多喷嘴对置式煤气化技术

2008 年第29卷第6期氮肥技术多喷嘴对置式煤气化技术李伟锋于广锁龚欣王辅臣刘海峰王亦飞 周志杰代正华陈雪莉梁钦锋郭晓镭王兴军许建良于遵宏(华东理工大学.上海 200237)摘要简要介绍华东理工大学和兖矿集团公司合作,成功开发了具有完全自主知识产权、国际首创的多喷嘴对置式水煤浆气化技术,并成功地实现了产业化,应用于工业生产中。同时还介绍了研究开发的水冷壁式中试气化炉运行结果和粉煤加压气化技术工业示范装置的实施进展情况。关键词煤气化多喷嚅对置式水煤浆粉煤1背景的研究攻关,和兖矿集团有限公司合作,成功开我国能源结构的特点是富煤、缺油、少气。我发了具有完全自主知识产权、国际首创的多喷嘴国以煤为主的能源结构和国际能源市场形势,决对置式水煤浆气化技术，并成功地实现了产业定了我国必须立足国情，大力发展洁净煤技术，化, 在国内外产生了重大影响。多喷嘴对置式水以此支持国民经济的快速发展,缓解油品供应紧煤浆 气化技术的工艺原理如图2所示,主要包括张,保障国家安全。煤气化技术是发展煤基化学多喷嘴对置式水煤浆气化工序、分级净化的合成品煤基液体燃料、IGCC发电、多联产系统、制氢、气初步净化工序、直接换热式含渣水处理工序。燃料电池等过程工业的基础,是这些行业的共性《麋攀琵心气化系统! 《净化系统|遂处理系统技术、关键技术和龙头技术(如图1所示),对发气化矿一合成气展经济和保障国家安全具有重要的战略意义。国t冷凝液内在建的和处于筹建中的甲醇装置、合成氨装混合器置、煤制油装置,已展现了对煤气化技术的强劲磨煤机|酸气需求。.*化肥+水甲醇焦炉气乙烯、丙烯◆二甲醚.00汽油、柴油煤浆其它L .国煤→气化co+l,H一邀能领域) -燃料电池1炼厂14渣发电领城一+Iccc发电图2多喷嘴对置式水煤浆 气化技术工艺原理简图2技术研发历程冶金领域)一 →直接还原铁(DRI)多喷嘴对置式水煤浆气化技术是由华东理圈1煤气化技术重要地位简图工大学洁净煤技术研究所(煤气化教育部重点实我国自上世纪80年代开始引进国外煤气化验室)于遵宏教授带领的科研团队历经“九五”、技术,多年来- -直依赖进口，受制于人。据此估“十五”和“十一五”科技攻关开发成功。“九五”期算，引进煤气化技术的专利实施许可费已高达2间,华东理工大学、鲁南化肥厂、中国天辰化学工亿多美元,这还不包括昂贵的专有设备费和现场程公司共同承担了国家“九五”科技攻关项目“新技术服务费等。据估计,专有设备耗费外汇也高型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”,并完成了达数亿美元。在国家有关部委的支持下,华东理22t/d煤规模的中试实验.在原国家石油和化学工业局中国煤化工于2000年10月验室)于遵宏教授带领的科研团队经过20多年1日C N M H G对置式水煤浆气2氮肥技术2008年第29卷化中试装置进行了现场72h考核。2000年10月通过专利实施许可的方式,并在国家发改委31日,“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发"通“十五”重大技术装备研制项目的支持下,多喷嘴过原国家石油和化学工业局主持的专家鉴定,在对置式水煤浆气化技术应用于山东华鲁恒升化水煤浆气化领域达到国际领先水平。多喷嘴中试工股份有限公司大氮肥国产化工程,建设了一-台气化炉见图3、多喷嘴对置式水煤浆气化炉中试多喷嘴对置式水煤浆气化装置(6.5MPa,750t 煤装置喷嘴平台见图4。1d)。2004年12月该气化装置投人试运转,2005年6月初开始,多喷嘴对置式水煤浆气化炉投入正式运行。该示范装置见图5。该气化装置自2005年6月初正式运行,至今已经运行近3年。该气化炉运转稳定可靠,工艺指标先进。该气化炉的技术特色体现在:①烧嘴及耐火砖使用寿命长;②负荷调节灵活，烧嘴间负荷调节灵活,气化炉整体负荷调节范围宽;③比煤耗低、发气量大、渣中含碳量低。图3吊装中的多喷嘴 中试气化炉(a)多喷嘴对置式气化炉图4多喷嘴对置式水煤浆 气化炉中试装置喷嘴平台“十五期间,华东理工大学兖矿集团承担了“863”重大项目”新型水煤浆气化技术”的研发,建成了千吨级工业示范装置-兖矿国泰化工有限公司(单炉日处理1 150t煤,4.0MPa),以及山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化项目(单炉日处理750t煤,6.5MPa)。“十- -五”期间,多喷嘴水煤浆气化技术- -方(b)气化烧嘴平台面被广泛认可和接受,进入大规模商业推广~阶图5多喷嚆对置式水煤浆 气化技术示范装置段;同时,在科技部“863"”重大项目的支持下,多(山东华鲁恒升化工股份有限公司)喷嘴水煤浆气化技术要建设日处理2000t0级气(2)兖矿国泰化工有限公司化炉,并与煤气化多联产、ICCC等整合配套,为现兖矿集团有限公司在山东鲁南(兖矿国泰化代大型煤化工产业提供了坚实的技术支撑。工有限公司)建设多喷嘴对置式水煤浆气化炉及3工业示范装置 运行情况配套工程,利用两台日处理1 150t煤多喷嘴对置多喷嘴对置式水煤浆气化技术已成功应用式中国煤化工生产24x104甲于工业生产装置中。醇、由中国天辰化学(1)山东华鲁恒升化工股份有限公司工程THCNMHG3年5月1日正第6期李伟锋等:多喷嘴对置式煤气化技术3式开工建设，由中国化学工程第三建设公司负责核。多喷嘴对置式水煤浆气化工业装置以北宿精气化装置空分装置的建设。气化炉由哈尔滨锅煤为原料,现场考核的主要技术指标为:比氧耗:309Nm?0/1 00Nm*(CO+H2);炉厂制造。.该示范装置见图6。比煤耗:535kg煤/1 000Nm'(CO+H);合成气有效成分CO+H2:体积分数84.9%; .碳转化率:> 98%;气化压力:4.0MPa;气化温度:-1 300C;气化装置规模:1 150Ud煤。多喷嘴对置式水煤浆气化工业装置与兖矿鲁南化肥厂引进Texaco工业装置所采用的原料煤种相同。现场考核证实,装置性能与技术指标达到国际领先水平。与国外水煤浆气化技术相(a)气化框架夜景比,其技术特点和优势在于:①四喷嘴对置式气化炉和新型预膜式喷嘴的气化效率高,技术指标先进。与采用国外水煤浆气化技术的兖矿鲁南化肥厂同期运行结果相比，有效气体积分数提高2~3个百分点,CO2含量降低2~3个百分点,碳转化率提高2~3个百分点,比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。②四唢嘴对置式气化炉喷嘴之间的协同作用好,气化炉负荷可调节范围大,负荷调节速度(b)气化烧嘴平台快,适应能力强,有利于装置大型化。圉6多喷嘴对置式水煤浆气化工业示范装置③复合床洗涤冷却热质传递效果好,液位平(兖矿国泰化工有限公司)稳,避免了引进技术的带水带灰问题。气化装置于2005年7月21日11:26-次④分级式合成气初步净化工艺节能、高效。投料成功,一次打通整个工艺流程，在完成80h表现为系统压降低、分离效果好、合成气中细灰连续、稳定运行后于2005年7月25日8:00计含量低( < 1mg/Nm)。划停车(当时兖矿国泰化工有限公司的空分装置⑤渣水处理系统采用直接换热,热回收效率尚未具备运行条件,借用兖矿鲁南化肥厂的氧气高,克服了设备易结垢和堵塞的缺陷。进行气化系统试运行)。2005年10月15日,在空2006年1月8日通过了中国石油和化学工业分装置具备条件后，该装置正式进入工业运行。协会组织的专家鉴定。2006 年5月通过科技部组至今,A"、B*气化炉累计运行超过25 00h。2006织的国家“863”课题验收。兖矿国泰化工有限公司年,兖矿国泰生产甲醇23.4x 10%。2007 年,甲醇的消耗总结报告中指出，与采用同样煤种的兖矿产量超过30x 10%。鲁南化肥厂Texamo装置制备合成气用于合成甲醇2008年1月12日至2008年3月26日,A、的煤耗相比，,每吨甲醇的煤耗减少100~ 150kg,这B'炉同时连续运行74d后,A"炉计划停车,B4炉对于大化工装置来说是非常可观的成本优势。继续运行至2008年4月7日,B"连续运行88d,4专利和获奖创造了新的运行记录。4.1获专利情况 .中国石油和化学工业协会组织现场考核专夕嗜映对国十与化地戈县空全具有自主知家组于2005年12月11日~18日在山东省滕州识产中国煤化工利和实用新型市木石镇(兖矿国泰化工有限公司)对“多喷嘴对专利fYHCNMHG置式水煤浆气化技术”进行了现场工业运行考4氮肥技术2008年第29卷表1 华东理工大学拥有的水煤浆气化技术领域的专利(部分)种类专利号专利名称ZL95111750.5带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴发ZL981 10616.1多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉及其应用明ZL01112880.1一种复合床高温煤气冷却洗涤设备及其工业应用Z01112701.5碳氢化合物为原料煤气生产装置中含渣废水热回收方法ZL01112702.3一种高温煤气洗涤冷却设备及其工业应用ZL01112700.7以含碳氢化合物为原料气流床生产煤气的初步净化装置ZL200510111484.8多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉及其工业应用实ZL94214422.8双通道内旋组合式喷嘴用ZL97235458.1五通道负荷可控式水煤浆气化喷嘴新ZL01210097.8顶部设有喷嘴的多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉型ZL01239008.9以含碳氢化合物为原料气流床生产煤气的排渣装置专ZL01239007.0气流床生产煤气装置中回收含渣废水热量的热水塔ZL02266704.0- -种射流型洗涤冷却水均布器ZL200320108896.2设有定位块的洗涤冷却水均布器ZL200520047515.3用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉4.2获奖情况5技术推广现状技术开发成功后,受到国家和社会的广泛认多喷嘴对置式水煤浆气化技术已经经受了可,获得了多项奖励:长周期工业运行考验,在工艺指标、稳定性和可(1)新型水煤浆气化喷嘴研究与开发, 1998靠性等各方面都表现出了先进性。因此,国内众年上海市科技进步-等奖。多煤气化项目纷纷选择该技术。近两年来,在与(2)Texaco水煤浆气化装置仿真培训系统,国际技术的公开竞争中,多喷嘴气化技术屡屡获1999年石油和化学工业局科技进步三等奖。胜。目前已经签订专利实施许可合同12项,累计(3)新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发,气化炉台数达到31台,日处理总煤量约4x 104,2001年科技部、财政部、计委、经贸委“九五”国家节省专利费约4亿元,全部投产后预计实现年产重点攻关计划优秀成果奖。值约200亿元。表2列出了多喷嘴气化技术的国(4)整体煤气化联合循环发电(IGCC)关键技内用户情况。术, 2002年中国电力科学技术二等奖。表2多喷嘴气化技术的国内用户情况(5)多喷嘴对置水煤浆或煤粉气化炉及其应应用!规核最终所处阶段用,2003年中国技术市场协会“金桥奖”。单位力、设置规极、(6)多喷嘴对置式水煤浆气化技术,2006年华鲁6.5750甲醇、2004.12 投产,正常恒升合成氨运行中国石油和化学工业协会科技进步特等奖。(7)大型氮肥全流程技术和成套装置技术开甲醇、2台2005.10.16 投..究矿4.0 3(2+1) 1150",正常行:第3国泰发电台气化炉2007.9.3发与应用,2006年中国石油和化学工业协会科技投产,正常运行进步特等奖。兖矿.0 1 1150 甲醇2008.7投产(8)多喷嘴对置式水煤浆气化技术,2006年鲁化教育部中国高校十大科技进展。凤凰肥6.5 3(2+1) 1500 在建，2008.11 投产(9)多喷嘴对置式水煤浆气化技术获2006江苏4.0 2(1+1) 1800 合成氨 在建,2009.1 投产年”中国高校-大型企业合作创新10大案例”。灵谷(10)多喷嘴对置式水煤浆气化技术, 2007年公6.5 3(2+1) 1500甲醇 在建.2009.3 投产国家科技进步二等奖。神华中国煤化工E建(11)多喷嘴对置水煤浆或煤粉气化炉及其应宁波MHC NMH G建用,2008年中国专利优秀奖。万华第6期李伟锋等:多喷嘴对置式煤气化技术5续表2为国际市场所接纳。目前,已经有多家美国公司气化炉单护有兴趣引进该技术。在不久的将来，该技术将跨出覃盟力，设销)规物、产盘所处阶段国门,开启向发达国家输出煤气化技术的先河。杭州平山4.02200发电在建,2009年底7多喷嘴对置式粉煤气化技术进展投产7.1 水冷壁式中试气化炉运行结果6.5 6(4+2) 2000 二甲醚设计中久泰作为“十- -五"国家“863"重点项目“高灰熔安徽6.5 3(2+1) 1500 甲醇设计中点煤加压气化技术开发与工业示范”课题“高灰.华谊山东甲醇、熔点煤气流床气化”的重要研究内容,从2007年成大6.5 2(1+1) 2000 二甲醚7月至今水冷壁气化炉中试装置已相继进行了近6走向国际市场30次试验。在顺利打通工艺流程基础上,完成了多喷嘴对置式水煤浆气化技术已经引起了气化炉点火与火焰检测器性能测试、水冷壁挂渣国际气化领域的关注。2006年和2007年的国际与高灰熔点煤试烧、水冷壁气化炉传热规律、水气化年会都邀请华东理工大学参加，并与CE、冷壁系统安全联锁与控制、水冷壁气化炉操作运Shell. .Siemens等三家跨国公司同台介绍了各自气行规律、以及气化工艺参数优化等试验,基本掌化技术及应用进展。国际著名的气化专家、握了水冷壁气化炉的设计方法、技术性能操作《Gasification》- -书的作者Christopher Higman,在运行特点和安全控制方法,为该技术的工程放大其最近发表于《Modem Power System>(2007年第1奠定了基础。期P12-14)的综述报告“Tuming promise into .水冷壁中试气化炉于2007年11月完成了●reality" 中对该技术给予了中肯的评价:‘鉴于中国以北宿精煤为原料的72h连续运行，氧煤比煤化工的快速发展,2006年会的一个新的亮点是0.6 ~ 0.7Nm3/kg,蒸汽煤比0 ~ 0.2kgkg。在优化的专设了中国专场....一个真正让大家产生强烈工艺参数下,典型合成气成分如表3所示,气体兴趣的是华东理工大学洁净煤技术研究所开发成分与耐火砖衬里的中试装置运行结果基本--的多喷嘴对置式煤气化技术。最让大家惊讶的是致,但气化炉热损失较热壁炉增大,氧耗有所提该技术已经达到的工业化应用程度。-套以甲醇高。2008年5月,以灰熔点(FT)1 420C的鲍店2*为产品联产发电、单炉日处理1 150吨煤的气化井精煤为气化原料,考察了水冷壁气化炉的操作装置已经于去年运行。”多喷嘴水煤浆气化技术运行规律和挂渣特性。实验结果表明,在优化的操被列为与CE、Shell等同台竞争的技术，已经逐步作条件下,有效气体积分数依然可高达90%左右。表3水冷壁气化炉中试合成 气成分护压负荷氧煤比 蒸汽煤比合成气成分NO.(MPa)(kgh) (Nm/kg) (kg/kg)(体积分数,干基)COH2CO2N2有效气12.01 2400.650.00461.6030.244.513.6591.84.01 0810.630.04962.1727.115.764.9689.280.05429.626.175.2588.587.2粉煤加压气化技术工业示范装置实施进展工程公司主要负责工程设计。目前，以水冷壁气化炉为核心设备的多喷嘴针对示范装置用于生产合成氨工艺需求,依对置式粉煤加压气化技术得到了国家“863”重点托已有专利技术基础,借鉴自主产权的多喷嘴对项目“高灰熔点煤加压气化技术开发与工业示置式水煤浆气化技术工业实践经验,通过系统技范"支持,将依托兖矿集团贵州开阳化工有限公+术经济分析,提出了粉煤加压气化示范装置工艺司在建的年产50x 104合成氨项目,实施适合于流程,如图7所示。原煤除杂后送人磨煤机破碎,贵州地区高灰熔点煤的千吨级气流床粉煤加压同时用加热的惰性气体将其干燥,制备出符合湿气化技术工业化示范,总投资约27.8亿元。该项含量I中国煤化工中。料仓中的粉目由兖矿集团有限公司牵头,华东理工大学主要煤经料,粉煤由给料负责关键技术的研发与工程放大,中国天辰化学罐绍0.HCN MH C过(下转第41页)第6期朱本启等:德士古水煤气制甲醇与焦炉气制甲醇的比较41热增多,床层温度上升较快,给反应后气体移热增(体积分数6%~9%)的条件下,甲醇合成反应主加困难。同时,甲酸基合成的副产物产生了较大碳要是以甲酰基途径合成,此条件下对甲醇催化剂链,促进了石蜡或醚类杂质的生成,见反应式(6)。活性未产生影响,时空产率较高,但粗甲醇浓度德士古水煤气制甲醇主要通过甲酸基途径较低,精馏能耗较高。在高CO(体积分数15%~合成甲醇,其理由如下:16%)条件下,甲醇合成反应主要是以甲酸基途(1)粗甲醇中酸度较高,粗甲醇中存在甲酸径合成,反应热较高,副产蒸汽多,粗甲醇浓度较和乙酸,如果甲醇合成反应控制不当,粗甲醇中高,能耗较低,对催化剂活性有一定影响,催化剂甲酸质量分数有可能达到0.03%。使用寿命较短，但是单位产出较大。(2)粗甲醇中含有醚类较多,预塔不凝气体4结束语多,杂醇采出量较大。在甲醇生产运行中，工艺指标的控制相当严(3)在合成塔操作条件下,具备甲酸基合成格,生产单位基本是按照原始设计中的物料衡算条件。来调整合成气体成分的。但由于工艺路线的差别(4)副反应产物有少量石蜡和醚类杂质生成和制得气体成分的限制，实际物料衡算与设计有(M-OCH3)。较大偏差,因此,需要在生产过程中不断摸索优化(5)反应余热多,副产蒸汽量较大。工艺运行、提高产量的方法。山东兖矿国际焦化有(6)需要高空速控制甲醇合成反应。限公司根据焦炉气制甲醇的生产特点，摸索出了通过两种甲醇生产过程和产品的对比,可以优化焦炉气制甲醇的方法,达到了较高的技术水平。验证此前存有争议的甲醇合成机理，即在高CO2(收稿日期:2008-10-21)(.上接第5页)程为高固气比密相输送,拟用已有与洗涤 的分级净化分离方式,既可确保合成气满专利技术调控煤粉流量。预热后的氧气与水蒸汽足后续工段的工艺要求,又大大降低了设备投资-并通过喷嘴进入气化炉,在高温、高压下与煤费用。粉进行气化反应。该项目已列人贵州省重点项目,2005年8月气化炉为自主创新的多喷嘴对置式结构,形通 过贵州省发改委的核准,2006年10月获国家成的撞击流流动,有利于强化传递过程,提高气环保局批准,计划2010年建成投产。现已完成初化效率。采用湿法分离工艺,通过激冷、旋风分离步设计审查和现场“三通一平"工作 ,部分长线设煤粉}布袋除尘器气化炉*合成气水燕汽，4仓煤粉一-煤粉混合器t冷凝液气+水.原煤给料罐干燥匈气或馈斗磨煤机二氧化碳→渣图7 粉煤加压气化示范装置工艺流程备已开始订货,于2008年8月正式开工。一具有明显优势的新技术必将扭转我国煤气化我们相信,随着我国现代煤化工产业的崛起技术上期优胡进口的巨面企业提供更多先中国煤化工”与发展，随着先进煤气化技术在发电、冶金行业进的应用,多喷嘴对置粉煤加压气化制备合成气这HC N M H G期:2008-10-21)