德士古水煤浆气化炉简介

德士古水煤浆气化炉简介
我国石油和化学工业在快速发展的同时，正面临着资源、能源和环境等多重压力”。

由于我国石油和天然气短缺，煤炭相对丰富的资源特征，加之国际油价的持续高位运行状态，煤炭在我国的能源和化工的未来发展中所处的地位会变得越来越重要。

目前，煤炭在我国的能源消费比重不断加大，用于发电和工业锅炉及窑炉的比例大约为70%左右，其余主要是作为化工原料及民用生活。

随着煤化工技术的不断发展，煤炭作为化工原料的比重将会得到不断的提高。

传统的煤化工特点是高能耗、高排放、高污染、低效益，即通常所说的“三高一低”。

随着科技的不断进步，新型的煤气化技术得到了快速的发展，煤炭作为化工原料的重要性得到了普遍的认可。

煤化工目前采用的方法主要有三个途径：煤的焦化、煤的气化、煤的液化。

由于最终产品的不同，三种途径均有存在的市场。

煤焦化的直接产品主要有焦炭、煤焦油及焦炉气，煤气化的直接产品主要有合成气、一氧化碳和氢气，煤液化后可直接得到液体燃料。

煤焦化产业相对比较成熟，煤液化存在直接液化和间接液化两种方法，技术的成熟程度和投资等原因，制约了产业化和规模化的进一步发展。

随着煤气化技术的不断成熟，特别是加压气化方法的逐步完善和下游产品的多样化，煤气化已成为我国目前煤化工的重中之重。

其中煤炭气化中以德士古水煤浆气化炉为典型代表。

德士古气化法是一种以水煤浆为进料的加压气流床气化工艺。

它是由美国德士古石油公司下属德士古开发公司在以重油和天然气为原料制造合成气的德士古工艺基础上开发成功的。

第一套日处理15t煤的中试装置于1948年在美国建成，试验了20种固体燃料，包括褐煤、烟煤、无烟煤、煤液化半焦以及石油焦等。

1956年在美国摩根城
(MorganTown)又建立了日处理100t煤、操作压力为2．8MPa的德士古炉。

目前，德士古气化的工业装置规模已达到日处理煤量1600t。

它是经过示范性验证的、既先进又成熟的第二代煤气化技术。

德士古气化炉是所有第二代气化炉中发展最迅速，开发最成功的一个，并已实现工业化。

德士古水煤浆气化炉工作原理
德士古水煤浆加压气化炉过程属于气流床疏相并流反应。

水煤浆通过喷嘴在高速氧气的作用下，破碎、雾化喷入气化炉。

氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火衬里的高温辐射作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程。

最后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气、熔渣和未反应的碳，一起同流向下，离开反应区，进入炉子底部激冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截留在水中，落入渣灌，经排渣系统定时排放。

煤气和饱和蒸汽进入煤气冷却净化系统。

与同为气流床气化的K—T气化法相比较，德士古气化法在两点上有所改进，一是采取高压气化；--是以水煤浆形式的湿法进料。

加压气化能有效地提高生产能力和煤气品质，但是在高压条件下解决于粉进料和煤锁装置问题是相当困难的，因此改进为水煤浆湿法进料的方式。

德士古水煤浆加压气化工艺
德士古气化工艺流程包括煤浆制备、气化炉及排渣系统、高温煤气的冷却与净化。

原料煤用球磨机、棒磨机或盘式研磨机湿磨后，使其粒度小于90／1m的达到40％一86％，再与水或油混合制成煤浆、煤浆含量(质量分数)约为60％一70％。

制成的煤浆以液力输送至煤浆槽，再以高压煤浆泵把煤浆送人气化炉的燃烧器。

高压煤浆泵的工作压力应高于气化炉的工作压力。

德士古气化炉由上、下两部分组成，气化炉上部是部分氧化室，内壁衬有多层耐火砖，外壁为圆筒形高压容器。

内、外壁分别承担耐高温和耐高压的职能，炉壁内衬长期在高温下工作，经受高速煤浆的冲刷，所以必须具备耐高温和耐磨损的性能。

炉壁内衬的耐火材料以氧化铬为主，同时添加少量的氧化铝或氧化镁，视煤灰渣的酸碱性而定。

氧化铝适用于酸性灰渣，氧化镁适用于碱性灰渣。

水煤浆和氧气从炉顶的燃烧器高速连续地喷人部分氧化室。

高温状态下工作的烧嘴设有冷却水装置。

水煤浆喷人气化炉内迅速发生反应，数秒钟内即完成气化过程，炉内达到1300—1500％，气化压力为4．3—4．8MPa。

气化压力的高低视煤气用途而定。

如用于合成氨时取其高限，如作为合成甲醇的原料气可取较低压力，这样后续工段不需另外加压。

德土古气化法采取液态排渣，炉内灰分熔融成为液渣。

在部分氧化室生成的粗煤气夹带了熔渣向下流人气化炉下部的冷却室。

气化炉的下部因冷却方式不同有两种型式。

一种是激冷型冷却方式，高温粗煤气夹带着熔渣流人下部的急冷室，熔渣激冷固化后被分离出来并落人灰锁斗，灰渣在锁斗中泄压后进入熔渣槽，再由熔渣分离器分离出粗熔渣去处理，分离出细灰渣送至沉清槽，沉淀下细灰及煤焦或者再循环人炉，或者送出处理。

另一种冷却方式是废热锅炉型。

高温粗煤气首先经辐射式废热锅炉冷却至700℃左右，这时熔渣已冷却固化落入水急冷区而排至锁斗。

热煤气再经过对流立管式废热锅炉，进一步冷却至300。

C。

两级废热锅炉在冷却煤气的同时获得高压蒸汽，可以用于发电。

煤气经进一步冷却、除尘、脱硫后可得到洁净的冷煤气。

脱除下来的少量煤焦和飞灰进入沉清槽分离后处理或循环人炉。

因为粗煤气中不含有焦油、酚类，所以净化工艺比较简单，对环境污染较小。

德士古水煤浆气化炉在中国的应用
经过十多年的实践探索，中国在水煤浆气化技术方面，积累了丰富的操作、运行、管理与制造经验，气化技术日趋成熟与完善。

经过长期科技攻关，在水煤浆气化领域，形成完整的气化理论体系，研究开发出拥有自主知识产权，达到国际领先水平的水煤浆气化技术。

德士古水煤浆气化技术的引进与完善
为了充分利用我国丰富的煤炭资源发展煤化工，自80年代至今，我国相继引进了4套Texaco水煤浆气化装置，用于生产甲醇与合成氨。

该技术具有气化炉结构简单、煤种适应较广、水煤浆进料易控制安全、单炉生产能力大等特点。

引进装置情况表：
水煤浆气化喷嘴已由国产喷嘴替代美国引进喷嘴，使用寿命约为2个月；气化炉用耐火砖已由国产洛耐砖替代进口法国砖，价格比为0.5：1。

另外，我国已具备以下一些设备的设计制造能力，如磨煤机、气化炉、激冷环、锁渣斗、捞渣机、高、低压煤浆泵、灰水泵、文氏管等。

兖矿鲁南化肥厂的设备国产化率达到90％以上。

总之，通过对引进技术的消化吸收，我国不仅积累了丰富的水煤浆气化技术工程经验，掌握了先进技术的运作规律，同时在实践中不断进行技术调整与完善，进一步推动了我国水煤浆气化技术的发展。

根据中国煤种特点，中国科学院山西煤炭化学研究所从煤化学角度研究了煤炭成浆性能的影响因素，中国矿业大学通过试验与生产实践，提出了评价烟煤成浆性难度指标的经验公式。

这些研究成果，为中国水煤浆制备技术发展提供了有益的指导。

目前，中国已有多个水煤浆用添加剂和水煤浆生产厂家。

根据煤种不同，选用不同品种与系列的添加剂制备水煤浆，气化用水煤浆浓度为60~65％。

德士古水煤浆气化炉得到的合成气与应用
德士古法气化得到的产品煤气主要成分是CO、H：、CO：和H：0，此外还有少量的CH．N：、H：S、COS等。

所得煤气可以作为合成原料气，如用于合成氨。

高温煤气经急冷室激冷，达到饱和状态。

可以直接变换转化，使煤气中CO变换成H2，而不必再加蒸汽。

产品煤气也可用于发电或作为燃料气。

如1984年建成试生产的美国加州的凉水滩(CoolWater)工程，在世界上首次实现煤气化联合循环发电(19cc)。

该系统的煤气化设备是一台每天气化1000t煤的废热锅炉型德士古气化炉，另有一台同样规模的激冷型德土古气化炉作为备用。

投料的水煤浆含量(质量分数)达到65％，气化炉的操作压力为4。

3MPa，气化温度为1370。

C。

气化炉出来的、已冷却至370。

C的粗煤气在洗涤器中除尘并进一步冷却，再经脱硫后入一台65MW的燃气轮机进行发电。

废热锅炉产生11MPa的高压饱和蒸汽，并由燃气轮机排出的烟气进行过热，该过热蒸汽进入55MW的蒸汽轮机发电。

两台机组共发电120MW，除了工厂自用(包括制氧设备在内)外，可外供电力IOOMW。

如按总输入能量计算，包括气化效率在内的总发电效率为34％，其三废排放量仅为联邦标准的1/10，能满足环保要求，这在当时是一项成功的范例。

德士古水煤浆气化炉的优点
( 1) 煤种适应性广。

德士古气化工艺可以利用次烟煤、烟煤、石油焦、煤加氢液化残渣等。

不受灰熔点限制( 灰熔点高可加助熔剂) , 同时因煤最终要磨制成水煤浆,故不受煤的块度大小限制。

原设计为河南义马煤, 但在近几年煤炭市场紧俏的情况下, 我们经常掺烧山东、陕西等地的煤种, 经过局部的工艺调节, 同样能够平稳运行。

( 2) 连续生产性强。

气化炉的原料———煤浆、氧气的生产是连续的, 因此也就能够连续不断地进入气化炉。

排渣经排渣系统固定程序控制, 不需停车, 气化开停少, 系统操作稳定。

迄今单炉连续稳定运行最长已达53天。

( 3) 气化压力高。

气化炉内的高压, 首先是相同质量的产品气大幅度减小了比
容积, 提高了单炉产量; 其次产品气具有的高压节省了煤气压缩所需要的能耗
和费用。

对于淮化公司4.0MPa 级的气化炉而言, 仅在合成气压缩一项, 年节约开支约合950 万元( 根据单炉实际产干气量34500Nm3/h、气体平均分子量23、出炉压力3.85MPa 及市场电价折算而得) 。

对于压力级别更高的气化工艺而言, 则收益更多。

( 4) 合成气质量好。

国内外已有的德士古水煤浆气化工艺产品煤气中有效成份( CO+H2) 一般都在80%以上。

淮化公司采用的义马煤因成浆性较差, 煤气中
CO+H2≥75%, CH4<0.1%, 可作为生产氨、甲醇的原料气, 也可用于联合循环发电。

( 5) 气化温度高。

气化炉运行温度一般在1100～1540℃, 提高了煤的碳转化率。

淮化公司气化炉实际运行温度在1370±30℃左右, 碳转化率高达96%～98%以上; 同时, 高温产生的热能回收后生产蒸汽, 能满足其它工序的生产需要。

( 6) 安全性能好。

由于德士古工艺采用湿法磨煤,避免了干磨法中煤粉这一易燃易爆物质给工业生产带来的巨大安全隐患。

德士古公司最初的设计为将原料煤干燥后磨制成煤粉, 再进入混合槽调配成煤浆。

1978年, 前西德鲁尔煤/鲁尔化学公司在德国豪伯荷森建成一套工业性示范装置, 该装置是在对德士古煤气化法
进一步研究的基础上建成的, 其相对于最初的德士古工艺两大显著特点就是将
煤的干磨改为湿磨以及提供了比较完善的热回收流程。

( 7) 有利于环保。

首先, 德士古气化工艺由于气化炉内温度高, 所以不生成焦油、酚等污染环境的副产物,废水主要成份是含氰化合物, 远比煤焦产生的废水易于处理; 其次, 气化系统的水在本系统内循环使用, 外排废水很少( 在
0.5t/tNH3 以下) , 远比其它气化方法产生的废水量少; 第三, 配制水煤浆时, 可利用工厂排出的含大量有机物、较难生化处理的废水。

如淮化公司使用焦化含
酚废水16t/h, 用于配制水煤浆, 从而大幅度降低了因满足环保要求而支出的废水处理费用; 第四, 气化炉渣为固态排放物, 没有飞灰等带出, 不污染环境,
而且是良好的建筑材料。

德士古水煤浆气化炉的缺点
( 1) 制浆噪音大。

煤在磨制( 球磨、棒磨) 成煤浆的过程中, 由于磨料( 钢球、钢棒) 的相互碰撞, 不可避免地产生噪音污染, 一般制浆厂房的噪音都在95dB 以上, 给现场操作人员的身体健康带来极为不利的影响。

( 2) 煤浆泵备件消耗高。

其主要备件隔膜及单向阀的使用寿命基本在4～6 个月, 其中单向阀每套价格在11500 元左右, 隔膜每只约8000 元, 每台泵需用单向阀6 套, 隔膜3 只, 维护费用很高; 并且到目前为止, 该类备件完全依赖进口,
购买周期长, 给稳定生产带来隐患。

( 3) 水煤浆气化氧耗高。

德士古气化炉氧耗一般都在400Nm3/1000Nm3 ( CO+H2) 以上。

为了降低氧耗, 需选择灰份低、灰熔点低的煤, 且煤的成浆性要好, 以便制得高浓度的煤浆, 减少气化炉内气化水而耗氧。

当煤的灰份、灰熔点上升, 成浆性能降低时, 氧耗将大幅度提高, 同时助熔剂、煤浆添加剂、炉砖的消耗也迅速上升,降低了系统的经济效益。

( 4) 需备用热源。

德士古气化炉投料时, 其炉内温度必须在1000℃以上方可, 这就要求本系统外有备用热源设备, 已经超出了大部分工矿企业常规的水、气、汽公用工程; 另外, 如果需要维持热备用炉, 其能耗是很大的, 需煤气150～
1500Nm3/h、空气150～1500Nm3/h 及部分抽引蒸汽和冷却水。

( 5) 气化炉耐火材料寿命短。

气化炉耐火材料一般包括背衬砖、支撑砖及向火面砖。

其中向火面砖的使用寿命是决定气化炉能否长周期运行、降低生产成本的
关键因素之一。

( 6) 排渣系统阀门损耗大。

淮化公司气化炉的收渣、排渣系统介质为水激后的
固态煤熔渣, 具有很高的硬度, 因此对系统阀门造成很强的磨损伤害, 经常引
起收、排渣系统阀门内漏、开关故障从而影响生产。

该部分阀门因要对抗高硬度
炉渣的冲刷, 故阀门材料必须具有很高的硬度和很强的耐磨性, 目前国内的制
造水平还难以满足这些要求, 基本依赖进口。

每台阀门的价格均在数十万元至百
余万元, 耗费巨大, 且同样存在购买周期长的问题。

( 7) 洗气、渣水系统易堵塞。

由于煤气出炉时不可避免地携带一定量的煤渣灰,
渣水内含灰就更不必说。

因此, 随着运行时间的延长, 在洗气、渣水系统沉积,
引起阻力增加及管路堵塞。

据统计, 淮化公司因洗气系统阻力大及渣水系统堵塞
造成的停炉约占全部停炉次数的50%。

从操作性能、运行稳定性及经济效益等各方面综合评价, 德士古水煤浆加压气化
工艺优势远远强于劣势。

总结
德士古水煤浆气化工艺是具有代表性的第二代煤气化工艺 ,经过各国的逐步完
善 ,其技术趋于成熟。

我国引进德士古煤气化技术不仅提高了我国煤气化的技术平 ,也带动了相关技术的研究和发展 ,如工艺烧嘴、耐火材料、关仪表、阀门等在国内均有制造商可以生产 ,并有较好的业绩。

德士古工艺也存在着一些突出问题 ,若这些问题得以解决并且大量采用国产设备 ,德士古工艺在我国将会成为节能、低耗、低投入的主流煤气化技术。

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