多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化技术的开发与应用

傅进军;宋甜甜;荆波;李彩艳

【摘 要】This technology is studied and developed jointly by the National Engineering and Research Center of Coal-Water Slurry and Coal Gasification, Huadong University of Science and Engineering and China Tianchen Engineering Co., Ltd. The unit is high in production capacity and adaptability for type of coal, and suitable for the type of coal with high ash fusion point; when compared with the refractory tile gasifiers, the replacement time of the tile can be decreased by 40 d a year; the gasifier shell is capable of bearing high pressure, the water cooled wall is capable of bearing high temperature, the slag is used to resist slag erosion, thereby realizing the long-period operation of the gasifier.%多喷嘴对置式粉煤水冷壁气化技术由水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心、华东理工大学和中国天辰工程有限公司共同研发而成.该装置生产能力大,煤种适应性强,可使用高灰熔点的煤种；与耐火砖气化炉相比,每年可减少40 d的耐火砖更换时间；炉壳承受高压,水冷壁承受高温,以渣抗渣,实现水冷壁气化炉的长周期运行. 【期刊名称】《化肥工业》 【年(卷),期】2012(039)006 【总页数】3页(P12-14)

【关键词】粉煤;气化;水冷壁;开发;应用 【作 者】傅进军;宋甜甜;荆波;李彩艳

【作者单位】水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 山东滕州 277527;水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 山东滕州 277527;水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 山东滕州 277527;水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 山东滕州 277527

【正文语种】中 文

1 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化技术研发历程

在国家科技部支持下，水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心(以下简称工程中心)、华东理工大学和中国天辰工程有限公司共同承担完成了国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制合成气新技术的研究与开发”，并于2004年建成具有自主知识产权的粉煤加压气化中试装置。该中试装置日处理煤量15～45 t，操作压力2.0～3.0 MPa，操作温度1300～1400℃。该中试装置的运行，展示了气流床粉煤加压气化技术的优越性能，其中碳转化率达到98% ～99%、有效气体积分数为89% ～92%、冷煤气效率为83%。2004年12月，该中试装置通过了科技部组织的72 h运行考核验收，各项技术指标均与Shell技术相当，达到国际先进水平。2005年6月，该中试装置又进行了以CO2为输送介质的粉煤加压气化研究试验，考察了工艺条件变化对气化反应的影响，合成气中氮气含量由氮气输送时的5%(体积分数，下同)降至1%以下，有效气体积分数可达90% ～95%。

为拓宽煤气化技术对煤种的适应性，工程中心、华东理工大学和中国天辰工程有限公司继续合作，开展了粉煤水冷壁气化炉及其关键技术的开发。2004年至2008年期间，在水冷壁气化炉的实验室研究基础上，完成了中试气化炉的设计、制造与安装。2008年至2010年开展了水冷壁粉煤气化炉中试研究，相继完成了北宿煤、北宿-鲍店混煤、鲍店煤、田坝煤、南屯煤的中试试烧，其中南屯煤为高灰熔点煤

(FT〉1500℃)。中试煤种试烧取得了丰硕成果，为该技术的工程化奠定了坚实基础。2010年9月18日，以此装置为依托开展的国家“863”计划重点项目“高灰熔点煤加压气化技术开发与工业示范”通过了科技部主持的中期检查，试烧的田坝煤种被拟定为贵州开阳示范装置用煤。

通过近7年的努力，经过国家“十五”科技攻关、“十一五863”支持，历经实验室小试、中试，结合前期多喷嘴对置式水煤浆气化技术的成功经验，合作团队已经完善了多喷嘴对置式粉煤水冷壁气化炉的放大设计理论，形成了具有自主知识产权的多喷嘴对置式粉煤水冷壁气化炉技术。 2 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化关键技术研究 2.1 粉煤输送技术

粉煤高压、密相气力输送技术是粉煤加压气流床气化的核心技术之一。由于煤气化过程需要在高压、高温和以氧气为主的气化剂作用条件下完成，所以对粉煤输送有极高的要求。

中试装置的粉煤输送与循环系统，经过多次设备完善与流程改造，成功实现了粉煤低压高位输送、高料位高压下卸料输送、高压下粉煤循环输送等系统的运转及其联动试车。通过改变压力、压差、输送气体流量及流量分配等多种协调方式，调节控制和均匀分配粉煤流量，实现了在高压、密相条件下将4股粉煤物料稳定、均匀地从高压粉煤料罐送入气化炉进行气化反应。该加料装置操作压力0.5 ～3.0 MPa，输送能力0.5 ～6.0 t/h，输送固气比为150～500 kg/m3，可单管输送或者向4根管线同时输送，且在多管输送时具有良好的均匀分配性能;粉煤流量调节控制方便，高固气比输送确保了合成气质量，合成气中含氮气体积分数4% ～6%，有效气体积分数约90%，达到了先进的气流床气化技术指标。

多喷嘴对置式粉煤加压热壁炉气化中试装置性能指标:累计运行约1000 h，最长化工投料连续运行时间74 h;比煤耗［煤/(CO+H2)］530～540 kg/1000 m3(标态);

比氧耗［O2/(CO+H2)］300～320 m3/1000 m3(标态);有效气(CO+H2)体积分数约90%;合成气中含氮气体积分数4% ～6%;碳转化率98% ～99%。 多喷嘴对置式粉煤加压热壁炉制备合成气新技术成果:研究与开发了粉煤在高压、密相条件下的稳定、可控输送工艺;试验了适合粉煤高压密相输送的管道、阀门、仪表等特殊设备，为工业化的大型装置设计奠定了基础。 2.2 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉

工程中心与华东理工大学在热模研究的基础上进行了中试气化炉结构和工艺技术路线的研究，解决了水冷壁热膨胀、水冷壁上渣钉布置方式及耐火浇注料的涂饰工艺等方面的问题，确定了中试多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉的整体结构。 2.2.1 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉的特点

水冷壁加压气化炉气化室由外壳和水冷壁耐火衬里组成，气化炉外壳承受高压，水冷壁耐火衬里承受高温。气化炉内生成的熔渣液滴一部分随合成气进入气化室下部洗涤冷却室，另一部分沉积在气化炉水冷壁表面，形成流动的渣层液膜，沿水冷壁表面流入洗涤冷却室。受水冷壁的冷却和熔渣黏温特性等因素共同影响，沉积在水冷壁表面的液态熔渣发生相变，由向火面至水冷壁熔渣层依次形成流动层、塑性层和固定层的3层结构，在流动的熔渣层内形成一定的速度和厚度分布并具有波动性，熔渣层厚度随着气化炉操作温度的变化而相应改变，直至达到动态平衡，渣层厚度不再显著变化，以此实现水冷壁“以渣抗渣”的功能。气化室中少部分热量通过高温辐射传向熔渣流动层，再由流动层向塑性层、固定层传递，最后传向水冷壁并由冷却介质带至后系统利用。

基于“以渣抗渣”的思想，利用熔渣导热系数较低的特性，通过水冷壁的冷却作用，促使熔渣在水冷壁上形成熔渣隔热层，以承受气化炉内的高温。气化生成的熔渣与熔渣隔热层的塑性层、流动层进行置换，此过程只更新了熔渣隔热层，减轻了对耐火衬里的腐蚀和侵蚀，从而使气化炉承受高压、高温的单元分离，达到炉壳承受高

压、水冷壁承受高温的效果，实现水冷壁气化炉长周期的运行。 2.2.2 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉的优势

(1)四喷嘴对置式气化炉喷嘴之间的协同作用好，气化炉负荷可调节范围大(50% ～110%)、负荷调节速度快、适应能力强，多只喷嘴更有利于装置大型化。 (2)通过带压连投操作技术，可实现气化炉及后系统在不停车的情况解决故障，增强了抵御故障的能力，有效生产时间长。

(3)气化炉寿命长。在处理煤量相同的条件下，此技术造价比Shell气化技术低3～4倍，比Texaco技术(耐火砖使用寿命按5年计)低50%。 3 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化技术工艺过程及特点 3.1 工艺过程

粉煤由粉煤料仓送入粉煤锁斗，粉煤输送完毕后，粉煤锁斗立即与所有低压设备隔绝。粉煤锁斗与粉煤给料罐之间的平衡阀门打开后，高压氮气(或二氧化碳)进入粉煤锁斗加压，直至压力与粉煤给料罐相同。粉煤进入粉煤给料罐后，粉煤锁斗与粉煤给料罐隔离，粉煤锁斗开始卸压并重新进料，周而复始。粉煤给料罐的粉煤通过高压氮气活化，然后连同中压过热蒸汽、氧气通过粉煤烧嘴进入气化炉。 粉煤、氧气和蒸汽混合物由粉煤烧嘴喷入气化炉内，在高温、高压条件下发生部分氧化反应生产粗煤气;生成的粗煤气和熔渣流经气化炉底部的激冷室激冷后，气体与渣分离;激冷后的粗煤气再经合成气洗涤塔洗涤除尘后送往后工序。

来自管网的锅炉软水贮存在汽包中，经热水泵加压后进入气化炉的水冷壁管，再从燃烧室吸收热量后出气化炉返回汽包并产生低压蒸汽。

煤中所含灰分在高温下以熔融状流入气化炉下部激冷室中，熔渣被激冷固化、破碎后进入锁斗，定期排放至捞渣机，捞渣机连续将渣捞出装车后送渣场。

黑水从气化炉、合成气洗涤塔底部分别经减压阀进入蒸发热水塔减压，闪蒸出水中溶解的气体，闪蒸后的黑水进入真空闪蒸罐进一步闪蒸;经二级闪蒸后的黑水进入

废水冷却器，冷却后送污水处理场。 3.2 工艺特点

(1)1只常压粉煤仓对应2只粉煤锁斗。通过粉煤锁斗，常压粉煤仓内的粉煤间歇向高压发料罐供料。

(2)采用具有4个下料口的发料罐结构和粉煤密相气力输送专利技术，为4只粉煤喷嘴提供均匀、稳定、可控的粉煤流量。

(3)专门设置粉煤称重罐(专利技术)，可实现粉煤流量的离线与在线准确标定，确保气化炉的氧煤比调控。

(4)采用具有自主知识产权的多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉，具有煤种适应性强、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高、气化炉和喷嘴使用寿命长等优势。 (5)采用喷淋床与鼓泡床组成的复合床式洗涤冷却设备，具有良好的抑制合成气带水、带灰的功能。

(6)合成气洗涤主要由混合器、旋风分离器、水洗塔组成，具有高效分离与节能的功效。

(7)渣水热回收技术的核心设备是蒸发热水塔，采用蒸汽与灰水直接接触换热工艺，具有节能与抗堵渣的功能，确保装置长周期运行。 4 多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化技术应用情况

该技术应用于兖矿集团贵州开阳化工有限公司500 kt/a合成氨项目，其工艺流程为干煤粉进料、四喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化炉、激冷流程、合成气分级净化及渣水直接换热。 5 结语

多喷嘴对置式粉煤水冷壁加压气化技术为我国自主开发，具有自主知识产权，主要设备国产化率高，生产能力大，且各项费用均低于引进技术;与耐火砖气化炉相比，每年可减少40 d的耐火砖更换时间;拓宽了煤种适应性，可以使用高灰熔点的煤种。

此项技术推广前景广阔，工业化效益可观。