多喷嘴对置式水煤浆气化技术

多喷嘴对置式水煤浆气化技术

山东兖矿国拓科技工程有限公司是由兖矿集团控股,会同国内著名科研机构、院校、勘察设计单位和企业组建的化工技术研发、推广和技术服务的高科技企业,依靠兖矿集团良好的企业形象、强大的技术研发和技术服务能力,主要从事化工技术开发、技术服务、技术转让、化工工程勘察、设计、施工等业务。公司立足兖矿自身化工技术的研发与工业化装置,依托华东理工大学、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心、中国天辰工程公司等科研和设计机构,团队具有一流理论水平和实践经验,是典型的产、学、研结合运作模式。

山东兖矿国拓科技工程有限公司与华东理工大学一起向业界推广多喷嘴气化技术,并提供技术理论和工程技术服务支持,公司自2010年7月成立以来,已签订多喷嘴气化技术转让合同15家,与国内外煤化工企业达成合作意向10余项,另与国外多家科研机构和化工企业达成合作意向。

具有完全自主知识产权的多喷嘴对置式煤气化技术由华东理工大学和兖矿集团共同研发,八五期间华东理工大学建立了多喷嘴气化技术数学模型,进行了实验室小试,九五期间兖矿集团承担了多喷嘴气化技术中试,并在兖矿国泰化工有限公司建设多喷嘴气化技术示范工程,2005年第一台千吨级多喷嘴对置式煤气化大型气化炉在兖矿国泰开车成功,由此拉开了我国水煤浆洁净煤大型化的序幕。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术主要特征介绍如下:

一  气化技术特点

多喷嘴对置式水煤浆气化工艺是以氧气和水煤浆为原料,采用气流床反应器,在加压非催化条件下进行部分氧化反应,生成以一氧化碳和氢气为有效成分的粗煤气,作为氨和甲醇合成的合成气,或制氢(煤液化、燃料)的原料气、IGCC发电的燃料气。

气化压力为1.5~8.7MPa,温度为1200~1400℃,多喷嘴气化技术通过多个喷嘴对置、优化炉型结构及尺寸,在炉内形成撞击流,以强化混合和热质传递过程,并形成炉内合理的流场结构,从而达到良好的工艺与工程效果,产品有效气(CO+H2)成分高、碳转化率高、气化炉耐火砖寿命长。

煤气洗涤冷却单元,采用喷淋床与鼓泡床组成的复合床,具有良好的抑制气化炉煤气带水、带灰功能。

煤气洗涤初步净化单元,由混合器、旋风分离器、水洗塔组成,具有高效、节能特点。

含渣水热回收与除渣单元,核心设备是蒸发热水塔,采用闪蒸汽与返回灰水直接接触工艺,灰水温度高、蒸汽利用充分、耐堵渣,热回收效率高、运行周期运行长。

多喷嘴水煤浆气化技术自2005年投入工业运行以来,经过研发单位及各用户的不断努力,经历了多次升级、改造、完善,并经过多家运行装置运行验证,多喷嘴气化技术安全性、稳定性、可靠性、运行经济性越来越显现。

(一)技术优势

1、技术安全、成熟、可靠

多喷嘴对置式水煤浆气化技术历经基础理论研究、实验室研发、中试、工业示范、工业应用等阶段,已经形成完整的理论基础、工程应用经验和生产管理经验;该技术目前已有10家企业25台套气化炉投入稳定运行,其技术的可靠性经过了多套生产装置的运行验证;在技术研发、设计、建设、生产等过程中培养出大量的基础研究、工程设计、技术管理和操作方面人才,可以为用户提供全面技术支持。

2、技术先进,指标优良,综合能耗低

多家运行装置考核结果表明,多喷嘴气化技术碳转化率可达到99%,水煤浆气化有效气(CO+H2)成分最高可达到85%,与国内外同类型气化技术相比,在相同工况下比煤耗、比氧耗均低约3%;采用分级煤气洗涤系统,洗涤效果好,产品气含尘量小于1mg/Nm3;采用直接换热式闪蒸系统,热回收系统流程合理,效率高,易于操作维护。

3、适于装置大型化

由于采用四个喷嘴进料,得到雾化效果保证,提高原料转化率;每个进料管线直径小,管材和阀门的制造难度低,可降低投资;单炉负荷大,已运行最大气化炉日投煤量达到2000吨,设计中最大日投煤量达到3000吨,对于大型煤化工装置,单炉负荷大,可减少装置生产线数量,降低整体投资。

多喷嘴气化技术已经系列化,公称单炉日处理煤能力有1000吨、1500吨、2000吨、2500吨、3000吨,气化公称压力有:1.5MPa、4.0MPa、6.5MPa、8.7MPa。

已经运行的单炉日处理能力1500吨及以上气化炉17台套,在建及设计中2000吨级气化炉27台套、2500吨级气化炉26台套、3000吨级气化炉5台套。

4、废水排放量小,环保压力轻

由于碳转化率高,洗涤水中细灰含量低,易于渣水分离,灰水水质好,回用率高,每处理1吨煤排放水约0.3吨左右(排放至污水处理场);经过高温反应后,废水中不含酚、焦油等难降解有机物,废水经简单生化处理后即可达标排放。

煤浆制备单元还可以利用生化处理废水作为制浆用水,降低污水处理单元负荷和费用。

5、装置操作简单、稳定,在线率高

特有的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下处理故障,大大增强了抵御故障能力,提高了有效生产时间,减少了系统停车次数。

(二)多喷嘴气化工艺流程简介

从煤运工段来的煤装入煤仓,经过称重进料机精确计量后,与来自滤液槽澄清的滤液及部分原水及固体、液体添加剂进入磨煤机,煤和水在添加剂的作用下,磨成一定浓度、粘度、有一定粒度分布的可泵送的水煤浆,水煤浆经过滚筒筛筛去大颗粒后,自流入磨煤机入口槽,经磨煤机出口槽泵输送至滚筒筛再次筛分后贮存在煤浆槽内备用。

煤浆槽内的煤浆分别经两台煤浆给料泵加压后送至气化炉的四个工艺烧嘴,由空分系统来的高压氧气也分四路,分别送四个工艺烧嘴的中心通道和外环通道。煤浆与氧气通过工艺烧嘴,对喷进入气化炉,在气化炉燃烧室内进行部分氧化反应,生成的粗合成气、熔渣通过燃烧室下部的渣口进入气化炉洗涤冷却室,与洗涤冷却水沿下降管并流向下,粗合成气被冷却后在洗涤冷却室的液位以下以鼓泡的形式进一步洗涤和冷却,从洗涤冷却室上部空间出气化炉;出气化炉的粗合成气在混合器增湿,在旋风分离器分离大部分润湿的细灰后送水洗塔洗涤除尘,将合成气含尘量降至<1mg/m3后送净化系统;熔渣在洗涤冷却室的水浴中通过静态破渣器后被锁斗循环水夹带进入锁斗,定期排向渣池;未完全反应的碳悬浮在黑水中,随黑水到含渣水处理工序作进一步处理。

从气化炉、旋风分离器、水洗塔出来的三股洗涤黑水减压后送入蒸发热水塔蒸发室,减压后的黑水在蒸发热水塔蒸发室内闪蒸,水蒸汽及部分溶解在黑水中的酸性气CO2、H2S等被迅速闪蒸出来,通过上升管进入蒸发热水塔上部热水室,与低压灰水泵来的灰水直接接触,低压灰水被加热;经换热后未冷凝的闪蒸汽体进入酸气冷凝器被冷凝后,经酸气分离器进行气、液分离,酸性气体排放至火炬烧掉,酸性冷凝液送入灰水槽,初步浓缩后黑水通过蒸发热水塔下部蒸发室液位调节阀控制送入低压闪蒸器进一步闪蒸,部分蒸汽去脱氧槽除氧,剩余蒸汽进入低压闪蒸冷凝器被冷凝后,经低压闪蒸分离器进行气、液分离,酸性气体放空,冷凝液送入灰水槽;低压闪蒸浓缩后的黑水进入真空闪蒸器,进行真空闪蒸;闪蒸后的气体经真空闪蒸冷却器换热降温、分离后排入大气,分离液自流入磨煤水槽;再次浓缩的黑水通过静态混合器与絮凝剂混合后进入澄清槽,加入的絮凝剂在澄清槽中用来强化浓缩黑水中固体颗粒的沉降,进一步浓缩、沉降后的黑水经澄清槽底物料泵送入压滤机系统压滤处理,滤饼运出界外,滤液自流入磨煤水槽;澄清槽中澄清后的灰水溢流至灰水槽经低压灰水泵加压送入蒸发热水塔热水室,加热后再经高温热水泵提压后返回水洗塔循环使用。

(三)煤种适应性

每一种气化技术均有相对应的适宜煤种范围,多喷嘴气化技术是水煤浆气化技术的一种,水煤浆气化原料煤的主要指标为煤的灰熔点、熔渣粘温特性及成浆浓度等,目前可气化多数烟煤及部分褐煤。

一般要求:

灰熔点(FT)小于1350℃、水煤浆成浆浓度大于55%(wt)、灰分小于18%,灰渣在操作温度下应具有良好的流动性。

二  技术特点参数表

项目 具体参数
气化技术类型 气流床气化技术
气化技术名称 多喷嘴对置式煤气化技术
气化炉组合方式 从装置连续运行需求考虑,气化炉一般均设有备用系统便于交替检修。
进料方式 水煤浆和氧气通过四个对称布置在同一水平面的工艺烧嘴同轴射流进入气化炉。
进料位置 气化炉燃烧室筒体中上部侧置,四个工艺烧嘴在同一水平面上,相邻烧嘴轴线夹角为90°。
喷嘴类型和特点 本工艺采用三通道预膜式烧嘴,外侧与内侧通道为氧气通道,中间通道为煤浆通道,特点:三股物流射出烧嘴,煤浆的内外侧为高速流动的氧流股,且与煤浆呈一定交汇角;氧流股通过撞击、振动等方式使煤浆雾化;煤浆与氧气在烧嘴外混合,对烧嘴磨损少,烧嘴寿命长。
气化炉燃烧室流场结构 气化炉内为射流与撞击结合流场,强化物料混合,提高物料转化率,流场结构由射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区和管流区组成。
耐火衬里 采用耐火砖或水冷壁两种方式
合成气洗涤方式 合成气的洗涤冷却单元为喷淋床与鼓泡床组合的复合床,可有效防止煤气带灰、带水现象,煤气初步净化单元由混合器、旋风分离器、水洗塔组成,高效、节能、洗涤效果好。
气化介质 氧气
技术运行的阶段 已大规模工业应用
运行周期 多家多喷嘴气化炉运行周期超过90天,工艺烧嘴使用周期超过100天,最长运行152天。
煤的粒度范围 因原料煤要研磨成水煤浆或煤粉,因此对进厂原料煤粒度无要求。
煤的工业分析及要求 水煤浆气化用煤要求原料煤内水小于13%,灰分小于18%,灰熔点小于1350℃,煤成浆浓度高于55%。
操作条件 操作压力1.5MPa~8.7MPa操作温度高于原料煤灰熔点(FT)50~80℃
干基粗煤气组成 CO:~45%(v)H2:~35%(v)CO2:17%~20%(v)CH4:<1000ppm
工业指标 氧耗 比氧耗~360Nm³O2/1000Nm³(CO+H2
蒸汽消耗
煤气产量 比煤耗~570kg/1000Nm³(CO+H2
碳转化率 ≥99%
适合工业领域 适合生产合成氨、甲醇、油品、天然气

 三  市场应用情况

多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业应用以来,已被推广应用于30余家企业,累计85台套,现有10家企业25台套气化炉投入商业运行,运行炉最大处理能力2000吨/天,设计中最大处理能力3000吨/天。

2008年7月,美国瓦来罗公司(VALERO)在全世界多次考察后,以逾亿元的技术实施许可费购买了多喷嘴对置式煤气化技术,这是我国具有自主知识产权的大型化工成套技术第一次向发达国家出口,打破了国外跨国公司垄断了近50年的煤气化技术市场格局。

转让业绩部分名单如下:

编号 签约企业 单炉公称处理能力(t/d) 转让情况
1 华鲁恒升 750 1台,6.5MPa
2 兖矿国泰化工有限公司 1150 2开1备,4.0MPa
3 江苏灵谷化工有限公司 2000 1开1备,4.0MPa
4 新能凤凰(滕州)化肥有限公司 1500 2开1备,6.5MPa
5 江苏索普集团 1500 2开1备,6.5MPa
6 兖矿鲁南化肥厂 1150 1台,4.0MPa
7 神华宁夏煤业集团有限责任公司 2000 2开1备,4.0MPa
8 宁波万华聚氨酯有限公司 1200 2开1备,6.5MPa
9 山东久泰能源有限公司 2000 4开2备,6.5MPa
10 安徽华谊化工有限公司 1500 2开1备,6.5MPa
11 山东盛大科技股份有限公司 2000 1开1备,6.5MPa
12 美国瓦莱罗 2500 4开1备,6.2MPa
13 兖矿新疆煤化工有限公司 1500 2开1备,6.5MPa
14 上海焦化有限公司 2000 1开1备,4.0MPa
15 杭州半山电厂 2000 1台,3.5MPa
16 泛海能源投资包头有限公司 1500 2开1备,6.5MPa
17 山东海力化工股份有限公司 2000 1开1备,6.5MPa
18 内蒙古荣信化工有限公司 2500 2开1备,6.5MPa
19 安阳盈德气体有限公司 2000 1开1备,4.0MPa
20 河南心连心化肥有限公司 1200 2开1备,6.5MPa
21 烟台万华聚氨酯股份有限公司 1500 2开1备,6.5MPa
22 内蒙古五原金牛煤化有限公司 1300 1开1备,6.5MPa
23 青海盐湖工业集团股份有限公司 2200 2开1备,6.5MPa
24 陕西未来能源化工有限公司 2000 6开2备,4.0MPa
25 中盐昆山有限公司 1200 1开1备,6.5MPa
26 宁波中金石化有限公司 1000 1开1备,1.5MPa
27 鄂尔多斯市国泰化工有限公司 2000 1开1备,6.5MPa
28 伊泰伊犁能源有限公司 3000 4开1备,4.0MPa
29 新疆心连心能源化工有限公司 1500 1开1备,6.5MPa

 

四  最佳运行案例

江苏灵谷化工有限公司大化肥装置建设了两台日处理煤2000吨级的多喷嘴对置式水煤浆气化炉(一开一备),2009年6月15日首次化工投料。大化肥装置全系统连续运行最长记录215天,2011年全年累计生产天数357天,生产合成氨46万吨。现气化装置及整个生产系统运行高效稳定,为企业创造了良好的经济效益。

根据中国石油和化学工业联合会科成发[2011]063号文《关于对“日处理2000吨煤新型水煤浆气化技术”示范装置进行现场考核的通知》,考核专家组于2011年11月25日至28日在江苏灵谷化工有限公司对多喷嘴对置式水煤浆气化技术进行了72小时连续工业运行考核。

根据现场运行情况和数据分析,考核专家组形成如下考核意见:

  1. 该装置连续满负荷稳定运行超过72小时,计量、分析准确,符合化工工业装置考核的要求。
  2. 考核期间主要操作条件:

(1)原料煤种:内蒙神华煤

(2)原煤进料量:~1886吨/天

(3)水煤浆进料量:~87.6m3/h

(4)氧气流量:~40140 Nm3/h

(5)气化炉温度:~1260℃

(6)气化炉压力:~3.8MPaG

  1. 技术指标:

运行数据与计算结果真实可靠,气化性能达到并超过了考核指标。该装置满负荷运行的技术指标如下:

项目 考核指标 考核结果
有效气成分:% 81 82.9
比氧耗:Nm3O2/1000Nm3(CO+H2 390 352
比煤耗:kg/1000Nm3(CO+H2 590 568
冷煤气效率:% 74 74.9
碳转化率:% 98 99.2
  1. 该装置安全可靠,自动化程度高,操作控制灵活,生产管理科学,实现了装置的“安稳长满优”运行。采用独特设计的高压氮气保护系统,保证了气化装置开停车阶段的安全运行。采用带压连投操作技术和无波动倒炉技术,增强了抵御故障的能力、减少了倒炉期间氧气和原料煤的消耗,最大限度降低了倒炉切换期间生产系统的波动,使系统运行更加平稳,经济效益更高。
  2. 该装置是目前国内单炉规模最大的水煤浆气化装置,也是目前在运行同类装置中最高效稳定的装置之一,展现了多喷嘴对置式气化炉易于大型化、长周期稳定安全运行的优势。
  3. 该装置具有完全自主知识产权,具有创新性,装置性能与技术指标达到国际领先水平。与国内外其他水煤浆气化技术相比,其技术特点和优势在于:

(1)气化效率高,技术指标先进,与同样采用内蒙神华煤的某单喷嘴水煤浆气化装置相比,有效气成分提高3.1个百分点,比氧耗降低11.4%,比煤耗降低2.1%。

(2)碳转化率高,与同样采用内蒙神华煤的某单喷嘴水煤浆气化装置相比,粗渣中碳含量降低约10个百分点,细渣中碳含量降低约12个百分点。粗细渣含碳量低,气相、液相物流中灰渣含量低,有利于整个气化装置的高效运行和降低阀门的磨损。

(3)喷嘴之间协同作用好,气化炉负荷调节灵活、适应能力强,大型化装置技术指标先进,有利于装置大型化。

(4)多个喷嘴实现了带压连投和无波动倒炉,有利于整个工厂的长周期稳定运行。

(5)流场合理,热电偶寿命长,为气化装置稳定运行提供了重要指导;采用预膜式结构的水煤浆喷嘴压降低,降低了入气化炉氧气和煤浆的压力,有利于降低气化装置的能耗;复合床洗涤冷却技术热质传递效果好,液位平稳,避免了引进技术中易发生的合成气带水带灰问题;分级式合成气初步净化工艺节能、高效,表现为系统压降低,后续变换催化剂使用寿命长;渣水处理系统采用直接换热技术,热回收效率高,克服了设备易结垢和堵塞的缺陷,减少了相关设备的维护工作。

  1. 已成功实现了日处理煤2000吨级多喷嘴对置式水煤浆气化装置产业化运行,掌握了大型化多喷嘴对置式水煤浆气化技术的设计理论与方法,形成了具有自主知识产权的、系统的大型水煤浆气化技术与工艺设计软件包,奠定了今后进一步大型化、超大型化创新发展的基础。

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