2008 年第29卷第6期氮肥技術多噴嘴對置式煤氣化技術李偉鋒于廣鎖龔欣王輔臣劉海峰王亦飛 周志杰代正華陳雪莉梁欽鋒郭曉鐳王興軍許建良于遵宏(華東理工大學.上海 200237)摘要簡要介紹華東理工大學和兗礦集團公司合作,成功開發(fā)了具有完全自主知識產權、國際首創(chuàng)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術,并成功地實現(xiàn)了產業(yè)化,應用于工業(yè)生產中。同時還介紹了研究開發(fā)的水冷壁式中試氣化爐運行結果和粉煤加壓氣化技術工業(yè)示范裝置的實施進展情況。關鍵詞煤氣化多噴嚅對置式水煤漿粉煤1背景的研究攻關,和兗礦集團有限公司合作,成功開我國能源結構的特點是富煤、缺油、少氣。我發(fā)了具有完全自主知識產權、國際首創(chuàng)的多噴嘴國以煤為主的能源結構和國際能源市場形勢,決對置式水煤漿氣化技術，并成功地實現(xiàn)了產業(yè)定了我國必須立足國情，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g，化, 在國內外產生了重大影響。多噴嘴對置式水以此支持國民經濟的快速發(fā)展,緩解油品供應緊煤漿 氣化技術的工藝原理如圖2所示,主要包括張,保障國家安全。煤氣化技術是發(fā)展煤基化學多噴嘴對置式水煤漿氣化工序、分級凈化的合成品煤基液體燃料、IGCC發(fā)電、多聯(lián)產系統(tǒng)、制氫、氣初步凈化工序、直接換熱式含渣水處理工序。燃料電池等過程工業(yè)的基礎,是這些行業(yè)的共性《麋攀琵心氣化系統(tǒng)! 《凈化系統(tǒng)|遂處理系統(tǒng)技術、關鍵技術和龍頭技術(如圖1所示),對發(fā)氣化礦一合成氣展經濟和保障國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。國t冷凝液內在建的和處于籌建中的甲醇裝置、合成氨裝混合器置、煤制油裝置,已展現(xiàn)了對煤氣化技術的強勁磨煤機|酸氣需求。.*化肥+水甲醇焦爐氣乙烯、丙烯◆二甲醚.00汽油、柴油煤漿其它L .國煤→氣化co+l,H一邀能領域) -燃料電池1煉廠14渣發(fā)電領城一+Iccc發(fā)電圖2多噴嘴對置式水煤漿 氣化技術工藝原理簡圖2技術研發(fā)歷程冶金領域)一 →直接還原鐵(DRI)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術是由華東理圈1煤氣化技術重要地位簡圖工大學潔凈煤技術研究所(煤氣化教育部重點實我國自上世紀80年代開始引進國外煤氣化驗室)于遵宏教授帶領的科研團隊歷經“九五”、技術,多年來- -直依賴進口，受制于人。據(jù)此估“十五”和“十一五”科技攻關開發(fā)成功。“九五”期算，引進煤氣化技術的專利實施許可費已高達2間,華東理工大學、魯南化肥廠、中國天辰化學工億多美元,這還不包括昂貴的專有設備費和現(xiàn)場程公司共同承擔了國家“九五”科技攻關項目“新技術服務費等。據(jù)估計,專有設備耗費外匯也高型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)”,并完成了達數(shù)億美元。在國家有關部委的支持下,華東理22t/d煤規(guī)模的中試實驗.在原國家石油和化學工業(yè)局中國煤化工于2000年10月驗室)于遵宏教授帶領的科研團隊經過20多年1日C N M H G對置式水煤漿氣2氮肥技術2008年第29卷化中試裝置進行了現(xiàn)場72h考核。2000年10月通過專利實施許可的方式,并在國家發(fā)改委31日,“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)"通“十五”重大技術裝備研制項目的支持下,多噴嘴過原國家石油和化學工業(yè)局主持的專家鑒定,在對置式水煤漿氣化技術應用于山東華魯恒升化水煤漿氣化領域達到國際領先水平。多噴嘴中試工股份有限公司大氮肥國產化工程,建設了一-臺氣化爐見圖3、多噴嘴對置式水煤漿氣化爐中試多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置(6.5MPa,750t 煤裝置噴嘴平臺見圖4。1d)。2004年12月該氣化裝置投人試運轉,2005年6月初開始,多噴嘴對置式水煤漿氣化爐投入正式運行。該示范裝置見圖5。該氣化裝置自2005年6月初正式運行,至今已經運行近3年。該氣化爐運轉穩(wěn)定可靠,工藝指標先進。該氣化爐的技術特色體現(xiàn)在:①燒嘴及耐火磚使用壽命長;②負荷調節(jié)靈活，燒嘴間負荷調節(jié)靈活,氣化爐整體負荷調節(jié)范圍寬;③比煤耗低、發(fā)氣量大、渣中含碳量低。圖3吊裝中的多噴嘴 中試氣化爐(a)多噴嘴對置式氣化爐圖4多噴嘴對置式水煤漿 氣化爐中試裝置噴嘴平臺“十五期間,華東理工大學兗礦集團承擔了“863”重大項目”新型水煤漿氣化技術”的研發(fā),建成了千噸級工業(yè)示范裝置-兗礦國泰化工有限公司(單爐日處理1 150t煤,4.0MPa),以及山東華魯恒升化工股份有限公司大氮肥國產化項目(單爐日處理750t煤,6.5MPa)?！笆? -五”期間,多噴嘴水煤漿氣化技術- -方(b)氣化燒嘴平臺面被廣泛認可和接受,進入大規(guī)模商業(yè)推廣~階圖5多噴嚆對置式水煤漿 氣化技術示范裝置段;同時,在科技部“863"”重大項目的支持下,多(山東華魯恒升化工股份有限公司)噴嘴水煤漿氣化技術要建設日處理2000t0級氣(2)兗礦國泰化工有限公司化爐,并與煤氣化多聯(lián)產、ICCC等整合配套,為現(xiàn)兗礦集團有限公司在山東魯南(兗礦國泰化代大型煤化工產業(yè)提供了堅實的技術支撐。工有限公司)建設多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及3工業(yè)示范裝置 運行情況配套工程,利用兩臺日處理1 150t煤多噴嘴對置多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已成功應用式中國煤化工生產24x104甲于工業(yè)生產裝置中。醇、由中國天辰化學(1)山東華魯恒升化工股份有限公司工程THCNMHG3年5月1日正第6期李偉鋒等:多噴嘴對置式煤氣化技術3式開工建設，由中國化學工程第三建設公司負責核。多噴嘴對置式水煤漿氣化工業(yè)裝置以北宿精氣化裝置空分裝置的建設。氣化爐由哈爾濱鍋煤為原料,現(xiàn)場考核的主要技術指標為:比氧耗:309Nm?0/1 00Nm*(CO+H2);爐廠制造。.該示范裝置見圖6。比煤耗:535kg煤/1 000Nm'(CO+H);合成氣有效成分CO+H2:體積分數(shù)84.9%; .碳轉化率:> 98%;氣化壓力:4.0MPa;氣化溫度:-1 300C;氣化裝置規(guī)模:1 150Ud煤。多噴嘴對置式水煤漿氣化工業(yè)裝置與兗礦魯南化肥廠引進Texaco工業(yè)裝置所采用的原料煤種相同。現(xiàn)場考核證實,裝置性能與技術指標達到國際領先水平。與國外水煤漿氣化技術相(a)氣化框架夜景比,其技術特點和優(yōu)勢在于:①四噴嘴對置式氣化爐和新型預膜式噴嘴的氣化效率高,技術指標先進。與采用國外水煤漿氣化技術的兗礦魯南化肥廠同期運行結果相比，有效氣體積分數(shù)提高2~3個百分點,CO2含量降低2~3個百分點,碳轉化率提高2~3個百分點,比氧耗降低7.9%,比煤耗降低2.2%。②四嗩嘴對置式氣化爐噴嘴之間的協(xié)同作用好,氣化爐負荷可調節(jié)范圍大,負荷調節(jié)速度(b)氣化燒嘴平臺快,適應能力強,有利于裝置大型化。圉6多噴嘴對置式水煤漿氣化工業(yè)示范裝置③復合床洗滌冷卻熱質傳遞效果好,液位平(兗礦國泰化工有限公司)穩(wěn),避免了引進技術的帶水帶灰問題。氣化裝置于2005年7月21日11:26-次④分級式合成氣初步凈化工藝節(jié)能、高效。投料成功,一次打通整個工藝流程，在完成80h表現(xiàn)為系統(tǒng)壓降低、分離效果好、合成氣中細灰連續(xù)、穩(wěn)定運行后于2005年7月25日8:00計含量低( < 1mg/Nm)。劃停車(當時兗礦國泰化工有限公司的空分裝置⑤渣水處理系統(tǒng)采用直接換熱,熱回收效率尚未具備運行條件,借用兗礦魯南化肥廠的氧氣高,克服了設備易結垢和堵塞的缺陷。進行氣化系統(tǒng)試運行)。2005年10月15日,在空2006年1月8日通過了中國石油和化學工業(yè)分裝置具備條件后，該裝置正式進入工業(yè)運行。協(xié)會組織的專家鑒定。2006 年5月通過科技部組至今,A"、B*氣化爐累計運行超過25 00h。2006織的國家“863”課題驗收。兗礦國泰化工有限公司年,兗礦國泰生產甲醇23.4x 10%。2007 年,甲醇的消耗總結報告中指出，與采用同樣煤種的兗礦產量超過30x 10%。魯南化肥廠Texamo裝置制備合成氣用于合成甲醇2008年1月12日至2008年3月26日,A、的煤耗相比，,每噸甲醇的煤耗減少100~ 150kg,這B'爐同時連續(xù)運行74d后,A"爐計劃停車,B4爐對于大化工裝置來說是非常可觀的成本優(yōu)勢。繼續(xù)運行至2008年4月7日,B"連續(xù)運行88d,4專利和獲獎創(chuàng)造了新的運行記錄。4.1獲專利情況 .中國石油和化學工業(yè)協(xié)會組織現(xiàn)場考核專夕嗜映對國十與化地戈縣空全具有自主知家組于2005年12月11日~18日在山東省滕州識產中國煤化工利和實用新型市木石鎮(zhèn)(兗礦國泰化工有限公司)對“多噴嘴對專利fYHCNMHG置式水煤漿氣化技術”進行了現(xiàn)場工業(yè)運行考4氮肥技術2008年第29卷表1 華東理工大學擁有的水煤漿氣化技術領域的專利(部分)種類專利號專利名稱ZL95111750.5帶有旋流器的三通道組合式水煤漿氣化噴嘴發(fā)ZL981 10616.1多噴嘴對置式水煤漿或煤粉氣化爐及其應用明ZL01112880.1一種復合床高溫煤氣冷卻洗滌設備及其工業(yè)應用Z01112701.5碳氫化合物為原料煤氣生產裝置中含渣廢水熱回收方法ZL01112702.3一種高溫煤氣洗滌冷卻設備及其工業(yè)應用ZL01112700.7以含碳氫化合物為原料氣流床生產煤氣的初步凈化裝置ZL200510111484.8多噴嘴水煤漿或粉煤氣化爐及其工業(yè)應用實ZL94214422.8雙通道內旋組合式噴嘴用ZL97235458.1五通道負荷可控式水煤漿氣化噴嘴新ZL01210097.8頂部設有噴嘴的多噴嘴對置式水煤漿或煤粉氣化爐型ZL01239008.9以含碳氫化合物為原料氣流床生產煤氣的排渣裝置專ZL01239007.0氣流床生產煤氣裝置中回收含渣廢水熱量的熱水塔ZL02266704.0- -種射流型洗滌冷卻水均布器ZL200320108896.2設有定位塊的洗滌冷卻水均布器ZL200520047515.3用于水煤漿或粉煤氣化的多噴嘴水煤漿或粉煤氣化爐4.2獲獎情況5技術推廣現(xiàn)狀技術開發(fā)成功后,受到國家和社會的廣泛認多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已經經受了可,獲得了多項獎勵:長周期工業(yè)運行考驗,在工藝指標、穩(wěn)定性和可(1)新型水煤漿氣化噴嘴研究與開發(fā), 1998靠性等各方面都表現(xiàn)出了先進性。因此,國內眾年上海市科技進步-等獎。多煤氣化項目紛紛選擇該技術。近兩年來,在與(2)Texaco水煤漿氣化裝置仿真培訓系統(tǒng),國際技術的公開競爭中,多噴嘴氣化技術屢屢獲1999年石油和化學工業(yè)局科技進步三等獎。勝。目前已經簽訂專利實施許可合同12項,累計(3)新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā),氣化爐臺數(shù)達到31臺,日處理總煤量約4x 104,2001年科技部、財政部、計委、經貿委“九五”國家節(jié)省專利費約4億元,全部投產后預計實現(xiàn)年產重點攻關計劃優(yōu)秀成果獎。值約200億元。表2列出了多噴嘴氣化技術的國(4)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)關鍵技內用戶情況。術, 2002年中國電力科學技術二等獎。表2多噴嘴氣化技術的國內用戶情況(5)多噴嘴對置水煤漿或煤粉氣化爐及其應應用!規(guī)核最終所處階段用,2003年中國技術市場協(xié)會“金橋獎”。單位力、設置規(guī)極、(6)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術,2006年華魯6.5750甲醇、2004.12 投產,正常恒升合成氨運行中國石油和化學工業(yè)協(xié)會科技進步特等獎。(7)大型氮肥全流程技術和成套裝置技術開甲醇、2臺2005.10.16 投..究礦4.0 3(2+1) 1150",正常行:第3國泰發(fā)電臺氣化爐2007.9.3發(fā)與應用,2006年中國石油和化學工業(yè)協(xié)會科技投產,正常運行進步特等獎。兗礦.0 1 1150 甲醇2008.7投產(8)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術,2006年魯化教育部中國高校十大科技進展。鳳凰肥6.5 3(2+1) 1500 在建，2008.11 投產(9)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術獲2006江蘇4.0 2(1+1) 1800 合成氨 在建,2009.1 投產年”中國高校-大型企業(yè)合作創(chuàng)新10大案例”。靈谷(10)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術, 2007年公6.5 3(2+1) 1500甲醇 在建.2009.3 投產國家科技進步二等獎。神華中國煤化工E建(11)多噴嘴對置水煤漿或煤粉氣化爐及其應寧波MHC NMH G建用,2008年中國專利優(yōu)秀獎。萬華第6期李偉鋒等:多噴嘴對置式煤氣化技術5續(xù)表2為國際市場所接納。目前,已經有多家美國公司氣化爐單護有興趣引進該技術。在不久的將來，該技術將跨出覃盟力，設銷)規(guī)物、產盤所處階段國門,開啟向發(fā)達國家輸出煤氣化技術的先河。杭州平山4.02200發(fā)電在建,2009年底7多噴嘴對置式粉煤氣化技術進展投產7.1 水冷壁式中試氣化爐運行結果6.5 6(4+2) 2000 二甲醚設計中久泰作為“十- -五"國家“863"重點項目“高灰熔安徽6.5 3(2+1) 1500 甲醇設計中點煤加壓氣化技術開發(fā)與工業(yè)示范”課題“高灰.華誼山東甲醇、熔點煤氣流床氣化”的重要研究內容,從2007年成大6.5 2(1+1) 2000 二甲醚7月至今水冷壁氣化爐中試裝置已相繼進行了近6走向國際市場30次試驗。在順利打通工藝流程基礎上,完成了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已經引起了氣化爐點火與火焰檢測器性能測試、水冷壁掛渣國際氣化領域的關注。2006年和2007年的國際與高灰熔點煤試燒、水冷壁氣化爐傳熱規(guī)律、水氣化年會都邀請華東理工大學參加，并與CE、冷壁系統(tǒng)安全聯(lián)鎖與控制、水冷壁氣化爐操作運Shell. .Siemens等三家跨國公司同臺介紹了各自氣行規(guī)律、以及氣化工藝參數(shù)優(yōu)化等試驗,基本掌化技術及應用進展。國際著名的氣化專家、握了水冷壁氣化爐的設計方法、技術性能操作《Gasification》- -書的作者Christopher Higman,在運行特點和安全控制方法,為該技術的工程放大其最近發(fā)表于《Modem Power System>(2007年第1奠定了基礎。期P12-14)的綜述報告“Tuming promise into .水冷壁中試氣化爐于2007年11月完成了●reality" 中對該技術給予了中肯的評價:‘鑒于中國以北宿精煤為原料的72h連續(xù)運行，氧煤比煤化工的快速發(fā)展,2006年會的一個新的亮點是0.6 ~ 0.7Nm3/kg,蒸汽煤比0 ~ 0.2kgkg。在優(yōu)化的專設了中國專場....一個真正讓大家產生強烈工藝參數(shù)下,典型合成氣成分如表3所示,氣體興趣的是華東理工大學潔凈煤技術研究所開發(fā)成分與耐火磚襯里的中試裝置運行結果基本--的多噴嘴對置式煤氣化技術。最讓大家驚訝的是致,但氣化爐熱損失較熱壁爐增大,氧耗有所提該技術已經達到的工業(yè)化應用程度。-套以甲醇高。2008年5月,以灰熔點(FT)1 420C的鮑店2*為產品聯(lián)產發(fā)電、單爐日處理1 150噸煤的氣化井精煤為氣化原料,考察了水冷壁氣化爐的操作裝置已經于去年運行。”多噴嘴水煤漿氣化技術運行規(guī)律和掛渣特性。實驗結果表明,在優(yōu)化的操被列為與CE、Shell等同臺競爭的技術，已經逐步作條件下,有效氣體積分數(shù)依然可高達90%左右。表3水冷壁氣化爐中試合成 氣成分護壓負荷氧煤比 蒸汽煤比合成氣成分NO.(MPa)(kgh) (Nm/kg) (kg/kg)(體積分數(shù),干基)COH2CO2N2有效氣12.01 2400.650.00461.6030.244.513.6591.84.01 0810.630.04962.1727.115.764.9689.280.05429.626.175.2588.587.2粉煤加壓氣化技術工業(yè)示范裝置實施進展工程公司主要負責工程設計。目前，以水冷壁氣化爐為核心設備的多噴嘴針對示范裝置用于生產合成氨工藝需求,依對置式粉煤加壓氣化技術得到了國家“863”重點托已有專利技術基礎,借鑒自主產權的多噴嘴對項目“高灰熔點煤加壓氣化技術開發(fā)與工業(yè)示置式水煤漿氣化技術工業(yè)實踐經驗,通過系統(tǒng)技范"支持,將依托兗礦集團貴州開陽化工有限公+術經濟分析,提出了粉煤加壓氣化示范裝置工藝司在建的年產50x 104合成氨項目,實施適合于流程,如圖7所示。原煤除雜后送人磨煤機破碎,貴州地區(qū)高灰熔點煤的千噸級氣流床粉煤加壓同時用加熱的惰性氣體將其干燥,制備出符合濕氣化技術工業(yè)化示范,總投資約27.8億元。該項含量I中國煤化工中。料倉中的粉目由兗礦集團有限公司牽頭,華東理工大學主要煤經料,粉煤由給料負責關鍵技術的研發(fā)與工程放大,中國天辰化學罐紹0.HCN MH C過(下轉第41頁)第6期朱本啟等:德士古水煤氣制甲醇與焦爐氣制甲醇的比較41熱增多,床層溫度上升較快,給反應后氣體移熱增(體積分數(shù)6%~9%)的條件下,甲醇合成反應主加困難。同時,甲酸基合成的副產物產生了較大碳要是以甲?；緩胶铣?此條件下對甲醇催化劑鏈,促進了石蠟或醚類雜質的生成,見反應式(6)?；钚晕串a生影響,時空產率較高,但粗甲醇濃度德士古水煤氣制甲醇主要通過甲酸基途徑較低,精餾能耗較高。在高CO(體積分數(shù)15%~合成甲醇,其理由如下:16%)條件下,甲醇合成反應主要是以甲酸基途(1)粗甲醇中酸度較高,粗甲醇中存在甲酸徑合成,反應熱較高,副產蒸汽多,粗甲醇濃度較和乙酸,如果甲醇合成反應控制不當,粗甲醇中高,能耗較低,對催化劑活性有一定影響,催化劑甲酸質量分數(shù)有可能達到0.03%。使用壽命較短，但是單位產出較大。(2)粗甲醇中含有醚類較多,預塔不凝氣體4結束語多,雜醇采出量較大。在甲醇生產運行中，工藝指標的控制相當嚴(3)在合成塔操作條件下,具備甲酸基合成格,生產單位基本是按照原始設計中的物料衡算條件。來調整合成氣體成分的。但由于工藝路線的差別(4)副反應產物有少量石蠟和醚類雜質生成和制得氣體成分的限制，實際物料衡算與設計有(M-OCH3)。較大偏差,因此,需要在生產過程中不斷摸索優(yōu)化(5)反應余熱多,副產蒸汽量較大。工藝運行、提高產量的方法。山東兗礦國際焦化有(6)需要高空速控制甲醇合成反應。限公司根據(jù)焦爐氣制甲醇的生產特點，摸索出了通過兩種甲醇生產過程和產品的對比,可以優(yōu)化焦爐氣制甲醇的方法,達到了較高的技術水平。驗證此前存有爭議的甲醇合成機理，即在高CO2(收稿日期:2008-10-21)(.上接第5頁)程為高固氣比密相輸送,擬用已有與洗滌 的分級凈化分離方式,既可確保合成氣滿專利技術調控煤粉流量。預熱后的氧氣與水蒸汽足后續(xù)工段的工藝要求,又大大降低了設備投資-并通過噴嘴進入氣化爐,在高溫、高壓下與煤費用。粉進行氣化反應。該項目已列人貴州省重點項目,2005年8月氣化爐為自主創(chuàng)新的多噴嘴對置式結構,形通 過貴州省發(fā)改委的核準,2006年10月獲國家成的撞擊流流動,有利于強化傳遞過程,提高氣環(huán)保局批準,計劃2010年建成投產。現(xiàn)已完成初化效率。采用濕法分離工藝,通過激冷、旋風分離步設計審查和現(xiàn)場“三通一平"工作 ,部分長線設煤粉}布袋除塵器氣化爐*合成氣水燕汽，4倉煤粉一-煤粉混合器t冷凝液氣+水.原煤給料罐干燥匈氣或饋斗磨煤機二氧化碳→渣圖7 粉煤加壓氣化示范裝置工藝流程備已開始訂貨,于2008年8月正式開工。一具有明顯優(yōu)勢的新技術必將扭轉我國煤氣化我們相信,隨著我國現(xiàn)代煤化工產業(yè)的崛起技術上期優(yōu)胡進口的巨面企業(yè)提供更多先中國煤化工”與發(fā)展，隨著先進煤氣化技術在發(fā)電、冶金行業(yè)進的應用,多噴嘴對置粉煤加壓氣化制備合成氣這HC N M H G期:2008-10-21)