分级气化技术综述

比煤耗Kg/1000 NM3（CO＋H2）≤580 有效气体成分≥83% ☆ 操作弹性：＋10%至－50%
2.技术成熟并进入实用阶段
2.1 项目进展情况及成果已经完成专利技术研究、实验开发、工 程设计、工业装置建设、工业装置正常投入运行的全过程。
◆专利技术研究：（2019年至2019年）
非熔渣—熔渣气化炉
5. 本工程在实验室研究的基础上进行工程设计，成功实现了工程化放大， 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
分级气化技术综述
1.3 新技术的创造性、先进性及与国内外同类技术比较
1.3.1 新技术的创造性、先进性
非熔渣－熔渣分级气化技术工 艺过程如图所示。原料（水煤浆、 干煤粉或者其它含碳物质）通过给 料机构和喷嘴进入气化炉的第一段， 采用纯氧作为气化剂，采用其它气 体，如O2或与O2以任意比例相混合 的CO2、N2、水蒸汽等作为预混气体 调节控制第一段氧气的加入比例， 使第一段的温度保持在灰熔点以下； 在第二段再补充部分氧气，使第二 段的温度达到煤的灰熔点以上并完 成全部的气化过程。
由于氧气分级供给，气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧 化学当量脱离约束，减少了主烧嘴的氧化负荷，改善了主烧 嘴的工作环境，延长了其运行周期；由于氧气分级供给，比 不分级气化炉轴向温度均衡，长径比可加大，同样直径气化 炉的生产能力大于国内外其它水煤浆气化技术的气化炉；由 于氧气分级供给，改善了炉内的温度场，提高了炉内的平均 气化温度，使有效气体成份提高1～2%；由于炉内高温区在 二次进氧的范围内，平均炉温高，出渣区域接近高温区域， 使非熔渣—熔渣分级气化炉的温度可低于灰熔点。在丰喜肥 业的气化装置上已达到的指标是：出渣区温度低于进料煤灰 熔点100℃，这一点十分重要：以耐火材料为防护的气化炉 一般耐受温度可达到1350℃，非熔渣—熔渣分级气化炉就可 以使用灰熔点为1450℃的煤作为气化原料，此特点使国内大 部分煤均可作为原料煤用于本气化技术。
转化率（%）
120
100
80
60
40
连续气化
两段式气化
20
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时间
碳转化率曲线图
非熔渣－熔渣分级气流床煤气化工艺从化学反应过程上 与现有气流床煤气化技术有着本质的区别，而不单单是气化 炉的物理特征上的差别，因此是具有独立知识产权的新型专 利技术。现有的气流床煤气化工艺，不论是一级给料的GE、 Texaco、Shell、GSP和多喷嘴气化，还是两级给料的E-Gas （ConocoPhillips）的两段水煤浆和西安热工院的两段干粉 气化，气化炉内原料的反应过程都是一样的，即经历了脱水 分和挥发份→燃烧→气化三个阶段。而非熔渣－熔渣分级气 流床气化工艺通过氧气的分级加入，将煤的气化反应过程从 三个阶段变为五个阶段，即脱水分和挥发份→燃烧→气化→ 再燃烧→再气化，在化学反应过程上有着本质的区别。
非熔渣—熔渣分级气化技术于2019年10月23日顺利通过72小时考核。 专家考核组认为: 1．装置连续稳定运行72小时，平均负荷率为109.4%，装置各项指标平稳。 2．运行数据与计算结果真实可靠，考核装置满负荷运行的技术指标如下：
项目
单位
考核数据
比氧耗 比煤耗 有效气成分 (CO+H2) 碳转化率 产气率 能力
4．与国内外水煤浆气化技术相比，本项目的技术创新点在于： （1）采用分级给氧，使主喷嘴附近温度降低，有助于延长喷嘴寿命。气 化炉内的温度分布更加均匀，平均温度提高；气化炉主烧嘴的氧气 量可以脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束。 （2）主烧嘴可以采用氧含量从0～100%的不同气体（如CO2或N2）作为主 烧嘴预混气体。 非熔渣－熔渣分级气化技术与现有其它粉煤液态排渣气化技术相比 具有新颖性和创新性。
除气化炉的专利技术外，我们还提供一些专有技术，有利于进一步改 善装置的清洁生产状况，并降低投资，这些可供甲方选用。例如气化炉 灰渣水带压排放，在煤场区设渣池，取消框架内捞渣机（丰喜肥业集团 提出，并在其气化装置采用此项技术，效果很好）。氧气控制系统设在 氧气总管上，分级给氧支管上只设流量计和切断阀，同压力、同炉直径 的气化岛，非熔渣—熔渣分级气化技术与传统水煤浆气化的硬件投资基 本相同。
支持，（课题编号：2019AA529050）完成了数学模型、冷态实验和热
态实验，在热态实验中，得到了预期结果。
◆工艺包和工程设计：（2019年至2019年）
完成了非熔渣—熔渣分级式气化技术工艺包和工程设计，同时完成 其后续装置10万吨/年甲醇装置工程设计，为装置建设创造了必要的条件。 项目实施阶段得到国家发改委支持，列为2019年度国家重点新能源的高 新技术产业化专项项目，文件编号《发改办高技【2019】2352号》。
河北某30万吨/年甲醇装置报价摘要：
气化炉主要参数：气化炉按两开一备配置。 ☆ 直径2800mm，全高约19400mm,气化室有效长度5520mm，比传统水煤浆
气化炉长700mm ☆ 气化压力：4.0MPa ☆ 每台气化炉有效气体（CO＋H2）产量5万NM3/h，比传统水煤浆气化炉
多产有效气体（CO＋H2） 1.0万NM3/h ☆ 以神木煤为例：比氧耗NM3/1000 NM3（CO＋H2）≤380
Nm3/1000Nm3(CO+H2) kg/1000Nm3 (CO+H2 )
% % Nm3干气/kg煤 吨粗醇/天
367.6 553.5 83.06 98.2 2.18
390
3．气化装置自动化程度高，安全可靠，操控性能良好。预混气由氧气切换 为二氧化碳时装置运行平稳。预混气体为二氧化碳时炉上部温度比预混气体 为氧气时低50℃（清华大学实验室测定气化炉中心的温度低200℃），有利 于延长喷嘴使用寿命。
1000
500 0
0.5
1
1.5
2沿气化室高度 [m]气化炉轴向温度曲线图炉顶部温度降 低，使顶部耐 火砖的寿命大 延长，如照片 所示，运行了 8000小时后， 顶部耐火砖减 薄量只有3-4cm （新砖厚度为 23cm）。
运行8000小时后的耐火砖
另外，清华大学在实 验中测得分级给氧与不分级 给氧的碳转化率曲线表明， 在分级给氧状态下，完成 80%碳转化的时间向后推移， 碳的转化过程更加均衡，也 有利于发挥气化炉有限空间 的燃烧和气化功能。
非熔渣－熔渣分级气流床气化技术的独特型和先进性已经得到国内外专 家的认可。在国内，国际工程咨询公司对该技术进行了评估，评估认为 “具有自主知识产权，能与当今世界先进的壳牌（Shell）、德士古 （Texaco）、GSP等气化技术竞争；从小试到工业化生产，在参与各方的 共同努力下，各项工作进展都很顺利，已经具备了高技术产业化的条 件。……在当前国内大搞煤化工，各企业纷纷引进国外技术的形势下， 急需开发具有自主知识产权的新技术，以打破外国公司的技术垄 断；……评估建议，企业加强合作，尽快完成工业化规模的实验，及时 总结经验进入鉴定推广阶段。”在国际上，我们与GE、IHI等在非熔渣－ 熔渣分级煤气化技术上一直保持着密切的技术交流，并且得到这些公司 对该技术的认可，此外BP也意识到本技术的专利独特性，已经和我们签 订了技术评估协议（BP Reference: BPI/PAT/EDK/50487），BP表示可以 帮助我们将非熔渣－熔渣分级气化技术推向国际市场。
ZL 02 2 35127.2
一种改进的非熔渣—熔渣气化炉
ZL 03 2 79783.4
用于煤、焦气化的分级式气化炉
ZL 2019101140391
经过中国化工信息中心查新，本技术具有新颖性，详见《中国化工信
息中心查新报告2019-237》。
基础理论研究和冷热态试验：（2019年至2019年）得到国家863计划
把煤一次给氧的连续气化过程分为二次或多次给氧的两级 （或多级）气化过程是在对现有问题分析和机理研究的基 础提出来的，具有科学性。连续的气化过程，其实际的气 化过程也是分段依次进行的，开始是水分的蒸发和脱挥发 分过程，接着才是煤颗粒的着火燃烧和气化过程。本工艺 提出将煤颗粒的着火燃烧再进行分级，主要的燃烧过程在 第一段完成，在第二段补充部分氧气，完成全部的燃烧过 程和气化过程，从而煤的化学反应过程经历了脱水分和挥 发份→燃烧→气化→再燃烧→再气化5个反应阶段，而不是 传统的脱水分和挥发份→燃烧→气化，并且在第一段控制 氧气的加入比例，保持温度在煤的灰熔点以下。 在第二段 加入氧气的作用下使温度提高到煤的灰熔点以上，从而实 现煤的非熔渣－熔渣分级气化。
非熔渣—熔渣分级气化技术是在消化吸收国外水煤浆 气化技术的基础上自主创新，具有国外成熟技术运行稳 定的基本性能，又有自己独特的创新点。采用该技术的 丰喜肥业集团气化装置（20万吨/年甲醇气头）自2019年 1月23日首次化工投料至今，运转率达到94%，年负荷率 达到120%，创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。
煤浆气化炉长800mm ☆ 气化压力：6.5MPa ☆ 每台气化炉有效气体（CO＋H2）产量12.5万NM3/h，比传统水煤浆气
化炉多产有效气体（CO＋H2）2.0万NM3/h ☆ 以神木煤为例：比氧耗NM3/1000 NM3（CO＋H2）≤380
比煤耗Kg/1000 NM3（CO＋H2）≤580 有效气体成分≥83% ☆ 操作弹性：＋10%至－50%
在清华大学的热态实验炉中
测得温度曲线，如气化炉轴向温度 曲线图所示，不分级给氧与分级给 氧的气化炉轴向温度特性是不同的。 由于二级氧气的加入，提高气化炉 下部的温度水平，整个气化炉从上 到下的温度分布更加均匀，平均温 度水平得到提高，气化反应更加充 分。
温度 [℃]
2000 1500
连续气化 两段式气化
14
12
非 熔 渣 -熔 渣 分 级
10
气化技术
传统水煤浆气化技术
8
6
4
2
?2800mm 4.0MPa
0
?3200mm 4.0MPa
?2800mm 6.5MPa
?3200mm 6.5MPa
气化岛造气能力匹配图
说明：1. 1×104NM3/h（CO+H2）生产能力大约相当于每小时4.2吨甲醇、0.87吨氢 的生产能力。
◆装置建设、开工和正常运行：（2019年至2019年）
采用非熔渣—熔渣分级式气化技术的20万吨/年甲醇生产装置一期 工程于2019年正式开工建设，2019年1月在山西丰喜肥业集团建成，一次 开车成功。截至2019年10月21日，累计自然天数637，运转了603天，运 转率94.66%；，平均日负荷率107.3%，年负荷率达到120%。
2．非熔渣—熔渣分级气化岛与传统水煤浆气化岛硬件投资相近。 3．柱状图为设计能力，仍保留+10%以上生产弹性。 4．非熔渣—熔渣分级气化炉有效长径比（气化室直筒段/耐火材料内径）约
为3.4，传统气化炉约为3.0。 5．本图以神木煤为基础测算绘制。
近期我公司对内蒙某60万吨/年甲醇装置报价摘要：
气化炉主要参数：气化炉按两开一备配置。 ☆ 直径3200mm，全高约20500mm，气化室有效长度6820mm，比传统水
1.3.2与国内外同类技术比较
与国内外同类技术比较情况归纳汇总如下:
序 号
项目
水煤浆非熔渣—熔渣 分级气化技术
国内外其它水煤浆 气化技术
1 气化原料
水煤浆
水煤浆
2 气化原理
部分氧化
部分氧化
3 气化炉给氧级数
2
1
4
气化炉主烧嘴给氧量与反 应需氧化学当量关系
脱离约束
约束
5 气化炉轴向温度特性
低—高—低
高—低
6 气化炉主烧嘴端部温度 低（低200℃）
高
7 有效气体成份
比不分级高1～2%
8 气化炉长径比
炉温轴向温度均衡，长径 炉温轴向温度从高到低，
比可加大
长径比不宜加大
9 煤种适应性
可在灰熔点以下100oC运行， 扩大了原料煤的适应性,不 在灰熔点以上50~100oC 加助熔剂即可使用灰熔点 运行 1450oC的煤。
由于理论上的创新，工程实践中的改进，由于没有增加水煤浆泵，没 有增加主烧嘴，没有增加控制回路，因此非熔渣—熔渣分级气化技术在 投资方面与传统水煤浆气化相近，但在气化炉生产能力上有20%左右的提 高，相当于相同产气能力，投资下降20%，使得投入产出的性价比方面明 显优于传统水煤浆技术。
下面列出几种不同炉型，在同一炉型区域内采用非熔渣—熔渣分级气 化技术与采用传统水煤浆技术硬件投资相近，但是能力范围却有不同。