几种水煤浆气化技术的分析比较

王杰杰

(新疆中泰化学股份有限公司 新疆乌鲁木齐 830001)

我国是一个富煤贫油的国家，充分发挥煤化工优势，对煤炭进行清洁利用，是我国国家的政策方向。我国煤化工行业通过多年的发展，以煤为原料，替代原油生产基础化工产品的技术日益成熟，近几年投产的煤制烯烃和煤制油项目都体现了其技术的成熟性，特别是煤制烯烃项目还体现了良好的经济性。

煤气化技术是煤化工装置的核心部分，煤气化技术的选择直接影响装置的稳定运行和企业的经济效益。在各种煤气化技术中，水煤浆气化技术是目前相对较成熟的气化技术，在实际生产运行中应用较多，目前较流行的几种水煤浆气化技术分析如下。

1 水煤浆气化技术简介

(1)多喷嘴对置式水煤浆气化技术

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是由华东理工大学与兖矿集团联合研发，原料煤磨制成水煤浆后，经泵加压送至气化炉上部4只水平对置的喷嘴内，采用下行制气，气化炉为内衬耐火砖结构，激冷流程。

与其他水煤浆气化技术相比，多喷嘴对置式水煤浆气化炉引入了喷嘴对置碰撞的理念，增强了煤浆进入炉内以后的混合效果并延长其在炉内的停留时间，同时在激冷洗涤和除尘方面均有很大的改进，有效降低了合成气携带的灰尘量。

(2)GE德士古水煤浆加压气化技术

我国于20世纪80年代引进GE德士古水煤浆加压气化技术，属气流床加压气化，原料煤经磨制成水煤浆后，由泵加压送至气化炉顶部，单喷嘴下行制气，气化炉燃烧室采用内衬耐火砖结构，燃烧室下行合成气的热量回收方式分为全激冷流程和辐射废热锅炉加激冷流程。

(3)晋华炉气化技术

晋华炉气化技术是在清华炉气化技术的基础上发展起来的第3代水煤浆水冷壁加压气化技术，由清华大学和阳煤集团共同研发，属气流床加压气化，原料煤经磨制成水煤浆后，由泵加压送至气化炉顶部，单喷嘴下行制气。晋华炉气化技术将传统的水煤浆气化技术燃烧室内的耐火砖改成了水冷壁，同时将清华炉的激冷流程改为辐射废热锅炉加激冷流程，利用合成气的高位热副产高压饱和蒸汽，与GE德士古水煤浆加压气化技术的辐射废热锅炉流程类似。

2 不同水煤浆气化技术气化炉结构对比分析

2.1 不同水煤浆气化技术的相同点

上述3种气化技术均属于水煤浆加压气化技术，其操作压力均可达到6.5 MPa。此外，水煤浆加压气化技术均有工艺流程短、原料输送稳定的优点。但由于采用水煤浆工艺，相对于干煤粉气化技术而言，均存在工艺喷嘴磨蚀较快的问题，所以3种气化技术均需定期对工艺喷嘴进行更换和维护。

2.2 不同水煤浆气化技术气化炉结构不同点分析

2.2.1 工艺喷嘴数量不同

多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用4只喷嘴水平对置布置，而晋华炉气化技术和GE德士古水煤浆加压气化技术均采用单喷嘴顶喷布置。

喷嘴数量的不同，对气化炉的气化效率和大型化具有一定的影响。在相同入炉煤浆流量的情况下，增加喷嘴数量可以降低单只喷嘴的煤浆流通量；在相同的喷嘴煤浆流通量的情况下，喷嘴数量的增加提高了入炉煤浆的流量，为装置的大型化奠定了基础。此外，喷嘴的煤浆流通量对喷嘴的雾化效果有很大影响，即随着喷嘴煤浆流通量的增大，会逐渐降低喷嘴的雾化效果，从而降低气化炉的碳转化率，影响其气化效率。因此，单喷嘴气化炉的煤浆流通量不能太大，否则会影响气化炉的整体效率。

喷嘴数量的不同，对系统的稳定性具有一定影响。喷嘴数量的增加，会增加喷嘴的故障点，增大喷嘴故障的概率。但由于喷嘴数量的增加，在一对喷嘴出现故障时，不会造成气化炉停运，只是降低了气化炉的运行负荷，在故障解除后可采用带压联投(目前有单对喷嘴连续运行近24 h的案例)予以恢复。若气化炉只有1只喷嘴，在喷嘴系统出现故障时，则须停车处理。此外，在系统停车倒炉检修时，多喷嘴具有喷嘴逐对停、备炉逐对开的优点，可减轻全系统的波动。

喷嘴数量的不同，对投资、检修量具有一定影响。由于喷嘴是气化炉最重要的部分，对管道选材、阀门要求都是最高的，所以喷嘴数量的增多，会造成管道材料、阀门数量的增加，从而增大了装置的投资。此外，由于喷嘴属于需定期维护的设备，喷嘴数量的增加会增大检修量和维护成本。

2.2.2 喷嘴布置方式的不同

在3种煤气化技术中，晋华炉气化技术和GE德士古水煤浆加压气化技术均采用单喷嘴顶喷布置，原料煤浆由顶部竖直喷入气化炉内；而多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用4只喷嘴水平对置布置，原料煤浆由水平对置喷嘴分别进入气化炉内。

煤浆通过水平对置布置的喷嘴进入气化炉后，会与对面喷入的煤浆发生碰撞、折返而改变流向，相对于单纯的单喷嘴顶喷而言，增强了原料的混合效果并延长了煤浆在炉内的停留时间，提高了气化炉的碳转化效率。但若对置式喷嘴同心度偏差过大，容易造成对炉砖的损害，所以对气化炉的加工要求和喷嘴的安装要求相对较高。

2.2.3 喷嘴结构形式的不同

多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用外混式结构的喷嘴，GE德士古水煤浆加压气化技术采用内混式结构的喷嘴，晋华炉气化技术采用点火一体化内混式结构的喷嘴。

无论是多喷嘴对置式水煤浆气化技术还是GE德士古水煤浆加压气化技术，由于采用的是非点火一体化喷嘴，所以在气化炉烘炉结束后、开始点火时，均需进行喷嘴的更换。而晋华炉气化技术采用了点火一体化喷嘴，在整个过程中无需进行喷嘴的更换，可以避免因喷嘴更换而引起的潜在危险。

与外混式喷嘴相比，内混式喷嘴的混合效果较好，但煤浆通过水平对置布置的喷嘴进入气化炉后，还会发生煤浆的碰撞和混合，弥补了外混式喷嘴的缺陷。此外，内混式喷嘴由于煤浆与氧气在喷嘴内进行了预混合，改变了煤浆的流动方向，会加速喷嘴头部的磨损，相对于外混式喷嘴，对喷嘴的使用周期会产生一定的影响。

2.2.4 燃烧室耐火衬里的不同

多喷嘴对置式水煤浆气化技术和GE德士古水煤浆加压气化技术的燃烧室均采用耐火砖衬里，而晋华炉气化技术采用水冷壁作为耐火衬里。

燃烧室耐火衬里的不同，对气化炉投炉时间具有一定影响。采用耐火砖作为衬里，是利用耐火砖衬里的蓄热来进行投料点火，一般投料前需要的烘炉时间较长。而采用水冷壁耐火衬里时，气化炉采用燃料气伴烧方式进行点火，无需长时间的烘炉准备，点火准备时间短。

燃烧室耐火衬里的不同，对气化炉衬里的维修工作量有一定影响。根据目前运行的情况，多喷嘴对置式水煤浆气化炉的拱顶砖为耐火衬里最薄弱的部位，运行约8 000 h需全部更换；GE德士古水煤浆加压气化炉的锥底砖为耐火衬里最薄弱的部位，目前约运行半年需全部更换；而水冷壁耐火衬里无需进行频繁的更换，但由于水冷壁向火面焊有大量的铆钉用于固定耐火料，会随着炉壁不断的侵蚀而出现损坏，故每次检修时需对出现问题的铆钉进行更换或修补，并对耐火料进行修补。

2.2.5 冷却室冷却方式的不同

对于冷却室的冷却方式，多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用冷却水激冷的方式，晋华炉采用辐射废热锅炉加激冷的方式，GE德士古水煤浆加压气化技术采用全冷却水激冷方式或辐射废热锅炉加激冷的方式。

冷却室冷却方式的不同，造成对合成气热量回收利用方式的不同。辐射废热锅炉加激冷的方式可利用辐射废热锅炉回收合成气的高位热能以副产高压饱和蒸汽，将合成气冷却至700 ℃以后再用冷却水激冷。全激冷流程主要通过水汽方式回收热量，在后工序中副产蒸汽。

冷却室冷却方式的不同，对合成气的水气比产生影响。采用辐射废热锅炉加激冷的方式，其粗合成气的水气比较低，而全激冷流程生产的粗合成气的水气比相对较高。粗合成气水气比的不同，对后续变换工序的设计有较大影响，水气比过低，可能无法满足变换工序的要求，需通过补充部分蒸汽进行水气比的调整。

对于多喷嘴对置式水煤浆气化技术与GE德士古水煤浆加压气化技术的全激冷流程，冷却室的结构也有所不同。GE德士古水煤浆加压气化技术在冷却室内设置了合成气上升管，多喷嘴对置式水煤浆气化技术未设置上升管，而是设置泡罩条。由于多喷嘴对置式水煤浆气化技术充分利用了下部冷却室的空间，降低了气体的流速，利用泡罩条破碎合成气携带的气泡，从而有效降低了合成气带水的概率，有利于系统液位的稳定。

3 不同水煤浆气化技术物耗及运行稳定性分析

3.1 碳转化率

碳转化率是衡量原料煤在气化炉内利用率的重要指标，其最直接的表现为气化炉粗渣、细灰中的含碳量。

3种气化技术均采用液态排渣技术，即气化炉内的反应温度均在灰渣的灰熔点以上。理论上讲，只要给原料煤浆充足的反应时间，煤中的碳均可完全转化，之所以实际运行中存在碳无法完全转化的问题，是由于部分碳在炉内停留时间不足所致。

原料煤浆在炉内停留的时间受喷嘴布置形式影响较大。对于喷嘴顶置的布置形式，喷嘴喷出的煤浆以高速进入炉内，部分煤浆颗粒会直接流向冷却室而未进行反应或反应时间不足。特别是随着炉型的大型化后，由于炉体直径增大，锥底直径相应增大，直接流出或反应时间不足的煤浆颗粒会更多。而在多喷嘴对置式水煤浆气化技术中，原料煤浆的喷射角度不是直接对向冷却室，从喷嘴喷出的煤浆在炉内经碰撞后改变流向，部分折转流向冷却室，通过此过程延长了煤浆在炉内的平均停留时间并减少了直接流入冷却室的煤浆颗粒，从而提高了原料煤的碳转化率。

在实际运行中，多喷嘴对置式水煤浆气化技术的粗渣含碳质量分数基本保持在5%以下；而顶置喷嘴气化技术粗渣的含碳质量分数在5%以下的较少，且随着炉型的增大，粗渣中含碳量有上升的趋势。

3.2 不可再利用能量损失分析

多喷嘴对置式水煤浆气化技术与GE德士古水煤浆加压气化技术全激冷流程基本类似，不可再利用的能量损失也基本相同，最大的不同在于渣水处理工段。多喷嘴对置式水煤浆气化技术将灰水直接与闪蒸的黑水进行换热，而GE德士古水煤浆加压气化技术采用换热器进行间接换热，因此多喷嘴对置式水煤浆气化技术在此处的能量回收效果优于GE德士古水煤浆加压气化技术。

炉壁产生的能量损失是不可再利用的，耐火砖气化炉的炉体表面温度在200 ℃左右，而水冷壁气化炉的炉体表面温度在100 ℃左右，但水冷壁气化炉为了降低炉壁温度，需要通过副产蒸汽带走部分热量。根据目前运行的情况，水冷壁主要副产0.5 MPa或1.0 MPa饱和蒸汽，副产此部分饱和蒸汽增加了原料的消耗，通过计算，副产1 t饱和蒸汽需消耗约200 m3(标态)的CO和100 m3(标态)的O2。

辐射废热锅炉流程利用合成气中的高位热能副产高压饱和蒸汽(4.0～10.0 MPa)，1 000 m3(标态)有效气可副产高压饱和蒸汽0.6 t左右；出辐射废热锅炉的合成气温度低于700 ℃，利用水进行冷却，大部分热量被水汽化吸收，携带水汽的粗合成气进入后工序，热量在后工序通过副产蒸汽得到进一步回收。激冷流程则完全利用激冷水进行冷却，其大部分热量被水汽化吸收，随合成气进入后工序副产蒸汽进行回收，少部分热量进入洗涤水中。

辐射废热锅炉流程和激冷流程不可再利用的能量损失为进入洗涤水中的热量，包括渣水处理阶段高压节流造成的损失、低压闪蒸和真空闪蒸造成的热量损失以及沉淀池造成的热量损失。可以简单地描述为进入渣水处理工段的热水，除了闪蒸出的气体的热量可回收利用之外，其他的热量均为不可再利用的热损失。由于全激冷流程的水量大于辐射废热锅炉的水量，所以全激冷流程的热量损失大于辐射废热锅炉流程。

进入合成气中的热量主要在变换工段进行回收，用于副产2.0 MPa、1.0 MPa和0.5 MPa的蒸汽，剩余热量由循环水带走而造成不可再利用损失。在辐射废热锅炉流程中，由于大部分的热量已被辐射废热锅炉回收，所以在后工序副产的其他等级蒸汽相对于全激冷流程少，由循环水带走的剩余热量也少。

综上所述，在辐射废热锅炉流程中，合成气水汽比小，所以在后工序需要冷却水冷却的水汽少，不可再利用能量损失少；由于进入渣水处理工段的热水少，不可再利用能量损失也少。

3.3 影响长周期运行的因素分析

3.3.1 喷嘴使用寿命的影响

基于所输送原料的特性，无论是哪种水煤浆气化技术，喷嘴都存在磨蚀的问题，同时运行环境也会对喷嘴使用寿命产生影响。从目前运行业绩看，多喷嘴对置式水煤浆气化技术的喷嘴使用寿命一般在90 d左右，最长运行周期超过150 d，但大多数企业以稳定生产为目标，均进行定期的计划检修，一般计划检修周期为90 d。GE德士古水煤浆加压气化技术喷嘴一般在使用60 d左右即进行计划检修。晋华炉气化技术的喷嘴使用寿命一般超过100 d，最长使用寿命超过150 d，但均为小型气化炉，未有大型气化炉的运行数据。

喷嘴使用寿命还受喷嘴的结构形式、工作环境的影响。在3种气化炉中，只有多喷嘴对置式水煤浆气化技术的喷嘴采用外混式，其他2种气化技术均采用内混式，从理论上讲，内混式喷嘴的磨损比外混式严重，但混合效果好。晋华炉气化技术的喷嘴所用冷却水为水冷壁水，温度较高，在200 ℃左右，据专利商介绍，此种改进可有效延长喷嘴的使用寿命，而其他2种气化技术的喷嘴均采用30 ℃的冷却水进行冷却保护。

3.3.2 耐火衬里对运行周期的影响

多喷嘴对置式水煤浆气化炉和GE德士古水煤浆加压气化炉均采用耐火砖作为耐火衬里，但由于结构形式的不同，2种炉型耐火砖的使用寿命也不同。多喷嘴对置式水煤浆气化炉最薄弱的耐火砖是拱顶砖，目前正常的更换周期为8 000 h，而筒体砖基本满足2年的使用要求。GE德士古水煤浆加压气化炉最薄弱的耐火砖是锥底砖，基本每半年更换1次，筒体砖基本可满足2年的使用要求。

晋华炉采用水冷壁结构，无需定期进行维护，只需在每次气化炉停炉时进行内部检查，若水冷壁有损害进行修补即可， 但是若水冷壁出现磨损泄漏等故障时，检修的难度较耐火衬里高。

3.3.3 冷却室对运行稳定性的影响

晋华炉气化技术和GE德士古水煤浆加压半辐射废热锅炉气化技术采用辐射废热锅炉回收热量，但由于2种气化技术均采用液态排渣，辐射废热锅炉表面不可避免地存在黏渣和积灰问题，随着运行时间的延长，对换热效果的影响逐渐增大，对运行工况产生影响。同时，渣和灰对辐射废热锅炉会产生腐蚀现象，国内某企业最早运行的辐射废热锅炉已经因腐蚀而产生泄漏现象，且维修费用较高。

采用全激冷流程的关键点在于激冷环及下降管的保护，运行过程中要防止激冷环的部分堵塞而造成激冷水分布不均，从而引起下降管损坏，国内运行的气化装置中发生过类似事故。

3.4 装置大型化分析

随着技术的不断发展，在保证技术成熟、稳定运行的基础上，设备的大型化是企业降低投资成本和运行能耗的有效措施，设备大型化是所有企业及专利商共同追求的目标。

在目前运行的项目中，多喷嘴对置式水煤浆气化技术最大的运行业绩为3 000 t/d，GE德士古水煤浆加压气化技术为2 000 t/d，晋华炉气化技术为1 000 t/d。

4 结语

多喷嘴对置式水煤浆气化技术和GE德士古水煤浆加压气化技术与晋华炉气化技术相比，应用业绩较多，技术相对成熟，生产运行中的众多问题得以暴露和解决。与GE德士古水煤浆加压气化技术、晋华炉气化技术相比，多喷嘴对置式水煤浆气化技术在碳转化率、大型化及装置投资、运行能耗等方面具有一定优势。晋华炉气化技术在合成气热量回收利用方面比全激冷流程具有一定优势，但辐射废热锅炉流程生产的合成气水气比较低，在变换工段的设计过程中需注意其造成的影响。

我国煤化工行业经历了多年的发展，在气化技术的选择方面曾付出过沉痛的代价。因此，气化技术的选择首先应建立在技术成熟可靠、运行稳定的基础上，再从能耗等方面进行综合考虑。