水煤浆加压气化技术的发展途径探讨

第39卷第1期化工设计通讯2013年2月Chemical Engineering Design Communications合威虱生产抆术水煤浆加压气化技术的发展途径探讨劑孝弟1,3,軸勇2,學颖[1.北京航天动力研究所,北京10006;2.山西阳煤丰喜肥业(集团)临猗分公司,山西临猗044100;3清华大学,北京100084]摘要:介绍了水煤浆加压气化技术的改进及发展,指出了未来进一步提高其技术竞争力的途径关键词:水煤浆加压气化;工艺烧嘴;改进措施中图分类号:TQ546.2文献标志码:B文章编号:1003-6490(2013)01-0005-04Development of the Cws Pressurized Gasification TechnologyLIU Xiao-di. 3, ZHANG Yong, GU Xue-ying(l Beijing Aerospace Propultion Institute, Beijing 100076, China;2. Linyi Branch of Shanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Industry Group, Linyi Shanxi,044100, China3. Qinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Describe improvement and development of the CwS pressurized gasification technologyand point out the ways to further improve the technology competitivenessKey words: CwS coal-water slurry pressurized gasification technology; process nozzlImprovement measures水煤浆加压气化技术是由美国GE公司(原3)开车时利用抽引器使气化炉形成负压,美国 TEXCO公司)在渣油加压气化工艺基础上在工艺烧嘴的位置安装预热点火烧嘴,利用高品开发的洁净煤气化技术,也是我国引进并运行的质的轻质燃料(柴油、液化气、弛放气等),对气第一种运行压力超过40MPa的煤气化技术,化炉进行预热(预热期间,所有燃烧气体排放)。首先应用于上海焦化、山东鲁南、陕西渭河等工当炉膛温度达到1000℃以上时,更换工艺烧嘴,程项目。多年来经过国内技术人员的共同努力,利用耐火砖的蓄热能力,将水煤浆与氧气的混合对该项技术不断消化吸收,并针对国内的煤种特物点燃。同时关闭抽引器,使炉膛逐渐建压性及应用特点,使水煤浆加压气化技术取得了长(4)为了稳定生产,需要设置热备用气化足的发展,展现了广阔的应用前景。炉,热备用气化炉需要不间断供应轻质燃料,以1水煤浆加压气化技术的不足保证气化炉膛保持一定的温度,从而利于耐火砖的热变形及缩短气化炉的启动时间美国GE公司水煤浆加压气化技术的原始设运行中,水煤浆气化工艺暴露出以下问题。计中,在加压气化部分的基本配置如下(1)比起粉煤气化工艺( SHELL、GSP、(1)立式带耐火砖的气化炉(图1)HTL)的水冷壁结构,耐火砖需要定期更换,(2)顶置单台三通道的气化工艺烧嘴,内通增加了运行费用。同时由于耐火砖,不但需要热道供应中心氧气,中通道供应水煤浆,外通道供备用情况下的启动条件,而且要限制气化温度,应外氧气,烧嘴的冷却采用了冷却盘管结构是高灰熔点煤种处理不可逾越的障碍。收稿日期:2012-12-11作者简介:刘孝弟(1958-),男,陕西富平人,北京航天动力研究所研究员。中国石油和化学工业协会煤气化专家顾问,中国氮肥工业协会技术委员会委员,中国石油勘查协会设计委员会委员·6化工设计通讯第39卷烧嘴耐火砖2水煤浆技术的改进21煤基多元料浆气化技术(1多元料浆气化技术的核心改进点是在水煤浆的制浆工艺中,加入其他有利于水煤浆流动,改善煤的气化性能,并且增加气化后对有效气体成分有用的添加剂:石油焦、沥青、油、煤液化残渣、化工废液、废水等。据报道,在长距离输送、改善气化条件、增加有效气体成分等方面具有一定的成效。但从根本上来说,煤基多元料浆气化技术基本上没有脱离GE水煤浆加压气化技术的总体模原料气/炉渣式,从流程和设备结构及布置上没有原则性的改图1带耐火砖的水煤浆加压气化炉动,只是从原料的组成上进行了改进。从运行结果和废物利用等方面来说,水煤浆气化工艺还是(2)由于使用了含固体颗粒的液体燃料,三有很多改进之处。通道烧嘴的中喷头物理磨损非常严重,加上外喷22多喷嘴对置式水煤浆气化技术头的化学侵蚀以及冷却水盘管的结构不尽合理,多喷嘴对置式水煤浆气化技术是华东理工大导致烧嘴的使用寿命不太长,一般情况下,使用学与国家煤气化工程技术中心共同开发的技术30~50d就必须更换。加大了维护和使用成本,其根本点在于改进了GE水煤浆加压气化技术的而且使热备用炉成为不可缺少的补充手段。供料方式,采用多喷嘴的对置式布局。对置形式3)开车时的预热及热备用炉所需的轻质燃的喷嘴,强化了水煤浆的雾化效果,改善了气化料,加大了运行成本,浪费了能源。同时,在热炉内的温度场、速度场等,改善了气化条件(见状态下更换烧嘴,也存在安全隐患。图2),据报道,合成气的有效气体成分有所提鉴于以上问题,广大科研人员进行了长期的高。该技术在国内已经占领了一定的市场,2008探索,实施了一系列改进,使水煤浆加压气化工年该技术返过去出口到了美国市场,与美国艺技术在实际生产中焕发了越来越强大的生命 valero能源公司签订了用于石油焦气化制氢项力,在煤的洁净利用领域内占领了一席之地。目的气化装置合同。折返流区回流区撞击流股区射流区撞击区管流区图2四喷嘴对置式水煤浆加压气化炉第1期刘孝弟等:水煤浆加压气化技术的发展途径探讨72.3熔渣一非熔渣水煤浆气化技术(分级气化)蚀的方法,可以将工艺烧嘴的连续使用寿命提高该技术由清华大学与山西丰喜肥业(集团)共到150d以上(图5),这些技术已在上海焦化同开发,其主要原理是将GE水煤浆加压气化技陕西渭河、华鲁恒升等多家单位成功使用,对于术的顶置单烧嘴改成为顶置主烧嘴加二次补氧烧降低气化炉运行和维护费用起到了重要作用,为嘴。利用二次补氧烧嘴,一方面可以降低顶置主提高水煤浆工艺的长周期运行提供了保证条件。烧嘴对水煤浆雾化的苛刻条件,降低主烧嘴内水表1水煤浆加压气化应用装置情况煤浆的流速(减缓物理磨蚀),提高主烧嘴的使用寿命(连续使用可达100d以上);另一方面,由序号技术名称合成氨能力/甲醇能力备注于有二次氧气,主烧嘴出口处的氧气浓度下降GE技术1930已投产该区域内的气体温度也会下降(理论计算可降低GE技术未投产200℃左右),这样就会导致主烧嘴外表面化学123四喷嘴1200已投产侵蚀的因素有所减缓,这也是提高工艺烧嘴使用四喷嘴31505150未投产寿命的有效措施之一。具体情况见图3,图4。5分级气化已投产工艺烧嘴分级气化未投产(100%水煤浆,80%氧气)7多元料浆已投产多元料浆1800未投产二次补氧烧嘴注:摘自2011年“关于氮肥、甲醇加压煤气化技术发展和(20%氧气)应用情况的调研报告”。图3分级气化水煤浆气化炉两段式气化连续气化5000.40.60.8121.4图5a改进前烧嘴使用一个周期后沿气化室高度/m图4分级气化炉膛内温度分布以上各种措施,均得到了用户的认可,也都有装置在线运行,形成了多彩的市场格局(表1)。2.4水煤浆气化工艺烧嘴的延寿措施以上介绍的几种技术,要么从原料的配备方面改进,要么从工艺路线上改进,均没有工艺烧嘴的延寿措施。实际上,提高工艺烧嘴的寿命,对于水煤浆气化工艺的技术竞争力具有非常重要8/5/0E10的现实意义。图5b表面处理后烧嘴使用一个周期后文献[4,5]中详细介绍了如何利用航天产品表面处理工艺技术,对工艺烧嘴的零件进行表面25带水冷壁的水煤浆气化炉的技术突破7处理,提高中喷头耐物理磨蚀、外喷头耐化学侵众所周知,水煤浆加压气化炉从一开始就设8化工设计通讯第39卷计成带有耐火砖内衬的形式(图1)。这是由于水功,可能会将水煤浆气化工艺带入一个新的发展煤浆与氧气混合物的点火必须要耐火砖的蓄热才阶段。主要表现在以下几个方面能完成。造成的最大问题有以下。(1)该气化炉不再为耐火砖的更换不断地投(1)由于需要耐火砖蓄热,因此在气化炉开人资金。车时,必须用轻质燃料加热,而且需要抽引器使(2)可以提高气化炉的运行温度,使煤种的炉膛建立负压,所有加热期间的燃烧气体必须排适应性得到进一步的放宽。空,造成较大的浪费。同时,耐火砖在使用过程(3)气化炉不再需要预热过程,即实现冷炉中会逐渐损坏,因此,要定期更换,一要停炉耽直接点火,大大缩短启动过程,直接可以升温升误生产,二要产生不小的费用。压,节省费用。(2)由于耐火砖耐高温极限的限制,气化炉到目前为止,该气化炉已累计运行了279d。的运行温度一般不能高于1100℃,因此,对于2012年9月3日,中国石油和化学工业联合会处理高灰熔点的煤种就显得无能为力,这就造成组织了国内有关专家对此工程项目进行鉴定。鉴了水煤浆气化工艺只能使用较低灰熔点煤种的局定结论为:“……气化炉水冷壁采用垂直悬挂膜面。式壁结构,……特殊设计的工艺组合烧嘴,使气山西丰喜肥业(集团)临猗分公司,首先提出化炉启动速度快,节省了开车成本……煤种适应了利用水煤浆工艺处理髙灰熔点煤种的问题,经性较好……总体技术水平处于国际领先水平,和清华大学商议,试图采取水冷壁式的气化炉用建议加快大型化的开发及推广应用”。于水煤浆的气化。存在的问题是,由于是水冷水冷壁结构水煤浆气化炉工艺,由于以上所壁,无法实现蓄热功能,即需要冷炉点火。如何述的性能优势,很快得到了业内的认可。目前实现水煤浆的点火就成了该方案能否实现的最重该工程项目由北京盈德清大科技有限责任公司全要因素,该课题的重点就集中在此力推广,用户情况见表2。北京航天动力研究所具有多年从事气化炉工表2水冷壁水煤浆加压气化炉装置用户情况艺烧嘴的研制经验,该项任务就落在了我们的肩上。为此,我们进行了大量的研究工作,设计出用户操作压力MPa媒种状态带点火功能的水煤浆工艺烧嘴”,同时申报了国山西阳煤丰喜肥业集团家发明专利。。该烧嘴设计中考虑了以下因素:临猗分公司烟煤已投产运行①足够的能量点燃水煤浆与氧气的混合物;②克拉玛依石化工业园区气化岛工程项目烟煤正在建设点火燃气的供应与切断;③点火能量的提供;④点火装置的热保护,即实现多次点火的需求,公少苦昌化工股份有限江苏烟煤正在建设⑤点火装置的安装与工艺烧嘴性能的匹配;⑥石家庄盈鼎气体有限公司5烟煤正在建设烧嘴冷却结构的改进,摒弃一贯采用的盘管形山东昌邑滨海(下营)经式,采用水冷夹套,提高工作可靠性。济开发区项目烟煤正在建设2011年8月22日,国际首套带水冷壁的水煤原耐火砖炉改造为水冷壁炉的装置浆加压气化炉在山西丰喜肥业(集团)临猗分公司次点火成功,首次连续运行时间达到了140d,煤化工有限公少鑫晟贵州水城矿务烟煤正在改造带点火功能的水煤浆工艺烧嘴始终保持了稳定的黑龙江北大荒浩良河工作性能,在业内产生了较大的影响。水煤浆气分公司4,0烟煤正在改造化炉从此不再需要大量的轻质燃料预热,而且点可以预见,水冷壁结构的水煤浆气化炉工艺火过程不再需要抽引器建立负压,气化炉的升温在未来的煤洁净气化市场中将占一席之地。和建压同步进行,点火阶段的燃烧气体直接可以利用,避免了不必要的浪费。同时,工艺烧嘴兼3其他技术改进途径的思考顾了点火的功能,不需要热状态下替换烧嘴,避3.1工艺烧嘴材料的优化免了安全隐患。水冷壁水煤浆气化炉的运行成(下转第14页)14化工设计通讯第39卷脱硫和氧化铁法脱硫。在活性炭各项研究中,吸硫尚属于实验室研究阶段)。随着研究的不断深附脱硫是当前活性炭研究的重点领域,国外的活,复合氧化铁脱硫剂具有广阔的工业应用前景。性炭吸附脱硫工艺已经实现工业化应用。最新发以上就是笔者对氧化锌干法脱硫的一些粗浅展的活性炭脱硫新技术,是将金属Co、Ni、Mg认识,仅为一孔之见,若有不详或不当之处,还引人到木质或煤表面,浸渍到以碳酸钠为主的复望同行、专家提出宝贵的意见。合溶液中制成负载型活性炭,以更有效地脱除H2S及有机硫参考文献:在氧化铁法脱硫的研究领域,经过近几十年[]杨水生,张绪平,张世荣,等.油田酸化作业井硫化氢防国内外的多次改进和研究,固体复合氧化铁脱硫治措施探讨[J.安全,2010,(11):剂在高温下具备很强的脱除有机硫的能力。复合[2]wker.L. risk management can reduce regulat, enhancesafety [J]. Oil &Gas Journal, 1997, 95(24): 34-37.氧化铁脱硫剂的研究也是当今脱硫研究的热点方[3]罗杰英,付向民,张国静.浅析掺炼俄罗斯原油对重油催向,目前国内外开发的复合氧化铁脱硫剂物系的化裂化装置产品分布及质量的影响[J.甘肃化工,2004研究重点是Zn-Ti-O系脱硫剂、Fe-Zn-O18(3):30~33.系脱硫剂。国内刘壬辰、汪晓梅等从国情出[4]活性炭应用正向多领域扩展[J.气体净化,2009,9发,开发了铁一锌系,铁一钙系脱硫剂,优点是(1):28原料来源广泛,价格低廉,再生能力强,操作温[5]刘壬辰,汪晓梅.JNT复合氧化铁脱硫剂的开发[冂].甲醇与甲醛,2005,(3):20~21区宽(应用于工业化的是常温和中温脱硫,高温脱◆旧◆◆旧到旧◆旧命降旧◆◆◆旧◆图(上接第8页)水煤浆性能的要求,也是一个值得考虑的方向。提高工艺烧嘴连续使用寿命的最直接方法是,利用新兴的材料技术发展成果,选用适合水结语煤浆气化工况的喷头材料,加工喷头零件,从而在广大技术人员的共同努力下,水煤浆加压使整个工艺烧嘴达到长周期的运行条件。据有关气化技术不断焕发出新的生命力,取得了一个又报道,兖矿鲁南化肥厂已经进行了利用高温陶瓷一个进步。由于可以实现泵送,气化炉操作压力材料作为喷头镶嵌内衬的试验,达到了不错的效高、操作简单,煤种有一定的适应能力,可以相果信,该技术的应用市场还将有进一步的扩展。3.2喷头零件的表面处理对工艺烧嘴的中喷头进行耐物理磨蚀表面处参考文献:理,对外喷头进行抗高温化学侵蚀处理。北京航1]陕西省渭河化肥厂《渭化科技》一美国德士古气化装置译天动力研究所借鉴航天产品的表面处理工艺进行文专辑,2000年增刊了有效的尝试,已经取得了可喜的进展,进一步[2]张晓慧.多元料浆气化装置的设备布置及工艺配管设计[.化肥设计,2009,48(1):35~37的研究试验工作正在进行中。[3]朱敏,孙水奎,马廷卫,等.多喷嘴对置式水煤浆气化装3.3喷头结构的改进置优化与改进[J].化工设计通讯,2011,37(4):65~对中喷头物理磨蚀机理的研究结果表明,优化中喷头的型面,改善固体颗粒的冲击角度,会[4刘孝弟,尹润生.改进水煤浆气化工艺装置的一些思考进一步提升中喷头的工作寿命。关于工艺烧嘴[J].大氮肥,2009,32(4):222-227.[5]刘孝弟,王岳,李兵科.水煤浆气化炉工艺烧嘴有关问题的冷却结构,北京航天动力研究所已经利用夹套的探讨[].化肥工业,2009,36(2):20~23式结构替换了盘管式结构,取得了一定的进展。[6王中刚,韩喜民.水煤浆水冷壁气化炉建设及运行总结3.4工艺条件的优化[G].2011年全国氮肥、甲醇行业技术经验交流会资料汇熔渣非熔渣气化工艺中,利用二次补氧,编,9095减缓了中喷头的物理磨蚀和外喷头的化学侵蚀,[7]刘孝弟,张勇,王岳,等.带点火功能的水煤浆烧嘴及应用[J.化工设计通讯,2011,37(6):15~18,2.对工艺烧嘴工作寿命的提高起到了一定的作用。[8]王岳,刘孝弟,宋晓峰,等.自带点火装置的水煤浆加压如何进一步优化工艺条件,降低对工艺烧嘴雾化气化工艺烧嘴装置:中国,ZL200920219759.3[P]