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