O閆吉臣（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠 青海 816099）

多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)

O閆吉臣
（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠 青海 816099）

本文首先對煤氣化技術(shù)的意義進行簡單介紹，了解進行煤氣化技術(shù)研究的作用以及對整個經(jīng)濟社會的影響，重點分析目前多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的應(yīng)用研究，然后對多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化工藝的流程及特點進行介紹，掌握具體的水煤漿加壓氣化工藝及相關(guān)技術(shù)，最終通過具體的案例分析多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)。希望通過本文的研究能夠?qū)Χ鄧娮鞂χ檬剿簼{加壓氣化技術(shù)形成更加全面的認(rèn)識和了解，掌握實際應(yīng)用技術(shù)，更好的提高我國多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)水平，從而有效促進我國煤氣化行業(yè)的發(fā)展。

煤氣化技術(shù)；多噴嘴對置式；水煤漿加壓氣化

1.前言

近年來隨著我國經(jīng)濟社會水平的不斷提高，國民對于環(huán)境保護的意識不斷提高，但是經(jīng)濟發(fā)展過程中對于能源的消耗難免會產(chǎn)生環(huán)境污染，因此對傳統(tǒng)能源進行深化加工，凈化處理就成為新的發(fā)展階段的重要研究課題。煤氣化技術(shù)指的是在一定溫度、壓力條件下利用氧氣、水、二氧化碳等氣化劑與煤炭發(fā)生反應(yīng)從而生成潔凈合成氣體的技術(shù)，通過煤氣化工程能夠?qū)崿F(xiàn)對于煤炭的化學(xué)深加工，降低煤炭使用產(chǎn)生的污染，這也是新的發(fā)展階段實現(xiàn)煤炭潔凈利用的關(guān)鍵。目前我國已經(jīng)掌握了比較成熟的煤氣化技術(shù)，現(xiàn)在比較前端的是多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)。這里對多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的研究應(yīng)用、工作流程進行詳細(xì)說明，能夠促進煤氣化技術(shù)更好的發(fā)展，在發(fā)展經(jīng)濟的同時有效實現(xiàn)對于自然環(huán)境的保護。

2.煤氣化技術(shù)的意義

根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國的能源結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重的不平衡狀態(tài)，煤炭資源豐富、石油資源短缺、能源氣體資源更是嚴(yán)重匱乏。針對目前我國以煤炭資源利用為主的能源結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)階段國際能源的市場形勢，我國必須立足國情，對能源結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，充分發(fā)揮豐富煤炭資源的優(yōu)勢，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，將固態(tài)煤炭資源轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)、氣態(tài)資源，從而有效彌補石油、天然氣資源的先天不足，同時提高資源利用率，降低能源使用對于環(huán)境的污染，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益，促進我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。通過大力發(fā)展高效清潔的煤氣化技術(shù)以及其他類型的煤炭資源深加工利用技術(shù)，能夠逐漸在我國形成以煤氣化為龍頭、能源需求市場為導(dǎo)向的多元化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，逐漸調(diào)整并完善我國的能源發(fā)展及資源利用產(chǎn)業(yè)框架，從而更好的支持國民經(jīng)濟各行業(yè)的監(jiān)控發(fā)展。同時有效緩解目前我國面臨的油品、天然氣供應(yīng)緊張的壓力，降低經(jīng)濟社會發(fā)展造成的環(huán)保壓力，保障國家安全。

另外煤氣化技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到其他諸多工業(yè)的發(fā)展，比如說煤基化學(xué)品、煤基液體燃料的研制，先進的IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及制氫、燃料電池等工業(yè)的研究開發(fā)。煤氣化技術(shù)是這些過程工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，通過煤氣化技術(shù)的研究發(fā)展能夠同時帶動這些過程工業(yè)的發(fā)展。目前我國已經(jīng)在建的甲醇裝置、合成氨裝置、煤制油裝置、煤制烯烴裝置等都表現(xiàn)了對煤氣化技術(shù)的強烈需求。

3.多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)應(yīng)用研究

(1)概述

自上世紀(jì)開始，國家有關(guān)部委就認(rèn)識到煤氣化技術(shù)的重要性，通過國家部委方面的支持，由華東理工大學(xué)對氣流床氣化技術(shù)進行長期持續(xù)的研究與開發(fā)。該項目的研究開發(fā)長期以來相繼獲得國家關(guān)于“八五”、“九五”、“十五”重點科技攻關(guān)計劃以及國家重點項目863計劃、973規(guī)劃和國家自然科學(xué)基金以及國家重大技術(shù)裝備研制項目(科技攻關(guān))計劃的資金資助和政策支持。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，該研究計劃相繼承擔(dān)和完成國家、省部級的關(guān)鍵項目達40 余項。

其中比較關(guān)鍵的技術(shù)就是由華東理工大學(xué)通過消化、吸收國外引進的氣流床氣化技術(shù)結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)需求研制成功了煤氣化技術(shù)的多種關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，比如氣化噴嘴等。后期在“九五”至“十五”期間，在各部委以及部分先進企業(yè)的支持下，華東理工大學(xué)逐級對煤氣化相關(guān)技術(shù)完善，最終實現(xiàn)了多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)從實驗室研究到中試研究再到工業(yè)示范的三級連續(xù)跨越。這項技術(shù)也是國際首創(chuàng)、我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的煤氣化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

(2)實驗室研究

由于水煤漿的氣化過程比較復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)條件比較嚴(yán)苛，需要保持高溫高壓，而且會出現(xiàn)多個不同的反應(yīng)過程相關(guān)交叉串并聯(lián)的情況，尤其是氣化過程中化學(xué)與物理問題耦合會使得整個過程更加復(fù)雜，無法通過單純的綜合理論研究對煤氣化過程進行可靠的分析。因此，在實驗室的研究中最重要的一步就是對煤氣化的化學(xué)與物理問題進行解耦，然后再分別研究其物理化學(xué)規(guī)律，最后再借助計算機技術(shù)對數(shù)學(xué)描述進行綜合，從而獲得最終的設(shè)計與放大依據(jù)。另外要注意大型冷模與小型熱模并舉和物理化學(xué)問題的數(shù)學(xué)描述與系統(tǒng)模擬并舉。大型冷模主要研究煤氣化過程的流動規(guī)律，為放大服務(wù)；而小型熱模則主要探索溫度與壓力效應(yīng)，為技術(shù)條件選優(yōu)服務(wù)。實驗室研究結(jié)束后再將得到的研究結(jié)論應(yīng)用到中試裝置中接受其檢驗，利用中試裝置的研究來驗證煤氣化的數(shù)學(xué)模型，從而更加豐富和完善實驗得到的相關(guān)科學(xué)規(guī)律，將最終的結(jié)論應(yīng)用到工業(yè)裝置中。

在“九五”“十五”期間，華東理工大學(xué)重點針對多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)和放大依據(jù)進行來更加深入的研究，比如氣化爐的流場結(jié)構(gòu)研究、停留時間、壓力以及濃度的分布研究和一些關(guān)鍵單元的系統(tǒng)模擬。在此基礎(chǔ)上逐漸凝煉出了多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，同時也為這項重要技術(shù)的中試和產(chǎn)業(yè)化奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

(3)中試研究

在實驗室取得階段性研究成果的同時，一些企業(yè)已經(jīng)逐漸開展了針對于多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)中試裝置的建設(shè)。經(jīng)過一段時間的運營，得到中試結(jié)果與引進水煤漿氣化技術(shù)的比較。

最終的中試研究結(jié)果顯示我國自主研發(fā)的水煤漿加壓氣化技術(shù)能夠通過煤氣化得到83%的有效氣，其中碳轉(zhuǎn)化率＞98%，將近99%；而且轉(zhuǎn)換過程中的比煤耗、比氧耗低于引進裝置的7%左右。這項技術(shù)得到中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定認(rèn)可，并獲得國家各部委的獎勵。后來這項技術(shù)在國內(nèi)各主要煤化工企業(yè)得到廣泛推廣使用。

4.多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化工藝流程及特點

(1)多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化及煤氣初步凈化

首先是利用氣化室內(nèi)的四個對稱噴嘴把經(jīng)過加壓的煤漿與氧氣一起噴入氣化爐中。煤漿顆粒逐漸在氣化爐中氣化，一般需要經(jīng)過顆粒的湍流彌散、振蕩、加熱等過程，然后煤漿逐漸蒸發(fā)，煤漿中細(xì)小的煤炭顆粒逐漸析出，在氣化爐內(nèi)發(fā)生各種多相反應(yīng)，最終煤炭形成灰渣，氣體在爐內(nèi)產(chǎn)生。

氣化爐內(nèi)的反應(yīng)不是單一的反應(yīng)，往往是各種串并聯(lián)同時存在的復(fù)雜反應(yīng)體系，一般情況下可以把整個氣化反應(yīng)分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)兩部分。其中一次反應(yīng)是以燃燒為主，氣化反應(yīng)剛開始的時候，各種反應(yīng)物，比如氧氣、煤漿、一氧化碳和氫氣等都進入一次反應(yīng)區(qū)。水煤漿在爐內(nèi)霧化，同時吸收爐內(nèi)的各種輻射熱，導(dǎo)致煤漿在瞬間蒸發(fā)，其中的煤粉逐漸發(fā)生熱裂解并向爐內(nèi)釋放揮發(fā)分。最終這些裂解產(chǎn)物、揮發(fā)分和易燃成分在爐內(nèi)高溫高氧環(huán)境下迅速燃燒，產(chǎn)生大量的熱，使?fàn)t內(nèi)溫度進一步升高。一次反應(yīng)的過程比較短暫，一般在射流區(qū)和撞擊區(qū)發(fā)生，當(dāng)爐內(nèi)氧氣消耗完畢后，這一過程也宣告結(jié)束。二次反應(yīng)是以吸收熱量，產(chǎn)生氣體為主。爐內(nèi)主要的煤焦、一氧化碳、氧氣、甲烷、二氧化碳以及水和氫氣進入二次反應(yīng)區(qū)之后逐漸發(fā)生各種氣化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的一氧化碳和氫氣,這也是水煤漿氣化過程產(chǎn)生有效氣成分的主要過程。一般情況下二次反應(yīng)主要在管流區(qū)發(fā)生。另外在氣化爐的撞擊區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)會發(fā)生各種質(zhì)量交換，導(dǎo)致這些區(qū)域會同時進行一次反應(yīng)和二次反應(yīng)。

由于二次反應(yīng)以吸熱為主,發(fā)生的區(qū)域溫度一般比較低,能夠?qū)t內(nèi)耐火磚起到一定的保護作用。導(dǎo)出氣化室的氣體一般會夾帶一定的熔融灰渣，需要在洗滌冷卻室內(nèi)完成對合成氣體的初步洗滌冷卻以及對于熔渣的初步分離。一般可以采用混合器、分離器和水洗塔相結(jié)合的方式來降低煤氣中的灰渣含量，同時能夠避免壓力損失。

(2)含渣水處理

在得到煤氣后需要對初步凈化得到的含渣水進行處理。首先對含渣水進行減壓處理，導(dǎo)入處理系統(tǒng)，第一步是導(dǎo)入蒸發(fā)熱水塔蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室內(nèi)將含渣水進行氣化，然后與水中的酸性氣體一起解吸。第二步是將蒸發(fā)得到的蒸汽導(dǎo)入熱水室與循環(huán)灰水接觸換熱，得到大量的液相產(chǎn)物。最后對這些液相產(chǎn)物進行真空閃蒸，降低含渣水中的水汽含量，實現(xiàn)對于酸性氣體的完全解吸。

從以上分析可知，我國研究的這種多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置的主要技術(shù)特點有三點：第一點是使用多噴嘴對置的水煤漿氣流床氣化爐和復(fù)合床煤氣洗滌冷卻設(shè)備；第二點是利用分級凈化的煤氣初步凈化工藝；第三點是利用蒸發(fā)分離直接換熱式含渣水處理及熱回收工藝。

5.工業(yè)應(yīng)用介紹

這里以兗礦國泰化工有限公司的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置為例，對這種多噴嘴對置式的水煤漿加壓氣化技術(shù)的具體應(yīng)用以及實際效果進行介紹。

兗礦國泰化工有限公司建設(shè)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)的工業(yè)裝置及配套工程得到多部委以及華東理工大學(xué)的大力支持，該項目總投資為27億元，使用兩臺日處理氣化爐裝置，每臺能夠?qū)崿F(xiàn)日處理1150噸煤。該示范裝置于2005年中旬一次投料成功，而且實現(xiàn)了整個工藝流程的一次打通。按照初始的計劃，在運行80小時的時間內(nèi)一直處于平穩(wěn)連續(xù)的狀態(tài)。而后選擇合適的空分裝置具備條件，在當(dāng)年10月16日正式開始該裝置的投產(chǎn)使用。并于次日打通全部工藝流程，生產(chǎn)出甲醇。截止到當(dāng)年年終，該裝置累計平穩(wěn)運轉(zhuǎn)2000小時左右，整體氣化裝置實現(xiàn)85%的運轉(zhuǎn)率。最終的工業(yè)實際運行結(jié)果證實，該裝置開車方便、操作靈活、自動化程度高，運行狀況穩(wěn)定、工藝技術(shù)指標(biāo)極為先進而且合成氣中細(xì)灰含量低，氣化效果良好。

6.結(jié)語

通過本文的分析可知，煤氣化技術(shù)對于整個國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的作用。目前我國自主開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)具有鮮明的技術(shù)優(yōu)點，能夠很好的滿足目前對于煤氣化工業(yè)生產(chǎn)的需求。未來隨著我國能源消耗的不斷增加以及環(huán)保壓力的不斷增大，對于煤氣化技術(shù)的要求會越來越高，這就需要煤氣化行業(yè)相關(guān)人員不斷加強對于先進煤氣化技術(shù)的研究，開發(fā)更加先進的煤氣化技術(shù)，制定更加合理的煤氣化方案，從而不斷提高我國煤氣化技術(shù)的水平，促進煤氣化行業(yè)的健康發(fā)展，從而保障經(jīng)濟社會的良好發(fā)展。

Pressurization and Gasification Technology of Opposed Multi-nozzle Water-coal-slurry

Yan Jichen

(Methanol Plant of Qinghai Salt Lake Magnesium Industry co., ltd, Qinghai, 816099)

In this paper , fi rstly, it takes a brief introduction of the signifi cance of coal gasifi cation technology and study the role of coal gasif ication technology research and the infuence on the whole economic society, besides, it focus on analyzing the application research of pressurization and gasifi cation of current opposed multi-nozzle water-coal-slurry, and then takes introduction of the process and characteristics of pressurization andgasifi cation of current opposed multi-nozzle water-coal-slurry technology, and master the specifi c water-coal-slurry pressurization and gasifi cation technology and related technologies, fi nally through the concrete cases to analyze opposed multi-nozzle coal-water slurry pressurization and gasifi cation technology. We hope the research in this article can bring more comprehensive knowledge and understanding for China’s opposed multi-nozzle water-coalslurry pressurization and gasifi cation technology level, so that to promote effectively the development of China’s coal gasifi cation technology industry.

coal gasifi cation technology；opposed multi-nozzle；pressurization and gasifi cation of water-coal-slurry

T

A

閆吉臣(1975～)，男，青海鹽湖鎂業(yè)有限公司甲醇廠，研究方向：研究方向化學(xué)工程與工藝。