水煤浆气化的发展之路

2018-01-18

化肥设计 2018年1期

关键词：晋华水煤浆气化炉

(北京中科合成油工程有限公司，北京 101407)

在国内历史上，水煤浆气化技术是引进技术，其来源于上世纪60年代引进的意大利蒙特卡蒂尼的重油气化技术(后置激冷流程)，后来原料变为渣油；90年代原料变成水煤浆，技术从Texaco公司(现GE)引进，后置激冷流程没有实质性的变化。

引进的水煤浆气化技术是一组单元技术，包括煤浆制备、气化炉、激冷室、文丘里喷口、激冷洗涤塔等部分，气化炉后面部分称为激冷流程。现在，国内从业人员对此项技术的设计、制造、安装、生产等方面都已完全吃透。

2003年国内引进壳牌炉干煤粉气化技术，并作了全面的消化吸收，对于冷壁炉技术、平行式多喷嘴的技术也完全吃透，现在已发展成四喷嘴水煤浆、晋华炉等技术，说明了引进技术不是目的，而是成为国内创新的启动点。

1 水煤浆气化的优势

近年来，水煤浆气化受到煤化工行业的欢迎，因为其具有以下几点优势：有五十多年的历史，技术已经成熟；气化炉和流程前后几个关键设备的结构相对简单；水煤浆气化装置投资较低，设备材质的要求不高，容易制造；原料可以为重油、渣油、水煤浆和多元料浆等，属于非易燃流体，具有较高的流动性和稳定性，易于储存，安全性很高；产品粗合成气(CO+H2)的成本比较低；灰水容易处理。

2 国内现有技术

自80年代至今，我国相继引进了数十套Texaco水煤浆气化装置，用于生产甲醇、合成氨、烯烃、燃料油等。

经过10多年的实践探索，中国在水煤浆气化技术方面，积累了丰富的设计、制造、操作和运行的经验，气化技术日趋完善。国内对引进装置中出现的问题，如文氏管、黑水管线、气化炉激冷环等的堵塞、炉体局部过热、闪蒸系统管道磨损等问题，均采取了有效的技术对策，保证了装置长周期、稳定运行。设备的国产化率较高，例如阳煤丰喜临猗分公司国产化率已达到100%。另外，炉壁用耐火砖已实现国产化。

在这个基础上，国内开发出新的水煤浆气化技术，主要表现在以下两种类型。

2.1 多喷嘴气化技术

2002年，在国家科技部“863项目”立项的“多喷嘴水煤浆气化技术”，经过多年发展，已逐步成熟。该技术主要的特点在于水煤浆的进料喷嘴改成4个水平方向的喷嘴，气化炉的炉体可以扩大和升高。

目前，该技术在国内水煤浆气化技术领域发展势头良好，适用于大型化装置，生产和开工的工程总量居国内第一，已建和在建的有100多套。

2.2 晋华炉技术

由清华大学、阳煤化机及阳煤丰喜联合开发的晋华炉水煤浆煤气化技术在不断发展。2002年开始，开发I型技术——“氧气分级水煤浆+耐火砖气化工艺”，称为“非熔渣-熔渣气化技术”；2009年开发Ⅱ型技术——“水煤浆+水冷壁气化工艺”，现在开发了Ⅲ型技术——“合成气/蒸汽联产气化炉工艺”，已建和在建的有50多套。目前正在进一步开发的Ⅳ型技术“全热回收工艺”，力求成为一种节能型的气化炉。

3 水煤浆气化技术的后续流程

水煤浆气化技术有2种后续流程，即激冷流程和半废锅流程(通常称为废锅流程)。激冷流程包括煤浆制备、气化炉、激冷室、文丘里喷口、激冷洗涤塔等部分；半废锅流程包括废热锅炉、除尘器、激冷气返回的循环压缩机、激冷洗涤塔等。没有激冷洗涤塔的全废锅流程在煤化工中不适用。在早期的应用中，激冷流程用于合成氨，全废锅流程用于发电。

我们拿晋华炉来研究这2种流程的各自优点。晋华炉中的I型和Ⅱ型属于激冷流程，Ⅲ型和Ⅳ型属于半废锅流程。

这2种后续流程对于后续工艺有不同的影响。激冷流程出口的合成气中，水蒸气的含量较高，能够在变换工艺中将全部CO转变成H2和CO2，后续还可以回收较多的低位能。废锅流程出口的合成气中，水蒸气的含量较低，在变换工艺中只需将部分CO转变成H2和CO2。这个流程回收到一部分高位能，有利于提高整个流程的能量转化效率。

废锅流程回收的能效高，但设备的投资大，折合到产品中的成本就会高一些。激冷流程回收能效低，但设备投资小，折合到产品中的成本就会降低。因此，我们不能说这两种流程中一个比另一个先进，而是要看整个流程的热能优化设计，这与原料煤的品质、产品的性质和全流程的合理安排有关。

4 气化炉技术的发展

4.1 提高煤浆浓度

水煤浆的浓度与煤的品质有关，对于气化工艺来说，水煤浆的浓度越高，氧气耗量越低。为了使气化的氧气用量不至于过大，通常的标准是水煤浆的浓度以60%为起点。

为了提高水煤浆浓度，国内开发了深度研磨的技术。传统的研磨方法分为干磨和湿磨两种，通常采用球磨机，平均粒径为50μm左右。如采用高剪切乳化分散机进行分散研磨，平均粒径可达到10μm以下，这个方法可以提高浓度3%～5%。

提高水煤浆浓度可以带来很大的经济效益。例如，对于热值25 GJ/kg左右的原料煤，在浓度为55%、4 MPa(g)和1 350 ℃的条件下操作，将水煤浆中煤的浓度提高5%后，可以多产合成气5%，减少氧气消耗7%。

4.2 提高运行效率

气化炉什么样的运行状态可以评价为“优”？优的标准是“安全、稳定、长周期、满负荷运行”。目前，新的现代煤化工装置达“优”率很低。

一个工厂的设计，其经济财务分析是以年为单位。如果年产量达不到设计值，就有利润减少或者亏损的可能，因此，工厂要以实现全年“安全、稳定、长周期、满负荷运行”为目标。

气化炉工艺是全流程的领头工艺，只有其达到设计要求，全流程的产品产量和经济指标才有可能达到设计要求。

在投产的项目中，阳煤丰喜集团临猗分公司36万t/a氨醇项目是个样板项目，其共有4台I型晋华炉，投煤量分别在500～700t/d之间，已经连续5年超过设计能力，2012～2016年的运行天数分别为：349 d、354 d、355 d、362 d、353 d，产量分别为：37.45万t/a、38.75万t/a、37.55万t/a、36.89万t/a、37.17万t/a。

这说明，该技术已经成熟，做到了“安全、稳定、长周期、满负荷”的生产，可作为推广的示范。

4.3 发展多种型号

为了满足新装置建设和老装置改造的需要，适应不同原料煤种制成的水煤浆，气化炉技术需要不同的型号来满足要求。例如，晋华炉技术，十几年来不断发展，已经成型了3个型号，炉壁涵盖耐火砖和水冷壁，后置流程包括激冷和半废锅流程。

4.4 提高操作压力

目前，水煤浆气化技术有3种压力等级，即4.0、6.5和8.7 MPa，常用的是前2种。就合成氨和合成甲醇来说，水煤浆气化的压力等级越高，与后续流程的压差就越小，合成气的压缩机耗能越少。而合成油、合成甲烷等则相反，通常只需要4.0 MPa(g)等级就可以了。

4.5 满足不同规模的需求

煤气化的规模是以每天的投煤量来表示，一般化工装置的煤气化单炉的规模以750～2 000 t/d为宜，此类已属大型装置。由于近期建设超大型煤化工装置通常需要多台煤气化炉，在此背景下，有业主和设计方提出研制3 000～5 000t/d大型气化炉，目的是减少气化单元的数量，从而降低投资。

一些老企业需要改造，规模不一定很大，因此500～2 000t/d的气化炉也是需要的，不能认为这是落后的技术。大有大的用处，小有小的用处。大型化具有低投资、简化操作等优点，同时也有停车损失大、设备和管件制造、运输、备品、备件等困难的缺点，利弊共存。

4.6 提高全流程的能量转化效率

提高能量转化效率，是指从原料到产品的整个过程中，提高投入的原料(含电)中的自有能量利用程度，实际上是提高整个工艺优化的程度。

目前国内发展这些气化炉，包括晋华炉、多喷嘴、航天炉、各种改进的GSP等，都是第二代煤气化技术，都是加压、纯氧、高温气化。这与第一代的低压、空气或富氧、近高温气化的UGI气化炉技术相比，有“代”的区别。这些第二代煤气化技术，效率都很高，其最终的效果就全流程来看差别不大。配上这些气头后，基本上都能取得较高的全流程能量利用效率。区别在于回收高位能和低位能的位置与比例存在不同。废热锅炉流程可以回收的高位能多一些，而激冷流程的低位能多一些，全流程总体效果差别不是很大。例如，当上面几种气化技术运用得当时，煤制油的能量转化效率都在42%～44%之间，而煤制甲醇的能量转化效率则都在49%～53%之间。不同气化引导出的流程，估计差距在±2%之内，煤的品质往往起到主导作用。

废锅流程和激冷流程相比，前者可以拿到一些高位能，后者只能拿到部分低位能，总的效果是前者略优于后者。但是对于一个装置来说，能效是指整个流程。提高全流程的能量转换效率，不能只看气化单元，更重要的是全流程单元的搭配，如何将产出的能量全部利用起来，热能设计是一个系统，不是一个单元。

因此，要公平地对比这2种流程，需要“化工流程模拟”技术，然后进行工程分析。首先，在原料和产品相同的情况下，分别设计2种流程：在气化炉后，一个配置废锅流程，另一个配置激冷流程，分别进行全流程设计，后续工艺流程和蒸汽利用系统各自与其优化相配，最后得到同样的产品。然后，用流程模拟技术分别计算出2个流程各自的能量转换效率，并进行对比。这样可得到公平的结论。上述计算的结果，一般来说，废锅流程略占优，但是会有其他后果，例如投资较高等。

不同的原料煤，可能得到不同的结果。对于老装置的改造，问题更复杂。

化工装置提高能量转化效率是对的，但是不宜过分追求。在设计一个项目时，作为工艺设计，首先是看煤的品质，其次要看整个流程能否实现合理的搭配，还要考虑各个蒸汽等级的管网上能否做到平衡等；作为总体设计，要考虑安全运行、环境保护、节省投资、合理利用水资源、提高开工效率、降低产品成本、力求操作方便，要让装置做到“安全、稳定、长周期、满负荷”运行。也就是说，全局观更重要。