水煤漿氣化的發(fā)展之路

(北京中科合成油工程有限公司，北京 101407)

在國內(nèi)歷史上，水煤漿氣化技術(shù)是引進技術(shù)，其來源于上世紀(jì)60年代引進的意大利蒙特卡蒂尼的重油氣化技術(shù)(后置激冷流程)，后來原料變?yōu)樵停?0年代原料變成水煤漿，技術(shù)從Texaco公司(現(xiàn)GE)引進，后置激冷流程沒有實質(zhì)性的變化。

引進的水煤漿氣化技術(shù)是一組單元技術(shù)，包括煤漿制備、氣化爐、激冷室、文丘里噴口、激冷洗滌塔等部分，氣化爐后面部分稱為激冷流程?，F(xiàn)在，國內(nèi)從業(yè)人員對此項技術(shù)的設(shè)計、制造、安裝、生產(chǎn)等方面都已完全吃透。

2003年國內(nèi)引進殼牌爐干煤粉氣化技術(shù)，并作了全面的消化吸收，對于冷壁爐技術(shù)、平行式多噴嘴的技術(shù)也完全吃透，現(xiàn)在已發(fā)展成四噴嘴水煤漿、晉華爐等技術(shù)，說明了引進技術(shù)不是目的，而是成為國內(nèi)創(chuàng)新的啟動點。

1 水煤漿氣化的優(yōu)勢

近年來，水煤漿氣化受到煤化工行業(yè)的歡迎，因為其具有以下幾點優(yōu)勢：有五十多年的歷史，技術(shù)已經(jīng)成熟；氣化爐和流程前后幾個關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對簡單；水煤漿氣化裝置投資較低，設(shè)備材質(zhì)的要求不高，容易制造；原料可以為重油、渣油、水煤漿和多元料漿等，屬于非易燃流體，具有較高的流動性和穩(wěn)定性，易于儲存，安全性很高；產(chǎn)品粗合成氣(CO+H2)的成本比較低；灰水容易處理。

2 國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)

自80年代至今，我國相繼引進了數(shù)十套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產(chǎn)甲醇、合成氨、烯烴、燃料油等。

經(jīng)過10多年的實踐探索，中國在水煤漿氣化技術(shù)方面，積累了豐富的設(shè)計、制造、操作和運行的經(jīng)驗，氣化技術(shù)日趨完善。國內(nèi)對引進裝置中出現(xiàn)的問題，如文氏管、黑水管線、氣化爐激冷環(huán)等的堵塞、爐體局部過熱、閃蒸系統(tǒng)管道磨損等問題，均采取了有效的技術(shù)對策，保證了裝置長周期、穩(wěn)定運行。設(shè)備的國產(chǎn)化率較高，例如陽煤豐喜臨猗分公司國產(chǎn)化率已達到100%。另外，爐壁用耐火磚已實現(xiàn)國產(chǎn)化。

在這個基礎(chǔ)上，國內(nèi)開發(fā)出新的水煤漿氣化技術(shù)，主要表現(xiàn)在以下兩種類型。

2.1 多噴嘴氣化技術(shù)

2002年，在國家科技部“863項目”立項的“多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)”，經(jīng)過多年發(fā)展，已逐步成熟。該技術(shù)主要的特點在于水煤漿的進料噴嘴改成4個水平方向的噴嘴，氣化爐的爐體可以擴大和升高。

目前，該技術(shù)在國內(nèi)水煤漿氣化技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展勢頭良好，適用于大型化裝置，生產(chǎn)和開工的工程總量居國內(nèi)第一，已建和在建的有100多套。

2.2 晉華爐技術(shù)

由清華大學(xué)、陽煤化機及陽煤豐喜聯(lián)合開發(fā)的晉華爐水煤漿煤氣化技術(shù)在不斷發(fā)展。2002年開始，開發(fā)I型技術(shù)——“氧氣分級水煤漿+耐火磚氣化工藝”，稱為“非熔渣-熔渣氣化技術(shù)”；2009年開發(fā)Ⅱ型技術(shù)——“水煤漿+水冷壁氣化工藝”，現(xiàn)在開發(fā)了Ⅲ型技術(shù)——“合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)氣化爐工藝”，已建和在建的有50多套。目前正在進一步開發(fā)的Ⅳ型技術(shù)“全熱回收工藝”，力求成為一種節(jié)能型的氣化爐。

3 水煤漿氣化技術(shù)的后續(xù)流程

水煤漿氣化技術(shù)有2種后續(xù)流程，即激冷流程和半廢鍋流程(通常稱為廢鍋流程)。激冷流程包括煤漿制備、氣化爐、激冷室、文丘里噴口、激冷洗滌塔等部分；半廢鍋流程包括廢熱鍋爐、除塵器、激冷氣返回的循環(huán)壓縮機、激冷洗滌塔等。沒有激冷洗滌塔的全廢鍋流程在煤化工中不適用。在早期的應(yīng)用中，激冷流程用于合成氨，全廢鍋流程用于發(fā)電。

我們拿晉華爐來研究這2種流程的各自優(yōu)點。晉華爐中的I型和Ⅱ型屬于激冷流程，Ⅲ型和Ⅳ型屬于半廢鍋流程。

這2種后續(xù)流程對于后續(xù)工藝有不同的影響。激冷流程出口的合成氣中，水蒸氣的含量較高，能夠在變換工藝中將全部CO轉(zhuǎn)變成H2和CO2，后續(xù)還可以回收較多的低位能。廢鍋流程出口的合成氣中，水蒸氣的含量較低，在變換工藝中只需將部分CO轉(zhuǎn)變成H2和CO2。這個流程回收到一部分高位能，有利于提高整個流程的能量轉(zhuǎn)化效率。

廢鍋流程回收的能效高，但設(shè)備的投資大，折合到產(chǎn)品中的成本就會高一些。激冷流程回收能效低，但設(shè)備投資小，折合到產(chǎn)品中的成本就會降低。因此，我們不能說這兩種流程中一個比另一個先進，而是要看整個流程的熱能優(yōu)化設(shè)計，這與原料煤的品質(zhì)、產(chǎn)品的性質(zhì)和全流程的合理安排有關(guān)。

4 氣化爐技術(shù)的發(fā)展

4.1 提高煤漿濃度

水煤漿的濃度與煤的品質(zhì)有關(guān)，對于氣化工藝來說，水煤漿的濃度越高，氧氣耗量越低。為了使氣化的氧氣用量不至于過大，通常的標(biāo)準(zhǔn)是水煤漿的濃度以60%為起點。

為了提高水煤漿濃度，國內(nèi)開發(fā)了深度研磨的技術(shù)。傳統(tǒng)的研磨方法分為干磨和濕磨兩種，通常采用球磨機，平均粒徑為50μm左右。如采用高剪切乳化分散機進行分散研磨，平均粒徑可達到10μm以下，這個方法可以提高濃度3%～5%。

提高水煤漿濃度可以帶來很大的經(jīng)濟效益。例如，對于熱值25 GJ/kg左右的原料煤，在濃度為55%、4 MPa(g)和1 350 ℃的條件下操作，將水煤漿中煤的濃度提高5%后，可以多產(chǎn)合成氣5%，減少氧氣消耗7%。

4.2 提高運行效率

氣化爐什么樣的運行狀態(tài)可以評價為“優(yōu)”？優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)是“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷運行”。目前，新的現(xiàn)代煤化工裝置達“優(yōu)”率很低。

一個工廠的設(shè)計，其經(jīng)濟財務(wù)分析是以年為單位。如果年產(chǎn)量達不到設(shè)計值，就有利潤減少或者虧損的可能，因此，工廠要以實現(xiàn)全年“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷運行”為目標(biāo)。

氣化爐工藝是全流程的領(lǐng)頭工藝，只有其達到設(shè)計要求，全流程的產(chǎn)品產(chǎn)量和經(jīng)濟指標(biāo)才有可能達到設(shè)計要求。

在投產(chǎn)的項目中，陽煤豐喜集團臨猗分公司36萬t/a氨醇項目是個樣板項目，其共有4臺I型晉華爐，投煤量分別在500～700t/d之間，已經(jīng)連續(xù)5年超過設(shè)計能力，2012～2016年的運行天數(shù)分別為：349 d、354 d、355 d、362 d、353 d，產(chǎn)量分別為：37.45萬t/a、38.75萬t/a、37.55萬t/a、36.89萬t/a、37.17萬t/a。

這說明，該技術(shù)已經(jīng)成熟，做到了“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷”的生產(chǎn)，可作為推廣的示范。

4.3 發(fā)展多種型號

為了滿足新裝置建設(shè)和老裝置改造的需要，適應(yīng)不同原料煤種制成的水煤漿，氣化爐技術(shù)需要不同的型號來滿足要求。例如，晉華爐技術(shù)，十幾年來不斷發(fā)展，已經(jīng)成型了3個型號，爐壁涵蓋耐火磚和水冷壁，后置流程包括激冷和半廢鍋流程。

4.4 提高操作壓力

目前，水煤漿氣化技術(shù)有3種壓力等級，即4.0、6.5和8.7 MPa，常用的是前2種。就合成氨和合成甲醇來說，水煤漿氣化的壓力等級越高，與后續(xù)流程的壓差就越小，合成氣的壓縮機耗能越少。而合成油、合成甲烷等則相反，通常只需要4.0 MPa(g)等級就可以了。

4.5 滿足不同規(guī)模的需求

煤氣化的規(guī)模是以每天的投煤量來表示，一般化工裝置的煤氣化單爐的規(guī)模以750～2 000 t/d為宜，此類已屬大型裝置。由于近期建設(shè)超大型煤化工裝置通常需要多臺煤氣化爐，在此背景下，有業(yè)主和設(shè)計方提出研制3 000～5 000t/d大型氣化爐，目的是減少氣化單元的數(shù)量，從而降低投資。

一些老企業(yè)需要改造，規(guī)模不一定很大，因此500～2 000t/d的氣化爐也是需要的，不能認(rèn)為這是落后的技術(shù)。大有大的用處，小有小的用處。大型化具有低投資、簡化操作等優(yōu)點，同時也有停車損失大、設(shè)備和管件制造、運輸、備品、備件等困難的缺點，利弊共存。

4.6 提高全流程的能量轉(zhuǎn)化效率

提高能量轉(zhuǎn)化效率，是指從原料到產(chǎn)品的整個過程中，提高投入的原料(含電)中的自有能量利用程度，實際上是提高整個工藝優(yōu)化的程度。

目前國內(nèi)發(fā)展這些氣化爐，包括晉華爐、多噴嘴、航天爐、各種改進的GSP等，都是第二代煤氣化技術(shù)，都是加壓、純氧、高溫氣化。這與第一代的低壓、空氣或富氧、近高溫氣化的UGI氣化爐技術(shù)相比，有“代”的區(qū)別。這些第二代煤氣化技術(shù)，效率都很高，其最終的效果就全流程來看差別不大。配上這些氣頭后，基本上都能取得較高的全流程能量利用效率。區(qū)別在于回收高位能和低位能的位置與比例存在不同。廢熱鍋爐流程可以回收的高位能多一些，而激冷流程的低位能多一些，全流程總體效果差別不是很大。例如，當(dāng)上面幾種氣化技術(shù)運用得當(dāng)時，煤制油的能量轉(zhuǎn)化效率都在42%～44%之間，而煤制甲醇的能量轉(zhuǎn)化效率則都在49%～53%之間。不同氣化引導(dǎo)出的流程，估計差距在±2%之內(nèi)，煤的品質(zhì)往往起到主導(dǎo)作用。

廢鍋流程和激冷流程相比，前者可以拿到一些高位能，后者只能拿到部分低位能，總的效果是前者略優(yōu)于后者。但是對于一個裝置來說，能效是指整個流程。提高全流程的能量轉(zhuǎn)換效率，不能只看氣化單元，更重要的是全流程單元的搭配，如何將產(chǎn)出的能量全部利用起來，熱能設(shè)計是一個系統(tǒng)，不是一個單元。

因此，要公平地對比這2種流程，需要“化工流程模擬”技術(shù)，然后進行工程分析。首先，在原料和產(chǎn)品相同的情況下，分別設(shè)計2種流程：在氣化爐后，一個配置廢鍋流程，另一個配置激冷流程，分別進行全流程設(shè)計，后續(xù)工藝流程和蒸汽利用系統(tǒng)各自與其優(yōu)化相配，最后得到同樣的產(chǎn)品。然后，用流程模擬技術(shù)分別計算出2個流程各自的能量轉(zhuǎn)換效率，并進行對比。這樣可得到公平的結(jié)論。上述計算的結(jié)果，一般來說，廢鍋流程略占優(yōu)，但是會有其他后果，例如投資較高等。

不同的原料煤，可能得到不同的結(jié)果。對于老裝置的改造，問題更復(fù)雜。

化工裝置提高能量轉(zhuǎn)化效率是對的，但是不宜過分追求。在設(shè)計一個項目時，作為工藝設(shè)計，首先是看煤的品質(zhì)，其次要看整個流程能否實現(xiàn)合理的搭配，還要考慮各個蒸汽等級的管網(wǎng)上能否做到平衡等；作為總體設(shè)計，要考慮安全運行、環(huán)境保護、節(jié)省投資、合理利用水資源、提高開工效率、降低產(chǎn)品成本、力求操作方便，要讓裝置做到“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷”運行。也就是說，全局觀更重要。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)有一些中小型煤化工企業(yè)需要通過改造，并達到提高煤氣化效率、降低成本的目的，毫無疑問，晉華爐是這類任務(wù)比較合適的選項之一。

在“十三五”期間，為了滿足新裝置建設(shè)和老裝置改造的需要，適應(yīng)不同原料煤種制成的水煤漿，保證各種類型的水煤漿氣化爐都有良好的發(fā)展空間，應(yīng)將技術(shù)精益求精。