水煤浆气化与粉煤气化的模拟评价

水煤浆气化与粉煤气化的模拟评价
唐宏青(中国石化集团兰州设计院，甘肃兰州,730060) 2001-12-16
由于油价的上涨使以油为原料的化肥、甲醇企业面临困境，以渭河化肥厂为代表的大型水煤浆制氨厂却闪起生机，为洁净煤化工开辟了新的前景。

现在，众多厂家又提出引进粉煤气化技术，进一步提高洁净煤化工的效益。

但是外商及其代理人在提出这一新技术时，有过分夸大粉煤气化效益的倾向，最突出一点是：粉煤气化的有效气量(CO+H2)比水煤浆气化多10％～12％，氧耗量低 15％～25％。

如此可贵的技术进步，引起国内学者的严肃思考，对其真实性存有疑问。

许多人提出应该用高新技术对这个问题进行定量的评价，为投资决策者提供可靠的依据。

对这两个工艺进行评价，单纯依靠外商报价是无济于事的。

用模拟技术对国外报价进行评价的办法，已在多项工程中得以应用。

可以有信心地说，在研究模拟技术30年后的今天，做这一件事并不困难。

毫无疑问，“模拟—评价”是化学工程的成熟技术。

1 客观评价的基础
建国至今，我国已经引进三十多套大型合成氨装置，可以博览世界氮肥新技术。

不妨回忆引进的过程，每当引进签约时，都是国际先进水平，投产时就不一定了。

因为随着时间的推移，技术在逐渐发展，国情也有一定的变化。

历年来，国内的生产企业与设计院为这些企业进行技术改造。

普遍的看法是，有百年历史的合成氨技术进步是渐进的，大幅度的技术进步是难以得到的。

为了正确地评价这两个工艺，应该建立一个“评价平台”。

在这个平台上，尽量设置一个相对一致的初始和终止条件，输入两种工艺不同的数据，从而客观地评价这两个过程效果。

无疑，这样的评价是比较公正的。

目前见到的对这两种工艺的评价，都是数字来自于资料的评价。

这些评价片面地建立在只针对气化炉的基础上作出的，而且只是从气化炉出口组成的百分数出发的，忽略了气化炉出口干气绝对量的变化。

这就是问题所在。

现在这两种炉子不仅仅打算用在制取合成气上，还打算用在制取甲醇、二甲醚、煤液化、合成油和氢气的工艺上。

气化炉出来的粗水煤气的成分、数量、温度、压力将影响到它的后续工艺的指标。

也就是说，只有在产物一致的前提下，才能比较这两种工艺的区别，可以让人看清各自的特点，成为投资者建厂的依据。

2 评价平台
2.1 工艺终点
两种煤气化工艺评价的终点，是合成氨工艺中可以设想为达到一致的地方。

这无疑应该是液氨产品。

但进行这样的模拟过分烦琐，不利于对比分析。

两种煤气化工艺的评价流程分别见图1和图2。

因此，可以将这一终点前移至中变入口点。

在水煤浆制氨的工艺中，这一点是客观存在的，在粉煤气化制氨流程中，这一点是很接近的，不会失去粉煤气化流程的真实性。

这样的工艺评价终点是合理的，尽管这一评价终点的气体组成、温度、压力不尽相同，其后续工艺上也会稍有变化，但这一区别已经不影响评价的结果，可视为公平的评价终点。

上述工艺终点仅仅适合于合成氨，对于甲醇、二甲醚、合成油、制氢等工艺，还不能这样做。

图 1和图2是合成氨流程从投煤到评价终点的工艺信息图。

2.2 工艺参数
1)煤
尽管两种工艺实际生产过程中用煤的组成不可能一致，但在评价时应该一致。

目前已经肯定，水煤浆气化应该用灰熔点低一些的煤，根据国外的经验，粉煤气化在用于发电时，可以用熔点高的煤，但在化工上正期待着新的实践。

为了满足两种工艺的需求，评价时都用低灰熔点的煤，见表1。

2)操作条件
随着气化后续工艺的区别，评价用的操作条件难以做到完全一致，随工艺不同有所区别。

水煤浆流程的操作数据基本上取自国内唯一的30万吨水煤浆制氨装置的设计数据。

粉煤气化流程的操作数据基本上取自国外报价数据。

表2列出了评价用的操作条件，其中变换前的H2O／CO，水煤浆流程取在评价流程终点，而粉煤气化流程取在预变换前，这是为满足变换摧化剂的要求而确定的。

投料量不是根据炉子的大小确定，而是计算的基准。

2.3 评价工具
采用中国石化组织开发的合成氨流程模拟软件SAPROSS。

3 评价结果
表3和表4是计算结果。

表3是气化炉出口的干气组成和数量，可以看出两种流程的吨煤纯合成气量是不同的。

粉煤气化流程的纯合成气的含量比水煤浆流程的高，但干气总量少，两者相乘除以投煤量，才是真正的气化效果一吨煤纯合成气的产量。

表4是评价终点的数据，是该文用来进行两种流程比较的数据。

在水煤浆流程中，由于激冷过程中气体还有损耗，因此部分数据与气化出口还有区别。

4 结论
从评价终点的数据可以得到，粉煤气化比水煤浆气化投入少，产出多。

从表4的数据可以得到以下结果：粉煤气化比水煤浆气化的氧耗量少5.82％，粉煤气化比水煤浆气化的纯合成气产量高6.49％，粉煤气化在气化后补充水蒸汽量略高于产汽量。

该数据比前文中的数据低得多，但足以令人相信这不是商业运作的结果，而依赖严格的计算。

上述结果对于不同的煤种基本上差不多，因此具有代表性。

由于水煤浆气化评价终点的压力高于粉煤气化，水煤浆气化后续工艺中还有一些有利的条件没有计入，并应把多耗的蒸汽转为煤耗。

如果评价终点设在液氨，可用以下数据作为综合评价：用于合成氨流程的粉煤气化工艺比水煤浆气化工艺氧耗量低6％，纯合成气产量高6％。

更直接的说法是，粉煤气化比水煤浆气化效率高6％。

水煤浆气化制合成氨技术改进
吕运江，王延坤，黄长胜（兖矿鲁南化肥厂，山东滕州277527） 2004-07-16
兖矿鲁南化肥厂德士古水煤浆加压气化制合成氨装置，是在仅引进水煤浆加压气化技术软件包（PDP）和部分关键设备的基础上，由天津第一设计院承担工程设计的煤气化装置，装置总投资1.6亿元（气化、空分两部分），装置的国产化率90%以上。

气化装置为年产80kt合成氨提供合成气，是国内第一套德士古水煤浆加压气化示范装置。

经过十多年的运行，该装置年生产合成氨最高达107kt，是设计能力的134%。

该装置于1993年3月在鲁南顺利投入试生产，由于是国内第一套示范装置，工艺流程复杂，开车初期出现了一系列问题。

主要存在闪蒸系统流程长，渣浆泵运行周期短，对生产现场污染严重，维修工作量大；煤种单一，煤质差，煤灰熔点高，制浆需添加石灰石，水系统部分设备和管线结垢，进而引起换热器垢堵；气化炉激冷水系统运行周期短等一系列问题。

经过针对性地组织技术攻关，解决了大量生产中存在的技术难题，为国内继续引进德士古技术提供了技术支持。

1 调整原料
鲁南德士古气化设计使用高灰熔点气化煤，由于灰熔点T3＞1400℃，熔融排渣困难，必须添加助熔剂石灰石，造成制气成本上升，产品成本居高不下。

为了降低生产成本，以低灰熔点煤代替高灰熔点煤，提高气化炉发气量。

经过对周边矿点十几个煤样复配，寻找到了适宜的低灰熔点配方，并由两种煤复配，发展到多种煤复配，配煤取得了突破，改烧低灰熔点煤，甩掉了原设计石灰石制浆系统及添加系统，简化了煤浆制备流程，煤浆发热量增加38.4％，合成氨产量迅速增加并突破设计值，制浆运行成本降低15.9％；由于煤灰熔点降低，操作温度随之降低，延长了耐火砖的使用寿命，气化炉维修费用迅速降低。

2 简化改进闪蒸系统
2.1 闪蒸系统暴露的问题
（1）原设计三级闪蒸为高压闪蒸、中压闪蒸、真空闪蒸，三级闪蒸黑水出口在锥底。

由于真空闪蒸罐与沉降槽处于同一高度，真空闪蒸罐处在－0.005MPa压力下操作，真空闪蒸罐的黑水必须通过泵送入沉降槽，泵送介质为含固渣浆，泵的输送介质差，造成泵的泄漏量大，维修难度大，维修费用高。

（2）由于采用三级黑水闪蒸流程，减压阀的阀后含渣黑水流速快，阀后短节在高速渣水的冲刷下，经常磨穿，轻则系统减量后带压堵漏，重则停车更换，严重影响了系统生产运行周期。

（3）闪蒸系统液位计渣堵或垢堵后无法确认闪蒸罐的真实液位，经常导致大量的黑水夹带在闪蒸汽中，进入各级闪蒸汽换热器，在换热器内结垢沉积，换热器换热能力迅速降低，工艺状况明显恶化。

（4）随着三级闪蒸的进行，黑水中的Ca2+、CO2－3、HCO－3等离子浓度不断浓缩，浓度逐渐升高达到CaCO3析出条件，与黑水中的碳黑颗粒结垢吸附在管道、设备内壁上，慢慢形成较厚的垢层。

每次停车、开车时，由于温度变化大，设备、管道和垢层的膨胀系数差别大，垢层在降温过程被挤压，在开车升温过程中随着温度的升高，设备、管道膨胀大，垢层脱落堆积在设备及管道的底部，造成闪蒸系统设备管道黑水出口或管道低点堵塞，无法正常生产。

以上问题的存在从经济和安全的角度综合考虑，系统改造势在必行。

2.2 闪蒸系统进行的改造
（1）抬高真空闪蒸罐，甩掉沉降槽底流泵，改变黑水出口部位，减少黑水堵塞问题。

（2）减少管线不必要的U型弯，减少了堵塞机会。

（3）减压阀后法兰、短节使用内衬陶瓷材料的短节。

同时，改变冲刷部位及增设耐磨板，利用短停机会及时更换阀后耐磨板，彻底解决影响系统生产运行周期的难题。

3 操作运行方面的创新
3.1 成功地实施了不换烧嘴联投操作
原设计每次停、开车必须置换系统，倒开工抽引盲板，更换烧嘴，加插开工抽引盲板，程序复杂，停车时间一般在4h以上，停车时间长。

我厂经过大量的研究论证，成功地实施了不换烧嘴联投操作，不换烧嘴联投的开车时间控制在1～2h内，我厂最快的一次联投开
车仅32min，解决了更换烧嘴时间长、激冷水流量下降、浪费人力物力、对后工序影响大、系统开工率低的难题。

系统不换烧嘴联投技术的突破，标志着我们对德士古气化技术的掌握已走在世界同行业前列。

3.2 实现了不停车倒换高压煤浆泵和高压煤浆泵不停车单缸退出运行
我厂德士古气化炉设计为一开一备，配套的高压煤浆泵也是一开一备。

高压煤浆泵因煤浆质量问题经常出现垫缸（单缸不工作）或单缸隔膜破裂，初期必须停车。

我厂经过大量的研究论证，成功地实施了运行过程中不停车倒换高压煤浆泵操作。

1996年8月25日成功实现了不停车倒高压煤浆泵，减少了系统停车；2002年后成功地实现4次高压煤浆泵不停车单缸退出运行，仪表更换驱动液系统2位2通气控阀（高压煤浆泵补油延时联锁解除），这是我厂在德士古气化技术上的又一次突破。

4 设备创新进展
4.1 计算机供电系统改进
计算机供电系统采用双电源串UPS供电系统，确保系统供电安全，保证了断电时系统安全停车。

4.2 气化炉配套的高、低压煤浆泵实现国产化
高、低压煤浆泵原为引进荷兰产GEHO隔膜泵，由于煤浆泵输送的为高浓度、高粘度颗粒物料，工艺要求高，普通的柱塞泵类无法满足工艺要求，而隔膜泵我国尚未开发，为此，我厂与沈阳有色冶金机械厂、上海大隆机械厂联合，开发生产高、低压隔膜泵，通过长时间运行，沈阳有色冶金机械厂生产的低压煤浆泵性能稳定，已运行4年，各项指标与进口设备相近，上海大隆机械厂生产的高低压煤浆泵经过测试，性能也很好，计划下一步投入正式运行；同时，对原进口的两台低压煤浆泵减速机构进行了成功改造，基本完成了主要引进设备的国产化。

4.3 气化炉耐火砖国产化
气化炉耐火砖是易损材料，最初的耐火砖为进口法国砖，单炉价格600万元以上，使用寿命4300～8500h，生产成本长期居高不下，因此，耐火材料的国产化攻关成为德士古技术在我国发展的重要组成部分。

1994年我厂与洛阳耐火研究院、新乡耐火材料厂共同参加了国家八五科技攻关，经过努力，第一炉向火面耐火砖于1994年11月在我厂使用，运行达6000h以上。

经过分析残砖晶间结构，基本搞清了耐火砖腐蚀、磨蚀的原因，经过不断研发，国产耐火砖的寿命可以达到13050h（拱顶、筒体砖）。

气化炉渣口砖尺寸对气化的运行参数影响较大，为了达到最佳运行的工艺运行状态，在充分论证的基础上，将气化炉渣口砖由
φ625mm缩小至φ525mm，延长了气体在燃烧室的停留时间，提高了合成气有效成分，降低了灰渣可燃物，实现了效益运行。

由于锥底耐火砖与筒体耐火砖使用周期不同步，取消了锥底、筒体耐火砖间榫槽，使锥底耐火砖更换方便，砖缝质量得到保证。

4.4 工艺烧嘴的国产化
我厂最初使用的工艺烧嘴由德士古提供，每台10万美元，运行费用高，一般运行周期在45天左右；为此，我厂向科研单位学习，同时借鉴了兄弟厂家经验，改进烧嘴材质、结构，烧嘴运行最长周期达到2420h的纪录。

4.5 激冷水系统改进
气化炉激冷环堵塞问题，已成为制约气化长周期运行的首要因素。

在激冷水管线上我厂进行了大量改造。

激冷环入口总管增加了一个过滤器，过滤器网孔选择直径为φ5mm，将尺寸≥5mm的颗粒阻挡在过滤器内，根据激冷水变化情况，及时反冲过滤网，保激冷水流量不下降。

扩大激冷环喷淋水进水孔尺寸，喷淋水尺寸由φ12mm扩至φ16mm，降低堵塞几率，提高流通面积，保激冷水流量稳定，同时将进水口角度由径向改为具有一定倾角，确保保激冷环水分布均匀。

同时，将激冷外环改造成可拆卸式，以便于清理管道内积灰。

通过改造，运行周期由原来的3～4个月上升至8个月以上。

5 溶剂的开发应用
（1）为了制备优质煤浆，开发了利用造纸废液直接用于生产高浓度煤浆。

使用造纸废液制浆，不仅可以降低制浆成本，而且可以
解决造纸行业的污染问题，促进了地方环保建设。

（2）与天津科研单位合作，开发了黑水絮凝剂、灰水稳定剂。

黑水絮凝效果好，悬浮物可以达到50mg/L以下；合作开发的灰水稳定剂使气化系统结垢缓慢，运行周期提高至6个月以上。

6 安全系统的改进
鲁南德士古气化原设计为一开一备，为了适应多炉同时运行的需要，根据长期运行的经验，自主设计了入炉氧气阀间的自动加氮保护装置及氧碳比自动跟踪调节系统，确保了系统开、停车及负荷大幅度波动时系统安全可靠。

为了适应高负荷安全运行需要，对给料系统的流量三选二安全联锁下限进行了修改，防止了过氧事故发生的可能。

7 有待继续探讨解决的问题
虽然德士古水煤浆气化炉在鲁南已运行近11年，困惑我厂长周期运行的问题仍然存在，主要表现在以下几个方面。

（1）黑水系统结垢，长期制约气化长周期运行。

其根源主要在于气化黑水系统存在高浓度的Ca2+、CO2－3、HCO－3等离子，气化使用的冷凝液氨含量达1600mg/L，当冷凝液、黑水混合时，HCO－3离子被转化成CO2－3，CO2继续溶入水中，Ca2+、CO2－3形成钙垢。

系统必须解决冷凝液的除氨问题。

（2）气化炉带水是气化开车以来的又一顽症，气化炉带水的主要表现是气化炉液位下降快，经常处于低液位操作，加大激冷水量也无济于事，下游设备洗涤塔液位同步上升较快，带水原因不明，没有有效的解决方法。

现有处理方法是适当降低生产负荷，加大气化炉的排水，待气化炉液位上升，液位稳定后再提高生产负荷。

（3）气化炉内的温度指示靠高温热偶，一般高温热偶在投料后短时间内尚能指示准确，由于气化炉内环境恶劣，使用时间均不长久，这也是影响气化炉长周期运行的一个因素。