水煤浆加压气化工艺评价

水煤浆加压气化工艺评价
范立明1，2，郭金鹏1（1.渭河煤化工集团公司，陕西渭南 714000；2.西安交通大学，陕西西安 710049） 2004-07-16
近年来，围绕大型合成氨装置原料由油或气改煤，以及新上煤化工装置选用何种煤气化工艺，在煤化工界引起了广泛的关注和讨论，其讨论的焦点主要集中在气流床气化工艺，即干法进料的Shell气化工艺及湿法进料的Texaco水煤浆气化工艺上。

渭河煤化工集团作为我国第一套采用6.5MPa水煤浆加压气化技术的大型化肥装置，1996年投产后，经过多年的消化吸收与技术改造，才掌握了这套技术，因而对水煤浆加压气化了解较深。

我们也曾有幸参加过有关煤气化工艺的技术讨论会，感到大家需要对可选用的煤气化工艺有一个客观的评价和认识，因此本文谨对我们所采用的水煤浆气化工艺进行总结，希望能对煤化工企业有所启迪。

1 渭化的经历和总体评论
通过实践，我们深深体会到德士古技术是一个比较好的洁净煤生产技术。

水煤浆的制备、输送、计量及控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，易于实现大型化，投资相对低一些。

但掌握起来难度比较大。

因为无论是专利商还是承包商都缺乏足够的工程经验与生产运行经验，设计中难免存在一些问题和不足。

因而需要通过生产实践才能真正掌握这门技术。

投产之初，我们就遇到了气化系统工艺气带灰、带水问题，生产稳定不下来，无论是专利商还是承包商都拿不出有效的解决办法。

面对困境，渭化的技术人员反复研究，先后共提出了14条改造措施，对系统进行了多次“手术”。

中间几经反复曲折，带灰带水的难题终于得到了解决。

灰水系统与除渣系统设计缺陷比较多，系统堵塞与设备磨损非常严重，其中激冷水泵与锁斗循环泵两台泵的磨损及碳洗塔出口管线堵塞问题尤为突出。

主要进口设备之一——高压灰水泵每台价值400多万元，可就是开不稳，运行不了几天就得停车维修。

在生产实践中，我们对灰水系统和除渣系统进行了多项改造，其间我们还用每台80多万元的国产泵取代了进口的高压灰水泵。

经过改造，灰水系统和除渣系统终于稳定下来。

投产初期，由于气化炉拱顶经常超温和炉膛耐火砖磨损严重，设计寿命为8000h的进口炉砖，仅使用3000h就报废。

对此，我们反复研究，对炉砖结构及筑炉方案提出了多项改进意见，并采用廉价的国产炉砖取代了昂贵的进口炉砖。

经反复摸索改进，我们创出了一套独有的筑炉技术，从而使炉砖使用寿命从原设计的8000h延长至16000～20000h。

随着气化炉压力等级的提高，变换催化剂出现了砷中毒问题，使用寿命大大缩短。

对此，我们与西北化工研究院的科技人员共同攻关，完成了“煤制合成气脱砷技术及净化剂的研究开发”，解决了砷中毒问题，且该项目获得陕西省石化科技进步一等奖。

问题一个又一个解决了，可是气化装置还是稳定不下来，平均运行不到10天就得停车一次。

于是我们开始对专利商的原始设计提出质疑，并对国内外采用德士古技术生产厂家实际使用的煤种进行广泛调查，最终作出了改换煤种的决策，并两次提出和修改改换煤种的主要技术指标。

对此，我们对工厂周边5 个省区20 多个矿点进行深入调查和比较选择，最后下决心改换原料煤种，生产也由此稳定下来，从而从技术和工程实际上证明水煤浆加压气化原料用煤的选择性。

2 对水煤浆加压气化工艺的评价
总的来说以煤为原料，需要采用高效的洁净煤技术，这是毫无疑问的。

而目前争论最为激烈的是德士古水煤浆气化与壳牌粉煤气化技术。

此两者孰优孰劣、孰长孰短？产品制造成本低，特别是直接材料费用低是它们共同的优势，而建设投资大则是它们共同的缺憾。

至于它们之间的具体比较，由于缺少对Shell干煤粉气化的技术认识及生产实践，在此只能对Texacao水煤浆加压气化谈一些粗浅看法，仅供参考。

2.1 原料的适应性
水煤浆加压气化工艺对煤种的要求并不象专利商所说的那样广，专利商过多地从煤的成浆性能考虑煤的适应性，而从装置的运行性能考虑，实际上水煤浆加压气化工艺对煤种的要求还是比较严格的，国内几个厂家的运行实践证明：灰分含量越低越好；灰熔点要求低于1300℃；操作温度下的灰粘度要求在25～40Pa·s之间且变化平稳；内水含量低有利于制出高浓度的水煤浆。

2.2 一些主要的技术指标
（1）碳转化率根据渭化的经验，可达98%，实际运行一般为96%。

（2）冷煤气效率水煤浆加压气化可达73%。

（3）有效气成分水煤浆加压气化81.4%，根据煤种及工况的不同有所变化，渭化采用华亭煤有效气成分在79%左右。

（4）氧耗水煤浆气化吨氨耗氧为870m3。

根据煤种及操作工况有所不同，渭化使用华亭煤有效气（CO+H2）比氧耗400m3/km3。

（5）煤耗水煤浆气化的有效气（CO+H2）比煤耗可达600kg/km3，渭化使用华亭煤有效气（CO+H2）比煤耗在615kg/km3左右。

3 水煤浆气化工艺运行性能
（1）水煤浆制备工艺简单，易于掌握，棒磨机或球磨机的运行稳定可靠，煤浆的储、运方便，但为保证其流动性和防止沉淀，需加入化学添加剂；为降低灰熔点改善灰渣的流动性能，要加入助熔剂，这些都增加了合成气的生产成本。

（2）水煤浆的泵送及加压简易，功率消耗较低，单台高压煤浆泵就可保证气化炉的正常运行，但目前高压煤浆泵仍需进口。

（3）气化炉的开车投料、正常运行完全实现程控和自动化。

气化炉从常温到投料温度正常需要升温20h，更换烧嘴仅需45min即可完成。

但受烧嘴材质、使用环境、介质性质的限制，烧嘴运行寿命有限，一般40天左右就需停炉更换烧嘴，进行必要的监测和维修，烧嘴使用半年头部就报废，需更换，增加了维修和运行费用。

（4）气化炉的运行控制易于掌握，升降负荷简单易行，且加压操作单炉能力大大提高；但受烧嘴寿命影响，运行周期较短，倒炉频繁，因而从稳定运行考虑，必须设备用气化炉，并使其处于热备或冷备状态，这样不但增加了设备的原始投资，也使运行费用提高。

目前气化炉年平均台次运行时间在20～25d之间。

（5）气化炉设计采用耐火砖结构，其使用寿命有限，按目前最好的运行水平，平均可达15000h，虽然耐火砖可以国产化，但此不菲的费用仍使得整个气化装置维修及运行费用居高不下。

（6）水煤浆加压气化工艺配备有庞大的灰水处理和灰水循环系统，可有效提高水的利用率，减少废水排放。

但灰水中的颗粒含量和总硬较高，管道的磨损及结垢在所难免。

灰水处理中存在絮凝沉淀和分散阻垢的矛盾，絮凝剂和分散剂的使用也增加了运行费用。

管道磨损和结垢带来的检修不仅使长周期运行受损，还使维修费用增加。

因而有必要配备冗余的灰水处理设备，这样也会使投资费用增加。

（7）水煤浆加压气化炉渣分粗渣和细灰，粗渣目前只能干沟堆放，尚无大的应用场合。

细灰含炭量较高，可作为制砖填料回收使用。

粗渣的处理要配备专用车辆，寻找合适的干沟作堆场。

4 水煤浆加压气化技术在国内的优势
（1）水煤浆加压气化业绩比较多，国内先后投产的四家工厂均积累了丰富的操作经验。

不同压力等级、不同生产规模、不同原料组成的气化炉在国内均有成熟的使用经验。

（2）国内众多的大专院校、科研院所对水煤浆加压气化进行了多年的开发与研究，形成了煤浆添加剂、磨机基配、煤种选择与评价、新型喷嘴开发、耐火材料研制、灰水分散阻垢与絮凝、高水气比耐硫变换等一系列成熟技术，可为用户提供全方位的技术支撑。

（3）水煤浆加压气化技术生产的合成气CO含量适中，不需要庞大的变换系统，耐硫变换的使用使能量的利用更为合理，虽气化炉的热效率较干煤粉气化稍低，总能耗与干煤粉气化相比相差无几。

（4）水煤浆加压气化压力可达8.5MPa。

单炉气化能力可达每天2000t煤，其投资比干煤粉气化过程工艺要低。

（5）随着国产化程度的提高，水煤浆加压气化装置的设备投资大幅度降低，6.5MPa气化压力，日气化750t煤的成套水煤浆气化装置总投资可控制在7500～8000万人民币。

（6）水煤浆气化工艺专利技术费用也有所降低，有效降低了该技术的软件投资。

由于有国内自有技术和生产经验、以及国内工程
公司设计经历的支持，也不需要专用工艺包和原料煤的试烧，使得其初期费用大幅降低。

我们认为采用高效、先进的气化工艺是煤化工生产实现洁净生产和可持续发展的必由之路，但选择何种工艺路线则应从资源条件（即煤质）、人力储备、投资规模、技术支撑等方面综合分析。

从技术层面讲，只有较好，没有最好。

而且任何技术都需要在使用中认识、掌握、完善和发展。

水煤浆加压气化技术的应用说明了这一点，其他的气化技术也决不会例外。

水煤浆加压气化技术的国产化与问题探讨
周夏，黄敏，丁汉虎 (华鲁恒升化工股份有限公司，山东德州 253024) 2007-03-08
自20世纪70年代以来，我国从国外引进了30多套大型氮肥生产装置，但缺少自主知识产权。

2002年9月12日，我国第1套国产化水煤浆加压气化装置技术改造项目在山东华鲁恒升化工股份有限公司开工奠基，并于2004年12月28日正式建成投产。

该装置为水煤浆气化配套30万t／a合成氨、20万t／a甲醇(项目在建)，采用华东理工大学具有自主知识产权的四喷嘴对置式气化技术，设置3台气化炉，处理煤量1500 t／d。

该项目总投资较进口设备节省一半以上，以投资计算的国产化率为 94.5％。

当今，石油价格不断上涨，缺油少气富煤的中国急需这样的国产化成果，相关政府部门和相关企业对此给予了极大的关注，而作为国产化核心技术之一的四喷嘴对置式加压气化技术更是成为人们关注的焦点。

笔者在此仅就水煤浆加压气化技术国产化的关键环节进行分析和比较，并对试车、投产后出现的问题作一简单介绍，以期能对业界提供一些参考。

1 工艺方案的确定
由于我国是一个富煤少油缺气的国家，煤气化技术对国内化肥、甲醇等企业来说至关重要。

目前，工业化的煤气化技术有Shell煤气化技术、Texco煤气化技术、鲁奇固定床加压气化技术以及国产化技术。

这些先进的煤气化技术，在国内都已有工业化的装置。

对比各种工艺以后，考虑到国产化技术转化率高、投资省、适合我国国情，遂决定采用华东理工大学开发的四喷嘴对置式的国产化水煤浆气化技术。

相比国外技术，该项技术在气化炉、灰水处理等方面具有独特的工艺，气化反应温度比较均匀，返混少，碳转化率高，且灰水处理采用直接逐级换热回收热能，可节约投资。

2 气化压力的选择
气化压力的选择应根据投资者的需要进行综合的分析和比较，不宜简单地说4.0 MPa和6.5 MPa哪一个更好。

山东华鲁恒升化工股份有限公司确定采用6.5 MPa的气化压力，主要是从以下几方面考虑的。

(1)粗煤气用途粗煤气用作化工原料时，气化压力应考虑与最终产品或中间产品的合成压力相适应：①今后若生产甲醇，气化压力选用6.5 MPa可以达到等压合成的目的；②生产合成氨时，较高的气化压力可以节省动力消耗。

(2)投资和能耗以1000t／d合成氨计算，采用6.5 MPa气化压力需投资112000万元，合成氨能耗45.18 GJ／t；采用4.0 MPa 气化压力需投资114500万元，合成氨能耗47.16GJ／t。

新建1套30万t／a合成氨装置，6.5 MPa气化压力的综合能耗和投资比采用4.0 MPa 的均低3％～5％。

(3)制气能力一般来说，6.5 MPa比4.0 MPa单炉制气能力高35％左右。

3 基本工艺流程
我国引进水煤浆加压气化装置的简况见表1。

山东华鲁恒升化工股份有限公司水煤浆加压气化装置气化压力6.5 MPa，是我国第1
套采用国内技术的水煤浆加压气化技术装置，技术来源于水煤浆气化与煤化工国家工程中心、华东理工大学的水煤浆四喷嘴撞击流气化专利技术。

加压气化工艺可以分为3种典型的基本流程，即激冷流程、废锅流程和废锅—激冷流程。

激冷流程设备简单，投资少，粗煤气中可达到较高的水气比，能满足CO全变换的需要，特别适用于合成氨生产。

废锅流程可以利用高位能副产高压蒸汽，主要用于联合循环发电。

废锅—激冷流程适用于CO部分变换的需要，若单独生产甲醇，宜采用该流程。

废锅流程和废锅—激冷流程有一个共同的缺点，就是废锅庞大而复杂，投资比较大。

山东华鲁恒升化工股份有限公司国产化水煤浆加压气化装置采用的是激冷流程，激冷装置采用了先进的破泡板结构，有力地防止了气化炉液位的波动。

在变换工段，生产合成氨时，粗煤气经过第一变换炉R0901和第二变换炉R0902进行CO全变换后去后续的低温甲醇洗、液氮洗和氨合成工段；生产甲醇时，粗煤气只经过第一变换炉R0901进行CO部分变换后去后续的低温甲醇洗、甲醇合成工段。

4 原料煤种选择
虽然水煤浆加压气化工艺对原料煤的适应性较强，但从工艺本身及装置管理维护考虑，对煤的灰分含量、灰熔点、内水含量、挥发分和熔渣黏温特性等还是有一定的要求的。

鉴于国内几套引进装置在用煤方面的经验教训，公司按照科学的程序进行调查、取样、分析和试烧，最终确定采用陕西神华煤。

陕西神华煤形成于侏罗纪，为低变质程度的烟煤——不粘煤和长焰煤，具有水分较高、灰分低、硫分低、发热量较高、煤灰熔点普遍较低等特点，除因水分较高不易制得高浓度煤浆外，总体上比较适合于气化。

经对8种煤样进行试烧、评价，最终选择了神府煤的大柳塔煤矿作为原料煤，该矿生产能力大，煤质稳定，有利于气化的稳定操作。

5 设备材料国产化
(1)压力容器所有压力容器本体均已实现了国产化，其中气化炉、锁斗由哈尔滨锅炉厂有限公司制造，水洗塔由锦西化工机械(集团)有限公司制造。

大煤浆槽、絮凝剂槽等设备上的搅拌器因使用环境恶劣且比较关键，遂采用了美国莱宁技术。

气化炉壳体材料
SA387Gr11CL2仍为进口。

(2)烧嘴工艺烧嘴由北京航天石化工程有限公司根据华东理工大学专利技术制造，烧嘴采用了外混式的3通道烧嘴，喷射角大，可有效减少对耐火砖的冲击。

预热烧嘴由洛阳石化工程有限公司设计、制造。

(3)主要机泵棒磨机、破渣机分别由洛阳矿山机械厂、北京航天石化工程有限公司设计、制造。

除氧水泵、灰水循环泵分别由沈阳水泵厂股份公司、江苏双达泵阀集团设计、制造。

高、低压煤浆泵仍为进口。

(4)阀门象氧阀、煤浆切断阀、锁渣阀和大部分调节阀等关键部位的阀门仍然采用进口产品。

部分气动切断球阀、手动球阀、截止阀采用的是国内产品。

(5)耐火材料耐火材料全部实现了国产化，其中气化炉耐火衬里分别由新乡耐火材料厂和洛阳耐火材料研究院生产。

6 相关问题探讨
自2004年10月气化试开车投料运行至今，气化装置出现了一些问题，我们进行了相应改进，取得了很好的效果。

(1)托砖板超温气化炉托砖板超温是困扰、制约高负荷生产的一大难题，通过对燃烧室筒体下部及锥底炉砖进行改造、彻底更换托砖板热电偶、激冷室顶部折流裙板改造和加强水质管理后，情况得以改善。

(2)布水内件损坏过频 2005年4～11月，下渣筒挂渣并严重鼓包、布水环结垢、冲漏和烧裂等现象严重，通过采取改进布水环结构、合理加大置换水量、加强检修时的清洗工作等措施，问题得以解决。

(3)高温热水器和低温热水器分离效果差由于灰水处理岗位的高温热水器和低温热水器对闪蒸汽中夹带的灰分分离效果较差，使灰水加热器壳程短时间内严重垢堵而影响换热效果。

由于设计的灰水加热器为固定管板式，只得多次剖开壳体进行清灰。

公司拟将高温热水器和低温热水器分离空间加大，增加气相出口挡板。

(4)泵损坏由于耐磨泵是攻关试制产品，试车时泵壳脆裂，原因是耐磨泵硬度太高，后经渣浆泵生产厂家将硬度适当降低后再没出现破裂问题。

实践证明，灰水循环泵和渣浆泵的过流部分及叶轮应采用Ni-hard材料，叶轮的硬度应控制在HRC45～50比较合适，这样，泵壳、叶轮既耐磨又有一定的韧性，不易破碎。

高压煤浆泵采用了隔膜加软管的结构，对提高隔膜寿命有好处，但软管损坏稍显频繁。

高压煤浆泵出口流量的波动非常关键，以越小越好，现在选用的三柱塞隔膜泵基本能满足气化要求。

除氧水泵出现过几次平衡鼓过度磨损、止推瓦烧毁的事故，若采用叶轮对称布置、轴向力自平衡的结构可能会更好一些。

灰水处理岗位使用的水环式真空泵开始时因加水过多、泵出口管线阻力过大导致排水不畅，多次出现泵壳穿漏，后在泵壳中部开了1个排水小孔，同时工艺控制上合理加水，现情况已大为改善，但从长远来看，仍需改造出口管线，以减少泵出口阻力。

(5)灰水管线损蚀自2004年10月试开车至 2005年9月，部分灰水管线，尤其是调节阀后的管道多次出现腐蚀、磨蚀、穿孔的现象，给正常生产带来了极大的困难。

通过调整管线布局、加大管径、采用衬陶瓷管等措施，问题得以解决。

(6)阀门问题气化炉排水及灰水处理岗位在容易结垢的管线上采用了一些轨道球阀，实践证明，轨道球阀的应用是成功的。

个别部位的轨道球阀安装由于方向不对，致使阀门关闭时密封不好。

当水洗塔排水管线主线路上调节阀失灵时，副线阀门每次开关都受到冲蚀，导致其寿命太短，至今还没有有效的解决办法。

(7)气化炉顶部堵头易损作为侧置四烧嘴气化炉，正常生产时燃烧室顶部装有堵头，其结构为浇铸料外包耐热钢壳体。

由于对撞气流的冲刷和烧蚀，开始运行时，仅仅86 h就烧蚀近50％。

将下部浇铸料改为耐热钢筋挂耐火砖外包耐热钢壳体结构后，运行时间有所延长。

2006年3月，再次改进顶部堵头结构，使堵口砖与耐火砖洞口呈“紧配合”，使火焰难以窜入。

在连续生产26天后，检查发现顶部堵头损蚀较轻，较好地解决了这一问题。

(8)拱顶砖侵蚀工艺烧嘴洞口周围及以下 500mm和以上筒体热面砖在运行中侵蚀较快，气化炉在累计使用3425 h后拱顶砖则已损蚀130 mm，为延长拱顶砖的使用周期，公司正与相关单位研究解决方案。

若可解决这一问题，该技术将更具有应用优势。

(9)气化炉烧嘴室结构易“窝火”烧嘴室的结构是：工艺烧嘴就位后置于前面的扩口砖后方，扩口砖洞口比喷嘴外径小。

该结构在运行中很容易造成“窝火”，严重时会烧毁扩口砖后面的耐火砖甚至喷嘴本身。

将扩口砖洞口改大后，再没出现窝火现象。

综上所述，水煤浆加压气化装置的国产化，特别是四喷嘴气化技术总体上值得肯定，问题是局部的，暂时的。

随着装置在生产应用中不断探索和完善，国产化水煤浆加压气化技术必定成为煤气化行业的主导技术之一。