德士古水煤浆加压气化技术的优化创新

1、德士古水煤浆加压气化技术的优化创新王延昆，王 伟（兖矿国宏公司气化部，山东邹城273500 ） 2007-03-230 前 言目前我国以煤为原料生产合成氨、氢气和羰基合成气的工业装置，其造气大致分为德士古水煤浆加压气化、鲁奇碎煤加压气化、常压 固定层间歇气化和近期引进的谢尔粉煤加压气化等几种。其中比较先进的气化方法为德士古水煤浆加压气化和谢尔粉煤加压工艺两种。前 者是50年代初期，由美国德士古公司在重油部分氧化气化基础上开发成功的，随后在日本、瑞典和意大利等国工业应用。我国的兖矿鲁南化肥厂、淮南化肥厂和吉化公司化肥厂等均采用这种工艺。后者是荷兰壳牌公司开发的一种先进煤气化技术。始于1972年，

2、期间经历了数次小试、中试和工业化放大试验，于1993年在荷兰Demclec建成循环联合发电装置，从而实现该技术的工业化。我国的湖北双环科技股份有限公司、洞庭氮肥厂和柳州化学工业公司等10余家企业，已将该技术用于合成氨和甲醇的生产。有许多文献报道：与德士古水煤浆加压气化技术相比，Shell煤气化具有对煤质要求低，合成气中有效组分（CO+H89%含量高，原煤和氧气消耗低，环境污染小和运行费用低等特点。但笔者认为上述观点并不全面，本文结合多年来对德士古水煤浆加压气化操作的体会，对这两种气化工艺进行比较，谈谈水煤浆气化技术的优化创新。1 两种气化工艺存在的技术问题1.1 谢尔技术壳牌公司的SCGF技术

3、，由于是干法进料，气化炉的操作温度比较高，碳的转化率比较高，系统的热量利用率比较高，氧气的消耗也比较少。但是由于是干粉进料，在加压状态下进行气流输送，对进料系统阀门的耐磨性能和密封性能要求比较高，而且进料的压力也不 能控制得太高，还有无用的氮气进入气化炉内，显然不如德士古技术的水煤浆进料方便。另外干粉进料的谢尔气化过程实际只是纯氧条件 下的部分氧化过程，入炉水蒸气的分解率非常低，引入蒸汽的目的，实际是为了通过部分水蒸气的分解，调节气化炉内的温度，通过引入 蒸汽消耗热量，这样做并不科学。在这一点上德士古气化工艺的气化炉内水蒸气的比例比较大，水蒸气的分解量比较大，能从水当中得到 氢气，从而大大提高

4、单位质量原煤的产气率，其经济效益是十分可观的。因为一分子碳和水蒸气反应可以生成一分子CO和一分子H2，而一分子碳和一个氧原子反应只能生成一分子CO。1.2 德士古气化技术德士古水煤浆气化炉采用湿法进料，因此操作比较方便。但因为采用液体排渣技术，由此而产生了一系列的问题，比如：要求煤种的灰熔点和灰分含量不能太高，煤灰在操作条件下熔融灰的黏度比较低，流动性比较好等。所有这一切要求都是基于要保证液体排渣的顺利进行，产生这些问题的根本原因在于进料带入了大约35%勺水。德士古气化最大的优势是水煤浆进料而带来的操作上的方便，最大的问题也是源于水煤浆进料而产生的热量平衡紧张和排渣的困难。因为由于这35%勺水

5、进入气化炉后，水分的蒸发、升温要吸收大量的热量，导致了 TCGP气化工艺气化炉内的反应温度相应比干粉气化低，气化炉内的热量平衡状况比较紧张，因而碳的转化率比干粉气化低，氧耗也比干 煤粉气化高。人们往往用气化炉产生的合成气中CO + H2的高低来对比德士古气化和谢尔气化两种气化技术的优劣，笔者认为用这种方法来比较并不科学。表1列出了两种气化工艺的气体组成。由表1可见，Shell气化产生的气体中CO含量高，H和CQ含量都低，经过变换后才能达到与Texaco气化后相同的组成，因此，可以说干煤粉气化单位质量原煤的产气率并不高。因为合成气生产厂家进行煤炭气化的目的是生产 氢气，出炉粗煤气中CQ+H的含量

6、实际上并不能真正代表有效气的含量。Shell气化产生的CQ含量高，在变换工段要消耗大量的水蒸气来完成高含量CQ合成气的变换过程，因此，如果以每生产1000 m3氢气来计算各种消耗，谢尔气化的许多经济技术指标就不那么优越了，投资巨大的废热锅炉系统产生的水蒸气刚好供后续工段变换使用，还不如德士古气化用激冷流程，使热量回收和气体除尘同时进行，投资少、 操作简单、运行费用低、洗涤效果好。表1不同气化工艺组成对比%项目CO0旳吕111吒化(51.73.8227.6Texaco气化46717.834.fiShwll预变后航114.9333.12 水煤浆气化技术的优化创新思路通过上面的分析可以看出水煤浆气化

7、的优点是：（1）水煤浆气化技术在进料上比较方便和安全；（2）水煤浆气化单位质量原料煤的有效气产量比干煤粉气化高；（3）合成气的冷却和洗涤采用激冷流程，比Shell气化采用废锅流程投资少，而且操作简单，洗涤效果好。但是水煤浆气化工艺在原料的选择上有一些限制，认真分析水煤浆气化技术问题的根源在于入炉的水消耗了气化炉内太多的热量，再加上气化 反应本身就是一个较强的吸热过程，所以德士古气化炉从安放烧嘴的燃烧室上部到下面的排渣口，温度下降的梯度是比较明显的，又是采 用液体排渣形式，所以对原料发热量、灰熔点等物性有比较严格的要求。为此人们试图通过提高煤浆的浓度来解决这个问题。但是要磨制 高浓度的水煤浆有一

8、定的难度，即便是能磨制岀高浓度的水煤浆，其流动性又成了问题。人们又试图开发油、煤、水三元料浆和掺混石油 焦的多元料浆，虽然有所改善，但是解决不了根本问题，而且原料制备过程比较复杂。以天然气等可燃气体为原料制取合成气的转化工艺，由于原料的含碳量比较高、发热量比较高，所以反应温度非常高，气化炉内的热量相对太富裕了。必须加入一定量的水蒸气，并通过水蒸气的分解来消耗热量，降低气化炉的温度。如果在一个气化炉上同时使用水煤 浆和天然气或者焦炉煤气等可燃气体进行气化，就可以巧妙地把单一使用水煤浆气化原料发热量低、系统内热量平衡紧张的问题和单一使 用天然气或焦炉煤气转化气化发热量太富裕的问题同时解决，变劣势为

9、优势，可以收到意想不到的效果。由此，笔者想到了一种优化革新水煤浆气化炉的思路，那就是开发一种同时使用煤和天然气或者同时使用煤和焦炉煤气两种原料的复合原料气化炉。结合我国煤炭资源丰富的基本国情，还是应当以煤气化为主。在这种新型气化炉中要以煤为主要原料，以可燃气体为辅 助原料。该炉型的设计以德士古水煤浆气化炉为原型，在气化炉的顶部安装一个主工艺烧嘴，向气化炉投入水煤浆和氧气，在气化炉的中 部安装两个辅助工艺烧嘴，用来加入可燃气体和氧气，但是辅助工艺烧嘴不再配加普通天然气转化所用的水蒸气。两个用作可燃气体进料的辅助工艺烧嘴要采用相对喷入的方式安装，这样可燃气体喷入气化炉以后相互对撞，可以防止气流冲击

10、对面的耐火材料，同时有来自气 化炉顶部主工艺烧嘴喷射下来的气流推动，辅助工艺烧嘴喷入的可燃气体就更难以喷到对面的耐火材料上了。而且辅助工艺烧嘴的负荷量 比较小，对气化炉内的流场不会产生较大的影响。引入了辅助的高热值可燃性气体原料以后，由于向气化炉内提供的热量大大增加了，入炉的水量相对减少，优化了气化炉内的热平衡状况。对于这种气化炉，如果70%勺原料是浓度是65%勺水煤浆，30%勺原料是天然气或者是焦炉煤气，就相当于把进料水煤浆的浓度提高到了 72.7%，而且由于可燃气不含灰分，不存在灰渣融化问题，所以带岀的热量又减少许多，再加上可然气体转化本身要消耗一定量的水 蒸气，实际相当于把进料水煤浆的浓

11、度提高到了80%90%这对于优化气化炉内水煤浆的气化操作具有十分重要的意义。尤其气化炉中部可燃气体的引入，减少了整个气化炉上下温度差，相对提高了气化炉下部渣口处的温度。有利于顶部主工艺烧嘴喷入的水煤浆中煤粉的进 一步转化，有利于气化炉的排渣操作。同时不必像德士古气化那样要求气化炉保持较高的反应温度，可以相对降低顶部水煤浆主工艺烧嘴 燃烧区的温度，提高气化炉下部还原区的温度，使气化炉上下成为一个温度相对均匀而且相对低温的反应体系，有利于延长气化炉耐火材 料的使用寿命。另外由于引入了辅助的高热值可燃性气体，使整个气化炉的温度特别是气化炉中下部的温度有了一定幅度的提高，因而可 以大大提高煤的转化率，

12、改善气化炉内热平衡状况，对提高气化炉内水蒸气的分解率，提高有效气体成分、提高碳的转化率、降低比氧耗 和比煤耗都很有帮助。同时亦不必对原料煤的发热量和灰熔点、灰分含量等指标提过高的要求，原料的适用范围就更广泛。对于这种气化 炉，气化炉燃烧室的长度可以比德士古气化炉的燃烧室再长一点，这样可以进一步提高气化炉的生产能力，延长原料的转化时间，提高原料的转化率，这对于水煤浆气化是非常有意义的。这种气化炉的开车投料可采取先点燃可燃气体的辅助工艺烧嘴，然后让顶部的水煤浆主 烧嘴投入水煤浆和氧气的方式，这样气化炉投料的安全性和可靠性就比德士古气化又高多了。该气化炉同样应当使用激冷流程来对气化炉 产生的合成气进

13、行洗涤冷却。有人认为，水煤浆气化气化炉内的热量紧张问题可以通过提高入炉的氧气量来解决。虽然提高入炉的氧气流量能提高气化炉内的温度，缓解水煤浆气化内热量紧张的问题，但再提高入炉氧气的比例，将会增加岀炉气体中CQ的含量，德士古气化工艺岀炉气体中CQ含量为17% CO的含量为45%,这说明原料中有27.4%的煤要完全燃烧生成 CO来为气化炉提供热量。因此，进一步提高入炉氧气的比例对于提 高单位质量原料的有效气体产率是不利的。所以加入另外一种高热值的原料，来缓解水煤浆气化炉内热量平衡紧张的问题是经济可行的， 它既不必增加总的氧气消耗量，因为可燃气体本身转化的过程也会产生一定量的有效气体，同时又有利于水

14、煤浆中碳的彻底转化，提高原 料的有效气体产率。3 结束语引入可燃气体的复合原料气化可以进一步优化水煤浆气化工艺，具有十分广阔的前景。用作辅助原料的可燃气体可以是天然气、煤层气、焦炉煤气等多种气体，甚至是渣油，对于综合利用焦炉煤气、开发使用煤层气，推动渣油的进一步开发利用都是很有帮助的，同时 这对实现原料的综合运用和循环利用，建设循环经济具有积极的意义。德士古水煤浆加压气化试车总结陈方林（安徽淮化集团有限公司，安徽淮南232038） 2001-07-16淮化集团公司的德士古水煤浆加压气化装置于2000年8月在美国德士古公司 仃exaco）和日本宇部公司（UBE）专家指导下，进行化工投料试车，一次

15、成功。在较短时间内（20天）转入试生产，创造了试车时间最短的记录，并在稳定运行的基础上，于2000年11月开始进行义马煤配华亭煤掺烧试验。目前，义马煤、华亭煤掺配比例各占50 %。该装置投运以来，经过半年的运行，显示生产能力大、运行安全稳定、操作弹性大的特点。截止到2001年1月底，已生产合成氨 46kt。1 装置概况气化装置采用的是美国 Texaco技术，由日本UBE公司承包并进行基础设计，东华公司（原化工部第三设计院）进行详细设计。该装置共安装二套磨机系统，三台气化炉系统和一套灰水处理系统。正常情况下气化炉二开一备，装置能力为1264000ml/ d（100 %的H2+CQ干基）；氧气用量

16、23000m3/h;原煤用量44.2t / h（湿基），副产0.485MPa蒸汽14.7t /h，排出界区细渣量为1.34t /h（干基），粗渣量为2.58t / h（干基）。该装置采用4.0MPa气化，激冷流程，灰水处理系统采用中压（0.485MPa）、真空（-0.049MPa）二级闪蒸，以回收热量并循环利用处理后的灰水。气化装置有104种设备，共计211台套，其中关键设备均是进口的，共34台，如煤称重给料机、破渣机、德士古烧嘴，煤浆泵、激冷水泵、锁斗循环泵等。关键的阀门、仪表DCS系统亦是进口的，其余设备经Texaco公司认可由UBE公司委托国内制造，如碳洗塔、气化炉等。2 主要设计参数淮

17、化德士古气化采用的是河南义马煤，义马煤有关性能参数见表1，装置主要工艺参数如下锁目tm期 3 93C65. 74MgO3.115-4* 93H心TiOf血 5 1- SSQr 93SOiWNfl. 91013-87IT1090a住：IT为幼加強愿掘鹿用亍为秋配凰屋旧为半球弦康FT为喪功S1仏主要工艺参数氧气压力6.2MPa气化压力4.0MPa合成气压力3.7 3.9MPa中压闪蒸压力0.485 MPa真空闪蒸压力-0.049MPa气化炉温度1380C碳洗塔岀口温度112 116C合成气水汽比1.4 1.6合成气有效成分(CO+H)75 %氧煤比464氧气流量（单炉）311500m / h煤浆流

18、量（单炉）24.71 m 3/ h煤浆浓度58 %62%煤浆比重1.24g / cm煤浆粒度分布8 目（通过率）100 %14目（通过率）98 %100 %40目（通过率）90 %95%325目（通过率）25 %35%3 化工试车及生产运行情况气化装置于2000年二季度末全面建成。2000年8月9日，在Texaco和UBE专家指导下，第一次化工投料试车取得成功。整个化工 试车及试生产可分为三个阶段。化工试车第一阶段（2000.8.98.17）单台气化炉60%负荷运行，合成气放空到火炬。该阶段用九天时间，3水气化炉投料5次，全部取得成功。并且第四次停车时，在未换德士古烧嘴、未重新升温的情况下，连

19、投成功。（2）化工试车第二阶段（200091910.9）此段时间由于公司老装置大修（2000年8月18日9月中旬），空分停车，启动二台气化炉，合格煤气送入下游工序并打通合成氨 流程，转入试生产阶段。（3）试生产阶段（2000.10.9以后） 配华亭煤试烧在装置稳定运行的基础上，为解决原料煤供应单一的问题， 于2000年11月上旬开始配华亭煤试烧，华亭煤的掺配比例由最初的 5%， 逐步提高到目前的50%，工艺状况稳定。掺配煤气化的成功，为我公司开辟煤源提供了宝贵的经验。 气化装置的性能考核2000年12月15日，美国Texaco和日本UBE公司的专家对淮化德士古气化装置进行为期24h的满负荷性能

20、测试，各项主要指标均达到或优于PDP保证值，测试数据见表 2。考核期间，装置运行有代表性数据见表3。表2測试值与PDF性能银证值比较項H强证值1ZMOOO12UOOOO0. 7620. 7080.697607电耗4科h0” 03976 02960.04970.00003槨炉蜡水什氏0. 3790-31936-835-3裏耳藝运标有代表性的缠据一览表2000 年 12 帖日 23： 00）项巨运行值|凄目2*护炉2 炉护炉人护14-$71-8132 4327.98理浆憑度/魅eb 56人炉115531145ACO4L ft?41-76叫优护压力3, MHi34.8535. 8BB5Q1J50COi络022K937180070200HjS/XlO-*1050合戒汽卩度/X?210N(+Ar0.40-4相渣频卓4 5S 672224274 气化装置停车原因统计德士古水煤浆加压气化装置的高负荷、连续运行对降低工厂生产成