水煤浆气化技术在中国的应用及其发展

水煤浆技术水煤浆气化技术在中国的应用及其发展1Texaco水煤浆气化技术的引进与完善（1）我国矿物能源以煤为主，到2010年，一次能源消费结构中煤占60％左右。大力发展洁煤技术，高效清洁地利用我国煤炭资源，对于促进能源与环境协调发展，满足国民经济快速稳定发展需要，具有极其重要的战略意义。煤气化作为洁净煤技术的重要组成部分，具有龙头地位。它将廉价的煤炭转化成为清洁煤气，既可用于生产化工产品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电(IGCC)和以煤气化为基础的多联产等领域。迄今为止，世界上已经商业化的IGCC大型电站，均采用气流床技术，最具有代表性的是以干煤粉为原料的Shell气化技术和以水煤浆为原料的Texaco气化技术。Shell气化技术即将被引进中国建于洞庭，显现其碳转化率高，冷煤气效率高的优势。相比之下，水煤浆气化技术在中国引进得早，实践时间长，研究开发工作也做得更深入。经过十多年的实践探索，中国在水煤浆气化技术方面，积累了丰富的操作、运行、管理与制造经验，气化技术日趋成熟与完善。经过长期科技攻关，在水煤浆气化领域，形成完整的气化理论体系，研究开发出拥有自主知识产权，达到国际领先水平的水煤浆气化技术。1Texaco水煤浆气化技术的引进与完善为了充分利用我国丰富的煤炭资源发展煤化工，自80年代至今，我国相继引进了4套Texaco水煤浆气化装置，用于生产甲醇与合成氨。该技术具有气化炉结构简单、煤种适应较广、水煤浆进料易控制安全、单炉生产能力大等特点。引进装置情况表：地点气化炉(台)处理煤量(吨/天)font气化压力(Mpa)产品投产时间技术来源鲁南2350～3.0氨1987.7Texaco专利许可证、工艺软件包;原化工部第一设计院设计吴泾415004.0甲醇1995.5Texaco专利许可证、工艺软件包;原化工部第一设计院设计渭河315006.5氨1996.2Texaco专利许可证日本宇部承包淮南315004.0氨2000.7Texaco专利许可证日本宇部承包针对引进装置运行中出现的各类问题，国内有关专家和技术人员在实践中积极探索，完成了多项技术改造。1.1煤种试烧西北化工研究院、原鲁南化肥厂分别建立了日处理24-35吨煤和15吨煤、8．5MPa的Texaco水煤浆气化中试装置，并在中试装置上进行了多样煤种的试烧研究，为水煤浆气化技术在国内的成功应用打下了基础。1.2调整煤种鲁南化肥厂的原料煤由原设计的七五煤(t3，温度-1510℃)改为落陵、北宿、井亭和级索混配煤(t3，温度-1280℃)、渭河化肥厂经过实践摸索，原料煤由原设计的黄陵煤更换为华亭煤，从而实现了降低气化温度，减少氧耗，延长气化炉耐火砖使用寿命的目的。1Texaco水煤浆气化技术的引进与完善（2）1.3解决有关工程技术问题我国工程技术人员对引进装置中出现的诸如文氏管堵塞、黑水管线堵塞、气化炉激冷环堵塞、气化炉壳体局部过热、闪蒸系统管道磨损等工程问题，采取了积极有效的技术对策，使问题得到及时解决，保证了装置长周期、稳定运行。1.4设备国产化水煤浆气化喷嘴已由国产喷嘴替代美国引进喷嘴，使用寿命约为2个月；气化炉用耐火砖已由国产洛耐砖替代进口法国砖，价格比为0.5：1。另外，我国已具备以下一些设备的设计制造能力，如磨煤机、气化炉、激冷环、锁渣斗、捞渣机、高、低压煤浆泵、灰水泵、文氏管等。兖矿鲁南化肥厂的设备国产化率达到90％以上。总之，通过对引进技术的消化吸收，我国不仅积累了丰富的水煤浆气化技术工程经验，掌握了先进技术的运作规律，同时在实践中不断进行技术调整与完善，进一步推动了我国水煤浆气化技术的发展。以兖矿鲁南化肥厂为例，气化装置的生产能力比设计值提高-20％，氧耗下降-10％，详见下表：项目单位设计值运行值气化压力Mpa4.02.7-3.0氧气流量Nm3/h1000011500氧气成份%99.599.8煤种-七五北宿、落陵、井亭级索煤浆浓度固体%63±165±1气化炉负荷m3/h(煤浆)t/h18.614.622．017．6煤气成份---CO%45.347．2H2%35.135．4CO2%18.5317．3N2+Ar%0.140．1碳转化率%-～96合成气产率Nm3/h2726233234气化炉开工率%85～97中国水煤浆技术进入产业化推广阶段我国水煤浆技术已经进入产业化推广阶段，这对一大批为环保问题困扰的中小企业来说是一个好消息。记者日前从水煤浆锅炉及其应用技术暨产品发布会上获悉，水煤浆是上个世纪80年代发展起来的一种低污染、高效率、流动性强的新型流体燃料。它是由煤炭、水和添加剂通过物理加工成的浆体燃料，具有像油一样的易于装卸储存及直接雾化燃烧的特点。经过六五、七五期间重点科技攻关，我国的水煤浆技术已经取得突破性的进展，并进入产业化阶段。实践证明，水煤浆在锅炉和窑炉中的燃烧效率可高达95％－98％，而燃用水煤浆的运行成本仅仅占成本的1／3。目前水煤浆已经在国内电站、钢厂、炼化等大中型企业有所应用，但限于实用型燃烧设备的技术没有及时跟进，中小企业对此应用甚少。据会议主办者介绍，目前这一难题已基本得到解决。北京天融环保设备中心开发出一套完整的水煤浆锅炉及燃烧器的设计、生产、制造技术，并通过了有关部门的专家评审。据悉，我国现有10万吨以下的锅炉约70万台，而因烟尘排放不符合环保标准和运行效率低下，将停用、更换和改造的锅炉高达50％以上。仅在现有锅炉本体不变的情况下，改燃水煤浆，就可为国家节约数百亿元固定资产投资。2中国水煤浆气化技术的研究与开发2中国水煤浆气化技术的研究与开发中国的水煤浆气化技术是在对引进技术吸收消化过程中发展起来的，尤其是通过七五、八五和九五国家重点科技攻关，结合引进技术的工业实践，逐步形成了一套创新的研究开发方法，建立起系统的水煤浆气化理论，成功地开发出具有中国特色的水煤浆气化技术。2.1水煤浆制备技术根据中国煤种特点，中国科学院山西煤炭化学研究所从煤化学角度研究了煤炭成浆性能的影响因素，中国矿业大学通过试验与生产实践，提出了评价烟煤成浆性难度指标的经验公式。这些研究成果，为中国水煤浆制备技术发展提供了有益的指导。目前，中国已有多个水煤浆用添加剂和水煤浆生产厂家。根据煤种不同，选用不同品种与系列的添加剂制备水煤浆，气化用水煤浆浓度为60~65％。2.2研究开发方法与气流床气化理论水煤浆气化涉及高温、高压、非均相、流动、传递与化学反应等复杂化学物理过程，难以在实验室中进行工业条件下的过程研究。对此，华东理工大学在化学工程与工艺相关理论指导下，结合多年研究开发中积累的方法与经验，在对气化过程进行深刻、全面分析基础上，提出了正确把握各种影响因素间关系的层次机理模型。对复杂的气化过程进行合理分解，实现了研究课题的命题转化，开创了一套适用于研究气流床气化过程的科学研究开发方法。即在冷模装置上研究流体流动规律、雾化与混合规律；借鉴工程经验，在计算机上综合迭代的一步转化方法。采用国际先进的三维激光多谱勒粒子动态分析仪(DualPDA)和Mafiven测粒仪，在大型冷模装置上研究气流床内流体的速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等，分别建立了流动与反应三区模型、速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等数学模型，由此形成了系统的气流床水煤浆气化理论与专利技术，为该领域的技术创新奠定了基础。2.3新型气化喷嘴与耐磨气化喷嘴喷嘴是水煤浆气化技术的核心。喷嘴性能好坏，将直接影响气化反应结果、耐火砖及其喷嘴自身的使用寿命。华东理工大学在多年科技攻关基础上，与原鲁南化肥厂、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心合作，研制出新型水煤浆气化喷嘴，实现了技术创新与工业应用。新型喷嘴为内旋式喷嘴和预膜式喷嘴，其中内旋式喷嘴已获国家发明专利。1995年，新型喷嘴在原鲁南化肥厂Texaco气化装置上进行了工业试验考核。新型喷嘴各项技术指标均超过Texaco喷嘴，比Texaco喷嘴节煤～2.6％，节氧2-5％，碳转化率提高-2个百分点等，七项指标创当时生产新记录。由原化工部科技司主持的专家鉴定为：填补国内空白，形成了中国水煤浆气化技术特色，达到国际领先水平。该项目获1998年上海市科技进步一等奖，水煤浆气化喷嘴由于受到煤浆中煤颗粒对材料的快速冲刷，喷嘴材料极易磨损，引进喷嘴的使用寿命仅为3个月，喷嘴的使用寿命直接影响着气化装置的长周期稳定运行。华东理工大学圆满完成了九五国家重点攻关项目《气化炉关键部件的研究与开发》，研究开发出新型耐磨水煤浆气化喷嘴。该喷嘴在兖矿鲁南化肥厂的工业应用表明，使用寿命达半年以上。2．4新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化炉为了节省外汇，形成自主知识产权的煤气化技术，在原化工部科技司主持下，1996年10月原国家计委批准立项，由华东理工大学、原鲁南化肥厂、原化工部第一设计院联合承担新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化炉开发应用基础研究国家九五重点科技攻关项目，于2000年6月在兖矿鲁南化肥厂建成我国第一套自主知识产权，日处理22吨煤的新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化中试装置。新型气化炉为四喷嘴对置结构，通过调整喷嘴配置，优化气化炉结构与尺寸，以撞击式射流形式，强化了热质传递过程，更有利于进行气化反应和延长耐火砖的使用寿命。中试装置运行结果表明，主要技术指标全面超过Texaco水煤浆气化水平。比Texaco气化炉节煤-7％，节氧-7％，有效气成分提高～2个百分点，碳转化率提高2-3个百分点。专家鉴定认为：本项目填补国内空白，是我国具有自主知识产权，能与国际先进技术竞争的煤气化技术的里程碑。技术指标显示本项目在水煤浆气化领域达到国际领先水平。该项目荣获国家科技部、财政部、国家计委、国家经贸委组织的九五国家重点科技攻关优秀科技成果奖，为我国自主知识产权的水煤浆气化技术工业化奠定了扎实的技术基础。由此可见，经过十多年的生产实践和研究开发，在水煤浆气化技术方面，中国已经建立了试验研究、中间试验、工业化生产等科研与应用基地；形成了一支具有研究开发能力、工程设计与生产实践经验的科技骨干队伍：取得了可喜的技术进步与科技创新成果。我们相信，这些成果必将为中国传统产业的改造提升和清洁能源的发展应用提供可靠的技术支撑，同时也将进一步带动洁净煤技术领域相关技术的进步与发展。水煤浆系统技术的主要内容－摘自中国洁净煤技术－水煤浆技术是一种新型燃料，是由制备到储运分配和燃烧应用、环境处理等一个跨行业多学科的系统工程。其技术内容主要可分为四个部分如图1—1。即制备技术、装卸贮运技术、燃烧应用技术与环境保护技术。与此同时，化工系统对水煤浆制气工艺技术已进行了大量开展研究，冶金系统对于冶金系统使用的水煤浆技术也进行了大量研究。1-1我国水煤浆技术的主要内容（一）1-1我国水煤浆技术的主要内容（二）浅谈水煤浆的应用前景陶文生，荣绍斌0前言水煤浆是用一定级配粒度的煤粉和一定量的水及极少量的添加剂混合而成。典型的水煤浆是由70％左右的煤粉、30％左右的水和1％的添加剂组成。它具有石油一样的流动性和稳定性，可以采用泵送、雾化与稳定着火燃烧；也可以长距离输送和长时间保存。1水煤浆的背景1．1我国富煤贫油的能源结构我国煤炭储量约占石化能源总储量的90％，而石油和天然气储量约占10％，煤炭的消耗约占能源消耗的72％左右，因此说，煤炭是我国最可靠、最有保障的能源。专家预言，人类将面临一个能源时代的变革，未来的能源是一个以太阳能、核能、生物质能等可再生能源为主。但进入下一个能源时代之前，能源消耗需经过一个过渡时期，由于煤的蕴藏量超过石油甚多，这个过渡时期应是一个以煤为主的混合型能源结构阶段。但该阶段不是直接燃烧煤炭的用煤方式的重复，而是在高效、洁净、优质化基础上的高层次利用。1．2环保对燃料的约束一方面随着人们生活水平的提高，人们对自己生活质量的要求越来越高；另一方面随着社会的发展，人们生活的环境却不断的恶化，其中由散煤低层次利用造成的环境污染是其中重要的原因。这主要表现为由原煤直接燃烧造成的烟尘污染和高硫煤直接燃烧造成的$02污染。因此，洁净度成为人们选择