水煤浆加压气化主要技术与装备进展

第1期(总第164期)煤化工No. 1(Total No 164)2013年2月Coal Chemical IndustryFeb. 2013水煤浆加压气化主要技术与装备进展刘乐利(兖矿鲁南化肥厂,山东枣庄277527)摘要简述了国内工业化应用较多的4种水煤浆加压气化技术,介绍了水煤浆加压气化技术的关键设备,通过对水煤浆加压气化技术中工艺烧嘴、气化炉耐火衬里、自动控制系统等关键技术装备的研究,影响装置长期稳定运行的一些瓶颈问题将逐步得到解决。关键词水煤浆,加压气化,关键技术,装备,工业化进展文章编号:1005-9598(2013)-010063-03中图分类号:545文献标识码:A装置长周期运行的决定因素。业内对于GE水煤浆加引言压气化技术和四喷嘴对置式水煤浆加压气化技术研究的深度和广度大、技术配套性好,目前有着较高的水煤浆加压气化技术是煤炭洁净利用的一种先市场占有率。非熔渣-熔渣两级给氧气化包括耐火衬进的煤炭气化方式,自20世纪90年代E水煤浆加里炉和膜式水冷壁炉两代技术,首套膜式水冷壁水煤压气化技术被引进以来,已建立起了系统的气化理论浆加压气化炉工业示范装置已于近期建成投产。并相继开发了四喷嘴对置式水煤浆加压气化炉、多元料浆水煤浆加压气化炉和水煤浆水冷壁清华炉技术。1国内工业应用的水煤浆加压气化技术简介选用优质材料提高工艺烧嘴运行周期、提高气化炉耐火面衬里的高温性能等装备的配置水平、提高自动化国内工业化水煤浆加压气化炉类型及其主要特控制水平增强系统可靠性等措施是水煤浆加压气化征见表1。褒1国内工业化水煤浆加压气化炉类型及其主要特征气化类型研发单位工艺烧嘴类型气化炉炉型GE水煤浆加压气化美国 Texaco公司预混式单喷嘴耐火衬里炉溢流床激冷流程,液态排渣四喷嘴对置式水煤浆加压气化华东理工大学、兖矿集团预膜式四喷嘴耐火衬里炉,混合床激冷洗涤流程液态排渣非熔渣第一代:热壁清华大学、北京达立科预混式单喷嘴,另配纯氧喷嘴耐火衬里炉激冷流程液态排渣熔渣公司、山西阳煤丰喜肥分级气化第二代:冷壁业集团有限公司预混式单喷嘴另配纯氧喷嘴膜式水冷壁激冷流程液态排渣多元料浆水煤浆加压气化西北化工研究院预混式单喷嘴耐火衬里炉,激冷流程,液态排渣1.1GE水煤浆加压气化技术预混式烧嘴或内旋式烧嘴,锥底口耐火砖将气化炉系由美国 Texaco公司率先研发出来的以水煤浆筒体内部划分为燃烧室和激冷室两个功能区,炉底液为原料氧为气化剂的加压、并流、液态排渣的气流床态排渣。溢流床激冷流程,原引进装置存在激冷室液煤气化装置。1993年由兖矿鲁南化肥厂引进首套位难于控制、激冷环及渣口易堵、合成气带灰带水严450t/dGE水煤浆加压气化示范装置。气化炉顶配置重等技术缺陷,在生产运行实践中,各企业因地制宜收稿日期:2012-10-11作者简介:刘乐利(1974—),男,山东枣庄,工程师,学士,1997年本科毕业LH中国煤化工CNMH,现主要从事煤化工工程施工技术管理工作,E-mail:gckf654sina.com。煤化工2013年第1期地进行了技改,上述问题已经基本得到解决。因在线料的混合及气化反应,与同体积单喷嘴的气化炉相气化工艺烧嘴仅为1只,在单炉产气量方面,受高压比,可提高产气能力。该技术主要创新点是:氧气分级煤浆输送系统装备大型化后制造水平、烧嘴放大后耐供给,使气化炉一段烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧用性能以及生产机动性、负荷调整弹性等方面因素的化反应所需的碳与氧的化学当量比约束,使炉内温度影响,大幅增加单炉投煤量的技术和装备难度比较更加均匀,平均温度提高,有利于煤的气化;由于氧的大。国外E炉单炉最大投煤量已经达到2000t/d,分级供给,为主烧嘴降低氧碳比创造了条件,降低主国内为1000t/d。受国内自主水煤浆加压气化技术烧嘴附近的温度,延长烧嘴使用寿命。该炉采用独特的影响,国家已经不再鼓励引进该技术。的组合烧嘴,使系统的点火与投料程序一体化。非熔12四喷嘴对置式水煤浆加压气化技术渣段和熔渣段的温度控制是关键,通过氧气的分级加炉顶配置有1台开工烧嘴(烘炉完成后,在投料人,改善了气化炉烧嘴运行环境,使气化炉内轴向温前拆除炉口用耐火堵头封闭),在拱顶和筒体结合部度分布比较合理。第一代耐火衬里炉和第二代膜式水下方,水平均布4支工艺烧嘴,形成撞击流场。采用喷冷壁炉分别于2006年和2011年在山西阳煤丰喜肥淋床与鼓泡床相结合的复合床型的洗涤冷却室(激冷业(集团)有限责任公司建成了500t/d和750t/d的室),也是该气化技术不同于GE气化技术的一个重要工业示范装置,其工业化进程有了一个较好的开始。的部分,它克服了GE技术在这个部位存在的缺点。洗14多元料浆水煤浆加压气化技术涤冷却室合成气出口的折流挡板,加大了合成气出口气化炉炉顶配置1只预混式喷嘴,在水煤浆中加过流面积,降低了合成气出口的阻力;设有旋风分离人一定的油,以减少水煤浆中水分,增加了人炉料浆器,有效减少了合成气带水、带灰情况的发生。在引进有效反应物的浓度。水煤浆加压气化属多元料浆的特的GE炉原设计中,洗涤冷却室渣口端安装有动力除定形式2。该技术对油制气改煤制气的原料结构调整渣器,因运行效果不好而在技改中被更换为静态破渣企业有一定的适应性,因其较低的技术转让费对市场器,在新引进的GE炉中,动力除渣器也已经被去掉。有一定的吸引力。2004年由山东华鲁恒升集团引进在国内首套大型工业示范装置兖矿国泰化工有限公首套750t/d工业示范装置司的1150t/d气化炉中,出现了拱顶砖易被剥蚀的问题,通过加大气化炉的长径比后,该技术难题已经2水煤浆加压气化主要装备被解决。因气化炉配置的两对工艺烧嘴可实现带压联投、无波动倒炉以及高压煤浆泵错峰运行等,大大21工艺烧嘴提高了对投煤负荷变化的适应性和可控性;在向(超三流道式工艺烧嘴是水煤浆气化技术的核心装大型化水煤浆气化发展方面,四喷嘴对置式水煤浆加备之一,在设计和制造等方面均有尖端技术在喷嘴上压气化炉喷嘴的负荷,有易于达到经济规模的优势,运用。工艺烧嘴质量性能对产气量、有效气含量碳转气化系统易于实现工程化配套。该技术在内蒙古伊泰化率和气化炉耐火衬里使用时间等,均有决定性的影(单炉3000t/d)、江苏灵谷、神华宁煤等企业大量推响。影响工艺烧嘴使用时间的主要因素有喷嘴结构形广应用的同时,已经成功地向美国 Valero(瓦莱罗)式和配合尺寸、喷嘴耐磨材料性能、水煤浆浓度和流能源公司的世界最大石油焦气化制氢气装置进行了速、喷嘴处工作温度等。根据喷嘴结构形式分为预混技术转让,这也是我国煤气化技术首次向经济发达国式、内旋式和预膜式烧嘴;根据喷嘴材质又分为钢质家输出。和衬耐磨陶瓷烧嘴。研究选用耐磨蚀、抗龟裂纹、热障13非熔渣熔渣分级气化技术性能好且焊接质量可靠的金属材料,以及在部件表面气化炉炉顶配有一段工艺烧嘴(预混式),筒体上热喷涂合金粉末或等离子堆焊耐磨蚀材料,是延长喷部沿周边还对称配有供纯氧用的二段烧嘴。在一段嘴使用寿命的一种有效途径。华东理工大学和北京航(非熔渣段)的预混烧嘴中,除了通纯氧外,还可加入天动力研究所相继开发出了新型水煤浆气化烧嘴和C02、№2或水蒸气等进行预混;二段(熔渣段)烧嘴通入长寿命烧嘴技术。将航天耐磨材料和航天热廢材料用纯氧,水煤浆在熔渣段完成气化过程;一段、二段的给于喷嘴的制造,以提高工艺烧嘴的耐用性能;采用增氧比约为5:1。由于第二段作为熔渣段,熔渣位置下加喷嘴及冷中国煤化工浇注料、优化烧移后,渣口处的温度得到提高,可顺利实现排渣,气化嘴工作条件CNMH术转化为了生产炉的长径比可加大。两段进料设置方式加强了炉内物力。经过持续不断的技术创新烧嘴的使用寿命从最2013年2月刘乐利:水煤浆加压气化主要技术与装备进展65初引进国外的不足10d达到了目前超过150d的运尺寸和距离执行。长期以来,我国大型连续煤气化装行纪录置全流程自动控制系统均需进口。建于兖矿鲁南化肥22耐火衬里厂的国内第一套GE炉装置控制系统系全套引进:可气化炉耐火衬里包括向火高铬面砖、铬刚玉支撑编程序控制器采用美国莫迪康公司( Modicon)的砖、氧化铝空心球绝热砖、隔热耐火浇注料等氧化物M-984,模拟控制系统采用美国罗斯蒙特公司(R0SE耐火材料和陶瓷纤维涂料、纤维毡等辅助材料,其中MUNT)的R3。兖矿鲁南化肥厂在2008年建成的向火面高铬砖是与炉内气化介质直接接触的部位。向1150t/d四喷嘴对置式水煤浆加压气化炉中,采用火面耐火砖一般为Cr203-A03ZrQ2系,其中质量分数浙大中控研制的、完全国产化的控制系统Web达到86%-90%的Cr203,使耐火砖具有良好的抗渣蚀性 Field ecs-100DCS,这是国内大型连续煤气化装置首能,ZrQ2和AO3分别起到提高砖的抗热震性能和烧次采用国产技术进行全流程自动控制结成型性能的作用。随着运行时间的延长,向火面高铬砖会减薄甚至脱落。造成向火面高铬砖毁损的主要3结语原因是化学侵蚀、物理冲蚀和热震力,包含了熔渣滲水煤浆加压气化技术自20世纪90年代初引进透侵蚀、炉内高温烧蚀、喷嘴煤浆偏流冲刷和操作温以来,经过工程技术人员和科研人员的不懈努力,攻度急剧变化产生的热震力等因素。气化炉操作温度对克了一个个关键的技术装备难题,并且成功开发出向火面高铬砖的使用寿命有决定性的影响,高温下耐了一批具有自主知识产权的大型水煤浆加压气化技火砖的各项物理化学性能均急速下降。虽然水煤浆加术。随着四喷嘴对置式等水煤浆气化技术的日益成熟压气化对高灰熔融性温度的煤种适应性较强,但从技和工业运行经验的不断积累,国外煤气化技术对中国术可行性和经济合理性方面考虑,应该通过配煤等方的长期垄断已经被打破。该技术正被国际煤气化工业式降低灰熔融性温度,来控制操作温度、延长耐火衬领域所认识和接受,并成为大型煤(油)制气项目的主里的使用寿命。国内已经开展了耐火砖烧结机理和损流技术之一。特别是“新型水煤浆加压气化技术”、“洁毁机理的研究,耐火砖的制造水平已经达到了世界领净煤气发电与甲醇联产关键技术”等核心单元技术先水平。的研发及系统集成,在四喷嘴对置式水煤浆加压气化23仪表控制系统装置上取得的突破性成果,为我国以煤气化为基础的根据兖矿鲁南化肥厂GE炉和四喷嘴对置式水煤多联产技术拓展了广阔的发展空间。浆加压气化炉运行数据统计,因仪表故障原因造成的停车占到停车总次数的60%左右(包括计划停车和非参考文献计划停车),所以仪表控制系统对水煤浆加压气化装[1]王刚勤,王国平徐峰等.江苏灵谷化工四喷嘴煤置长周期运行方面的影响非常大,安全联锁系统和顺气化装置运行介绍[J].中氮肥,2010(6):2426.序控制系统的可靠性能至关重要。气化炉安全系统爆[2]徐红东,门长贵,多元料浆气化工艺过程模拟]化炸分级分组为ⅡCT1),气化炉安全仪表包括ESD及肥设计,2008,46(2):9-12接口设备、检测元件、执行元件等,其中检测元件和执[3]张传芹德士古煤气化炉逻辑控制系统及PLC的应用行元件的可靠性是关键。水煤浆加压气化装置安全联[J].石油化工自动化,1998(3):6-9锁关系复杂、工艺操作逻辑性强,仪表控制与工艺系[4]张良军,赵柱,黄德福,等.多喷嘴对置式水煤浆加统设计必须高度紧密的结合,在工艺管道施工和自动压气化装置控制策略开发及应用[J].世界仪表与自控制阀门、仪表取源部件布点时,严格按设计规定的动化,2009(2):28-30Development of Key Technical and Equipment of Coal Water Slurry Based Pressure Gasification(Yan Kuang Lunan Fertilizer Plant, Zaozhuang Shandong 277527, China)Abstract Four kinds of coal water slurry pressure gasification technologies which were common in China were intro-中国煤化工 the key equiKey words coal water slurry, pressure gasification, technical, equipment, industrial developmet Gractory Imgeuced. It was hoped to solve the bottleneck problems that affect long and stalments applied for the coal water slurry pressure gasification technology, e.g. the bCNMH