|
王辅臣 华东理工大学资源与环境工程学院副院长，教授 于广锁 华东理工大学洁净煤技术研究所所长，教授 郭庆华 华东理工大学洁净煤技术研究所副教授
从中国的煤炭利用方式来看，目前主要有直接燃烧（包括燃煤电厂、工业锅炉、民用锅炉等）、炼焦和气化三种方式，其中以煤炭的气化最为清洁，过程也最为复杂。然而，煤炭气化仅占中国煤炭消费总量的5%左右。从长远看，清洁高效地利用煤炭资源对于保障国家能源安全、经济和社会可持续发展意义重大。煤气化是煤炭清洁高效转化的核心，是发展煤基大宗化学品（化肥、甲醇、烯烃、芳烃、乙二醇等）、煤基清洁燃料合成（油品、天然气等）、整体煤气化联合循环发电（IGCC）、多联产系统、制氢、燃料电池和直接还原炼铁等过程工业的基础。煤气化不仅是现代煤化工的基础，在炼油、电力和冶金行业也有广泛应用，是这些行业的共性关键技术[1]。
中国煤气化技术的研发历程
中国煤气化技术的研发始于20世纪50年代末期。在国家支持下，近30年来该领域的代表性成果包括：
·20世纪70年代起西北化工研究院研究开发了水煤浆气化技术并建立中试装置，为之后GE（Texaco）水煤浆气化技术的发展提供了丰富的经验； · “整体煤气化联合循环（IGCC）关键技术（含高温净化）”立项，有十余个单位参加攻关； ·1999年科技部立项国家973项目“煤的热解、气化及高温净化过程的基础研究”； ·科技部立项973项目“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”，于2009年完成； ·科技部持续资助立项973项目“煤等含碳固体原料大规模高效清洁气化的基础研究”，于2014年完成。
“九五”至“十二五”期间华东理工大学在煤气化领域取得的成果如下：
·与兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司共同承担了国家重点科技攻关项目“新型（多喷嘴对置式）水煤浆气化炉开发”（22吨煤/天），2000年完成了中试装置的运行，通过国家验收和鉴定[2]。 ·与兖矿集团承担了国家863重大项目“新型水煤浆气化技术”的研发。在科技部、国家发改委的大力支持下，多喷嘴对置式水煤浆气化技术分别于山东鲁南、山东德州建设了工业示范装置，即千吨级工业示范装置—兖矿国泰化工有限公司（单炉日处理1150吨煤，4.0MPa），以及山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化项目（单炉日处理750吨煤，6.5MPa）。示范装置的成功运行充分证实了此项技术的工程可行性，且工艺指标优于引进的水煤浆气化技术，运行平稳。 ·与兖矿集团有限公司共同承担了国家863项目“日处理2000吨煤的新型水煤浆气化技术”。研究和开发了新型水煤浆气化技术，并在大氮肥装置中投入正常运行，完成了工业装置的考核验收。 ·得到863计划“3000吨/天级大型煤气化关键技术研发及示范”的大力支持。这也是华东理工大学和兖矿集团在协同创新机制下取得的重大成果，是中国自主知识产权先进煤气化技术的又一重要进展，为推动中国煤基能源化工技术进步做出了新的贡献。 ·与兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司等共同承担国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制备合成气新技术研究与开发”。2004年完成了热壁式气化炉中试装置运行考核[3]。2007年完成了水冷壁式气化炉中试装置的运行考核。该技术填补了国内技术空白，中试工艺指标达到国际先进水平。该技术的产业化也列入了中国“十一五”863重点项目。
此外，“十五”期间，国电热工研究院等承担了863课题，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺的开发，建设了中试装置，并通过了科技部验收[4]。在中国“十一五”863重大项目支持下建设了单炉日处理煤2000吨的工业示范装置，配套200MW IGCC发电项目。
中国科学院山西煤炭化学研究所在中试基础上进行了流化床氧气/蒸汽鼓风制合成气的工业示范装置开发，烟煤处理能力为100吨/天（常压），目前已投入生产运行。
清华大学建立了富氧气流床分级煤气化实验装置。清华大学和山西丰喜肥业公司联合开发了清华炉。第一代清华炉采用耐火砖结构，分级给氧，有7台气化炉建成运行或即将投运；新开发的二代清华炉采用水冷壁结构，节约了运行成本，拓宽了煤种适应性[5]。目前有在建气化炉28台、运行7台。
煤气化领域应用最为广泛的是多喷嘴水煤浆气化技术，这也是中国首套具有自主知识产权的大型煤气化技术。
多喷嘴对置式水煤浆气化技术
在政府和企业的大力支持下，华东理工大学建立了中国首套气流床气化炉大型冷模装置，先后解决了耐火砖、烧嘴等问题，对水煤浆气化过程的原理、流场、混合过程和喷嘴雾化机理等有了深入了解。提出了多喷嘴对置式水煤浆气化技术方案，图1为多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程示意图。该技术涉及以纯氧和水煤浆为原料制合成气的过程，含磨煤单元、气化与初步净化单元以及渣水处理单元。技术特点：多喷嘴对置式水煤浆气流床气化炉及复合床煤气洗涤冷却设备；混合器、旋风分离器、水洗塔三单元组合合成气初步净化工艺；蒸发分离直接换热式渣水处理及热回收工艺。 图1 多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺流程
气化炉
多喷嘴对置式水煤浆气化炉（图2）设置有4个对称的喷嘴，位于气化炉炉膛的中上部，这种对置撞击的气化炉型，克服了单喷嘴水煤浆气化炉停留时间分布不合理、部分物流在炉内停留时间短这一缺陷，强化了反应物料之间的混合与热质传递，大幅提高了气化效率。实践证明，多喷嘴对置式气化炉具有碳转化率高、比氧耗低、比煤耗低的优点。 图2 多喷嘴对置式水煤浆气化炉
相比单喷嘴气化炉，多喷嘴对置式气化炉在大型化方面优势明显。目前世界上单炉日处理煤规模最大的水煤浆气化装置（内蒙古荣信化工有限公司），即采用多喷嘴对置式水煤浆气化炉。
工艺烧嘴
多喷嘴对置式气化炉的工艺烧嘴采用预膜式结构。预膜烧嘴与GE（Texaco）烧嘴相比，最大的不同是通过降低中心氧通道，避免了中心氧与水煤浆在二通道内的预混。预膜式烧嘴具有雾化性能优良、结构简单、煤浆出喷口速度低、能有效避免磨损等特点。示范运行证明，这种新型喷嘴工艺效果好，使用寿命长。兖矿国泰、兖矿鲁化的预膜式工艺烧嘴使用寿命平均为90天左右，最长可达152天。
合成气洗涤冷却系统
气化生成的高温且含有大量熔渣的粗合成气进入位于气化室下方的洗涤冷却室，实现粗合成气的冷却、洗涤和增湿。洗涤冷却室采用喷淋床与鼓泡床复合床型，即由洗涤冷却环和下降管形成的喷淋床和气泡分割器与金属壳体之间形成的鼓泡床。这种洗涤冷却室摒弃了传统的上升管，采用喷淋床和鼓泡床相结合复合床结构，并在鼓泡区安装若干气泡分割器，实现破碎气泡、分散气相、促进形成气液均相、减轻气体带液、促进灰渣分离沉降等效果。工业装置已证实了喷淋–鼓泡复合床在洗涤冷却效率、负荷适应能力及运行稳定等方面的优势。
合成气初步净化系统
多喷嘴气化工艺合成气初步净化采用分级净化的方式，合成气携带的灰先通过混合器、旋风分离器粗分，然后在洗涤塔内精分，可降低系统压力损失，防止净化系统堵塞，大大降低了出系统合成气的含固量（<1mg/Nm3）。运行结果表明：合成气经分级式初步净化后，系统压力损失≤0.1MPa；出洗涤塔合成气带灰量很低，无需预变换，可直接进入变换工段；经旋风分离器粗分后，洗涤塔底部水质明显改善，无激冷环堵塞现象发生；变换炉的触媒使用多年，未出现压降升高的现象。
渣水处理系统
多喷嘴气化工艺中渣水处理系统的关键设备是蒸发热水塔，黑水在蒸发热水塔蒸发室内减压闪蒸后，蒸汽进入热水室与灰水直接换热，可以大大提高传热效率，还可以有效防止结垢问题。运行结果表明，蒸发热水塔出口闪蒸气和高温灰水温度极为接近，温差<4℃。此外，在设计布置时，真空闪蒸器及真空闪蒸分离器与澄清槽和灰水槽均有一定的高度差，真空闪蒸器及真空闪蒸分离器底流依靠高度差自流入澄清槽和灰水槽，无需泵送。与单喷嘴气化相比，不仅减少了动设备，而且提高了操作的可靠性。
带压连投操作和气化炉在线无波动切换
多喷嘴对置式水煤浆气化炉的每组对置式工艺喷嘴采用一套独立进料系统（包括氧气进料和煤浆进料）。当某一对喷嘴进料系统出现故障时，可以暂停其工作并进行维修。故障消除后，此对进料系统可以重新投入运行。在整个过程中，维持另一对喷嘴进料系统正常工作，也就是确保气化炉只是在减负荷工况下工作，而无需进行全停处理，从而大大降低了气化炉系统的停车风险。
气化炉在线无波动切换是指，在上、下游负荷产能基本无波动的情况下实现气化炉的切换运行。在切换过程中，依靠这种气化技术可实现带压连投，可以通过运行中气化炉和热备中气化炉的各自两对喷嘴相继停车和投运，实现气化炉切换。这种运行方式显著提高了气化系统的运行稳定性，并且大幅降低了气化炉切换过程中的原料消耗。
图3为一开一备配置的两台多喷嘴对置式水煤浆气化装置（单炉日处理2000吨煤）在气化炉切换过程中的典型负荷变化曲线。由图可见，在空分系统增加约15%产能的情况下，气化装置可以在最低保证85%的产率为下游供气的工况下，完成两台气化炉之间的切换操作。整个切换过程中，全系统平稳可控。 图3 气化炉无波动切换期间负荷变化
图3中各点的含义如下：
1. 气化炉从负荷100%开始缓降 2. 空分装置（Air Separation Unit, ASU）从负荷100%开始上升 3. ASU产率为115% 4. ASU开始缓降 5. ASU回复到100%的产率 6. B气化炉产率为100% 7. A气化炉产率为85% 8. A气化炉关闭2个对置喷嘴 9. B气化炉有4个喷嘴运行 10. A气化炉关闭另外2个对置喷嘴（所有喷嘴关闭） 11. B气化炉从启动容量30%（单炉设计容量的60%）开始上升，操作压力增加 12. B气化炉的压力达到设计值，B炉的合成气与A炉的合成气混合流入下游 13. A气化炉完全停车
多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程应用
2005年10月15日，中国首个具有自主知识产权的大型煤气化技术在兖矿国泰化工公司建成，一次投料成功。该装置的建成，打破了国际大型跨国公司对先进煤气化技术的垄断，成为中国煤气化技术发展史上的里程碑。
2014年6月24日，内蒙古荣信化工有限公司气化装置投料试车成功，项目建设了3台单炉日处理3000吨煤的多喷嘴对置式水煤浆气化装置，该装置也是目前世界上在运行的单炉日处理煤量最大的水煤浆气化装置。自2015年8月起进入双炉满负荷运行状态，现气化装置及整个生产系统运行稳定，并创造了良好的经济效益。
经过多年的优化发展和工业化应用，多喷嘴对置式水煤浆气化技术相对于国外引进的水煤浆气化技术，在单炉规模大型化、系统运行性能指标、稳定性和可靠性，以及专利实施许可费等方面具有很大优势。截至目前，国内外已有60台多喷嘴对置式水煤浆气化炉投入运行，在中国、美国和韩国还有68台在建。单炉最大设计能力达到3150吨煤（干基）/天[6]。
此外，2008年7月，华东理工大学与美国最大的炼油企业Valero能源公司签订了技术许可合同，将建设5套单炉日处理能力2500吨石油焦的大型气化装置（4开1备），技术许可费超过1亿人民币[7]。这是中国高校迄今为止获得的最高海外技术许可费用的项目，也是中国大型化工成套技术第一次向发达国家出口。2016年9月，华东理工大学又向韩国TENT公司实施了技术许可。
多喷嘴对置式水煤浆气化技术实现了从大型化向超大型化的跨越。该技术具有碳转化率高、易于大型化、运行稳定安全等优势。在2013 GTC年会上公布的报告表明，多喷嘴对置式水煤浆气化技术是与Shell、GE并列的国际公认的三大煤气化技术之一[8]。
粉煤气化技术
水煤浆气化技术要求煤的成浆性较好。与水煤浆气化相比，粉煤气化技术的煤种适应性更广。在开发水煤浆技术的同时，中国也在开发粉煤气化技术。
两段式粉煤加压气化技术
两段式粉煤加压气化技术由西安热工研究院有限公司开发，于2005年建成36吨/天的中试装置。在国家“十一五”863重大项目支持下，依托中国华能集团天津250MW IGCC项目，开展了2000吨/天干煤粉加压气化技术开发与示范，该装置于2012年投入运行。
航天炉（HTL）气化技术
HTL气化炉是由中国航天科技集团北京航天石化技术装备工程公司开发，集成了Shell粉煤输送技术、GSP气化技术和GE合成气激冷技术的单喷嘴粉煤加压气化技术。该技术适用于中型气化装置，投煤量在500～1000吨/天较为合适。2010年10月，首套示范装置在安徽临泉化工股份有限公司建成并运行[9]。
东方炉（SE）粉煤气化技术
华东理工大学和中国石化集团公司联合开发了SE粉煤加压气化技术。已在中国石化扬子石油化工有限公司建成日处理煤1000吨级SE气化示范装置，2014年1月首次投料试车，2014年10月通过满负荷运行标定。
该气化技术的工艺指标先进，采用贵州煤和神华煤6:4混配作为气化用煤，入炉煤粉的灰熔融温度约为1300℃，灰分16%。满负荷考核指标：比氧耗331 Nm3/kNm3（CO H2）；比煤耗569 kg/kNm3（CO H2）；碳转化率98.3%；有效气含量89%；灰渣比约4:6。目前在建和运行的气化炉共计13台，最大单炉日处理煤量为1500吨[10]。
结论
中国气流床煤气化技术的研究开发、工程示范、长周期高效运行以及进一步大型化，有力支持了现代煤化工产业的发展。中国目前拥有世界上最大的水煤浆气化炉，煤气化技术的基础研究和技术开发均已进入国际先进行列。如华东理工大学洁净煤技术研究所在气化技术规模化方面的优势已得到工业运行装置的充分验证，日处理3000吨煤的超大型水煤浆气化装置的建成拉开了煤气化技术超大型化示范的序幕，未来将进一步提升中国煤气化技术的工业应用水平，并继续推动煤化工、煤基多联产等领域的技术进步。
参考文献
[1] Yu, Z.H., & Wang,F.C. (2010). Coal gasification technology [in Chinese]. Beijing: ChemicalIndustry Press. [2] Yu, G.S., & Yu,Z.H. (2006). Development and industrial application of opposed multi-nozzlecoal-water slurry gasification technology [in Chinese]. Science &Technology Industry of China, 2, 28–31. [3] Guo, X.L., Dai, Z.H.,Gong, X., Chen, X.L., Liu, H.F., Wang, F.C., & Yu, Z.H. (2007). Performanceof an entrained-flow gasification technology of pulverized coal in pilot-scaleplant. Fuel Processing Technology, 88, 451–459. [4] Ren, Y.Q., Xu, S.S.,Zhang, D.L., Xia, J.C., Zhu, H.C., & Gao, S.W. (2004). Experimental studyof dry pulverized coal pressurized gasification technology [in Chinese]. CoalChemical Industry, 32(3), 10–13. [5] Zhao, T.B. (2013).Investigation on the operation and performance of coalwater slurry gasificationin Tsinghua furnace [in Chinese]. Inner Mongolia Petrochemical, 4, 85–86. [6] China Youth Online.(2016, 27 September). Multi-nozzle opposite type coal-water slurry gasificationtechnology of East China University of Science and Technology once again goesabroad [in Chinese], news.cyol.com/content/2016-09/27/content_14112973.htm [7] China ChemicalIndustry News. (2016, 31 May). Rewriting the history of China’s coal gasificationtechnology import [in Chinese]. R&D of the Clean Coal Technology ResearchInstitute of East China University of Science and Technology documentary [inChinese], ipaper.ccin.com.cn/papers/ccin/2016-05-31/page_2B.html [8] Higman, C. (2013, 16October). State of the gasification industry—the updated worldwidegasification database. Presented at Gasification Technologies Conference, Colorado Springs, USA. [9] China ChemicalIndustry News. (2016, 24 March). Aspects of Chinese coal gasificationtechnology market [in Chinese], www.ccin.com.cn/ccin/news/2008/03/24/35508.shtml [10] China ChemicalIndustry News. (2014, 6 May). Coal gasification marches towards a “big” era. [in Chinese], www.ccin.com.cn/ccin/6771/6773/index.shtml
|
|
|
