论文部分内容阅读
摘要：针对青海矿业有限公司计划使用四喷嘴水煤浆气化炉情况，分析了水煤浆气化炉的优势。关于不同气化炉的运行数据分析，煤质和目标产品决定气化炉的工艺，不同压力和温度对粗煤气成分影响，水煤浆对管线的冲刷，煤质侵蚀耐火砖，粗煤气连续四级冷却等，在此基础上，总结了青海矿业优先选择四喷嘴气化技术的原因，以供参考。
关键词：四喷嘴水煤浆对置式气化炉，耐火砖，煤质，有效气体
背 景 我国富煤—缺油—少气，煤制甲醇发展较快，技术相对成熟，产能大大过剩，甲醇制烯烃，乙烯等符合我国国情，也是我国煤化工发展的重点，但是煤气化工艺技术选择非常重要，尤其是气化炉的选择更为直观重要，目前市面上的气化炉大概分为三种，固定床、气流床、流化床气化，其中气流床气化技术具有气化压力高、生产能力大、气化效率高、废水处理小等优点，适应现代煤化工发展需求，也是煤气化发展的趋势。现有的气流床气化工艺按照进料物理方式分为干煤粉和水煤浆进料两种。按照工艺分为废锅换热和水冷壁，按照喷嘴数量分为单喷嘴和多喷嘴对置，按气化炉内是否有内衬分为耐火砖和水冷壁。因此气流床气化技术形式和种类很多，有各种不同的组合方式和炉型，其中比较典型的有德士古和壳牌等。
利用青海海西地区的煤炭资源，青海矿业有限公司开发了多个煤矿，预计建设400万吨选煤厂，180万吨甲醇，60万吨烯烃，40万吨聚丙烯等，本文着重从煤质分析，目标产品和实际运行数据来选择气化工艺技术。
一、煤质分析与气化工艺关系
我国是一个多煤种的国家，尤其是青海海西地区的煤炭以焦煤，半焦煤，无烟煤为主导，选择合适的气化技术应因煤制宜，目标产品不同也要采用不同的气化技术，选择合适的气化技术对于项目后续运行效率很重要。煤气化技术是煤化工的龙头，不同的气化技术适合不同的煤质，由于煤本身的多样性、复杂性和特殊性，在目前的气化技术水平下，煤气化过程存在无法克服的矛盾，如果追求煤转化过程能量消耗低，气化温度就要低，但是煤的结构中存在大量的焦化苯，后续环保处理难度就要大，而气化过程中多考虑环保因素，就需要通过高温打破这些苯环，就要多消耗能量，需要纯氧，增加设备投资，热损失大等一些问题。这些问题都是由煤的特性决定的，如果公司针对解决某个单一问题、追求单向指标而开发的技术，很容易误导煤化工企业。有些技术往往宣扬单向指标最好，个别单元工艺可以实现节能减排，但割裂了其他处理过程需要投入的能量和费用，误导了企业对技术选取和煤气化的认识。
虽然气化方式很多，但是一种气化方式只适合某种特定的煤，反之，某一种煤的气化只能采用特定的气化方式。目前还没有一种气化方式可以通吃各种煤，比如内蒙古和新疆大都是褐煤，褐煤是一种灰分较高的劣质煤，水分含量一般是30%左右，如果采用气流床气化，要把这么高的水分干燥，再磨成很细的煤粉或者制成浓度不高的水煤浆，并且气化下渣口容易堵塞停产，显然不合算，如果选择加压气化的固定床鲁奇炉就比较合算，比如新疆广汇能源有限公司120万吨甲醇项目气化技术采用固定床气化，还有内蒙古大唐克旗煤制天然气气化也用固定床鲁奇炉。
煤质分析一般包括工业分析，有含碳量、水分、灰分、挥发分，元素分析，有硫，苯，氢气，甲烷，氢氧化合物，酚萘，一氧化碳，二氧化碳等。如果是固定床气化，煤气里面的甲烷含量到15%左右，废水处理系统复杂，投资大，增加了后系统的甲烷工艺，如果是水煤浆液态气化温度高，煤气里面甲烷含量基本是3%左右，可以作为后系统惰性气体用，或者直接放空，减少了甲烷处理投资，也减少了废水处理系统投资。煤质分析硫元素对气化工艺腐蚀非常严重，新疆广汇能源有限公司2011年气化投料，固定床鲁奇炉气化内壁腐蚀，内壁减薄，通过一年的时间寻找解决腐蚀技术，最后通过镍基焊条对气化炉内壁满焊解决了腐蚀，由此煤质分析对气化影响非常大，影响了项目早投产，影响了公司经济效益；2014年内蒙古大唐克旗煤制天然气项目气化投料一个月就停车，最后查明原因也和新疆广汇气化腐蚀一样，目前大唐还没有找到解决此问题的技术；淮化集团本地煤资源丰富，但由于其灰分达到27%～28%，灰熔点〉1600℃，而GE工艺的气化温度在1300～1400之间，不得不改用河南义马煤和甘肃华亭煤，至使生产成本增加，无法将本地资源优势转化成经济优势，这是我们要吸取的教训，所以煤质分析直接决定气化技术，煤质工业分析里面的灰熔点也决定气化技术，灰熔点高于1500度，如果此煤质应用到气流床水煤浆气化，必须提高水煤浆气化温度，但是影响气化炉寿命，影响耐火砖寿命，增加设备投资，如果这么高的灰熔点煤质要应用到水煤浆气化炉里面，必须增加一些工艺，比如添加剂石灰石等，煤质里面的水分，如果水分高于15%，影响水煤浆的沉降性，需要增加一些絮凝剂，也相应的增加了工艺，水分高了，增加了氧气消耗量，也相应的增加了空风负荷，如果煤质里面的含碳量低于40%，气化炉达不到全负荷，消耗氧气量高，大量热能被带走，渣口容易堵塞。因此煤质分析非常重要，尤其是煤质里面的硫元素分析，灰熔点分析，含碳量分析，热值分析，水分分析等至关重要，决定了气化寿命，决定了气化长周期联产运行，决定了目标产品的高效率。
选择哪种气化技术的优劣不是绝对的，一定要看企业使用什么样煤和干什么产品，要做到煤和气化技术有效匹配，总的来说，企业在选择煤气化技术时，首先必须以原料煤为基础，既要考虑原料煤质量能够完全满足拟选用煤气化工艺要求，又要考虑原料煤供应可靠，煤质稳定，长期煤种单一化，还要考虑原料煤的价格。
数据资料，神华宁煤，制得浓度≧59%，粘度：500～2000CP，PH：7-9的水煤浆，气化压力和温度约4.48MPa、1350℃，有效气体80%左右，粗煤气经过预变换炉、主变换炉变换后将工艺气中的CO调节至19%-21%之间后送往后续工段，合成气水气比控制在0.2～0.35之间
综上所述，首先需要在煤田勘查过程中选取不同地点、不同深度的煤样进行煤质检测，待煤样测试报告完成后才能确定所适用的工艺，再根据工艺特性、投资、终端产品、在线率等从中选择最适合的工艺。 二、目标产品和气化技术关系
1、如果目标产品主要是甲醇，甲烷，石脑油，轻油，焦油等产品，那相应的气化技术就配套碎煤固定床气化了。固定床气化有分为干排渣和液态排渣，他们的代表分别是鲁奇炉气化和BGL气化炉，固定床干排渣气化温度低，温度在1100度左右，压力在35公斤左右，粗煤气里面含有甲烷15%左右，烃类，环烷烃，苯酚，油等，后系统增加甲烷装置分离甲烷，煤气水进行沉降分离油脂，煤气水到酚氨回收利用，固定床煤气水处理量大，鲁奇炉气化对煤质的硫含量非常敏感，硫元素会腐蚀气化内壁，鲁奇炉没有耐火砖保护，只有水夹套；液态排渣BGL气化炉专利费用昂贵，设备复杂化，设备不能国产化，气化温度在1600度左右，压力在40公斤左右，BGL气化炉内壁需要耐火砖保护，耐火砖基本一年更换一次，一个月检验一次，BGL气化炉需要氮气封，煤气里面的惰性气体高于5%，后系统需要增加驰放装置，BGL控制点比较繁琐，操作容易出错，目前国内只有2家试用性投料，一家是内蒙古中煤能源，还有一家是内蒙古金鑫化工，运行不稳定，维护费用大，BGL关键技术就是排渣和烧嘴容易堵塞，不能长周期运行，但是BGL有效气体85%左右，煤气水处理比鲁奇气化投资少，但是碎煤气化炉都有传动部件，容易泄露，增加停产因素。
2、如果目标产品只是甲醇，那就需要高温高压液态气化，优先选择水煤浆和粉煤气化，气流床气化温度高，是液态排渣，一些烃类，苯酚，油等产品被燃烧完，煤气里面的甲烷含量约3%左右，可以直接放空或者作为后系统惰性气体用，煤气水处理系统非常简单，在气化后面增加煤气变换工段，改善煤气成分比例，水煤浆气化温度一般在1400度左右，压力65公斤左右，气化炉无传动部件，该技术是水煤浆进料，大量水分需要加热气化，因而单位体积的有效气体煤耗和氧耗比粉煤气化高 ，但煤气中的惰性气体含量少，故合成甲醇循环气量少，压缩功耗少，驰放气体少，可以设置驰放装置也可以不设置。水煤浆气化适应煤质广泛，可以气化低灰分，低灰熔点，低硫，灰熔点应该1300度左右，水煤浆已经国产化，专利费用少，国内已经有研究团队，设计，制造，生产一条线服务，缩短制造运输周期；粉煤气化是干料，纯氧，蒸汽进料，气化温度1500度左右，压力不高于40公斤，碳转化率高达98%左右，煤气有效气体成分90%以上，水冷壁寿命长，以渣抗渣，单位体积的有效气体耗氧量比水煤浆低15%左右，但是干煤粉需要氮气或者二氧化碳输送，增加煤气里面的惰性气体约5%左右，驰放气体比水煤浆高，就要考虑氢回收或者增加驰放气体装置，但是粉煤气化比水煤浆气化一顿煤多产25KG甲醇，粉煤气化合成气里面的惰性气体高于水煤浆气化三倍，反而粉煤气化耗煤比水煤浆耗煤高于5%左右，粉煤气化设备复杂，专利费高，这样2种气化耗煤差不多，如果甲醇合成需要60公斤净化气，采用粉煤气化就需要上一个增压机，需要投资3千万左右，如果是透平压缩机，还需要增加高压蒸汽，惰性气体高，合成气循环回路功耗大，目前使用粉煤气化企业不多，还不能国产化，运行维护经验缺乏。
三、结论
1、由此看出煤质分析对气化技术影响非常大，煤种的含碳量，水分，灰分，挥发分，元素分析等决定了气化技术，也决定了气化设备的材质，如果设备材质和煤质分析不匹配，就会影响长周期投料，所以在选择气化技术同时，也必须分析所要使用的煤质是否适合该气化技术，两者是相辅相成的，缺一不可，作为一个企业需要什么目标产品，就要匹配什么样的气化技术，气化技术决定了，相应的产品也定性了，所以气化技术的选择是由煤质决定的。如煤质具有粘结性和结焦采用鲁奇和BGL气化，就需要给炉子增加搅拌器装置。
2、目标产品是单一的甲醇，从气化设备结构，运行维护和投资等方面综合考虑，采用水煤浆气化技术最合适。代表炉型是四喷嘴对置式德士古。
3目标产品是甲醇，二甲醚，甲烷，焦油，轻油，中油，石脑油，酚萘苯等副产品，从技术成熟度，成本，长周期运行考虑，就需要采用低温碎煤加压气化固定床干排渣，代表炉型是鲁奇炉。
作者简介：郑万德，男，1983-09，甘肃武威人，职称，工程师，2008年本科毕业于甘肃兰州交通大学电力系统及自动化，目前从事煤化工气化技术与管理，2008年在新疆广汇120万吨甲醇项目气化技术，2012年在内蒙古鄂尔多斯中煤能源尿素项目，2014年担任青海矿业180万吨甲醇项目气化技术与管理。
关键词：四喷嘴水煤浆对置式气化炉，耐火砖，煤质，有效气体
背 景 我国富煤—缺油—少气，煤制甲醇发展较快，技术相对成熟，产能大大过剩，甲醇制烯烃，乙烯等符合我国国情，也是我国煤化工发展的重点，但是煤气化工艺技术选择非常重要，尤其是气化炉的选择更为直观重要，目前市面上的气化炉大概分为三种，固定床、气流床、流化床气化，其中气流床气化技术具有气化压力高、生产能力大、气化效率高、废水处理小等优点，适应现代煤化工发展需求，也是煤气化发展的趋势。现有的气流床气化工艺按照进料物理方式分为干煤粉和水煤浆进料两种。按照工艺分为废锅换热和水冷壁，按照喷嘴数量分为单喷嘴和多喷嘴对置，按气化炉内是否有内衬分为耐火砖和水冷壁。因此气流床气化技术形式和种类很多，有各种不同的组合方式和炉型，其中比较典型的有德士古和壳牌等。
利用青海海西地区的煤炭资源，青海矿业有限公司开发了多个煤矿，预计建设400万吨选煤厂，180万吨甲醇，60万吨烯烃，40万吨聚丙烯等，本文着重从煤质分析，目标产品和实际运行数据来选择气化工艺技术。
一、煤质分析与气化工艺关系
我国是一个多煤种的国家，尤其是青海海西地区的煤炭以焦煤，半焦煤，无烟煤为主导，选择合适的气化技术应因煤制宜，目标产品不同也要采用不同的气化技术，选择合适的气化技术对于项目后续运行效率很重要。煤气化技术是煤化工的龙头，不同的气化技术适合不同的煤质，由于煤本身的多样性、复杂性和特殊性，在目前的气化技术水平下，煤气化过程存在无法克服的矛盾，如果追求煤转化过程能量消耗低，气化温度就要低，但是煤的结构中存在大量的焦化苯，后续环保处理难度就要大，而气化过程中多考虑环保因素，就需要通过高温打破这些苯环，就要多消耗能量，需要纯氧，增加设备投资，热损失大等一些问题。这些问题都是由煤的特性决定的，如果公司针对解决某个单一问题、追求单向指标而开发的技术，很容易误导煤化工企业。有些技术往往宣扬单向指标最好，个别单元工艺可以实现节能减排，但割裂了其他处理过程需要投入的能量和费用，误导了企业对技术选取和煤气化的认识。
虽然气化方式很多，但是一种气化方式只适合某种特定的煤，反之，某一种煤的气化只能采用特定的气化方式。目前还没有一种气化方式可以通吃各种煤，比如内蒙古和新疆大都是褐煤，褐煤是一种灰分较高的劣质煤，水分含量一般是30%左右，如果采用气流床气化，要把这么高的水分干燥，再磨成很细的煤粉或者制成浓度不高的水煤浆，并且气化下渣口容易堵塞停产，显然不合算，如果选择加压气化的固定床鲁奇炉就比较合算，比如新疆广汇能源有限公司120万吨甲醇项目气化技术采用固定床气化，还有内蒙古大唐克旗煤制天然气气化也用固定床鲁奇炉。
煤质分析一般包括工业分析，有含碳量、水分、灰分、挥发分，元素分析，有硫，苯，氢气，甲烷，氢氧化合物，酚萘，一氧化碳，二氧化碳等。如果是固定床气化，煤气里面的甲烷含量到15%左右，废水处理系统复杂，投资大，增加了后系统的甲烷工艺，如果是水煤浆液态气化温度高，煤气里面甲烷含量基本是3%左右，可以作为后系统惰性气体用，或者直接放空，减少了甲烷处理投资，也减少了废水处理系统投资。煤质分析硫元素对气化工艺腐蚀非常严重，新疆广汇能源有限公司2011年气化投料，固定床鲁奇炉气化内壁腐蚀，内壁减薄，通过一年的时间寻找解决腐蚀技术，最后通过镍基焊条对气化炉内壁满焊解决了腐蚀，由此煤质分析对气化影响非常大，影响了项目早投产，影响了公司经济效益；2014年内蒙古大唐克旗煤制天然气项目气化投料一个月就停车，最后查明原因也和新疆广汇气化腐蚀一样，目前大唐还没有找到解决此问题的技术；淮化集团本地煤资源丰富，但由于其灰分达到27%～28%，灰熔点〉1600℃，而GE工艺的气化温度在1300～1400之间，不得不改用河南义马煤和甘肃华亭煤，至使生产成本增加，无法将本地资源优势转化成经济优势，这是我们要吸取的教训，所以煤质分析直接决定气化技术，煤质工业分析里面的灰熔点也决定气化技术，灰熔点高于1500度，如果此煤质应用到气流床水煤浆气化，必须提高水煤浆气化温度，但是影响气化炉寿命，影响耐火砖寿命，增加设备投资，如果这么高的灰熔点煤质要应用到水煤浆气化炉里面，必须增加一些工艺，比如添加剂石灰石等，煤质里面的水分，如果水分高于15%，影响水煤浆的沉降性，需要增加一些絮凝剂，也相应的增加了工艺，水分高了，增加了氧气消耗量，也相应的增加了空风负荷，如果煤质里面的含碳量低于40%，气化炉达不到全负荷，消耗氧气量高，大量热能被带走，渣口容易堵塞。因此煤质分析非常重要，尤其是煤质里面的硫元素分析，灰熔点分析，含碳量分析，热值分析，水分分析等至关重要，决定了气化寿命，决定了气化长周期联产运行，决定了目标产品的高效率。
选择哪种气化技术的优劣不是绝对的，一定要看企业使用什么样煤和干什么产品，要做到煤和气化技术有效匹配，总的来说，企业在选择煤气化技术时，首先必须以原料煤为基础，既要考虑原料煤质量能够完全满足拟选用煤气化工艺要求，又要考虑原料煤供应可靠，煤质稳定，长期煤种单一化，还要考虑原料煤的价格。
数据资料，神华宁煤，制得浓度≧59%，粘度：500～2000CP，PH：7-9的水煤浆，气化压力和温度约4.48MPa、1350℃，有效气体80%左右，粗煤气经过预变换炉、主变换炉变换后将工艺气中的CO调节至19%-21%之间后送往后续工段，合成气水气比控制在0.2～0.35之间
综上所述，首先需要在煤田勘查过程中选取不同地点、不同深度的煤样进行煤质检测，待煤样测试报告完成后才能确定所适用的工艺，再根据工艺特性、投资、终端产品、在线率等从中选择最适合的工艺。 二、目标产品和气化技术关系
1、如果目标产品主要是甲醇，甲烷，石脑油，轻油，焦油等产品，那相应的气化技术就配套碎煤固定床气化了。固定床气化有分为干排渣和液态排渣，他们的代表分别是鲁奇炉气化和BGL气化炉，固定床干排渣气化温度低，温度在1100度左右，压力在35公斤左右，粗煤气里面含有甲烷15%左右，烃类，环烷烃，苯酚，油等，后系统增加甲烷装置分离甲烷，煤气水进行沉降分离油脂，煤气水到酚氨回收利用，固定床煤气水处理量大，鲁奇炉气化对煤质的硫含量非常敏感，硫元素会腐蚀气化内壁，鲁奇炉没有耐火砖保护，只有水夹套；液态排渣BGL气化炉专利费用昂贵，设备复杂化，设备不能国产化，气化温度在1600度左右，压力在40公斤左右，BGL气化炉内壁需要耐火砖保护，耐火砖基本一年更换一次，一个月检验一次，BGL气化炉需要氮气封，煤气里面的惰性气体高于5%，后系统需要增加驰放装置，BGL控制点比较繁琐，操作容易出错，目前国内只有2家试用性投料，一家是内蒙古中煤能源，还有一家是内蒙古金鑫化工，运行不稳定，维护费用大，BGL关键技术就是排渣和烧嘴容易堵塞，不能长周期运行，但是BGL有效气体85%左右，煤气水处理比鲁奇气化投资少，但是碎煤气化炉都有传动部件，容易泄露，增加停产因素。
2、如果目标产品只是甲醇，那就需要高温高压液态气化，优先选择水煤浆和粉煤气化，气流床气化温度高，是液态排渣，一些烃类，苯酚，油等产品被燃烧完，煤气里面的甲烷含量约3%左右，可以直接放空或者作为后系统惰性气体用，煤气水处理系统非常简单，在气化后面增加煤气变换工段，改善煤气成分比例，水煤浆气化温度一般在1400度左右，压力65公斤左右，气化炉无传动部件，该技术是水煤浆进料，大量水分需要加热气化，因而单位体积的有效气体煤耗和氧耗比粉煤气化高 ，但煤气中的惰性气体含量少，故合成甲醇循环气量少，压缩功耗少，驰放气体少，可以设置驰放装置也可以不设置。水煤浆气化适应煤质广泛，可以气化低灰分，低灰熔点，低硫，灰熔点应该1300度左右，水煤浆已经国产化，专利费用少，国内已经有研究团队，设计，制造，生产一条线服务，缩短制造运输周期；粉煤气化是干料，纯氧，蒸汽进料，气化温度1500度左右，压力不高于40公斤，碳转化率高达98%左右，煤气有效气体成分90%以上，水冷壁寿命长，以渣抗渣，单位体积的有效气体耗氧量比水煤浆低15%左右，但是干煤粉需要氮气或者二氧化碳输送，增加煤气里面的惰性气体约5%左右，驰放气体比水煤浆高，就要考虑氢回收或者增加驰放气体装置，但是粉煤气化比水煤浆气化一顿煤多产25KG甲醇，粉煤气化合成气里面的惰性气体高于水煤浆气化三倍，反而粉煤气化耗煤比水煤浆耗煤高于5%左右，粉煤气化设备复杂，专利费高，这样2种气化耗煤差不多，如果甲醇合成需要60公斤净化气，采用粉煤气化就需要上一个增压机，需要投资3千万左右，如果是透平压缩机，还需要增加高压蒸汽，惰性气体高，合成气循环回路功耗大，目前使用粉煤气化企业不多，还不能国产化，运行维护经验缺乏。
三、结论
1、由此看出煤质分析对气化技术影响非常大，煤种的含碳量，水分，灰分，挥发分，元素分析等决定了气化技术，也决定了气化设备的材质，如果设备材质和煤质分析不匹配，就会影响长周期投料，所以在选择气化技术同时，也必须分析所要使用的煤质是否适合该气化技术，两者是相辅相成的，缺一不可，作为一个企业需要什么目标产品，就要匹配什么样的气化技术，气化技术决定了，相应的产品也定性了，所以气化技术的选择是由煤质决定的。如煤质具有粘结性和结焦采用鲁奇和BGL气化，就需要给炉子增加搅拌器装置。
2、目标产品是单一的甲醇，从气化设备结构，运行维护和投资等方面综合考虑，采用水煤浆气化技术最合适。代表炉型是四喷嘴对置式德士古。
3目标产品是甲醇，二甲醚，甲烷，焦油，轻油，中油，石脑油，酚萘苯等副产品，从技术成熟度，成本，长周期运行考虑，就需要采用低温碎煤加压气化固定床干排渣，代表炉型是鲁奇炉。
作者简介：郑万德，男，1983-09，甘肃武威人，职称，工程师，2008年本科毕业于甘肃兰州交通大学电力系统及自动化，目前从事煤化工气化技术与管理，2008年在新疆广汇120万吨甲醇项目气化技术，2012年在内蒙古鄂尔多斯中煤能源尿素项目，2014年担任青海矿业180万吨甲醇项目气化技术与管理。