水煤漿加壓氣化技術(shù)的發(fā)展途徑探討

劉孝弟，張 勇，顧學(xué)穎

［1.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076；2.山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）臨猗分公司，山西臨猗 044100；3.清華大學(xué)，北京 100084］

水煤漿加壓氣化技術(shù)是由美國(guó)GE 公司（原美國(guó)TEXCO 公司）在渣油加壓氣化工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的潔凈煤氣化技術(shù)，也是我國(guó)引進(jìn)并運(yùn)行的第一種運(yùn)行壓力超過4.0MPa的煤氣化技術(shù)，首先應(yīng)用于上海焦化、山東魯南、陜西渭河等工程項(xiàng)目。多年來(lái)經(jīng)過國(guó)內(nèi)技術(shù)人員的共同努力，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)不斷消化吸收，并針對(duì)國(guó)內(nèi)的煤種特性及應(yīng)用特點(diǎn)，使水煤漿加壓氣化技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

1 水煤漿加壓氣化技術(shù)的不足

美國(guó)GE公司水煤漿加壓氣化技術(shù)的原始設(shè)計(jì)中，在加壓氣化部分的基本配置如下［1］。

（1）立式帶耐火磚的氣化爐（圖1）。

（2）頂置單臺(tái)三通道的氣化工藝燒嘴，內(nèi)通道供應(yīng)中心氧氣，中通道供應(yīng)水煤漿，外通道供應(yīng)外氧氣，燒嘴的冷卻采用了冷卻盤管結(jié)構(gòu)。

（3）開車時(shí)利用抽引器使氣化爐形成負(fù)壓，在工藝燒嘴的位置安裝預(yù)熱點(diǎn)火燒嘴，利用高品質(zhì)的輕質(zhì)燃料（柴油、液化氣、弛放氣等），對(duì)氣化爐進(jìn)行預(yù)熱（預(yù)熱期間，所有燃燒氣體排放）。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到1 000℃以上時(shí)，更換工藝燒嘴，利用耐火磚的蓄熱能力，將水煤漿與氧氣的混合物點(diǎn)燃。同時(shí)關(guān)閉抽引器，使?fàn)t膛逐漸建壓。

（4）為了穩(wěn)定生產(chǎn)，需要設(shè)置熱備用氣化爐，熱備用氣化爐需要不間斷供應(yīng)輕質(zhì)燃料，以保證氣化爐膛保持一定的溫度，從而利于耐火磚的熱變形及縮短氣化爐的啟動(dòng)時(shí)間。

運(yùn)行中，水煤漿氣化工藝暴露出以下問題。

（1）比起粉煤氣化工藝（SHELL、GSP、HT－L）的水冷壁結(jié)構(gòu)，耐火磚需要定期更換，增加了運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)由于耐火磚，不但需要熱備用情況下的啟動(dòng)條件，而且要限制氣化溫度，是高灰熔點(diǎn)煤種處理不可逾越的障礙。

圖1 帶耐火磚的水煤漿加壓氣化爐

（2）由于使用了含固體顆粒的液體燃料，三通道燒嘴的中噴頭物理磨損非常嚴(yán)重，加上外噴頭的化學(xué)侵蝕以及冷卻水盤管的結(jié)構(gòu)不盡合理，導(dǎo)致燒嘴的使用壽命不太長(zhǎng)，一般情況下，使用30～50d就必須更換。加大了維護(hù)和使用成本，而且使熱備用爐成為不可缺少的補(bǔ)充手段。

（3）開車時(shí)的預(yù)熱及熱備用爐所需的輕質(zhì)燃料，加大了運(yùn)行成本，浪費(fèi)了能源。同時(shí)，在熱狀態(tài)下更換燒嘴，也存在安全隱患。

鑒于以上問題，廣大科研人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索，實(shí)施了一系列改進(jìn)，使水煤漿加壓氣化工藝技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中煥發(fā)了越來(lái)越強(qiáng)大的生命力，在煤的潔凈利用領(lǐng)域內(nèi)占領(lǐng)了一席之地。

2 水煤漿技術(shù)的改進(jìn)

2.1 煤基多元料漿氣化技術(shù)［2］

多元料漿氣化技術(shù)的核心改進(jìn)點(diǎn)是在水煤漿的制漿工藝中，加入其他有利于水煤漿流動(dòng)，改善煤的氣化性能，并且增加氣化后對(duì)有效氣體成分有用的添加劑：石油焦、瀝青、油、煤液化殘?jiān)?、化工廢液、廢水等。據(jù)報(bào)道，在長(zhǎng)距離輸送、改善氣化條件、增加有效氣體成分等方面具有一定的成效。

但從根本上來(lái)說(shuō)，煤基多元料漿氣化技術(shù)基本上沒有脫離GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的總體模式，從流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)及布置上沒有原則性的改動(dòng)，只是從原料的組成上進(jìn)行了改進(jìn)。從運(yùn)行結(jié)果和廢物利用等方面來(lái)說(shuō)，水煤漿氣化工藝還是有很多改進(jìn)之處。

2.2 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)［3］

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)與國(guó)家煤氣化工程技術(shù)中心共同開發(fā)的技術(shù)。其根本點(diǎn)在于改進(jìn)了GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的供料方式，采用多噴嘴的對(duì)置式布局。對(duì)置形式的噴嘴，強(qiáng)化了水煤漿的霧化效果，改善了氣化爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等，改善了氣化條件（見圖2），據(jù)報(bào)道，合成氣的有效氣體成分有所提高。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)占領(lǐng)了一定的市場(chǎng)，2008年該技術(shù)返過去出口到了美國(guó)市場(chǎng)，與美國(guó)Valero能源公司簽訂了用于石油焦氣化制氫項(xiàng)目的氣化裝置合同。

圖2 四噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化爐

2.3 熔渣－非熔渣水煤漿氣化技術(shù)（分級(jí)氣化）［4］

該技術(shù)由清華大學(xué)與山西豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）共同開發(fā)，其主要原理是將GE水煤漿加壓氣化技術(shù)的頂置單燒嘴改成為頂置主燒嘴加二次補(bǔ)氧燒嘴。利用二次補(bǔ)氧燒嘴，一方面可以降低頂置主燒嘴對(duì)水煤漿霧化的苛刻條件，降低主燒嘴內(nèi)水煤漿的流速（減緩物理磨蝕），提高主燒嘴的使用壽命（連續(xù)使用可達(dá)100d以上）；另一方面，由于有二次氧氣，主燒嘴出口處的氧氣濃度下降，該區(qū)域內(nèi)的氣體溫度也會(huì)下降（理論計(jì)算可降低200℃左右），這樣就會(huì)導(dǎo)致主燒嘴外表面化學(xué)侵蝕的因素有所減緩，這也是提高工藝燒嘴使用壽命的有效措施之一。具體情況見圖3，圖4。

圖3 分級(jí)氣化水煤漿氣化爐

圖4 分級(jí)氣化爐膛內(nèi)溫度分布

以上各種措施，均得到了用戶的認(rèn)可，也都有裝置在線運(yùn)行，形成了多彩的市場(chǎng)格局（表1）。

2.4 水煤漿氣化工藝燒嘴的延壽措施

以上介紹的幾種技術(shù)，要么從原料的配備方面改進(jìn)，要么從工藝路線上改進(jìn)，均沒有工藝燒嘴的延壽措施。實(shí)際上，提高工藝燒嘴的壽命，對(duì)于水煤漿氣化工藝的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)［4，5］中詳細(xì)介紹了如何利用航天產(chǎn)品表面處理工藝技術(shù)，對(duì)工藝燒嘴的零件進(jìn)行表面處理，提高中噴頭耐物理磨蝕、外噴頭耐化學(xué)侵蝕的方法，可以將工藝燒嘴的連續(xù)使用壽命提高到150d以上（圖5），這些技術(shù)已在上海焦化、陜西渭河、華魯恒升等多家單位成功使用，對(duì)于降低氣化爐運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用起到了重要作用，為提高水煤漿工藝的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保證條件。

表1 水煤漿加壓氣化應(yīng)用裝置情況

圖5a 改進(jìn)前燒嘴使用一個(gè)周期后

圖5b 表面處理后燒嘴使用一個(gè)周期后

2.5 帶水冷壁的水煤漿氣化爐的技術(shù)突破［6，7］

眾所周知，水煤漿加壓氣化爐從一開始就設(shè)計(jì)成帶有耐火磚內(nèi)襯的形式（圖1）。這是由于水煤漿與氧氣混合物的點(diǎn)火必須要耐火磚的蓄熱才能完成。造成的最大問題有以下。

（1）由于需要耐火磚蓄熱，因此在氣化爐開車時(shí)，必須用輕質(zhì)燃料加熱，而且需要抽引器使?fàn)t膛建立負(fù)壓，所有加熱期間的燃燒氣體必須排空，造成較大的浪費(fèi)。同時(shí)，耐火磚在使用過程中會(huì)逐漸損壞，因此，要定期更換，一要停爐耽誤生產(chǎn)，二要產(chǎn)生不小的費(fèi)用。

（2）由于耐火磚耐高溫極限的限制，氣化爐的運(yùn)行溫度一般不能高于1 100℃，因此，對(duì)于處理高灰熔點(diǎn)的煤種就顯得無(wú)能為力，這就造成了水煤漿氣化工藝只能使用較低灰熔點(diǎn)煤種的局面。

山西豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）臨猗分公司，首先提出了利用水煤漿工藝處理高灰熔點(diǎn)煤種的問題，經(jīng)和清華大學(xué)商議，試圖采取水冷壁式的氣化爐用于水煤漿的氣化。存在的問題是，由于是水冷壁，無(wú)法實(shí)現(xiàn)蓄熱功能，即需要冷爐點(diǎn)火。如何實(shí)現(xiàn)水煤漿的點(diǎn)火就成了該方案能否實(shí)現(xiàn)的最重要因素，該課題的重點(diǎn)就集中在此。

北京航天動(dòng)力研究所具有多年從事氣化爐工藝燒嘴的研制經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)任務(wù)就落在了我們的肩上。為此，我們進(jìn)行了大量的研究工作，設(shè)計(jì)出“帶點(diǎn)火功能的水煤漿工藝燒嘴”，同時(shí)申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利［8］。該燒嘴設(shè)計(jì)中考慮了以下因素：①足夠的能量點(diǎn)燃水煤漿與氧氣的混合物；②點(diǎn)火燃?xì)獾墓?yīng)與切斷；③點(diǎn)火能量的提供；④點(diǎn)火裝置的熱保護(hù)，即實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火的需求；⑤點(diǎn)火裝置的安裝與工藝燒嘴性能的匹配；⑥燒嘴冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，摒棄一貫采用的盤管形式，采用水冷夾套，提高工作可靠性。

2011年8月22日，國(guó)際首套帶水冷壁的水煤漿加壓氣化爐在山西豐喜肥業(yè)（集團(tuán)）臨猗分公司一次點(diǎn)火成功，首次連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了140d，帶點(diǎn)火功能的水煤漿工藝燒嘴始終保持了穩(wěn)定的工作性能，在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了較大的影響。水煤漿氣化爐從此不再需要大量的輕質(zhì)燃料預(yù)熱，而且點(diǎn)火過程不再需要抽引器建立負(fù)壓，氣化爐的升溫和建壓同步進(jìn)行，點(diǎn)火階段的燃燒氣體直接可以利用，避免了不必要的浪費(fèi)。同時(shí)，工藝燒嘴兼顧了點(diǎn)火的功能，不需要熱狀態(tài)下替換燒嘴，避免了安全隱患。水冷壁水煤漿氣化爐的運(yùn)行成功，可能會(huì)將水煤漿氣化工藝帶入一個(gè)新的發(fā)展階段。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）該氣化爐不再為耐火磚的更換不斷地投入資金。

（2）可以提高氣化爐的運(yùn)行溫度，使煤種的適應(yīng)性得到進(jìn)一步的放寬。

（3）氣化爐不再需要預(yù)熱過程，即實(shí)現(xiàn)冷爐直接點(diǎn)火，大大縮短啟動(dòng)過程，直接可以升溫升壓，節(jié)省費(fèi)用。

到目前為止，該氣化爐已累計(jì)運(yùn)行了279d。2012年9月3 日，中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織了國(guó)內(nèi)有關(guān)專家對(duì)此工程項(xiàng)目進(jìn)行鑒定。鑒定結(jié)論為：“……氣化爐水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)，……特殊設(shè)計(jì)的工藝組合燒嘴，使氣化爐啟動(dòng)速度快，節(jié)省了開車成本……煤種適應(yīng)性較好……總體技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先水平，……建議加快大型化的開發(fā)及推廣應(yīng)用”。

水冷壁結(jié)構(gòu)水煤漿氣化爐工藝，由于以上所述的性能優(yōu)勢(shì)，很快得到了業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。目前，該工程項(xiàng)目由北京盈德清大科技有限責(zé)任公司全力推廣，用戶情況見表2。

表2 水冷壁水煤漿加壓氣化爐裝置用戶情況

可以預(yù)見，水冷壁結(jié)構(gòu)的水煤漿氣化爐工藝在未來(lái)的煤潔凈氣化市場(chǎng)中將占一席之地。

3 其他技術(shù)改進(jìn)途徑的思考

3.1 工藝燒嘴材料的優(yōu)化

提高工藝燒嘴連續(xù)使用壽命的最直接方法是，利用新興的材料技術(shù)發(fā)展成果，選用適合水煤漿氣化工況的噴頭材料，加工噴頭零件，從而使整個(gè)工藝燒嘴達(dá)到長(zhǎng)周期的運(yùn)行條件。據(jù)有關(guān)報(bào)道，兗礦魯南化肥廠已經(jīng)進(jìn)行了利用高溫陶瓷材料作為噴頭鑲嵌內(nèi)襯的試驗(yàn)，達(dá)到了不錯(cuò)的效果。

3.2 噴頭零件的表面處理

對(duì)工藝燒嘴的中噴頭進(jìn)行耐物理磨蝕表面處理，對(duì)外噴頭進(jìn)行抗高溫化學(xué)侵蝕處理。北京航天動(dòng)力研究所借鑒航天產(chǎn)品的表面處理工藝進(jìn)行了有效的嘗試，已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，進(jìn)一步的研究試驗(yàn)工作正在進(jìn)行中。

3.3 噴頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

對(duì)中噴頭物理磨蝕機(jī)理的研究結(jié)果表明，優(yōu)化中噴頭的型面，改善固體顆粒的沖擊角度，會(huì)進(jìn)一步提升中噴頭的工作壽命［5］。關(guān)于工藝燒嘴的冷卻結(jié)構(gòu)，北京航天動(dòng)力研究所已經(jīng)利用夾套式結(jié)構(gòu)替換了盤管式結(jié)構(gòu)，取得了一定的進(jìn)展。

3.4 工藝條件的優(yōu)化

熔渣－非熔渣氣化工藝中，利用二次補(bǔ)氧，減緩了中噴頭的物理磨蝕和外噴頭的化學(xué)侵蝕，對(duì)工藝燒嘴工作壽命的提高起到了一定的作用。如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，降低對(duì)工藝燒嘴霧化水煤漿性能的要求，也是一個(gè)值得考慮的方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

在廣大技術(shù)人員的共同努力下，水煤漿加壓氣化技術(shù)不斷煥發(fā)出新的生命力，取得了一個(gè)又一個(gè)進(jìn)步。由于可以實(shí)現(xiàn)泵送，氣化爐操作壓力高、操作簡(jiǎn)單，煤種有一定的適應(yīng)能力，可以相信，該技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)還將有進(jìn)一步的擴(kuò)展。

［1］陜西省渭河化肥廠.《渭化科技》－美國(guó)德士古氣化裝置譯文專輯，2000年增刊.

［2］張曉慧.多元料漿氣化裝置的設(shè)備布置及工藝配管設(shè)計(jì)［J］.化肥設(shè)計(jì)，2009，48 （1）：35～37.

［3］朱敏，孫永奎，馬廷衛(wèi)，等.多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置優(yōu)化與改進(jìn) ［J］.化工設(shè)計(jì)通訊，2011，37 （4）：65～69.

［4］劉孝弟，尹潤(rùn)生.改進(jìn)水煤漿氣化工藝裝置的一些思考［J］.大氮肥，2009，32 （4）：222～227.

［5］劉孝弟，王岳，李兵科.水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問題的探討 ［J］.化肥工業(yè)，2009，36 （2）：20～23.

［6］王中剛，韓喜民.水煤漿水冷壁氣化爐建設(shè)及運(yùn)行總結(jié)［G］.2011年全國(guó)氮肥、甲醇行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)資料匯編，90～95.

［7］劉孝弟，張勇，王岳，等.帶點(diǎn)火功能的水煤漿燒嘴及應(yīng)用 ［J］.化工設(shè)計(jì)通訊，2011，37 （6）：15～18，22.

［8］王岳，劉孝弟，宋曉峰，等.自帶點(diǎn)火裝置的水煤漿加壓氣化工藝燒嘴裝置：中國(guó)，ZL200920219759.3 ［P］.