水煤漿氣化的發展之路

(北京中科合成油工程有限公司，北京 101407)

在國內歷史上，水煤漿氣化技術是引進技術，其來源于上世紀60年代引進的意大利蒙特卡蒂尼的重油氣化技術(后置激冷流程)，后來原料變為渣油；90年代原料變成水煤漿，技術從Texaco公司(現GE)引進，后置激冷流程沒有實質性的變化。

引進的水煤漿氣化技術是一組單元技術，包括煤漿制備、氣化爐、激冷室、文丘里噴口、激冷洗滌塔等部分，氣化爐后面部分稱為激冷流程?，F在，國內從業人員對此項技術的設計、制造、安裝、生產等方面都已完全吃透。

2003年國內引進殼牌爐干煤粉氣化技術，并作了全面的消化吸收，對于冷壁爐技術、平行式多噴嘴的技術也完全吃透，現在已發展成四噴嘴水煤漿、晉華爐等技術，說明了引進技術不是目的，而是成為國內創新的啟動點。

1 水煤漿氣化的優勢

近年來，水煤漿氣化受到煤化工行業的歡迎，因為其具有以下幾點優勢：有五十多年的歷史，技術已經成熟；氣化爐和流程前后幾個關鍵設備的結構相對簡單；水煤漿氣化裝置投資較低，設備材質的要求不高，容易制造；原料可以為重油、渣油、水煤漿和多元料漿等，屬于非易燃流體，具有較高的流動性和穩定性，易于儲存，安全性很高；產品粗合成氣(CO+H2)的成本比較低；灰水容易處理。

2 國內現有技術

自80年代至今，我國相繼引進了數十套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產甲醇、合成氨、烯烴、燃料油等。

經過10多年的實踐探索，中國在水煤漿氣化技術方面，積累了豐富的設計、制造、操作和運行的經驗，氣化技術日趨完善。國內對引進裝置中出現的問題，如文氏管、黑水管線、氣化爐激冷環等的堵塞、爐體局部過熱、閃蒸系統管道磨損等問題，均采取了有效的技術對策，保證了裝置長周期、穩定運行。設備的國產化率較高，例如陽煤豐喜臨猗分公司國產化率已達到100%。另外，爐壁用耐火磚已實現國產化。

在這個基礎上，國內開發出新的水煤漿氣化技術，主要表現在以下兩種類型。

2.1 多噴嘴氣化技術

2002年，在國家科技部“863項目”立項的“多噴嘴水煤漿氣化技術”，經過多年發展，已逐步成熟。該技術主要的特點在于水煤漿的進料噴嘴改成4個水平方向的噴嘴，氣化爐的爐體可以擴大和升高。

目前，該技術在國內水煤漿氣化技術領域發展勢頭良好，適用于大型化裝置，生產和開工的工程總量居國內第一，已建和在建的有100多套。

2.2 晉華爐技術

由清華大學、陽煤化機及陽煤豐喜聯合開發的晉華爐水煤漿煤氣化技術在不斷發展。2002年開始，開發I型技術——“氧氣分級水煤漿+耐火磚氣化工藝”，稱為“非熔渣-熔渣氣化技術”；2009年開發Ⅱ型技術——“水煤漿+水冷壁氣化工藝”，現在開發了Ⅲ型技術——“合成氣/蒸汽聯產氣化爐工藝”，已建和在建的有50多套。目前正在進一步開發的Ⅳ型技術“全熱回收工藝”，力求成為一種節能型的氣化爐。

3 水煤漿氣化技術的后續流程

水煤漿氣化技術有2種后續流程，即激冷流程和半廢鍋流程(通常稱為廢鍋流程)。激冷流程包括煤漿制備、氣化爐、激冷室、文丘里噴口、激冷洗滌塔等部分；半廢鍋流程包括廢熱鍋爐、除塵器、激冷氣返回的循環壓縮機、激冷洗滌塔等。沒有激冷洗滌塔的全廢鍋流程在煤化工中不適用。在早期的應用中，激冷流程用于合成氨，全廢鍋流程用于發電。

我們拿晉華爐來研究這2種流程的各自優點。晉華爐中的I型和Ⅱ型屬于激冷流程，Ⅲ型和Ⅳ型屬于半廢鍋流程。

這2種后續流程對于后續工藝有不同的影響。激冷流程出口的合成氣中，水蒸氣的含量較高，能夠在變換工藝中將全部CO轉變成H2和CO2，后續還可以回收較多的低位能。廢鍋流程出口的合成氣中，水蒸氣的含量較低，在變換工藝中只需將部分CO轉變成H2和CO2。這個流程回收到一部分高位能，有利于提高整個流程的能量轉化效率。

廢鍋流程回收的能效高，但設備的投資大，折合到產品中的成本就會高一些。激冷流程回收能效低，但設備投資小，折合到產品中的成本就會降低。因此，我們不能說這兩種流程中一個比另一個先進，而是要看整個流程的熱能優化設計，這與原料煤的品質、產品的性質和全流程的合理安排有關。

4 氣化爐技術的發展

4.1 提高煤漿濃度

水煤漿的濃度與煤的品質有關，對于氣化工藝來說，水煤漿的濃度越高，氧氣耗量越低。為了使氣化的氧氣用量不至于過大，通常的標準是水煤漿的濃度以60%為起點。

為了提高水煤漿濃度，國內開發了深度研磨的技術。傳統的研磨方法分為干磨和濕磨兩種，通常采用球磨機，平均粒徑為50μm左右。如采用高剪切乳化分散機進行分散研磨，平均粒徑可達到10μm以下，這個方法可以提高濃度3%～5%。

提高水煤漿濃度可以帶來很大的經濟效益。例如，對于熱值25 GJ/kg左右的原料煤，在濃度為55%、4 MPa(g)和1 350 ℃的條件下操作，將水煤漿中煤的濃度提高5%后，可以多產合成氣5%，減少氧氣消耗7%。

4.2 提高運行效率

氣化爐什么樣的運行狀態可以評價為“優”？優的標準是“安全、穩定、長周期、滿負荷運行”。目前，新的現代煤化工裝置達“優”率很低。

一個工廠的設計，其經濟財務分析是以年為單位。如果年產量達不到設計值，就有利潤減少或者虧損的可能，因此，工廠要以實現全年“安全、穩定、長周期、滿負荷運行”為目標。

氣化爐工藝是全流程的領頭工藝，只有其達到設計要求，全流程的產品產量和經濟指標才有可能達到設計要求。

在投產的項目中，陽煤豐喜集團臨猗分公司36萬t/a氨醇項目是個樣板項目，其共有4臺I型晉華爐，投煤量分別在500～700t/d之間，已經連續5年超過設計能力，2012～2016年的運行天數分別為：349 d、354 d、355 d、362 d、353 d，產量分別為：37.45萬t/a、38.75萬t/a、37.55萬t/a、36.89萬t/a、37.17萬t/a。

這說明，該技術已經成熟，做到了“安全、穩定、長周期、滿負荷”的生產，可作為推廣的示范。

4.3 發展多種型號

為了滿足新裝置建設和老裝置改造的需要，適應不同原料煤種制成的水煤漿，氣化爐技術需要不同的型號來滿足要求。例如，晉華爐技術，十幾年來不斷發展，已經成型了3個型號，爐壁涵蓋耐火磚和水冷壁，后置流程包括激冷和半廢鍋流程。

4.4 提高操作壓力

目前，水煤漿氣化技術有3種壓力等級，即4.0、6.5和8.7 MPa，常用的是前2種。就合成氨和合成甲醇來說，水煤漿氣化的壓力等級越高，與后續流程的壓差就越小，合成氣的壓縮機耗能越少。而合成油、合成甲烷等則相反，通常只需要4.0 MPa(g)等級就可以了。

4.5 滿足不同規模的需求

煤氣化的規模是以每天的投煤量來表示，一般化工裝置的煤氣化單爐的規模以750～2 000 t/d為宜，此類已屬大型裝置。由于近期建設超大型煤化工裝置通常需要多臺煤氣化爐，在此背景下，有業主和設計方提出研制3 000～5 000t/d大型氣化爐，目的是減少氣化單元的數量，從而降低投資。

一些老企業需要改造，規模不一定很大，因此500～2 000t/d的氣化爐也是需要的，不能認為這是落后的技術。大有大的用處，小有小的用處。大型化具有低投資、簡化操作等優點，同時也有停車損失大、設備和管件制造、運輸、備品、備件等困難的缺點，利弊共存。

4.6 提高全流程的能量轉化效率

提高能量轉化效率，是指從原料到產品的整個過程中，提高投入的原料(含電)中的自有能量利用程度，實際上是提高整個工藝優化的程度。

目前國內發展這些氣化爐，包括晉華爐、多噴嘴、航天爐、各種改進的GSP等，都是第二代煤氣化技術，都是加壓、純氧、高溫氣化。這與第一代的低壓、空氣或富氧、近高溫氣化的UGI氣化爐技術相比，有“代”的區別。這些第二代煤氣化技術，效率都很高，其最終的效果就全流程來看差別不大。配上這些氣頭后，基本上都能取得較高的全流程能量利用效率。區別在于回收高位能和低位能的位置與比例存在不同。廢熱鍋爐流程可以回收的高位能多一些，而激冷流程的低位能多一些，全流程總體效果差別不是很大。例如，當上面幾種氣化技術運用得當時，煤制油的能量轉化效率都在42%～44%之間，而煤制甲醇的能量轉化效率則都在49%～53%之間。不同氣化引導出的流程，估計差距在±2%之內，煤的品質往往起到主導作用。

廢鍋流程和激冷流程相比，前者可以拿到一些高位能，后者只能拿到部分低位能，總的效果是前者略優于后者。但是對于一個裝置來說，能效是指整個流程。提高全流程的能量轉換效率，不能只看氣化單元，更重要的是全流程單元的搭配，如何將產出的能量全部利用起來，熱能設計是一個系統，不是一個單元。

因此，要公平地對比這2種流程，需要“化工流程模擬”技術，然后進行工程分析。首先，在原料和產品相同的情況下，分別設計2種流程：在氣化爐后，一個配置廢鍋流程，另一個配置激冷流程，分別進行全流程設計，后續工藝流程和蒸汽利用系統各自與其優化相配，最后得到同樣的產品。然后，用流程模擬技術分別計算出2個流程各自的能量轉換效率，并進行對比。這樣可得到公平的結論。上述計算的結果，一般來說，廢鍋流程略占優，但是會有其他后果，例如投資較高等。

不同的原料煤，可能得到不同的結果。對于老裝置的改造，問題更復雜。

化工裝置提高能量轉化效率是對的，但是不宜過分追求。在設計一個項目時，作為工藝設計，首先是看煤的品質，其次要看整個流程能否實現合理的搭配，還要考慮各個蒸汽等級的管網上能否做到平衡等；作為總體設計，要考慮安全運行、環境保護、節省投資、合理利用水資源、提高開工效率、降低產品成本、力求操作方便，要讓裝置做到“安全、穩定、長周期、滿負荷”運行。也就是說，全局觀更重要。

5 結語

目前，國內有一些中小型煤化工企業需要通過改造，并達到提高煤氣化效率、降低成本的目的，毫無疑問，晉華爐是這類任務比較合適的選項之一。

在“十三五”期間，為了滿足新裝置建設和老裝置改造的需要，適應不同原料煤種制成的水煤漿，保證各種類型的水煤漿氣化爐都有良好的發展空間，應將技術精益求精。