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清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的先进性、实用性和发展前景

 

   2007年10月23日清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)通过国家72小时连续运行考核。两年的运行实践和考核结果表明:消化吸收国外技术,自主开发创新的非熔渣—熔渣分级气化技术已经成熟,采用该技术的工业装置运行稳定,开工率高,自第一次化工投料始,年运转率达94%,年负荷率达120%,气化炉的投资/能力比传统水煤浆气化炉低20%,到2009年4月止又有五套清华炉气化装置投入建设之中。
1. 清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)发展背景和技术简介
1.1清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的发展背景
     由于世界性的油气短缺、价格上扬,特别是中国多煤少油的资源特点,使煤气化技术在中国进入了发展的快车道。我们:北京达立科公司与清华大学、丰喜肥业共同所有,由北京达立科公司经营的清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)也取得令人满意的实质性进展。清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)前期得到国家863计划支持,课题编号:2002AA 529050,2005年已由科技部组织验收。
     技术实施阶段得到国家发改委支持,列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目,文件编号《发改办高技【2006】2352号》,2007年已经通过国家级考核和鉴定。
1.2煤气化技术路线的分析和我们的选择
     煤气化技术有各种分类方法,以进料形态分类,可分成块煤气化、碎煤气化和粉煤气化三大类,分列如下:

名称
进料粒度(mm)
流体力学条件
典型炉型
特   点
块煤气化
6~80
煤从炉顶加入,气化气体从炉底加入,气流升力不致使固体煤块发生相对位置变化,称固定床(或移动床)造气。
UGI、LURGI(鲁奇)等。国内中小化肥厂使用的多为UGI炉型,国外已不再采用。
历史长久,技术成熟,单炉能力小,副产物多,环境友好性差,煤种适应性窄。
碎煤气 化
1~10
气化气体从炉下部进入炉内,与碎煤形成流化状态,称流化床造气。
美国U-GAS技术,首批工业化炉在中国上海建成(已报废)。山西煤化所灰团聚技术,已有常压装置投产。
发展历史长,但进展不快,主要是高温流化床有些基本问题有待解决。单炉能力不大,副产物多,煤种适应性宽。
粉煤气 化
<0.1
粉煤由气化气体带入炉内,发生并流式燃烧和气化反应。受气化空间限制,反应时间很短(1~10秒),因此要求入炉煤粒度<0.1mm,称气流床造气。
TEXACO(德士古)、SHELL(壳牌)、四喷嘴(华东理工兖矿)分级气化(达立科清华)、航天炉另外尚未工业化的有GSP(西门子已收购)技术等。
历史不很长,但发展很快,单炉能力大,副产物少,煤种适应性宽。

     从上表可以看出,从气化发展历史角度分析,粉煤气化有很强的生命力。最近二十多年,国内国外都在集中力量研究和发展粉煤气化技术,其内在原因是粉煤气化技术的环境友好,单炉能力大,能量利用率高,是煤气化技术的发展方向。
     粉煤气化有水煤浆(湿法)和干煤粉(干法)两类,以GE(美国德士古)和SHELL(英荷壳牌)为其典型流程。资料分析和现场考察(美国依思曼和荷兰德姆科)表明:水煤浆气化技术成熟,装置运行稳定,问题是喷嘴寿命短,难于使用高灰熔点煤;干粉气化技术可使用高灰熔点煤,但是成熟度不够,装置长周期运行成绩不佳。经过研究我们的结论是:依靠我们的技术积淀,在技术成熟的水煤浆气化基础上解决其存在问题,可以较快形成新的具有自主知识产权技术。干粉气化技术的问题在于粉煤气流输送的计量精度难于达到气化炉内氧煤比的控制要求,导致炉内温度波动,影响装置安稳长运行;应用高挥发分煤的安全性较差。我们决定,全力进入粉煤气化研究开发领域,第一步以水煤浆为原料,开发宽煤种、长周期运行水煤浆气化技术;第二步开发干煤粉泵,从根本上解决干煤粉气化的关键问题。现在9年过去了,我们取得了预期的成果,推出了具有全新性能的清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)。2009年4月,中国石油和化工协会召开国内专家和壳牌技术使用者会议,会议取得共识:目前不宜再引进壳牌技术,这也从另一个侧面证明我们9年前的选择是正确的。
1.3新技术应用领域和技术原理
     清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)应用于国家重点新能源领域,煤炭的清洁利用和石油、天然气替代项目。其主要技术原理是将煤炭加工成粉状(水煤浆或干粉),加压送入部分氧化气化炉中生产合成气。
清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的特点是:
     通过氧气分级供给,气化炉主烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别向气化炉内加氧,使气化炉主烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束,改变了主烧嘴局部区域氧化强度过高的状态,使气化炉轴向温度均衡并有所提高,充分发挥气化炉全容积的气化功能。
     在主烧嘴中心通道采用氧含量从0到100%的不同气体作为主烧嘴预混气体,不仅调整了火焰中心的温度,而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离,有利于降低主烧嘴端部温度,延长其使用寿命。生产甲醇时,采用CO2作预混气体,不仅可以保护主烧嘴,还可以使气化炉内起控制作用的变换反应向CO方向移动,提高有效气体成份。
1.4新技术的创造性、先进性及与国内外同类技术比较
1.4.1新技术的创造性、先进性
     清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)工艺过程如图所示。原料(水煤浆、干煤粉或者其它含碳物质)通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段,采用纯氧作为气化剂,采用其它气体如O2或与O2以任意比例相混合的CO2、N2、水蒸汽等作为预混气体调节控制第一段氧气的加入比例,使第一段的温度保持在灰熔点以下;在第二段再补充部分氧气,使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成全部的气化过程。

     把一次给氧的连续气化过程分为二次或多次给氧的两级(或多级)气化过程是在对现有问题分析和机理研究的基础提出来的,具有科学性。连续的气化过程,其实际的气化过程也是分段依次进行的,开始是水分的蒸发和脱挥发分过程,接着才是煤颗粒的着火燃烧和气化过程。本工艺提出将煤颗粒的着火燃烧再进行分级,主要的燃烧过程在第一段完成,在第二段补充部分氧气,完成全部的燃烧过程和气化过程,并且在第一段控制氧气的加入比例,保持温度在煤的灰熔点以下。在第二段加入氧气的作用下使温度提高到煤的灰熔点以上,从而实现煤的非熔渣-熔渣分级气化。
     在清华大学建立了气化炉冷态和热态实验台,对分级气流床煤气化工艺进行了深入研究。研究的结论是:
1. 分级给氧气流床气化炉轴向温度分布得到优化,如图所示。
     从烧嘴向下形成低—高—低温度曲线,高温区从烧嘴端部下移,使烧嘴处于相对低的温度区域,使出渣口接近高温区,同时提高了气化炉内平均温度。在工业生产中得到验证:烧嘴寿命达到106天,比传统工艺长一倍。煤种适应性宽,可采用灰熔点1400℃的煤,比传统工艺高100℃。

2. 分级给氧气流床气化炉的流场更为合理,如图所示。

     由于二次给氧在氧气入口处形成反扩散火焰,氧气进入了炉顶部区域。请注意:传统的气化炉没有水平方向的给氧,在炉顶部形成了缺氧的黑区,不能承担气化反应,分级给氧工艺二次给氧反扩散火焰的卷吸使部分煤颗粒和氧进入炉顶部区域。由于水平方向只有质量很小的氧气射流,在向下主气流作用下,即使水平方向氧气流速达到160m/s也不会射到对面炉壁;水平方向射流中没有固体煤颗粒射入,只从主气流中卷吸部分煤颗粒参与燃烧和气化,不会产生过度高温威胁炉顶砖。以上两方面使分级给氧工艺具有本质上的安全性。这一点也在工业生产中得到验证:不投入二次给氧时,炉顶砖上附有厚厚的高低不平蜂窝状渣层,投入二次给氧以后,炉顶砖上附有致密均匀的渣层。
     分级给氧气化工艺流场的优势在于恰到好处地利用了炉顶部区域传统工艺的黑区完成燃烧气化过程,而没有过度反应影响炉顶砖的寿命

     运行8000小时后的耐火砖(新砖厚度23cm

     清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)从化学反应过程上与现有气流床煤气化技术有着本质的区别,而不单单是气化炉的物理特征上的差别,因此是具有独立知识产权的新型专利技术。现有的气流床煤气化工艺,不论是一级给料的GE、Shell、GSP、Prenflo和多喷嘴气化,还是两级给料的E-Gas的两段水煤浆和西安热工院的两段干粉气化,气化炉内原料的反应过程都是一样的,即经历了脱水分和挥发份→燃烧→气化三个阶段。而清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)通过氧气的分级加入,将煤的气化反应过程从三个阶段变为五个阶段,即脱水分和挥发份→燃烧→气化→再燃烧→再气化,在化学反应过程上有着本质的区别。
1.4.2与国内外同类技术比较
与国内外同类技术比较情况归纳汇总如下:

序号
项  
水煤浆非熔渣—熔渣
分级气化技术
国内外其它水煤浆
气化技术
1
气化原料
水煤浆
水煤浆
2
气化原理
部分氧化
部分氧化
3
气化炉给氧级数
2
1
4
气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量关系
脱离约束
约束
5
气化炉轴向温度特性
低—高—低
高—低
6
气化炉主烧嘴端部温度
低(低200℃)
7
有效气体成份
比不分级高1~2%
 
8
气化炉长径比
炉温轴向温度均衡,长径比可加大
炉温轴向温度从高到低,长径比不宜加大
9
煤种适应性
在灰熔点1400oC以下运行
在灰熔点1300oC以下运行

     清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)的独特型和先进性已经得到国内外专家的认可。在国内,国际工程咨询公司对该技术进行了评估,评估认为“具有自主知识产权,能与当今世界先进的壳牌(Shell)、德士古(Texaco)、GSP等气化技术竞争;从小试到工业化生产,在参与各方的共同努力下,各项工作进展都很顺利,已经具备了高技术产业化的条件。……在当前国内大搞煤化工,各企业纷纷引进国外技术的形势下,急需开发具有自主知识产权的新技术,以打破外国公司的技术垄断;……评估建议,企业加强合作,尽快完成工业化规模的实验,及时总结经验进入鉴定推广阶段。”在国际上,我们与GE、IHI、Shell等公司在气化技术方面一直保持着密切的技术交流,并且得到这些公司对该技术的认可,此外BP也意识到本技术的专利独特性,已经和我们签订了技术评估协议(BP Reference: BPI/PAT/EDK/50487),目前已完成评估工作,对清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的基础研究和工程实践给与很高评价。
     清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)是在消化吸收国外水煤浆气化技术的基础上自主创新,具有国外成熟技术运行稳定的基本性能,又有自己独特的创新点。采用该技术的丰喜肥业集团气化装置(20万吨/年甲醇气头)自2006年1月23日首次化工投料至今,年运转率达到94%,年负荷率达到120%,创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。
     由于氧气分级供给,气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量脱离约束,减少了主烧嘴的氧化负荷,改善了主烧嘴的工作环境,延长了其运行周期,工程实践中最长运行周期已达到106天;由于氧气分级供给,比不分级气化炉轴向温度均衡,长径比可加大,同样直径气化炉的生产能力大于国内外其它水煤浆气化技术的气化炉;由于氧气分级供给,改善了炉内的温度场,提高了炉内的平均气化温度,使有效气体成份提高1~2%;由于炉内高温区在二次进氧的范围内,平均炉温高,出渣区域接近高温区域,扩大了清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)煤种的适应性。在丰喜肥业的气化装置上已达到的指标是:气化炉测量温度低于进料煤灰熔点100℃(实际高温区温度高于灰熔点,但无法测量),这一点十分重要:以耐火材料为防护的气化炉一般耐受温度可达到1300℃,清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)就可以使用灰熔点为1400℃的煤作为气化原料,大大扩展了煤种的适应性
1.5气化炉的能力匹配
     下面列出几种不同炉型,采用清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)与采用传统水煤浆技术硬件投资相近,但是能力范围却有不同。


                                气化岛造气能力匹配图

说明:1. 1×104NM3/h(CO+H2)生产能力大约相当于每小时4.2吨甲醇、0.87吨氢的生产能力。
     2.清华炉(非熔渣—熔渣分级气化岛)与传统水煤浆气化岛硬件投资相近。
     3.柱状图为设计能力,仍保留+10%以上生产弹性。
     4.清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)有效长径比(气化室直筒段/气化室内径)约为3.4,传统气化炉约为3.0。
     5.本图以神木煤为基础测算绘制。
2.技术成熟并进入实用阶段
2.1 项目进展情况及成果已经完成专利技术研究、实验开发、工程设计、工业装置建设、工业装置正常投入运行的全过程。

◆专利技术研究:(2001年至2006年)
    非熔渣—熔渣气化炉                 ZL 02 2 35127.2
    一种改进的非熔渣—熔渣气化炉       ZL 03 2 79783.4
    用于煤、焦气化的分级式气化炉       ZL 2006101140391
    经过中国化工信息中心查新,本技术具有新颖性,详见《中国化工信息中心查新报告2007-237》。
◆基础理论研究和冷热态试验:(2002年至2005年)
    得到国家863计划支持,(课题编号:2002AA529050)完成了数学模型、冷态实验和热态实验,在热态实验中,得到了预期结果。
◆工艺包和工程设计:(2002年至2006年)
    完成了清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)工艺包和工程设计,同时完成其后续装置10万吨/年甲醇装置工程设计,为装置建设创造了必要的条件。项目实施阶段得到国家发改委支持,列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目,文件编号《发改办高技【2006】2352号》。
◆装置建设、开工和正常运行:(2003年至2007年)
     采用清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的20万吨/年甲醇生产装置一期工程于2003年正式开工建设,2006年1月在山西丰喜肥业集团建成,一次开车成功。截至2007年10月21日考核止,累计自然天数637天,运行天数603天,在这637天期间运转率94.66%,平均日负荷率107.3%,年负荷率达到120%。
     清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)于2007年10月23日顺利通过72小时考核。
专家考核组认为:
1.装置连续稳定运行72小时,平均负荷率为109.4%,装置各项指标平稳。
2.运行数据与计算结果真实可靠,考核装置满负荷运行的技术指标如下:

项目
单位
考核数据
比氧耗
Nm3/1000Nm3(CO+H2)
367.6
比煤耗
kg/1000Nm3 (CO+H2 )
553.5
有效气成分 (CO+H2)
%
83.06
碳转化率
%
98.2
产气率
Nm3干气/kg煤
2.18
能力
吨粗醇/天
390

 

 

 

 

3.气化装置自动化程度高,安全可靠,操控性能良好。预混气由氧气切换为二氧化碳时装置运行平稳。预混气体为二氧化碳时炉上部温度比预混气体为氧气时低50℃(清华大学实验室测定气化炉中心的温度低200℃),有利于延长喷嘴使用寿命。
4.与国内外水煤浆气化技术相比,本项目的技术创新点在于:
(1)采用分级给氧,使主喷嘴附近温度降低,有助于延长喷嘴寿命。气化炉内的温度分布更加均匀,平均温度提高;气化炉主烧嘴的氧气量可以脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束。
(2)主烧嘴可以采用氧含量从0~100%的不同气体(如CO2或N2)作为主烧嘴预混气体。
    非熔渣-熔渣分级气化技术与现有其它粉煤液态排渣气化技术相比具有新颖性和创新性。
5.本工程在实验室研究的基础上进行工程设计,成功实现了工程化放大,表明研究与放大方法科学、正确,掌握了该技术的工程放大规律,奠定了向更大规模跨越的理论与工程化基础。
6.本装置采用国产化技术和设备,工艺设备国产化率达到100%。
7.非熔渣-熔渣分级气化技术先进可靠,有效气体成分比氧气不分级的高1~2%。考核期间分级运行平稳,由O2切换为CO2作为主喷嘴预混气体时,切换平稳,操作运行数据达到了考核要求。
8.本次考核采用华亭和神木的混合煤,专家组认为混合煤的煤质与设计煤种没有实质性差异,可以作为考核煤种。
根据以上现场考核结果,专家组意见和建议如下:
(1)示范装置72小时的满负荷考核数据达到了考核指标要求,建议予以项目验收。
(2)对降低喷嘴端部温度,延长喷嘴使用寿命的实际效果需继续进行观察。
(3)本项目技术性能考核指标优于国外同类技术,是具有国际先进水平、自主知识产权的新型煤气化技术,并在示范工程中成功应用,取得显着效果,希望有关部门予以推广。

     受国家发改委委托,2007年12月6日中国石油和化学工业协会在北京组织召开了“非熔渣—熔渣分级氧化气化技术”科技成果鉴定会。鉴定委员会听取了成果完成单位北京达立科科技有限公司、清华大学和山西丰喜肥业(集团)股份有限公司所作的工作报告、研究报告、工业运行报告及现场考核专家组的考核报告等,审查了有关技术资料,经过认真讨论,形成鉴定意见认为:
     非熔渣—熔渣分级气化技术“处于水煤浆气化技术的国际先进水平。”
2.2自通过国家级鉴定后,清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)得到广大用户的关注。经过一年多的时间,已有二十余家用户与我们联系,其中五个项目已经进入建设阶段,已有业绩如下:
    ①山西丰喜一期(气化炉4.0Mpa、φ2800mm,日单炉投煤量可达700吨,2006年1月份已开车)
    ②山西焦化(气化炉4.0Mpa、φ2800mm,日单炉投煤量可达700吨)
    ③内蒙金诚泰(气化炉6.5Mpa、 φ2800mm,日单炉投煤量可达1150吨)
    ④大唐呼伦贝尔(气化炉4.0Mpa, φ2800mm,日单炉投煤量可达700吨)
    ⑤惠生内蒙(气化炉6.5Mpa, φ3200mm,日单炉投煤量可达1800吨)
    ⑥山西丰喜三期(水冷壁气化炉4.0Mpa、φ2800mm,日单炉投煤量可达700吨)
     惠生公司是一个集生产与设计、技术于一身的公司,自身拥有煤气化工厂,并完成了煤气化工厂的设计和总承包工作,清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)能被惠生公司选中,用于自建的内蒙180万吨/年甲醇(一期60万吨/年)工程中,我们深感荣幸和自豪。
     大唐呼伦贝尔化肥公司采用褐煤气化原料,充分显示了清华炉的技术集成优势。
    山西丰喜水冷壁气化炉将可采用无烟煤作为原料,使清华炉的原料覆盖范围大大超过国内外同类技术的水平。
2.3采用清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的四大优势
2.3.1具有独立自主知识产权
     我们(以清华大学为主)自主完成了清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的数学模型,冷态试验,热态一米炉试验;新技术与国内外已投产和将要投产的8种技术:GE、Shell、GSP、Prenflo、多喷嘴对置气化, E-Gas、航天炉、两段干粉气化不同,这8种技术的氧气均未分级,只有清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)分级给氧;清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)已取得了国家专利 ZL 02235127.2、ZL 03279783.4、ZL 2006101140391。采用清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)在知识产权问题上无后顾之忧。
2.3.2水煤浆气化工艺成熟,成功的工业实践多
     清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)结合立式旋风炉理念并消化吸收国外传统水煤浆气化技术,给料方式简洁、稳定;系统压力易于提高;配套技术成熟。正因为有这些优势,清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的第一个工程项目就取得了生产平稳,投产三年来取得了年运转率达94%,年负荷率达120%的好成绩。这个业绩表明,传统水煤浆气化技术工业实践已经为清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)的工业应用开辟了低风险的坦途

2.3.3以清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)为核心的经济型分级气流床气化技术是企业技术改造的最优选择
     以清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)为核心的经济型分级气流床气化技术是一个全新的技术集成,包括:高浓度水煤浆制备、二次给氧气化室、雾化激冷室、集中排渣技术、高效洗气塔、高压灰水能量回收技术、灰水系统真空控制技术、闪蒸汽回收利用技术。
     技术集成的基础是三结合的技术开发团队,以及这个团队在技术创新中所建立的三个基点:实事求是的设备国产化体系;全系统优化的工艺流程;科学高效的项目建设机制。与同类技术相比,以清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)为核心的经济型分级气流床气化技术整体可节约投资20%。由于清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)自身特点,降低了主喷嘴氧化强度,延长了主喷嘴的使用寿命。工业实践已经证明,采用经济型分级气流床气化技术运行周期更长,系统更为安全、平稳。
2.3.4不断创新,清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)可持续发展
①水冷壁的研究
     为了改善煤种的适应性,扩宽气化煤在灰熔点方面的要求,就必须进一步提高炉温。在这方面,采用膜式水冷壁是一个比较好的选择。我们与热工行业的专家紧密结合,工作进展十分顺利,预计丰喜肥业三期工程中采用的膜式水冷壁气化炉2010年底可投入运行。 
②干粉进料的研究
     经典的干粉进料方式需充分干燥,分仓加压,这种方式是切实可行的,但过程过于复杂,且能耗高、测控难度大,影响装置运行的稳定性。我们开展干粉泵送的研究,并就干粉泵申请了专利,希望走出一条新路
③新废热锅炉流程研究
     煤气化应用于发电行业,废热锅炉流程优于激冷流程。我们申请了专利,并设计了全新的废热锅炉流程,将在“国家IGCC和煤气化中心”中建设日投煤量25吨的实验装置。新废热锅炉流程将比较彻底地解决气流床气化炉出口气体的高温与废热锅炉耐高温材料选择的矛盾。
④褐煤改性研究
     在中国已探明储量的煤炭资源中,褐煤所占比例达15%以上。为提高褐煤的使用价值,我们申请了专利,并设计了针对褐煤的连续法高压中温改性流程。希望此项研究能在环境友好条件下做好褐煤改性工作。

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