3步进行,依次点燃燃气喷嘴、燃油行费用较髙。耐火砖的价格非常昂贵,每1.5a冫喷嘴和煤粉喷嘴,点火程序复杂且经常发生燃油需更换1次,每次需花费200万元,最高时需喷嘴烧损的情况。以GSP炉为代表的水冷壁气300万元;此外,更换1次向火面砖,拆卸、筑化炉则采用组合烧嘴,烧嘴结构复杂,需要火焰炉、烘炉、检査、试压就得花费1.5~2月,严检测、长明灯等,燃气费用高。重影响正常生产。基于清华炉(非熔渣一熔渣分级气化炉)(2)煤种适应性窄,不能实现气化用煤本使用预混气体可以由可燃气切换为惰性气体再切地化。气化炉内壁衬里采用耐火砖结构,由于受换为氧气的特点,清华大学和北京达立科公司提耐火砖性能的影响,气化原料煤只能使用在陕出采用中心管液化气一惰性气一氧气“火点火西、内蒙购买的灰熔点在1350℃以下的煤,而方案,很好地解决了水煤浆水冷壁气化炉的点火山西本地的高硫、高灰煤的灰熔点大都在1500问题。膜式水冷壁是成熟技术,解决了水煤浆的℃以上,难以被气化。点火过程,那么这种炉型的工程化就不会有任何为了完善“非熔渣一熔渣分级气化技术”风险。第2期李战学等:水煤浆水冷壁气化技术综述清华大学和北京达立科公司针对水冷壁气化下降管的作用,经出水管口排出激冷段。灰渣经炉点火问题,设置专门的课题组进行研究,对水排渣口排出气化炉煤浆的着火过程进行分析并制定了详细的“火2.3主要设备点火”方案。为此,清华大学进行了3种不同水煤浆水冷壁气化技术主要设备见表1(单方案的实验研究,即冷壁炉水煤浆点火、大空间套装置)。水煤浆火焰观察和水煤浆进料水冷壁气化炉点火表1水煤浆水冷壁气化技术主要设备燃烧试验。备名称数量/台备注清华大学技术团队在水冷壁技术应用于水煤煤浆槽搅拌器常开浆加压气化技术方面的实验取得了突破性进展,水冷壁气化炉的点火试验表明:采用“火点火破渣机常开程序对水煤浆进行点火是成功可靠的,在极其苛高压煤浆泵常开刻的水冷壁条件下,水煤浆能够在没有其他助燃锁斗循环泵1开1备锅炉水循环泵1开1备燃料的条件下稳定着火燃烧。加药泵1开1备2.2流程概述煤浆槽水煤浆水冷壁气化炉如图1所示,烧嘴、气汽包化段外壳、激冷段筒体、下降管、排渣口均同轴锁斗竖向排列,气化段外壳和激冷段筒体为上下连接锁斗冲洗水罐的一个整体。开工抽引器分离器激冷水过滤器並配药槽工艺烧嘴氧气放空消声器开工抽引器预热烧嘴次氧气喷嘴冷却水冷却水2.4技术优势(1)适合我国高灰分、高灰熔点煤种的气化令却水目前我国引进大型煤气化技术耗资已达数百亿元。显然,煤气化技术的发展完全依赖引进是不合理的,而引进技术暴露出的问题也说明国外图1水煤浆水冷壁气化炉技术并不能适应我国高灰分、高灰熔点煤的气1—气化烧嘴;2—气化段外壳;3-气化段水冷壁;化。水煤浆水冷壁气化炉采用独特的膜式水冷壁气化段锥底;5—激冷段筒壁;6一下降管;7一激冷环替代耐火砖后,可将气化炉燃烧室内温度提高至水煤浆由烧嘴中间环隙通道进入,氧气由烧1500℃(普通耐火砖气化炉的运行温度不能超嘴外侧环隙通道进入,2股物料在水煤浆水冷壁过1400℃),适用于国内高灰分、高灰熔点煤气化炉内发生气化反应,生成主要成分为CO、的气化,尤其是山西的高硫、高灰熔点煤的气H2、CO2、H2O的高温气体,气化段温度在化,彻底解决了山西省高硫、高灰熔点煤气化难1100~1400℃。气化段的高温气体经下降管进的问题。人激冷段。在激冷段,高温气体在液面下离开下(2)独特的膜式水冷壁结构降管,穿过冷却液向上,被冷却至110~280℃该气化技术采用独特的膜式水冷壁结构,将通过出气管口送出气化炉;冷却液从2个入口经传统的盘管式水冷壁结构改进为全新的立管式设激冷环送入下降管,沿管内壁向下流淌,起保护计,并且进出水管通过上下集箱连接,集箱与气10中氪肥第2期化炉壳体外的锅炉水系统采用多重冗余设计,从门,使水煤浆进入气化炉,同时加大外环O2的而降低了水冷壁系统的阻力,使水冷壁系统在没流量,此时LPG仍然不断供给进入气化炉。待有强制循环的情况下也可实现自身的循环。温度升高到一定程度后,在水煤浆射流周围可以该技术克服了盘管式水冷壁结构形式的不形成足够的高温回流气体,这些回流气体的能量足,布水均匀,水冷管线单通道长度缩短为原来足以点燃水煤浆射流,此时可以逐步关小LPC的1/3,在气化炉热负荷不变的情况下,减少气管道的阀门,同时逐步打开中心通道的CO2或液分层,本质安全,更容易挂渣以实现“以渣N2等惰性气体阀门,直至LPC管道的阀门完全抗渣”,具有生产安全环保、工艺简洁、操作简关闭,中心通道的CO2或N2等惰性气体阀门完单、投资成本少、运行费用低等特点。全打开,此时即完成气化炉的启动和点火过程,(3)科学的氧气分级供给技术气化炉进入正常运行状态。氧气分级供给技术是指在气化炉主烧嘴和侧3示范装置运行情况壁氧气烧嘴分别向气化炉内加氧,在主烧嘴中心通道可采用氧含量从0~100%的不同气体作为阳煤丰喜临猗公司的水煤浆水冷壁气化炉直主烧嘴预混气体,不仅调整了火焰中心的温度,径为2800m,高16.3m,水冷壁高7m,水冷而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离,有利壁炉操作压力4.5MPa,配套合成氨生产能力于降低主烧嘴端部温度,延长其使用寿命。采用150kU/a。2011年8月22日水冷壁气化炉一次氧气分级供给,改善了炉内的温度场,使气化炉开车成功,并同时送气供给后系统生产合成氨轴向温度均衡,提高了炉内的平均气化温度,不一直连续、稳定运行90多天,综合能耗达到世仅使合成气中有效气含量提高1%~2%,而且界先进水平。气化单元的相关数据:投煤量750使气化炉的排渣更加顺畅。t/d,操作压力4.0MPa,煤气中有效气(CO+(4)安全的环唇结构大法兰密封技术H2)含量≥80%,1000m(CO+H2)耗O2≤近年来,随着大型煤气化技术的发展,尤其390m3,1000m3(CO+H2)耗煤≤550kg,碳是水冷壁气化技术的发展,如何将水冷壁内件安转化率≥98%,渣中可燃物含量≤5%。吨氨气装在气化炉内,并且保证安装后气化炉大法兰的化单元综合能耗为33.043GJ,吨氨气化单元各有效密封就成为了一大难点。环唇结构大法兰密项消耗:煤(千基)1333kg,电78kW·h,封技术成功实现了上述工艺需求,填补了国内外O2820m3,脱盐水0.34t,新鲜水0.75t,循环该技术领域的空白。该技术将环唇密封的结构形水90t,副产0.5MPa高闪气0.54t,副产4.5式嫁接到直径2800mm气化炉的大法兰上,环MPa蒸汽0.024t唇采用了独立的不锈钢锻件,通过双边焊接工艺4结语进行加工,达到了有效的密封效果。如果大法兰出现密封不严的情况,采用环唇密封技术,只需虽然现阶段“水煤浆水冷壁气化技术”的通过现场焊接处理即可;而使用常规的法兰密封研发取得了一些成绩,并且在山西阳煤丰喜集团技术,就必须对密封面进行重新修复,费时、建成了1套工业化示范装置,但该套气化示范装费工。置尚有许多技术难点与运行的相关参数需要更多(5)先进的“火点火”技术的同行参与探讨,尤其是要100%使用本地高灰采用清华大学提出的中心管液化气一惰性气熔点煤代替神木、华亭低灰熔点煤,实现气化煤氧气“火点火”方案,很好地解决了水煤浆本地化,还需要付出更多的努力。水冷壁气化炉的点火问题。该气化技术以其适用煤种范围宽、单炉气化在气化炉采用“火点火”启动程序时,让强度高、投资低、运行费用低等优点受到新建煤液化石油气(LPG)或者弛放气进入气化炉,在化工企业以及现有煤制化肥企业的青睐。在当前外环通道助燃O2的作用下,LPG在气化炉内形国际石油价格高位难降的形势下,我国煤化工行成稳定的高温火焰对气化炉进行加热升温。待温业发展势头强劲,再加上有不少化肥企业面临装度升到一定程度后,打开环隙通道的水煤浆阀置的更新换代,该气化技术的前景将会一片光明。