关于气化方法选择意见及评价

1、关于气化方法的选择意见张大晶（水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，滕州277527）摘 要 介绍了国际上先进的煤气化工艺技术特点，以及我国具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化装置的运行情况，其工艺技术指标达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。关键词 干煤粉 水煤浆 气流床 加压气化目前国际上先进的煤气化工艺技术主要是Shell公司的SCGP粉煤加压气化工艺、德国未来能源公司的GSP粉煤加压气化工艺，美国德士古公司的水煤浆加压气化工艺和国内具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化工艺。选择合适的气流床煤气化技术关键是看：技术的成熟程度（运行的可靠性）；投资；项目建设周期；专利商的工程支持能力

2、；运行与维护成本。1气流床加压粉煤气化Shell1.1技术先进1) 煤种的适应性比水煤浆气化宽水煤浆对煤灰分20，灰熔点1350（FT3）粉煤气化对煤灰分8，灰熔点11001500，一般1450以上要加石灰石。关于煤的含水（内水）影响水煤浆的浓度，粉煤的干燥用热量。2) 技术指标优于水煤浆粉煤气化比水煤浆气化少气化3040水分，故可省煤10，省氧气1525。冷媒气效率比水煤浆高6个百分点，达到8083；有效气成分比水煤浆高710个百分点，达到9093；C转化率比水煤浆高14个百分点，达到99；用于IGCC可使热效率达43。3) 内件寿命比水煤浆长粉煤气化的水冷壁代替耐火砖，设计寿命25年，耐火

3、砖1至2年，喷嘴寿命可达8000小时，水煤浆的喷嘴寿命3至4个月1.2引进企业经济负担重1) 工业应用业绩不足。Shell目前世界上仅有一套用于发电的Shell气化在运行，Shell气化技术用于化工生产尚无先例，开车运行经验少，可靠性有待验证。2) 国产化程度较低，投资大。是Texaco气化工艺的1.4-1.5倍。Shell气化炉、导管、废锅内件定点西班牙、印度制造，加工周期14至18个月，海运3个月，设备、仪表材料的国产化率与水煤浆相比差距也较大。3) 建厂时间长。据统计，水煤浆建厂时间2至3年，Shell建厂时间3至5年。2001年与Shell签约的洞庭、双环、柳州只有双环于2006年5月

4、试车2003年与Shell签约的中石化安庆、云天化、云南沾化，只有安庆2006年10月开始煮炉。建厂时间长，将会使企业承受较长的还贷期，负担较重。Shell气化在应用于制氢和氨时，由于废锅流程，合成气的热量用于产生高压和中压蒸汽，气相中含有的蒸汽较少，3.0MPa下仅14，因此后边的变换要补充大量的水蒸气，用于甲醇生产也要补充一部分水蒸气于变换工序，工艺上较麻烦，也使得能量利用不合理。总之，目前国内18套之多引进Shell气化技术用于化工生产，实际上风险很大，等同于高价为ShellL做工业应用的大规模示范，现有双环、安庆、湖北枝江、湖南洞氮四家试车。据反映试车期间曾发生过喷嘴处水冷壁烧漏，喷嘴

5、保护罩烧坏，渣口处水冷壁腐蚀严重等。由于没有ShellL气化装置在化工成熟应用为依托，因此消化吸收掌握乃至达到年设计能力，要经历较长时间，估计不会比当年Texaco气化耗时短。2 气流床加压粉煤气化GSP2.1技术先进GSP气化在主要技术指标上与Shell气化基本处于同一水平，其主要区别之处是Shell是多喷嘴在侧壁对置，合成气上行，废锅流程，而GSP是单喷嘴顶喷，合成气下行，激冷流程，因此更适于化工生产。2.2实力与业绩不足1) GSP工艺技术于上世纪70年代末由前民主德国的德意志燃料研究所开发，1990年东西德合并后，研究所人员流失严重，改组频繁，目前该技术属于未来能源公司GmbHF。未来

6、能源公司GmbHF设计力量薄弱，缺乏向用户提供详细设计所需的基础设计完整资料。2) 1984年，在黑水泵市（SchwarZePumpe）的劳柏格（Laubag）电厂建立了一套130MW冷壁炉的商业化装置，原料处理能力为720吨/天。1990年前曾气化过褐煤并达到过满负荷，但1990后又改为气化液态焦油、化学废液、城市垃圾等，粉煤输送系统已不存在，且无法向技术寻求方提供当年气化褐煤的有关资料、数据，实际上已不存在GSP粉煤气化装置，没有运行的粉煤气化示范装置可供考察。3) 尽管GSP技术指标与Shell处于同一水平，且激冷流程更适于化工生产，投资介于Shell与水煤浆气化之间，被不少厂家看好，但

7、由于其不可忽视的风险，谁首先引进，谁就等于替GSP进行工业示范，因此寻求技术方更加谨慎，原与未来能源签约引进GSP技术的某企业，现已暂停合同执行，并转向多喷嘴对置式水煤浆气化技术进行一期建设。3 德士古水煤浆气化（Texaco）德士古气化是以60%浓度水煤浆为原料，单喷嘴顶喷，耐火砖热壁，激冷流程为主，在我国80年代末鲁南化肥厂引进该技术时，国际上已有四套工业装置运行。鲁南化肥厂首次引进德士古水煤浆气化（Texaco）技术，用于生产合成氨，由化工部一院详细设计，国产化率达到90以上，装置于1993年建成试车，1995年即超过设计年产水平，以后较快的将负荷提到130以上稳定运行，单炉最长连续运行

8、101天，年运转率90，开车以来前6年年均运行326.8天，1995年荣获国家科技进步一等奖，这充分说明了国内在Texaco气化工程设计、设备国产化、操作管理等方面消化吸收改造卓有成效，对其技术已全面掌握。德士古水煤浆气化（Texaco）在鲁南化肥厂成功示范，揭开了我国洁净煤气化的序幕，目前我国正在运行的装置24台，在建装置10台，主要用于合成氨、甲醇的生产。4 新型多喷嘴对置式水煤浆气化在对德士古技术的全面掌握和消化吸收的基础上，九五期间，由华东理工大学和兖矿鲁南化肥厂共同承担了完成了“多喷嘴对置式水煤浆气化”中试研究， 2000年10月通过国家石油和化学工业局组织的鉴定验收，认为该技术“填

9、 补国内空白”和“国际领先水平”。 并获得一系列发明专利和实用新型专利。 十五期间进入工业示范阶段，在华鲁恒升和兖矿国泰建设的3台气化炉已进入正常工业运行。以新型多喷嘴对置水煤浆气化技术为依托的两个项目“多喷嘴对置式水煤浆气化技术”、“大型氮肥全流程技术和成套装置技术开发与应用”双双获中国石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖。4.1气化炉流场及反应机理在实验室以直径1000mm的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。图1 多喷嘴对置式气化炉流场示意图1射流区；2撞击区；

10、3撞击流股区；4回流区；5折返流区；6管流区撞击区是气化炉内物流间混合最为剧烈的区域。研究表明，它从以下几方面强化了气化炉内的雾化与混合过程。(1) 撞击区内氧气与煤浆的相向运动产生剪切力，促使煤浆液滴进一步破碎，完善了雾化过程；(2) 四股射流经过撞击才形成撞击流股，其轴向速度衰减明显加快，炉内流体的停留时间分布得到改善，即“短路”现象受到抑制；(3) 撞击区内产生的颗粒振荡现象，使颗粒停留时间相对延长；(4) 撞击区内速度脉动剧烈，湍流强度最大2，说明混合效果最好。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3，前5个过程速度较快，在1、2、3

11、、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4：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。4.2工业运行新型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。 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750吨煤/日，压力6.5Mpa,两开一备，其中一台为多喷嘴对置式新

12、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。 兖矿国泰化工多喷嘴水煤浆气化装置运行情况兖矿国泰与华东理工大学共同承担“十五”国家“863”项目，在国泰建设多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业示范装置及配套工程。采用两台1150吨煤/日，压力4.0Mpa多喷嘴气化炉，配套24万吨甲醇/年，71.8MW联合发电，供20万吨醋酸/年。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）

13、，2005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。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，截至2007年4月，我国首台日处理1150t煤的多喷嘴对置式新型水煤浆气化炉，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。实践证明该多喷嘴对置式水煤浆气化技术成熟可靠。表1多喷嘴气化技术与德士古气化技术主要技术数据

14、比较工业炉型单炉规模t/d原料煤种CO+H2%比氧耗Nm3O2/KNm3CO+H2比煤耗Kg煤/KNm3CO+H2C转化率鲁化Texaco【1】400北宿水洗煤82833365479697国泰多喷嘴【1】1150北宿水洗煤84.930953598.8上海焦化Texaco【2】500神府煤8141263895渭河Texaco【3】750华亭煤7841562795安徽淮化集团【4】500华亭、义马混煤7742570895【1】考核、运行同期现场操作数据【2】化肥工业，31（2），2004，3740【3】大氮肥，28（1），2005，2528【4】德士古气化技术固体进料用户技术交流会论文集，2002

15、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。4.3运行特点：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，CO2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术采用四喷嘴撞击流、预膜式喷嘴，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

16、）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，优于Texaco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）兖矿集团有限公司、华东理工大学提供强大的工程与技术支撑。 8）对环境影响较小。气化过程不产生焦油、萘、酚等污染物，易处理，高温排出的融渣，冷却固化后可用于建筑材料。9）实现带压连投技术，在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。结论 通过以上分析对比，以及多喷嘴炉子一年多的示范运行，可知多喷嘴对置式水煤浆气化技术是成熟的、拥有自主知识产权的、达国际先进水平的大型煤气化技术。目前工业运行有3台气化炉，正在设计建设的有六家企业，15台气化炉，其市场推广正处于强劲势头，我们全力推荐这一炉型。参考文献1. 谭可荣,