多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研发及应用

1、多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研发及应用张大晶1 马明2（1水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，滕州277527；2兖矿国泰化工有限公司，滕州277527）摘 要 介绍了我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研发、气化炉流场及煤气化机理、工艺流程以及特点，技术推广应用前景广阔。 关键词 多喷嘴 水煤浆 煤气化 工业化1 研发过程我国是煤炭资源大国，我们迫切需要形成自主知识产权、能与国际先进水平竞争的煤气化技术。九五期间，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂和中国天辰化学工程公司在消化、吸收德士古水煤浆气化技术的基础上，共同承担了国家九五重点科技攻关课题新型(多喷嘴对置 水煤浆气化炉开发，建成

2、并成功运行了多喷嘴对置式气化炉的中试装置，于2000年10月通过了石油和化学工艺局的技术鉴定与验收，专家认为该技术填补国内空白，达到国际领先水平，荣获九五攻关国家科技部、财政部、原国家计委、原国家经贸委 优秀科技成果奖， 并获得了10余项国家专利。十五期间，多喷嘴对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。华东理工大学、兖矿集团有限公司共同承担 十五国家863计划 新型水煤浆气化技术，在兖矿国泰化工有限公司建设日处理1150吨煤，气化压力4.0Mpa 的多喷嘴对置式水煤浆气化技术的商业示范装置，于2005年10月投入运行，2006年1月通过中国石油和化学工业协会的技术鉴定，认为具有我国自主知识产权

3、的大型化多喷嘴对置式水煤浆气化技术处于水煤浆气化技术的国际领先水平。荣获石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖；在国家经贸委十五重大技术装备研制项目的支持下，通过专利实施许可的方式，在山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程项目中，建设了一套日处理750吨煤，气化压力6.5MPA 的多喷嘴对置式水煤浆气化装置，于2005年6月投入运行。该项目也同时荣获石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖。多喷嘴对置式水煤浆气化技术成功应用，打破了国外跨国公司对水煤浆气化技术的垄断，为我国能源和煤化工市场提供了新的技术路线。2 工艺过程及技术特点2.1气化反应机理在实验室以直径1000mm 的

4、大型冷模对置气化炉有机玻璃模型对气化炉流场进行了探讨。流场可划分为：射流区、撞击区、撞击流股(上下2股 、回流区(共6个 、折返流区、管流区1，如图1所示。 6A图1 多喷嘴对置式气化炉流场示意图1射流区；2撞击区；3撞击流股区；4回流区；5折返流区；6管流区水煤浆、氧进入气化室后，相继进行雾化、传热、蒸发、脱挥发分、燃烧、气化等6个物理和化学过程2，前5个过程速度较快，在1、2、3、4、5五个流型区域中已基本完成，而气化反应除在上述五区中进行外，主要在管流区6中进行。煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了以下步骤3：颗粒的湍流弥散、颗粒的振荡运动、颗粒的对流加热、颗粒的辐射加热、煤浆蒸发与颗粒中

5、挥发分的析出、挥发产物的气相反应、煤焦的多相反应、灰渣的形成。2.2工艺流程多喷嘴对置式水煤浆气化属气流床气化技术，主要包括煤浆制备、输送单元，多喷嘴对置式水煤浆气化单元，煤气初步净化单元、含渣水处理单元。关键单元为气化、煤气初步净化，含渣水热回收。煤浆制备、输送单元工艺简单。煤与水、煤浆添加剂进入煤磨机磨制出合格的煤浆60%65%（质量百分数），通过煤浆泵加压后输送至气化单元。多喷嘴对置式水煤浆气化单元，采用四喷嘴对置式，来自高压煤浆泵的水煤浆和来自空分的高压氧气通过工艺喷嘴同轴射流进入气化炉，在气化炉内形成撞击反应区，进行部分氧化反应，生成的粗合成气、熔渣一起向下进入气化炉激冷室，大部分熔

6、渣在水浴中激冷固化，落入激冷室底部，通过静态破渣器后进入锁斗收集，定期排放，粗合成气在气化炉激冷室液位下鼓泡后出激冷室。四喷嘴对置形成撞击流，加强混合，强化热质传递，达到理想的工艺效果。煤气初步净化采用分级的概念，即先粗分再精分，出气化炉的合成气先经过混合器润湿除去夹带的固体颗粒，再经过旋风分离器除去合成气中夹带的大部分细灰，然后进入洗涤塔进一步洗涤，出洗涤塔的合成气送后工序(含尘量小于1mg/Nm3 。洗涤效果良好，克服带水、带灰现象。含渣水处理单元, 采用直接换热方式，来自气化和净化单元的含渣水首先进入蒸发热水塔蒸发室，蒸发室内含渣水大量汽化，溶解在水中的酸性气体解吸出来，蒸发室产生的蒸汽

7、进入热水室，与循环灰水直接接触，使灰水得到最大程度的升温，蒸发室底部含固量增浓的液相送入真空闪蒸器，经闪蒸后的黑水进入澄清槽，加入絮凝剂强化沉降。浓缩的黑水经澄清槽底物泵送入过滤机，澄清的灰水经闪蒸气加热回收热量后返回系统。另有部分灰水去废水处理工序，无环境污染。同时完成了热质传递，能量回收好，避免了结垢，操作周期长。 图2 多喷嘴对置式水煤浆气化技术流程示意图2.3工艺特点1 技术指标先进。国泰多喷嘴气化炉与鲁化Texaco 炉同期运行数据比较，有效气成分提高23个百分点，CO 2含量下降23个百分点，碳转化率提高23个百分点，比氧耗降低7.9，比煤耗降低2.2。2 多喷嘴对置式水煤浆气化技

8、术采用四喷嘴撞击流，加强混合，强化热质传递。德士古水煤浆气化技术为单喷嘴，流场为受限射流，物料停留时间分布宽，碳转化率低，射流以较大速度冲刷耐火砖。3 复合床洗涤冷却使液位平稳，有效避免了Texaco 炉子激冷室液位波动，带水带灰问题，粗合成气与黑水温差比Texaco 小10，表明其传热、传质效果好。4 粗合成气分级净化，节能、高效、压降小，分离效果好（含尘量小于1mg/Nm3）。5 含渣水直接换热，蒸发热水塔出气温度与灰水温差仅4，克服了间接换热设备易结垢堵塞问题，也提高了换热效率（Texaco 闪蒸汽、冷凝液两相温差最大60）。6 投资。装置国产化率高，没有专有设备, 专利费为引进的德士古

9、水煤浆气化的1/31/2,从以上的运行指标可以看出，多喷嘴对置式水煤浆气化比引进的德士古水煤浆气化运行费用要低得多。7 气化装置负荷调节灵活、稳定，四个喷嘴之间负荷相互配合，可实现气化微调操作。8 实现带压连投技术，煤化工在高压状态下连续投料，历来被称为安全生产的禁区。兖矿国泰化工有限公司通过低、中压状态下投料等反复试验，完善和解决了30多项技术难题，走出了一条高压状态下带压投料、安全生产的新路子。可实现气化炉及后系统不停车的情况下解决故障，带压投料，提高了有效生产时。到目前为止，累计进行了10次带压连投操作，节省费用近700万。3工业应用及推广3.1工业装置运行情况目前，正在运行工业炉的有3

10、台，其中德州华鲁恒升化工有限公司一台日处理750吨煤的气化炉；兖矿国泰化工有限公司两台日处理1150吨煤气化炉。 德州华鲁恒升多喷嘴对置式水煤浆气化装置运行情况德州大氮肥国产化项目，气化部分同时建设三台水煤浆气化炉，均为750t 煤/d，压力6.5Mpa, 两开一备，其中一台为多喷嘴对置式新型气化炉，于2004年12月一次投料成功，2005年6月2日正式运行，2006年3月国家组织对大氮肥国产化项目现场考核表明，气化炉的碳转化率99.9，有效气成分达84，渣中含碳量5，每天比相同规模的引进水煤浆气化装置多创造经济效益约5万元。该项目荣获石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖。 兖矿国泰化

11、工多喷嘴水煤浆气化装置运行情况兖矿国泰化工采用两台1150t 煤/d，压力4.0Mpa 的多喷嘴气化炉，配套生产24万吨甲醇/年，联产71.8MW 发电。多喷嘴气化炉2003年5月开工建设，2005年10月投入工业运行（期间经历非典），同年12月通过中国石油和化学工业协会的连续168小时现场考核（考核指标见表1），2006年1月通过技术鉴定，认为该技术处于水煤浆气化技术的国际领先水平，并荣获石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖。该装置运行稳定， 2006年生产甲醇23.6万吨，第一年就基本达到了设计能力，表明该技术成熟可靠。截至2007年4月，我国首台日处理1150t 煤的多喷嘴对置式

12、新型水煤浆气化炉，在兖矿国泰化工有限公司实现稳定连续运行68天，工艺烧嘴连续使用83天，创造了该种炉型连续运行时间的新纪录。同时实现了带压连投技术，到目前为止，累计进行了10次带压连投操作，节省费用近700万。表1 多喷嘴气化技术与德士古气化技术主要技术数据比较 上 海 焦 化 Texaco 【2 】 500 750 500 神府煤 81 412 638 95 渭河 Texaco 【3 】 华亭煤 华亭、义 马混煤 78 415 627 95 安徽淮化集 团 【4 】 【1 】 77 425 708 95 考核、运行同期现场操作数据 【2 】 化肥工业 ，31（2） ，2004，3740 【3

13、 大氮肥 ，28（1） ，2005，2528 德士古气化技术固体进料用户技术交流会论文集 ，2002 【4 】 由上表可知：多喷嘴水煤浆气化技术已经很成熟，各项工艺指标均优于 Texaco 水煤浆气化技术，特别是鲁化 Texaco、国泰多喷嘴,均使用北宿水洗煤，可比 性更强，国泰多喷嘴主要技术指标比 Texaco 有较大提高。 3.2 技术推广 截至目前，已经有六家企业，十二台气化炉在设计建设。国泰公司第三台 日处理 1150 吨煤气化炉，4.0MPa，配套生产醋酸；鲁南化肥厂双结构项目一台 日处理 1150 吨煤气化炉，4.0MPa，年产合成氨 24 万吨；滕州凤凰化肥公司两 台（一开一备）

14、日处理 1500 吨煤气化炉，6.5MPa，年产 60 万吨醇氨一期项目； 江苏索普 60 万吨醋酸改造项目三台（两开一备）日处理 1500 吨煤气化炉， 6.5MPa、年产 50 万吨甲醇；江苏灵谷化工有限公司两台（一开一备）日处理 1800 吨煤气化炉，4.0MPa；神华集团宁煤 83 万吨二甲醚一期项目三台（两开 一备）日处理 1800 吨煤气化炉，值得一提的是，灵谷公司、宁煤集团已经签订 了 GSP 气化专利合同，但考虑到企业所承受的风险，以及多喷嘴对置式水煤浆 气化技术的良好运行业绩，该公司暂缓了 GSP 技术，转而采用该技术。 另外还有多家公司意采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术，包括：泽楷集团 赤峰甲醇 60 万吨项目、宁波万华 MDI 二期项目、山东鲁西化工有限公司 40 万 吨氨醇项目、山东盛大科技集团 100 万吨二甲醚项目 多喷