多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)

O閆吉臣（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠 青海 816099）

多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)

O閆吉臣
（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠 青海 816099）

本文首先對(duì)煤氣化技術(shù)的意義進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，了解進(jìn)行煤氣化技術(shù)研究的作用以及對(duì)整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響，重點(diǎn)分析目前多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的應(yīng)用研究，然后對(duì)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化工藝的流程及特點(diǎn)進(jìn)行介紹，掌握具體的水煤漿加壓氣化工藝及相關(guān)技術(shù)，最終通過(guò)具體的案例分析多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)。希望通過(guò)本文的研究能夠?qū)Χ鄧娮鞂?duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)形成更加全面的認(rèn)識(shí)和了解，掌握實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，更好的提高我國(guó)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)水平，從而有效促進(jìn)我國(guó)煤氣化行業(yè)的發(fā)展。

煤氣化技術(shù)；多噴嘴對(duì)置式；水煤漿加壓氣化

1.前言

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)水平的不斷提高，國(guó)民對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不斷提高，但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中對(duì)于能源的消耗難免會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，因此對(duì)傳統(tǒng)能源進(jìn)行深化加工，凈化處理就成為新的發(fā)展階段的重要研究課題。煤氣化技術(shù)指的是在一定溫度、壓力條件下利用氧氣、水、二氧化碳等氣化劑與煤炭發(fā)生反應(yīng)從而生成潔凈合成氣體的技術(shù)，通過(guò)煤氣化工程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于煤炭的化學(xué)深加工，降低煤炭使用產(chǎn)生的污染，這也是新的發(fā)展階段實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈利用的關(guān)鍵。目前我國(guó)已經(jīng)掌握了比較成熟的煤氣化技術(shù)，現(xiàn)在比較前端的是多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)。這里對(duì)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的研究應(yīng)用、工作流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，能夠促進(jìn)煤氣化技術(shù)更好的發(fā)展，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于自然環(huán)境的保護(hù)。

2.煤氣化技術(shù)的意義

根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，煤炭資源豐富、石油資源短缺、能源氣體資源更是嚴(yán)重匱乏。針對(duì)目前我國(guó)以煤炭資源利用為主的能源結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)階段國(guó)際能源的市場(chǎng)形勢(shì)，我國(guó)必須立足國(guó)情，對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，充分發(fā)揮豐富煤炭資源的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，將固態(tài)煤炭資源轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)、氣態(tài)資源，從而有效彌補(bǔ)石油、天然氣資源的先天不足，同時(shí)提高資源利用率，降低能源使用對(duì)于環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)大力發(fā)展高效清潔的煤氣化技術(shù)以及其他類(lèi)型的煤炭資源深加工利用技術(shù)，能夠逐漸在我國(guó)形成以煤氣化為龍頭、能源需求市場(chǎng)為導(dǎo)向的多元化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，逐漸調(diào)整并完善我國(guó)的能源發(fā)展及資源利用產(chǎn)業(yè)框架，從而更好的支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的監(jiān)控發(fā)展。同時(shí)有效緩解目前我國(guó)面臨的油品、天然氣供應(yīng)緊張的壓力，降低經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成的環(huán)保壓力，保障國(guó)家安全。

另外煤氣化技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到其他諸多工業(yè)的發(fā)展，比如說(shuō)煤基化學(xué)品、煤基液體燃料的研制，先進(jìn)的IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及制氫、燃料電池等工業(yè)的研究開(kāi)發(fā)。煤氣化技術(shù)是這些過(guò)程工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，通過(guò)煤氣化技術(shù)的研究發(fā)展能夠同時(shí)帶動(dòng)這些過(guò)程工業(yè)的發(fā)展。目前我國(guó)已經(jīng)在建的甲醇裝置、合成氨裝置、煤制油裝置、煤制烯烴裝置等都表現(xiàn)了對(duì)煤氣化技術(shù)的強(qiáng)烈需求。

3.多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)應(yīng)用研究

(1)概述

自上世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)家有關(guān)部委就認(rèn)識(shí)到煤氣化技術(shù)的重要性，通過(guò)國(guó)家部委方面的支持，由華東理工大學(xué)對(duì)氣流床氣化技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的研究與開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期以來(lái)相繼獲得國(guó)家關(guān)于“八五”、“九五”、“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃以及國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目863計(jì)劃、973規(guī)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金以及國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目(科技攻關(guān))計(jì)劃的資金資助和政策支持。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，該研究計(jì)劃相繼承擔(dān)和完成國(guó)家、省部級(jí)的關(guān)鍵項(xiàng)目達(dá)40 余項(xiàng)。

其中比較關(guān)鍵的技術(shù)就是由華東理工大學(xué)通過(guò)消化、吸收國(guó)外引進(jìn)的氣流床氣化技術(shù)結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需求研制成功了煤氣化技術(shù)的多種關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，比如氣化噴嘴等。后期在“九五”至“十五”期間，在各部委以及部分先進(jìn)企業(yè)的支持下，華東理工大學(xué)逐級(jí)對(duì)煤氣化相關(guān)技術(shù)完善，最終實(shí)現(xiàn)了多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究到中試研究再到工業(yè)示范的三級(jí)連續(xù)跨越。這項(xiàng)技術(shù)也是國(guó)際首創(chuàng)、我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

(2)實(shí)驗(yàn)室研究

由于水煤漿的氣化過(guò)程比較復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)條件比較嚴(yán)苛，需要保持高溫高壓，而且會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同的反應(yīng)過(guò)程相關(guān)交叉串并聯(lián)的情況，尤其是氣化過(guò)程中化學(xué)與物理問(wèn)題耦合會(huì)使得整個(gè)過(guò)程更加復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)單純的綜合理論研究對(duì)煤氣化過(guò)程進(jìn)行可靠的分析。因此，在實(shí)驗(yàn)室的研究中最重要的一步就是對(duì)煤氣化的化學(xué)與物理問(wèn)題進(jìn)行解耦，然后再分別研究其物理化學(xué)規(guī)律，最后再借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)學(xué)描述進(jìn)行綜合，從而獲得最終的設(shè)計(jì)與放大依據(jù)。另外要注意大型冷模與小型熱模并舉和物理化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述與系統(tǒng)模擬并舉。大型冷模主要研究煤氣化過(guò)程的流動(dòng)規(guī)律，為放大服務(wù)；而小型熱模則主要探索溫度與壓力效應(yīng)，為技術(shù)條件選優(yōu)服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)束后再將得到的研究結(jié)論應(yīng)用到中試裝置中接受其檢驗(yàn)，利用中試裝置的研究來(lái)驗(yàn)證煤氣化的數(shù)學(xué)模型，從而更加豐富和完善實(shí)驗(yàn)得到的相關(guān)科學(xué)規(guī)律，將最終的結(jié)論應(yīng)用到工業(yè)裝置中。

在“九五”“十五”期間，華東理工大學(xué)重點(diǎn)針對(duì)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)和放大依據(jù)進(jìn)行來(lái)更加深入的研究，比如氣化爐的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究、停留時(shí)間、壓力以及濃度的分布研究和一些關(guān)鍵單元的系統(tǒng)模擬。在此基礎(chǔ)上逐漸凝煉出了多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，同時(shí)也為這項(xiàng)重要技術(shù)的中試和產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

(3)中試研究

在實(shí)驗(yàn)室取得階段性研究成果的同時(shí)，一些企業(yè)已經(jīng)逐漸開(kāi)展了針對(duì)于多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)中試裝置的建設(shè)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，得到中試結(jié)果與引進(jìn)水煤漿氣化技術(shù)的比較。

最終的中試研究結(jié)果顯示我國(guó)自主研發(fā)的水煤漿加壓氣化技術(shù)能夠通過(guò)煤氣化得到83%的有效氣，其中碳轉(zhuǎn)化率＞98%，將近99%；而且轉(zhuǎn)換過(guò)程中的比煤耗、比氧耗低于引進(jìn)裝置的7%左右。這項(xiàng)技術(shù)得到中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定認(rèn)可，并獲得國(guó)家各部委的獎(jiǎng)勵(lì)。后來(lái)這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)各主要煤化工企業(yè)得到廣泛推廣使用。

4.多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化工藝流程及特點(diǎn)

(1)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化及煤氣初步凈化

首先是利用氣化室內(nèi)的四個(gè)對(duì)稱噴嘴把經(jīng)過(guò)加壓的煤漿與氧氣一起噴入氣化爐中。煤漿顆粒逐漸在氣化爐中氣化，一般需要經(jīng)過(guò)顆粒的湍流彌散、振蕩、加熱等過(guò)程，然后煤漿逐漸蒸發(fā)，煤漿中細(xì)小的煤炭顆粒逐漸析出，在氣化爐內(nèi)發(fā)生各種多相反應(yīng)，最終煤炭形成灰渣，氣體在爐內(nèi)產(chǎn)生。

氣化爐內(nèi)的反應(yīng)不是單一的反應(yīng)，往往是各種串并聯(lián)同時(shí)存在的復(fù)雜反應(yīng)體系，一般情況下可以把整個(gè)氣化反應(yīng)分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)兩部分。其中一次反應(yīng)是以燃燒為主，氣化反應(yīng)剛開(kāi)始的時(shí)候，各種反應(yīng)物，比如氧氣、煤漿、一氧化碳和氫氣等都進(jìn)入一次反應(yīng)區(qū)。水煤漿在爐內(nèi)霧化，同時(shí)吸收爐內(nèi)的各種輻射熱，導(dǎo)致煤漿在瞬間蒸發(fā)，其中的煤粉逐漸發(fā)生熱裂解并向爐內(nèi)釋放揮發(fā)分。最終這些裂解產(chǎn)物、揮發(fā)分和易燃成分在爐內(nèi)高溫高氧環(huán)境下迅速燃燒，產(chǎn)生大量的熱，使?fàn)t內(nèi)溫度進(jìn)一步升高。一次反應(yīng)的過(guò)程比較短暫，一般在射流區(qū)和撞擊區(qū)發(fā)生，當(dāng)爐內(nèi)氧氣消耗完畢后，這一過(guò)程也宣告結(jié)束。二次反應(yīng)是以吸收熱量，產(chǎn)生氣體為主。爐內(nèi)主要的煤焦、一氧化碳、氧氣、甲烷、二氧化碳以及水和氫氣進(jìn)入二次反應(yīng)區(qū)之后逐漸發(fā)生各種氣化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的一氧化碳和氫氣,這也是水煤漿氣化過(guò)程產(chǎn)生有效氣成分的主要過(guò)程。一般情況下二次反應(yīng)主要在管流區(qū)發(fā)生。另外在氣化爐的撞擊區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)會(huì)發(fā)生各種質(zhì)量交換，導(dǎo)致這些區(qū)域會(huì)同時(shí)進(jìn)行一次反應(yīng)和二次反應(yīng)。

由于二次反應(yīng)以吸熱為主,發(fā)生的區(qū)域溫度一般比較低,能夠?qū)t內(nèi)耐火磚起到一定的保護(hù)作用。導(dǎo)出氣化室的氣體一般會(huì)夾帶一定的熔融灰渣，需要在洗滌冷卻室內(nèi)完成對(duì)合成氣體的初步洗滌冷卻以及對(duì)于熔渣的初步分離。一般可以采用混合器、分離器和水洗塔相結(jié)合的方式來(lái)降低煤氣中的灰渣含量，同時(shí)能夠避免壓力損失。

(2)含渣水處理

在得到煤氣后需要對(duì)初步凈化得到的含渣水進(jìn)行處理。首先對(duì)含渣水進(jìn)行減壓處理，導(dǎo)入處理系統(tǒng)，第一步是導(dǎo)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室內(nèi)將含渣水進(jìn)行氣化，然后與水中的酸性氣體一起解吸。第二步是將蒸發(fā)得到的蒸汽導(dǎo)入熱水室與循環(huán)灰水接觸換熱，得到大量的液相產(chǎn)物。最后對(duì)這些液相產(chǎn)物進(jìn)行真空閃蒸，降低含渣水中的水汽含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于酸性氣體的完全解吸。

從以上分析可知，我國(guó)研究的這種多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置的主要技術(shù)特點(diǎn)有三點(diǎn)：第一點(diǎn)是使用多噴嘴對(duì)置的水煤漿氣流床氣化爐和復(fù)合床煤氣洗滌冷卻設(shè)備；第二點(diǎn)是利用分級(jí)凈化的煤氣初步凈化工藝；第三點(diǎn)是利用蒸發(fā)分離直接換熱式含渣水處理及熱回收工藝。

5.工業(yè)應(yīng)用介紹

這里以兗礦國(guó)泰化工有限公司的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置為例，對(duì)這種多噴嘴對(duì)置式的水煤漿加壓氣化技術(shù)的具體應(yīng)用以及實(shí)際效果進(jìn)行介紹。

兗礦國(guó)泰化工有限公司建設(shè)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的工業(yè)裝置及配套工程得到多部委以及華東理工大學(xué)的大力支持，該項(xiàng)目總投資為27億元，使用兩臺(tái)日處理氣化爐裝置，每臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)日處理1150噸煤。該示范裝置于2005年中旬一次投料成功，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工藝流程的一次打通。按照初始的計(jì)劃，在運(yùn)行80小時(shí)的時(shí)間內(nèi)一直處于平穩(wěn)連續(xù)的狀態(tài)。而后選擇合適的空分裝置具備條件，在當(dāng)年10月16日正式開(kāi)始該裝置的投產(chǎn)使用。并于次日打通全部工藝流程，生產(chǎn)出甲醇。截止到當(dāng)年年終，該裝置累計(jì)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)2000小時(shí)左右，整體氣化裝置實(shí)現(xiàn)85%的運(yùn)轉(zhuǎn)率。最終的工業(yè)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證實(shí)，該裝置開(kāi)車(chē)方便、操作靈活、自動(dòng)化程度高，運(yùn)行狀況穩(wěn)定、工藝技術(shù)指標(biāo)極為先進(jìn)而且合成氣中細(xì)灰含量低，氣化效果良好。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可知，煤氣化技術(shù)對(duì)于整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的作用。目前我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)具有鮮明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足目前對(duì)于煤氣化工業(yè)生產(chǎn)的需求。未來(lái)隨著我國(guó)能源消耗的不斷增加以及環(huán)保壓力的不斷增大，對(duì)于煤氣化技術(shù)的要求會(huì)越來(lái)越高，這就需要煤氣化行業(yè)相關(guān)人員不斷加強(qiáng)對(duì)于先進(jìn)煤氣化技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，制定更加合理的煤氣化方案，從而不斷提高我國(guó)煤氣化技術(shù)的水平，促進(jìn)煤氣化行業(yè)的健康發(fā)展，從而保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良好發(fā)展。

Pressurization and Gasification Technology of Opposed Multi-nozzle Water-coal-slurry

Yan Jichen

(Methanol Plant of Qinghai Salt Lake Magnesium Industry co., ltd, Qinghai, 816099)

In this paper , fi rstly, it takes a brief introduction of the signifi cance of coal gasifi cation technology and study the role of coal gasif ication technology research and the infuence on the whole economic society, besides, it focus on analyzing the application research of pressurization and gasifi cation of current opposed multi-nozzle water-coal-slurry, and then takes introduction of the process and characteristics of pressurization andgasifi cation of current opposed multi-nozzle water-coal-slurry technology, and master the specifi c water-coal-slurry pressurization and gasifi cation technology and related technologies, fi nally through the concrete cases to analyze opposed multi-nozzle coal-water slurry pressurization and gasifi cation technology. We hope the research in this article can bring more comprehensive knowledge and understanding for China’s opposed multi-nozzle water-coalslurry pressurization and gasifi cation technology level, so that to promote effectively the development of China’s coal gasifi cation technology industry.

coal gasifi cation technology；opposed multi-nozzle；pressurization and gasifi cation of water-coal-slurry

T

A

閆吉臣(1975～)，男，青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠，研究方向：研究方向化學(xué)工程與工藝。