多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的工程應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

李仕超 孔 艷 李 杰

(兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司,山東鄒城,273512)

生產(chǎn)與應(yīng)用

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的工程應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)

李仕超 孔 艷 李 杰

(兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司,山東鄒城,273512)

介紹了華東理工大學(xué)和兗礦集團(tuán)合作開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際首創(chuàng)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)工程應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì),同時(shí)對(duì)其關(guān)鍵工藝指標(biāo)與 Texaco水煤漿氣化技術(shù)進(jìn)行了對(duì)照比較。

多噴嘴 對(duì)置式 水煤漿 氣化技術(shù) 工程應(yīng)用 優(yōu)勢(shì)

1 概述

從上世紀(jì)80年代末我國(guó)開始引進(jìn)Texaco水煤漿氣化裝置,至今已引進(jìn)多套,建成投產(chǎn)的有:山東魯南(三臺(tái)氣化爐,單爐日處理450噸煤,2.8MPa)、上海吳涇(八臺(tái)氣化爐,六開二備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、陜西渭河(四臺(tái)氣化爐,三開一備,單爐日處理750噸煤,6.5MPa)、安徽淮南(三臺(tái)氣化爐,二開一備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、黑龍江伊春(二臺(tái)氣化爐,一開一備,單爐日處理500噸煤,4.0MPa)、江蘇金陵(三臺(tái)氣化爐,二開一備,單爐日處理1000噸煤,4.0MPa)等約30臺(tái)氣化爐。這些裝置均用于生產(chǎn)合成氣,制氨、甲醇或氫氣。Texac氣化技術(shù)引進(jìn)初期,暴露了很多不足,通過(guò)我國(guó)工程技術(shù)人員大量的艱辛工作,在工程上對(duì)其進(jìn)行了完善和優(yōu)化。該技術(shù)許多設(shè)備都可以國(guó)產(chǎn)化,如山東魯南的第一套引進(jìn) Texaco裝置,設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)90%。Texaco氣化技術(shù)在原理上存在著制約因素,導(dǎo)致其工藝指標(biāo)不夠理想、大型化有難度。

由華東理工大學(xué)、兗礦集團(tuán)有限公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)是在多年研究國(guó)際上大型氣流床氣化技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新的煤氣化技術(shù),在魯南化肥廠完成了中試研究。中試裝置(22噸煤/天)的運(yùn)行結(jié)果表明:有效氣成分83%,比相同條件下的單噴嘴氣化裝置高1.5～2個(gè)百分點(diǎn);碳轉(zhuǎn)化率>98%,比單噴嘴氣化裝置高2～3個(gè)百分點(diǎn);比煤耗、比氧耗均比單噴嘴氣化裝置降低7%。“十五”期間,在國(guó)家科技部、國(guó)家發(fā)改委的大力支持下,倍受業(yè)界人士關(guān)注的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)分別于山東魯南、山東德州建設(shè)了工業(yè)示范裝置。示范裝置的成功運(yùn)行已充分證實(shí):該技術(shù)工程上完全可行,工藝指標(biāo)優(yōu)于引進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù),操作非常平穩(wěn)。

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)相對(duì)于國(guó)外引進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)、干煤粉氣化技術(shù),在設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用(源于工藝指標(biāo)的優(yōu)勢(shì))及專利實(shí)施許可費(fèi)等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)涉及以純氧和水煤漿為原料制合成氣的過(guò)程,裝置包括磨煤?jiǎn)卧饣俺醪絻艋瘑卧昂幚韱卧?。技術(shù)特點(diǎn):多噴嘴對(duì)置的水煤漿氣流床氣化爐及復(fù)合床煤氣洗滌冷卻設(shè)備;混合器、旋風(fēng)分離器、水洗塔三單元組合煤氣初步凈化工藝;蒸發(fā)分離直接換熱式含渣水處理及熱回收工藝[1],其工藝流程示意圖見(jiàn)下圖1。

圖1

2 工程應(yīng)用

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多套工業(yè)生產(chǎn)裝置中,并有多套裝置在建,同時(shí)該技術(shù)還出口至國(guó)外,取得了較好的業(yè)績(jī)和成果,填補(bǔ)了我國(guó)在煤氣化技術(shù)方面的空白。

2.1 在山東華魯恒升化工股份有限公司使用情況

通過(guò)專利實(shí)施許可的方式,并在國(guó)家發(fā)改委“十五”重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目的支持下,多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國(guó)產(chǎn)化工程,建設(shè)了一臺(tái)多噴嘴對(duì)置式撞擊流氣化裝置(6.5MPa,750t煤/d)。氣化裝置由華陸工程科技有限責(zé)任公司設(shè)計(jì),氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造。

2004年12月該氣化裝置投入試運(yùn)轉(zhuǎn)。2005年6月初開始,多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐投入正式運(yùn)行。該氣化裝置自2005年6月初正式運(yùn)行至今,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)15000小時(shí)。氣化爐內(nèi)耐火磚等設(shè)備構(gòu)件情況正常。拱頂耐火磚壽命已達(dá)到7300小時(shí),有望超過(guò)8000小時(shí);直筒段耐火磚自從2004年12月以來(lái)未更換。

現(xiàn)該氣化爐操作負(fù)荷為設(shè)計(jì)值的110%,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),運(yùn)行情況良好。目前多噴嘴對(duì)置式氣化爐成為生產(chǎn)主力,生產(chǎn)周期長(zhǎng)。該氣化爐的技術(shù)特色體現(xiàn)在:

(1)燒嘴及耐火磚使用壽命長(zhǎng);

(2)負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活,燒嘴間負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活,氣化爐整體負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬(可在50%～115%負(fù)荷范圍內(nèi)操作);

(3)比煤耗低、發(fā)氣量大、渣中含碳量低。測(cè)算表明,多噴嘴對(duì)置式氣化爐運(yùn)行一天較單噴嘴氣化爐要多產(chǎn)生5萬(wàn)元左右的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 在兗礦國(guó)泰化工有限公司使用情況

兗礦集團(tuán)有限公司在山東魯南(兗礦國(guó)泰化工有限公司)建設(shè)多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐及配套工程,利用兩臺(tái)日處理1150噸煤多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)配套生產(chǎn)24萬(wàn)噸甲醇、聯(lián)產(chǎn)71.8MW發(fā)電?？辗盅b置由華陸工程科技有限責(zé)任公司設(shè)計(jì),氣化裝置由中國(guó)天辰化學(xué)工程公司設(shè)計(jì)。示范裝置于2003年5月1日正式開工建設(shè),由中國(guó)化學(xué)工程第三建設(shè)公司負(fù)責(zé)氣化裝置、空分裝置的建設(shè)。氣化爐由哈爾濱鍋爐廠制造。

氣化裝置于2005年7月21日23:26一次投料成功,一次打通整個(gè)工藝流程,在完成80小時(shí)連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行后,于2005年7月25日8:00計(jì)劃停車(當(dāng)時(shí)兗礦國(guó)泰化工有限公司的空分裝置尚未具備運(yùn)行條件,借用兗礦魯南化肥廠的氧氣進(jìn)行氣化系統(tǒng)試運(yùn)行)。2005年10月15日,在空分裝置具備條件后,該裝置正式進(jìn)入工業(yè)運(yùn)行。

在開車初期,曾經(jīng)出現(xiàn)拱頂耐火磚燒損沖刷嚴(yán)重的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)華東理工大學(xué)深入研究,并基于兗礦集團(tuán)相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)真分析,確認(rèn)氣化爐拱頂耐火磚沖刷嚴(yán)重是由于上部空間偏小、操作過(guò)程中噴嘴出口速度偏大等原因造成。針對(duì)這一情況,華東理工大學(xué)仔細(xì)研究了氣化爐上部空間的速度分布和溫度分布,提供了在現(xiàn)有裝置上的操作負(fù)荷和操作壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以優(yōu)化流場(chǎng),提高拱頂耐火磚壽命。

這一調(diào)整取得了明顯的效果,自2006年3月17日A#爐開車至2006年6月6日停車大修,整個(gè)氣化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行81天,單爐連續(xù)運(yùn)行49天。大修期間進(jìn)爐檢查,發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)耐火磚情況良好,拱頂耐火磚情況大為改善,目前拱頂耐火磚壽命在5000小時(shí)左右;直筒段耐火磚自從2005年10月以來(lái)未更換。至今,A#、B#氣化爐累計(jì)運(yùn)行超過(guò)30000小時(shí)。2006年,兗礦國(guó)泰生產(chǎn)甲醇 23.4萬(wàn)噸。2007年,兗礦國(guó)泰甲醇產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)噸。

華東理工大學(xué)根據(jù)研究結(jié)果,重新確定了氣化爐上部空間的高徑比,用于兗礦國(guó)泰第三臺(tái)氣化爐的設(shè)計(jì),以確保拱頂耐火磚具有更為理想的使用壽命。大連金州重型機(jī)械廠制造的第三臺(tái)氣化爐(C#爐)已于2007年9月3日15:08投運(yùn),運(yùn)行狀況正常。從目前的情況來(lái)看,拱頂加高后的效果已經(jīng)得以體現(xiàn),頂部預(yù)熱口封堵在運(yùn)行兩個(gè)月后只磨損1cm,運(yùn)行3000多小時(shí)后進(jìn)爐檢查,拱頂耐火磚狀況非常理想,預(yù)計(jì)頂部耐火磚使用壽命在8000小時(shí)以上。C#爐氣化工藝指標(biāo)與未加高的A#、B#爐基本相同。

3 總結(jié)

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)自動(dòng)化程度高,全部采用集散控制系統(tǒng)(DCS)控制,特別是氧煤比完全可以投自動(dòng)串級(jí)控制。工業(yè)運(yùn)行證實(shí),該裝置開車方便、操作靈活、負(fù)荷增減自如,操作的方便程度優(yōu)于引進(jìn)水煤漿氣化裝置。

帶壓連投技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是煤氣化技術(shù)上重大突破,大大降低了氣化爐停車幾率,提高了氣化爐的有效生產(chǎn)時(shí)間。

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)已被工程實(shí)踐證實(shí)完全可行,工藝指標(biāo)也極為先進(jìn)。該裝置2005年12月通過(guò)了由中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的168小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行考核,確認(rèn)了該裝置工藝指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2006年1月8日通過(guò)了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定。2006年5月通過(guò)科技部組織的國(guó)家“863”課題驗(yàn)收。兗礦國(guó)泰化工有限公司的消耗總結(jié)報(bào)告中指出,與采用同樣煤種的兗礦魯南化肥廠 Texaco裝置制備合成氣用于合成甲醇的煤耗相比,每噸甲醇的煤耗減少100～150kg,這對(duì)于大化工裝置來(lái)說(shuō)是非常可觀的成本優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)多套氣化裝置的運(yùn)行考核來(lái)看,鑒定的主要結(jié)論如下:

(1)以北宿煤為原料,裝置滿負(fù)荷運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo):(I)比氧耗309Nm3O2/1000Nm3(CO+H2);(II)比煤耗535kg/1000Nm3(CO+H2);(III)合成氣有效氣成分(CO+H2)84.9%;(IV)碳轉(zhuǎn)化率98.8%。

(2)氣化裝置安全可靠,自動(dòng)化程度高,操作控制靈活,開車到正常生產(chǎn)過(guò)渡期短。采用獨(dú)特的氧氣流量控制技術(shù)和帶壓連投操作技術(shù),增強(qiáng)了抵御故障的能力,使裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)[2]。

(3)該技術(shù)是自主創(chuàng)新的煤氣化技術(shù),裝置性能與技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。與國(guó)外水煤漿氣化技術(shù)相比,其技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)(創(chuàng)新點(diǎn))在于:(I)多噴嘴對(duì)置式氣化爐和新型預(yù)膜式噴嘴的氣化效率高,技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)。與采用國(guó)外水煤漿氣化技術(shù)的兗礦魯南化肥廠同期運(yùn)行結(jié)果相比,有效氣成分提高2～3個(gè)百分點(diǎn),CO2含量降低2～3個(gè)百分點(diǎn);碳轉(zhuǎn)化率提高2～3個(gè)百分點(diǎn),比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。(II)多噴嘴對(duì)置式氣化爐噴嘴之間的協(xié)同作用好,氣化爐負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍大,目前為50%～110%,負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快,適應(yīng)能力強(qiáng),有利于裝置大型化。(III)由于采用四個(gè)噴嘴進(jìn)料,系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定,當(dāng)一個(gè)或一對(duì)燒嘴煤漿或者氧氣波動(dòng)時(shí),由于有其他噴嘴的互相補(bǔ)充、制約,因此氣化爐整體進(jìn)料穩(wěn)定,不易產(chǎn)生爐溫的瞬間波動(dòng)。(IV)復(fù)合床型洗滌冷卻技術(shù)的熱質(zhì)傳遞效果好,液位平穩(wěn),避免了引進(jìn)技術(shù)的帶水帶灰問(wèn)題。(V)分級(jí)式合成氣初步凈化工藝節(jié)能、高效。表現(xiàn)為系統(tǒng)壓降低,分離效果好,合成氣中細(xì)灰含量低(<1mg/Nm3)。(VI)渣水處理系統(tǒng)采用直接換熱技術(shù),熱回收效率高,克服了設(shè)備易結(jié)垢和堵塞的缺陷[3]。

(4)從中試到工業(yè)示范裝置,多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了工程化放大(一次性放大52倍),表明研究與放大方法科學(xué)、正確,掌握了該技術(shù)的工程放大規(guī)律,奠定了向更大規(guī)模跨越的理論與工程化基礎(chǔ)[4]。

(5)該技術(shù)與國(guó)外水煤漿氣化技術(shù)相比,既降低了原料煤和氧氣的消耗,又大大減少了專利實(shí)施許可費(fèi),同時(shí)具有良好的環(huán)保性能。該技術(shù)的開發(fā)成功打破了國(guó)外公司在大型煤氣化技術(shù)上的壟斷,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大型煤氣化技術(shù)零的突破,為推動(dòng)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了技術(shù)支撐,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。

[1]步學(xué)朋,忻仕河,等.煤炭氣化發(fā)展及應(yīng)用中的熱點(diǎn)問(wèn)題探討.潔凈煤技術(shù),2007,13(2).

[2]于遵宏,王輔臣,等.多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)研究與開發(fā)

[c].首屆多噴嘴對(duì)置式煤氣化技術(shù)推廣及應(yīng)用研討會(huì)論文集.

[3]龔欣,劉海峰,王輔臣,等.新型多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐[J].節(jié)能與環(huán)保,2001(6).

[4]于光元,李亞?wèn)|.煤氣化工藝技術(shù)分析.潔凈煤技術(shù),2005,11(4).

The Engineering Application and Advantages of the Coal-water Slurry Gasification with Opposed Multi-burner

Li Shichao,Kong Yan,Li Jie
(Yan Kuang GuoHong Chemicals Co.,L td,Zoucheng273512,China)

This ariticle introduces the international’s first engineering application and advantages of the coalwater slurry gasification with opposed multi-burner,which was co-developed by East China University of Science and Technology and YanKuang Group with independent intellectual property rights,and compares the key technic index with Texaco pressurized water-coal slurry gasification technology.

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