多喷嘴对置式水煤浆气化技术的工程应用及其优势

李仕超 孔 艳 李 杰

(兖矿国宏化工有限责任公司,山东邹城,273512)

生产与应用

多喷嘴对置式水煤浆气化技术的工程应用及其优势

李仕超 孔 艳 李 杰

(兖矿国宏化工有限责任公司,山东邹城,273512)

介绍了华东理工大学和兖矿集团合作开发的具有完全自主知识产权、国际首创的多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程应用及其优势,同时对其关键工艺指标与 Texaco水煤浆气化技术进行了对照比较。

多喷嘴 对置式 水煤浆 气化技术 工程应用 优势

1 概述

从上世纪80年代末我国开始引进Texaco水煤浆气化装置,至今已引进多套,建成投产的有:山东鲁南(三台气化炉,单炉日处理450吨煤,2.8MPa)、上海吴泾(八台气化炉,六开二备,单炉日处理500吨煤,4.0MPa)、陕西渭河(四台气化炉,三开一备,单炉日处理750吨煤,6.5MPa)、安徽淮南(三台气化炉,二开一备,单炉日处理500吨煤,4.0MPa)、黑龙江伊春(二台气化炉,一开一备,单炉日处理500吨煤,4.0MPa)、江苏金陵(三台气化炉,二开一备,单炉日处理1000吨煤,4.0MPa)等约30台气化炉。这些装置均用于生产合成气,制氨、甲醇或氢气。Texac气化技术引进初期,暴露了很多不足,通过我国工程技术人员大量的艰辛工作,在工程上对其进行了完善和优化。该技术许多设备都可以国产化,如山东鲁南的第一套引进 Texaco装置,设备国产化率超过90%。Texaco气化技术在原理上存在着制约因素,导致其工艺指标不够理想、大型化有难度。

由华东理工大学、兖矿集团有限公司拥有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术是在多年研究国际上大型气流床气化技术基础上进行创新的煤气化技术,在鲁南化肥厂完成了中试研究。中试装置(22吨煤/天)的运行结果表明:有效气成分83%,比相同条件下的单喷嘴气化装置高1.5～2个百分点;碳转化率>98%,比单喷嘴气化装置高2～3个百分点;比煤耗、比氧耗均比单喷嘴气化装置降低7%。“十五”期间,在国家科技部、国家发改委的大力支持下,倍受业界人士关注的多喷嘴对置式水煤浆气化技术分别于山东鲁南、山东德州建设了工业示范装置。示范装置的成功运行已充分证实:该技术工程上完全可行,工艺指标优于引进的水煤浆气化技术,操作非常平稳。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术相对于国外引进的水煤浆气化技术、干煤粉气化技术,在设备投资、运行费用(源于工艺指标的优势)及专利实施许可费等方面具有很大的优势。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术涉及以纯氧和水煤浆为原料制合成气的过程,装置包括磨煤单元、气化及初步净化单元及含渣水处理单元。技术特点:多喷嘴对置的水煤浆气流床气化炉及复合床煤气洗涤冷却设备;混合器、旋风分离器、水洗塔三单元组合煤气初步净化工艺;蒸发分离直接换热式含渣水处理及热回收工艺[1],其工艺流程示意图见下图1。

图1

2 工程应用

多喷嘴对置式水煤浆气化技术已成功应用于国内多套工业生产装置中,并有多套装置在建,同时该技术还出口至国外,取得了较好的业绩和成果,填补了我国在煤气化技术方面的空白。

2.1 在山东华鲁恒升化工股份有限公司使用情况

通过专利实施许可的方式,并在国家发改委“十五”重大技术装备研制项目的支持下,多喷嘴对置式水煤浆气化技术应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程,建设了一台多喷嘴对置式撞击流气化装置(6.5MPa,750t煤/d)。气化装置由华陆工程科技有限责任公司设计,气化炉由哈尔滨锅炉厂制造。

2004年12月该气化装置投入试运转。2005年6月初开始,多喷嘴对置式水煤浆气化炉投入正式运行。该气化装置自2005年6月初正式运行至今,累计运行时间超过15000小时。气化炉内耐火砖等设备构件情况正常。拱顶耐火砖寿命已达到7300小时,有望超过8000小时;直筒段耐火砖自从2004年12月以来未更换。

现该气化炉操作负荷为设计值的110%,运转平稳,运行情况良好。目前多喷嘴对置式气化炉成为生产主力,生产周期长。该气化炉的技术特色体现在:

(1)烧嘴及耐火砖使用寿命长;

(2)负荷调节灵活,烧嘴间负荷调节灵活,气化炉整体负荷调节范围宽(可在50%～115%负荷范围内操作);

(3)比煤耗低、发气量大、渣中含碳量低。测算表明,多喷嘴对置式气化炉运行一天较单喷嘴气化炉要多产生5万元左右的经济效益。

2.2 在兖矿国泰化工有限公司使用情况

兖矿集团有限公司在山东鲁南(兖矿国泰化工有限公司)建设多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程,利用两台日处理1150吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉(4.0MPa)配套生产24万吨甲醇、联产71.8MW发电。空分装置由华陆工程科技有限责任公司设计,气化装置由中国天辰化学工程公司设计。示范装置于2003年5月1日正式开工建设,由中国化学工程第三建设公司负责气化装置、空分装置的建设。气化炉由哈尔滨锅炉厂制造。

气化装置于2005年7月21日23:26一次投料成功,一次打通整个工艺流程,在完成80小时连续、稳定运行后,于2005年7月25日8:00计划停车(当时兖矿国泰化工有限公司的空分装置尚未具备运行条件,借用兖矿鲁南化肥厂的氧气进行气化系统试运行)。2005年10月15日,在空分装置具备条件后,该装置正式进入工业运行。

在开车初期,曾经出现拱顶耐火砖烧损冲刷严重的问题,经过华东理工大学深入研究,并基于兖矿集团相关技术人员认真分析,确认气化炉拱顶耐火砖冲刷严重是由于上部空间偏小、操作过程中喷嘴出口速度偏大等原因造成。针对这一情况,华东理工大学仔细研究了气化炉上部空间的速度分布和温度分布,提供了在现有装置上的操作负荷和操作压力的对应关系,以优化流场,提高拱顶耐火砖寿命。

这一调整取得了明显的效果,自2006年3月17日A#炉开车至2006年6月6日停车大修,整个气化系统连续运行81天,单炉连续运行49天。大修期间进炉检查,发现炉内耐火砖情况良好,拱顶耐火砖情况大为改善,目前拱顶耐火砖寿命在5000小时左右;直筒段耐火砖自从2005年10月以来未更换。至今,A#、B#气化炉累计运行超过30000小时。2006年,兖矿国泰生产甲醇 23.4万吨。2007年,兖矿国泰甲醇产量超过30万吨。

华东理工大学根据研究结果,重新确定了气化炉上部空间的高径比,用于兖矿国泰第三台气化炉的设计,以确保拱顶耐火砖具有更为理想的使用寿命。大连金州重型机械厂制造的第三台气化炉(C#炉)已于2007年9月3日15:08投运,运行状况正常。从目前的情况来看,拱顶加高后的效果已经得以体现,顶部预热口封堵在运行两个月后只磨损1cm,运行3000多小时后进炉检查,拱顶耐火砖状况非常理想,预计顶部耐火砖使用寿命在8000小时以上。C#炉气化工艺指标与未加高的A#、B#炉基本相同。

3 总结

多喷嘴对置式水煤浆气化技术自动化程度高,全部采用集散控制系统(DCS)控制,特别是氧煤比完全可以投自动串级控制。工业运行证实,该装置开车方便、操作灵活、负荷增减自如,操作的方便程度优于引进水煤浆气化装置。

带压连投技术的实现是煤气化技术上重大突破,大大降低了气化炉停车几率,提高了气化炉的有效生产时间。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术已被工程实践证实完全可行,工艺指标也极为先进。该装置2005年12月通过了由中国石油和化学工业协会组织的168小时现场运行考核,确认了该装置工艺指标达到国际领先水平。2006年1月8日通过了中国石油和化学工业协会组织的专家鉴定。2006年5月通过科技部组织的国家“863”课题验收。兖矿国泰化工有限公司的消耗总结报告中指出,与采用同样煤种的兖矿鲁南化肥厂 Texaco装置制备合成气用于合成甲醇的煤耗相比,每吨甲醇的煤耗减少100～150kg,这对于大化工装置来说是非常可观的成本优势。

通过多套气化装置的运行考核来看,鉴定的主要结论如下:

(1)以北宿煤为原料,装置满负荷运行的技术指标:(I)比氧耗309Nm3O2/1000Nm3(CO+H2);(II)比煤耗535kg/1000Nm3(CO+H2);(III)合成气有效气成分(CO+H2)84.9%;(IV)碳转化率98.8%。

(2)气化装置安全可靠,自动化程度高,操作控制灵活,开车到正常生产过渡期短。采用独特的氧气流量控制技术和带压连投操作技术,增强了抵御故障的能力,使装置运行更加平稳[2]。

(3)该技术是自主创新的煤气化技术,装置性能与技术指标达到国际领先水平。与国外水煤浆气化技术相比,其技术特点和优势(创新点)在于:(I)多喷嘴对置式气化炉和新型预膜式喷嘴的气化效率高,技术指标先进。与采用国外水煤浆气化技术的兖矿鲁南化肥厂同期运行结果相比,有效气成分提高2～3个百分点,CO2含量降低2～3个百分点;碳转化率提高2～3个百分点,比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。(II)多喷嘴对置式气化炉喷嘴之间的协同作用好,气化炉负荷可调节范围大,目前为50%～110%,负荷调节速度快,适应能力强,有利于装置大型化。(III)由于采用四个喷嘴进料,系统运行更为稳定,当一个或一对烧嘴煤浆或者氧气波动时,由于有其他喷嘴的互相补充、制约,因此气化炉整体进料稳定,不易产生炉温的瞬间波动。(IV)复合床型洗涤冷却技术的热质传递效果好,液位平稳,避免了引进技术的带水带灰问题。(V)分级式合成气初步净化工艺节能、高效。表现为系统压降低,分离效果好,合成气中细灰含量低(<1mg/Nm3)。(VI)渣水处理系统采用直接换热技术,热回收效率高,克服了设备易结垢和堵塞的缺陷[3]。

(4)从中试到工业示范装置,多喷嘴对置式水煤浆气化技术成功实现了工程化放大(一次性放大52倍),表明研究与放大方法科学、正确,掌握了该技术的工程放大规律,奠定了向更大规模跨越的理论与工程化基础[4]。

(5)该技术与国外水煤浆气化技术相比,既降低了原料煤和氧气的消耗,又大大减少了专利实施许可费,同时具有良好的环保性能。该技术的开发成功打破了国外公司在大型煤气化技术上的垄断,实现了我国大型煤气化技术零的突破,为推动我国煤化工产业的发展和能源结构调整提供了技术支撑,经济效益、社会效益显著。

[1]步学朋,忻仕河,等.煤炭气化发展及应用中的热点问题探讨.洁净煤技术,2007,13(2).

[2]于遵宏,王辅臣,等.多喷嘴对置式水煤浆气化技术研究与开发

[c].首届多喷嘴对置式煤气化技术推广及应用研讨会论文集.

[3]龚欣,刘海峰,王辅臣,等.新型多喷嘴对置式水煤浆气化炉[J].节能与环保,2001(6).

[4]于光元,李亚东.煤气化工艺技术分析.洁净煤技术,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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