新型煤氣化技術在石化行業(yè)的應用前景

汪家銘

( 川化集團有限責任公司，成都610301)

我國是一個煤炭資源豐富的國家，也是世界上最大的煤化工生產(chǎn)國家。煤化工行業(yè)的關鍵技術之一是煤氣化技術，即將煤炭潔凈、高效地轉化為由一氧化碳和氫構成的合成氣體的技術。該技術是煤炭加工轉化成化工產(chǎn)品、煤變油等工業(yè)的基礎性技術，也是以煤炭為原料的諸多行業(yè)的關鍵技術。而煤氣化技術的核心便是氣化爐，氣化爐水平的高低是直接制約煤化工企業(yè)經(jīng)濟效益與安全環(huán)保問題的關鍵性硬件因素［1］。同時，先進的煤氣化技術對于我國減輕燃煤造成的環(huán)境污染，降低我國對進口石油的依賴具有重大意義。

目前石化行業(yè)較為流行的粉煤氣化技術主要有兩大類別，即水煤漿耐火磚技術與干粉水冷壁技術，綜合分析各項指標表明，上述兩種粉煤氣化技術都有不盡完美之處。水煤漿水冷壁氣化技術充分發(fā)揮了水煤漿耐火磚技術和干粉水冷壁技術的全部優(yōu)點，同時有效克服了不足之處，既有水煤漿進料的穩(wěn)定性優(yōu)勢又有水冷壁氣化爐煤種適應性好的特點，使其技術性能達到了近乎完美的程度［2］。煤化工行業(yè)核心技術及相關裝備長期以來一直被國外巨頭所壟斷，但在水煤漿水冷壁氣化技術方面這些國外大公司還始終未曾獲得成功。山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)有限責任公司與清華大學、北京達立科科技有限公司歷經(jīng)3 年成功開發(fā)了水煤漿加壓氣化技術［3］(即水煤漿水冷壁氣化技術)，并在山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)有限責任公司臨猗分公司建成水煤漿水冷壁氣化爐投入實際應用獲得成功。

1 水煤漿水冷壁氣化技術

1.1 工藝流程

山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)有限責任公司臨猗分公司水煤漿水冷壁氣化爐與水煤漿耐火磚氣化爐的最大區(qū)別在于將爐體的耐火磚改為水冷壁。整個系統(tǒng)由煤漿槽攪拌器、氣化爐、破渣機、高壓煤漿泵、鎖斗循環(huán)泵、鍋爐水循環(huán)泵、汽包、工藝燒嘴、氧氣放空消音器等組成，工程總投資7 000 余萬元，設計單位是西安華陸工程科技有限責任公司(原化工部第六設計院)，其中氣化爐由西安核工業(yè)公司制造，水冷壁及汽包由太原鍋爐廠設計制造，鍋爐水系統(tǒng)泵由中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所制造。水煤漿水冷壁氣化裝置中，水煤漿和氧氣分別由氣化燒嘴中間環(huán)隙通道和燒嘴外側環(huán)隙進入氣化爐，隨后一起在溫度1 100 ～1 400 ℃、壓力4 MPa 下的氣化爐內進行氣化反應，生成主要成分為CO、H2、CO2、H2O 的高溫有效氣體，并經(jīng)下降管進入激冷段。在激冷段，高溫氣體在冷卻水液面下離開下降管，被冷卻至110 ～280 ℃后通過出氣管口排出氣化爐。冷卻水從入口管經(jīng)激冷環(huán)進入下降管，沿管內壁向下流動，并經(jīng)出水管口排出氣化爐激冷段。爐渣經(jīng)排渣口排出氣化爐［4］。水煤漿水冷壁氣化爐工藝流程見圖1，主要技術指標見表1。

圖1 水煤漿水冷壁氣化爐工藝流程

表1 水煤漿水冷壁氣化爐主要技術指標

1.3 工藝特點和優(yōu)勢

山西陽煤豐喜肥業(yè)集團臨猗分公司新建水煤漿水冷壁氣化爐項目由2009 年初開始建設，歷經(jīng)2 a 多時間，于2011 年8 月投料成功并連續(xù)穩(wěn)定運行，配套合成氨生產(chǎn)能力為150 kt/a。至2012年1 月氣化爐計劃停車檢修，連續(xù)運行時間140 d，創(chuàng)造了世界上工業(yè)裝置原始開車的一個奇跡［5］，也創(chuàng)造了水煤漿氣化爐連續(xù)運行的世界紀錄。水煤漿水冷壁氣化技術與傳統(tǒng)德士古氣化技術流程相似，但有許多改進之處，其最主要的是將耐火磚改為水冷壁。水冷壁結構采用熱能工程領域成熟的懸掛垂直管及本質安全的自然循環(huán)設計，既保持了水循環(huán)的安全性又避免了復雜的熱膨脹處理問題，使氣化系統(tǒng)能夠實現(xiàn)長周期運行。水煤漿水冷壁氣化爐的主要技術特點如下:

(1)系統(tǒng)運轉率高。水煤漿氣化工藝成熟，水冷壁掛渣穩(wěn)定，不需要設置備爐。用水煤漿進料穩(wěn)定可靠，避免了粉煤進料不穩(wěn)定、易燃、易爆、易磨損、泄漏等難題。裝置運行連續(xù)穩(wěn)定，特殊設計的工藝燒嘴冷卻系統(tǒng)有效延長了燒嘴的使用壽命，大大簡化了氣化系統(tǒng)設計，一次連續(xù)運行周期可以保證120 d 以上，每年不再因為換磚而停爐檢修，單爐年運行時間可達到8 000 h。

(2)啟動速度快。水煤漿投料點火采用“火點火”技術，這不同于耐火磚結構氣化爐采用的“蓄熱點火”技術，由于使點火升溫過程簡化，點火、投料程序一體化完成，減少了燒嘴更換的勞動強度，可以大大提高氣化爐的啟動速度。水煤漿投料點火采用特殊設計的點火技術，氣化爐從冷態(tài)到滿負荷僅需3 h，啟動燃料消耗少。

(3)煤種適應性強。多噴嘴和德士古氣化爐要求煤炭灰熔點不超過1 350 ℃，水煤漿水冷壁氣化爐氣化溫度不受耐火材料限制，可達1 700 ℃或更高，目前試燒的煤炭的灰熔點達到1 450 ℃，氣化反應速度快，碳轉化率高，煤種適用性相對較寬，能夠使用高灰分、高灰熔點、高硫的煤，易于實現(xiàn)原料煤本地化。但若長期使用高灰熔點煤，經(jīng)濟性將會較差。

(4)維修費用少。由于取消了耐火磚，采用水冷壁保護，徹底擺脫氣化爐耐火磚磨損后的更換問題，無需定期停車換磚，既減少了耐火磚采購和筑爐費用，也避免了因更換耐火磚而造成的長達2 個月停爐時間，提高了氣化爐年度運轉時間。另外，水冷壁氣化爐的鋼殼溫度比熱壁爐要低50～100 ℃，可使用較為廉價的15CrMoR 型鋼材代替SA387 型鋼材，使水冷壁氣化爐的整體造價基本等同于耐火磚氣化爐，可以同時達到節(jié)省費用、創(chuàng)造效益以及長周期運行的效果。

2 水煤漿水冷壁氣化技術的推廣應用

近年來我國氮肥、甲醇和新型煤化工領域取得了一大批重大技術突破，其中最關鍵的核心技術是煤氣化技術，在水煤漿氣化工藝上除了引進GE 技術外，國內華東理工大學和兗礦集團有限公司共同開發(fā)的大型多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，清華大學、山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)股份有限公司和北京盈德清大科技有限責任公司三方合作開發(fā)推廣的水冷壁水煤漿氣化爐等自主研發(fā)技術目前已經(jīng)具備了全面推廣的條件，正進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣階段。

2011 年9 月，為促進水煤漿水冷壁氣化爐及氣化技術的完善與發(fā)展，清華大學、北京達立科科技有限公司、山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)有限責任公司在山西運城簽署清華爐成果共享與研發(fā)合作協(xié)議書。三方共同約定，水煤漿水冷壁氣化爐及氣化技術的推廣、轉讓等事宜由北京盈德清大科技公司獨家經(jīng)營，以期實現(xiàn)第二代水煤漿水冷壁“清華爐”產(chǎn)業(yè)化。

作為針對中國煤種和企業(yè)實際情況開發(fā)，具有中國特色的新型煤氣化技術，新型水煤漿水冷壁煤氣化技術已經(jīng)具備了全面推廣的條件，正在進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣階段，目前全國石化行業(yè)已有8 家企業(yè)16 臺水冷壁氣化爐在建，國內水煤漿水冷壁氣化技術推廣應用情況見表2。

表2 國內水煤漿水冷壁氣化技術推廣應用情況

2012 年3 月北京盈德清大科技公司與北大荒股份公司浩良河化肥分公司(簡稱:浩化公司)正式簽署了《黑龍江北大荒農業(yè)股份有限公司浩良河化肥分公司德士古水煤漿氣化爐改造技術協(xié)議》。浩化公司現(xiàn)使用氣化爐為2004 年7 月開始運行的德士古水煤漿耐火磚爐。為改變耐火磚爐維修、運行費用較高，氣化裝置年運作周期受限等不利狀況，浩化公司經(jīng)過大量細致的技術調研和論證，委托盈德清大公司對其在用氣化爐進行改造。

2012 年4 月初，北京盈德清大科技公司與江蘇華昌化工股份有限公司在江蘇省張家港市金港鎮(zhèn)保稅區(qū)正式簽署了《原料結構調整技術改造項目》技術轉讓合同。合同明確由北京盈德清大科技有限公司向江蘇華昌化工股份有限公司轉讓水煤漿水冷壁技術，為項目提供330 kt/a 合成氨及2.0 ×108m3/a 氫氣氣化裝置工藝設計軟件包及相關技術服務。項目氣化裝置選用日投混煤為2 kt，工作壓力6.5 MPa、爐徑3 200 mm 的水煤漿水冷壁氣化爐。這些技術轉讓充分展示了水煤漿水冷壁氣化技術的先進性、可靠性和競爭實力，標志著具有我國自主知識產(chǎn)權的水煤漿水冷壁氣化技術在煤氣化領域推廣應用再一次取得了成功。

2012 年7 月底，北京盈德清大科技公司、東華工程科技股份公司、貴州鑫晟煤化工公司、哈爾濱鍋爐廠、山西陽煤豐喜化工設備公司、北京航天石化技術裝備工程公司、洛陽海特耐火材料公司等7 家企業(yè)簽署合作意向書，計劃在半年內，依托貴州鑫晟煤化工公司多元料漿氣化爐改造為水煤漿水冷壁氣化爐項目，完成全球新型煤氣化爐的首例改造。貴州鑫晟煤化工公司的煤氣化工程原采用多元料漿氣化工藝，甲醇產(chǎn)能300 kt/a，于2010 年12 月投產(chǎn)。由于多元料漿氣化爐與煤種的匹配性問題，該工程原料煤一直使用云南產(chǎn)的煤炭，運輸成本非常高。水煤漿水冷壁氣化爐試燒的煤種灰熔點可達1 500 ℃以上，能夠使用當?shù)孛簩崿F(xiàn)高溫連續(xù)生產(chǎn)，可以滿足貴州鑫晟煤化工公司實現(xiàn)原料煤本地化的目的。目前貴州鑫晟煤化工公司共有3 臺多元料漿煤氣化爐，如果3 臺氣化爐全部改造完成，甲醇產(chǎn)能將達到1.2 Mt/a，該企業(yè)將發(fā)展成為貴州乃至西南地區(qū)最大的甲醇生產(chǎn)基地，并繼續(xù)發(fā)展烯烴產(chǎn)品，實現(xiàn)高端轉型。

2012 年12 月，北京盈德清大科技公司與山東金誠化工科技有限公司正式簽署了《MZRCC 及其配套項目》專利實施許可合同。根據(jù)此次簽署的項目實施許可合同，北京盈德清大科技有限公司將向山東金誠化工科技有限公司許可使用水煤漿水冷壁清華爐技術，為項目提供60 000 m3/h(CO+H2)氣化裝置工藝設計軟件包及相關技術服務。項目氣化裝置選用日投煤為1 kt，工作壓力6.5 MPa、爐徑2 600 mm 的水煤漿水冷壁氣化爐。

2013 年1 月，北京盈德清大科技公司與中鹽德邦(江蘇)化工有限公司在江蘇省連云港市進行興華科技搬遷改造項目設計暨清華爐技術轉讓合同簽字儀式。中鹽德邦正全力以赴組織實施興華科技搬遷工作項目(徐圩新區(qū)項目)建設。項目計劃總投資36 億元。項目規(guī)劃建設350 kt/a合成氨、40 000 m3/a 空分、600 kt/a 聯(lián)堿、300 kt/a尿素、500 kt/a 高效復合肥生產(chǎn)裝置，計劃2014 年底建設完成。本次煤氣化技術轉讓合同由北京盈德清大科技有限公司許可中鹽德邦(江蘇)化工有限公司使用水煤漿水冷壁煤氣化技術，為項目提供110 000 m3/h(CO +H2)氣化裝置工藝設計軟件包及相關技術服務。項目氣化裝置選用日投煤為1.1 kt，工作壓力6.5 MPa、爐徑2 800 mm 的水煤漿水冷壁氣化爐。

3 前景展望

目前水煤漿水冷壁氣化技術不僅在傳統(tǒng)的煤化工行業(yè)顯示了良好的應用前景，而且已經(jīng)開始進入石化行業(yè)。受越來越嚴重的大氣環(huán)境污染的影響，油品質量問題越來越得到重視。國務院在2013 年2 月決定加快油品質量升級，并明確了我國油品質量升級的時間表，要求加快國內煉油企業(yè)升級改造，確保按照汽、柴油標準升級實施時間如期供應合格油品。由于我國煉油企業(yè)加工的原油中硫的質量分數(shù)一般都較高，在汽油、航煤、溶劑油等煉制過程中，煉油企業(yè)普遍采用加氫工藝進行深度脫硫脫雜質處理，因此需要耗用大量的氫氣，如中國石化岳陽長煉煉油廠耗氫量達58 000 m3/h，除了極少量用于聚丙烯等小化工用氫外，其余大部分氫氣全部用于石油煉制。

目前主要的制氫方法是天然氣、液態(tài)烴、石腦油制氫和水電解制氫。受資源和技術條件的限制，在太陽能、風能、地熱能和可再生能源實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應用之前，煤制氫在經(jīng)濟上具有一定的優(yōu)勢。煤炭是我國礦藏分布最廣、資源比較豐富的一種能源，由于石油和天然氣資源量的不足，因此我國在較長的時間內以煤炭為主的能源結構不會改變。采用新型煤氣化技術制氫可以降低裝置投資和制氫成本，可以更經(jīng)濟、更環(huán)保、更安全地為石化企業(yè)提供低成本高品質的氫氣，滿足煉油廠日益增加的氫氣需求，在我國具有十分廣闊的發(fā)展前景。

隨著今后國家實施更嚴格的油品標準和社會對環(huán)保問題的更加關注，在當前原油價格高，利用天然氣、液態(tài)烴、石腦油生產(chǎn)氫氣面臨著資源緊缺和成本壓力的情況下，水煤漿水冷壁煤氣化技術在石化行業(yè)制氫方面的競爭實力將會得到充分顯現(xiàn)。這對于石化行業(yè)實現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能減排目標，具有重大的現(xiàn)實意義，正面臨著前所未有的發(fā)展機遇。

4 結束語

水煤漿水冷壁氣化技術作為一種新型煤氣化技術的成功開發(fā)，為以煤為原料制大型化工、石化、液體燃料、城市燃氣及多聯(lián)產(chǎn)領域提供了技術支撐。水煤漿水冷壁氣化示范裝置的設計、建設、開車和運行就是一個不斷探索、認識、掌握和提高的過程，“十二五”期間，國內在建的煤制氣、煤制氫、煤制油、煤制烯烴裝置及煤發(fā)電等，都將對新型水煤漿氣化技術產(chǎn)業(yè)化推廣有強勁需求。到2020 年，我國煤化工、石化、化肥等行業(yè)對煤氣化爐的需求量將達2 250 套，從而成為世界上最大的煤氣化爐市場。未來幾年，水煤漿水冷壁氣化技術等先進的氣化技術正處于產(chǎn)業(yè)化關鍵階段，有望成為行業(yè)發(fā)展的未來，為解決我國的能源戰(zhàn)略安全和生態(tài)環(huán)境凈化做出貢獻，也為國內數(shù)量眾多的石化企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級與技術改造，提供了一個高水平、低成本的煤氣化技術選擇。

［1］ 陳俊峰. 煤氣化技術的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展［J］. 廣州化工，2012，40(5):31 -33.

［2］ 王洪營，楊悅敬，楊國棟，等.具有自主知識產(chǎn)權的三種煤氣化技術對比［J］.河南化工，2012(29):26 -29.

［3］ 李寧波，王勝學，郭理陽.世界首臺水煤漿水冷壁氣化爐研發(fā)成功［N］.山西日報，2011.9.3.

［4］ 李戰(zhàn)學，韓喜民，孟令兵，等. 水煤漿水冷壁氣化技術綜述［J］.中氮肥，2012(2):7 -10.

［5］ 方金蘭.世界水煤漿水冷壁氣化技術“第一爐”落子煤都山西［N］.香港文匯報，2012.3.12.