第35卷增刊.應(yīng)用化工Vol. 352006年10月Applied Chemical IndustryOct. 2006多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范王輔臣,于廣鎖,龔欣,劉海峰,王亦飛，周志杰,陳雪莉,郭曉鐳,代正華,于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,上海200237)摘要:煤氣化技術(shù)是發(fā)展煤基化學(xué)品(氨、甲醇、二甲醚等)、煤基液體燃料、先進的IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ),是這些行業(yè)的共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù)。本文詳細介紹了多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的特點,研究開發(fā)的方法和過程,多噴嘴對置的水煤漿和粉煤氣化中試裝置的運行情況,多噴嘴對置的水煤漿氣化技術(shù)工業(yè)示范裝置的運行情況。示范結(jié)果表明,同樣采用北宿精煤的國泰化工有限公司多噴嘴對置氣化爐與魯南化肥廠Texaco 氣化爐相比,碳轉(zhuǎn)化率提高3個百分點以上,比氧耗降低約8%,比煤耗降低2%~3%;同樣采用神府煤的華魯恒升化工有限公司多噴嘴對置氣化爐與上海焦化廠Texaco 氣化爐相比,碳轉(zhuǎn)化率提高3個百分點以上,比氧耗降低約2%,比煤耗降低約8%左右。工業(yè)運行結(jié)果表明,多噴嘴對置氣化爐工藝指標(biāo)先進,運行穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:多噴嘴對置;煤氣化;研究開發(fā);工業(yè)示范中圖分類號:TQ 545文獻標(biāo)識碼:A煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料,在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位,將長期是我國的主要能源。煤氣化技術(shù)是煤炭清潔轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)之一,是發(fā)展煤基化學(xué)品(氨、甲醇、二甲醚等)、煤基液體燃料、先進的ICCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ),是這些行業(yè)的共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù)。估計,我國“十一-五”末期年氣化用煤約1億t。以煤間接液化為例,規(guī)模為500萬t/a的生產(chǎn)裝置,氣化用煤在2200~2500萬t/a。國內(nèi)在建的甲醇裝置、合成氨裝置、煤制油裝置和處于籌建中的煤制烯烴裝置煤制油裝置、甲醇裝置等,已展現(xiàn)了對煤氣化技術(shù)的強勁需求。在流派眾多的煤氣化技術(shù)中,氣流床氣化技術(shù)因煤種適應(yīng)范圍比較廣、氣化溫度、壓力高、易于大型化,成為煤氣化技術(shù)發(fā)展的主流方向。國際上有代表性的氣流床氣化技術(shù)主要有GE( Texaco)氣化技術(shù)1,2]. Global E-Gas氣化技術(shù),以干粉煤為原料的Shell 氣化技術(shù)[3.4]、Prenflo氣化技術(shù)[5.6]、GSP氣化技術(shù)功。華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所長期從事煤氣化技術(shù)研究,基于對置撞擊射流強化混合的原理,提出了多噴嘴對置的水些“中國煤化芏術(shù)方案,在氣流床煤氣化技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方:YHCN MH G后完成了多噴嘴對置水煤漿和粉煤中間試驗,建設(shè)了多噴嘴對置水煤漿氣化工業(yè)裝置。實踐表明,開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。本文將對多噴嘴120應(yīng)用化工2006年第35卷增刊對置式氣化技術(shù)的實驗研究、中試研究和產(chǎn)業(yè)化示范作簡要總結(jié)。1實驗研究1.1 過程分析水煤漿和粉煤氣化過程涉及高溫、高壓、非均相條件下的流體流動以及與之相關(guān)的傳遞過程規(guī)律和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。氣化爐內(nèi)平均溫度高達1350~1450C(火焰前沿溫度更高) ,氣化過程基本上屬于快反應(yīng)，與流體流動密切相關(guān)的混合過程在其中起著極為重要的作用。基于上述分析,開發(fā)者提出了氣化過程的層次機理模型，見圖1。其中噴嘴和爐體的結(jié)構(gòu)與幾何尺寸、工藝條件(第一層次)決定了爐內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)(速度分布、壓力分布、回流與卷吸一第二層次) ,流場結(jié)構(gòu)又決定了爐內(nèi)的混合過程(包括霧化一第 三層次) ,并由此形成了爐內(nèi)的濃度分布、溫度分布和停留時間分布(第四層次)。而有效氣成分、有效氣產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率和水蒸氣分解率等氣化反應(yīng)結(jié)果,以及噴嘴壽命、耐火磚壽命、激冷環(huán)壽命和結(jié)渣等工程結(jié)果(第五層次)則受濃度分布、溫度分布和停留時間分布的影響。第一層次噴嘴結(jié)構(gòu)工藝條件爐體結(jié)構(gòu)與尺寸二↓第二層次霧化流場.第三層次混合第四層次濃度分布溫度分布停留時間分布氣體成分化第五層次有效氣產(chǎn)率.學(xué)反工耐火磚壽命水蒸氣分解率應(yīng)噴嘴壽命轉(zhuǎn)化率中國煤化工MHCNMHG圖1氣化過程層次機理模型其中第-層次是可控因素,關(guān)鍵是控制依據(jù);第五層次為結(jié)果,是被動承受增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范121的;第二層次第三層次第四層次因素起因于第-層次因素,影響氣化結(jié)果,在工業(yè)條件下,是人們無法看到的,但又是設(shè)計第--層次因素的依據(jù),它們與爐內(nèi)流體流動過程密切相關(guān),鑒于流體流動特征以及與之相關(guān)的混合過程的特殊性,可以將其從復(fù)雜的氣化反應(yīng)中分解出來,通過大型冷模裝置加以詳盡的研究。由于氣化過程速率為傳遞過程控制,為此,我們提出了新的技術(shù)對策,即通過噴嘴配置、優(yōu)化爐型結(jié)構(gòu)及尺寸,在爐內(nèi)形成撞擊流,以強化混合(熱質(zhì)傳遞)過程并形成爐內(nèi)合理的流場結(jié)構(gòu),從而達到良好的工藝與工程效果:有效氣成分高,碳轉(zhuǎn)化率高,耐火磚壽命長。1.2大型冷 模實驗為了研究氣化爐內(nèi)的流動與混合過程,建立了φ1000mm、高6000mm的大型冷模裝置,采用DualPDA、熱線分速儀、快速氣相色譜,分別研究了單噴嘴和多噴嘴對置時氣化爐內(nèi)的流場、冷態(tài)濃度分布、停留時間分布、壓力分布8-],研究了噴嘴的霧化規(guī)律[213)?；诶淠嶒灪兔簹饣磻?yīng)的特征,提出了水煤漿氣化過程的分區(qū)模型。1.2.1流動特征 流場測試表明 ,4噴嘴對置式爐流場結(jié)構(gòu)示意圖(圖2)可劃分為以下6個區(qū)域:射流區(qū),撞擊區(qū),撞擊流股,回流區(qū),折返流區(qū),管流區(qū)。海中二4小.......圖2 4 噴嘴對置撞擊流氣俳中國煤化工射流區(qū)(I):流體從噴嘴以較高速度噴出YHCNMH G卷吸帶向下游流動,射流寬度隨之不斷擴展,其速度也逐漸減弱，直至與相鄰射流邊界相交。撞擊區(qū)(I):當(dāng)射流邊界交匯后,在中心部位形成相向射流的劇烈碰撞運122應(yīng)用化工2006年第35卷增刊動,該區(qū)域靜壓較高,且在撞擊區(qū)中心達到最高。此點即為駐點,射流軸線速度為零。由于流體撞擊的作用,射流速度沿徑向發(fā)生偏轉(zhuǎn),徑向速度(即沿設(shè)備軸向速度)逐漸增大。撞擊區(qū)內(nèi)速度脈動劇烈,湍流強度大,混合作用好。撞擊流股(I):4股流體撞擊后,流體沿反應(yīng)器軸向運動,分別在撞擊區(qū)外的上方和下方形成了流動方向相反、特征基本相同的兩個流股。撞擊流股具有與射流相同的性質(zhì),即流股對周邊流體也有卷吸作用,使該區(qū)域?qū)挾妊剌S向逐漸增大,軸向速度沿徑向逐漸衰減，軸線處最大。中心軸向速度沿軸向達到-最大值后也逐漸衰減,直至軸向速度沿徑向分布平緩。回流區(qū)(IV):由于射流和撞擊流股都具有卷吸周邊流體的作用,故在射流區(qū)邊界和撞擊流股邊界,出現(xiàn)回流區(qū)。折返流區(qū)(V):沿反應(yīng)器軸向向上運動的流股,對拱頂形成撞擊流,近爐壁沿著軸向折返朝下運動。管流區(qū)(VI):在爐膛下部,射流射流撞擊、撞擊流股、射流撞擊壁面特征消失,軸向速度沿徑向分布基本保持不變，形成管流區(qū)。1.2.2混合特征停留時間分布是氣化爐內(nèi)微觀混合過程在宏觀上的表現(xiàn)。采用脈沖進樣法,分別測定了多噴嘴對置式氣化爐和Texaco氣化爐的無因次停留時間分布密度E( 0)與無因次時間θ的關(guān)系,見圖3。1.2p1.0-◆Texaco 氣化爐n 0.8一多噴嘴對 置式氣化爐0.60.410.20.02.03.04.0圖3氣化爐停 留時間分布密度曲線圖3表明,多噴嘴對置式氣化爐與Texaco氣化爐停留時間分布的差異主要出現(xiàn)在無因次時間θ較小時,前者出峰時間明顯較后者晚。對Texaco氣化爐而言,通過噴嘴進人氣化爐的物料幾乎同時就有部分物料流出氣化爐,而在多噴嘴對置式氣化爐中,通過噴嘴進人氣化爐的物料一般要 經(jīng)過0. 18(無因次時間)之后才可能流出氣化爐。多噴嘴對置式氣化爐的平均停留時間約為8.6s,即物料至少要經(jīng)過1.5s才可能出氣化爐。氣流床煤氣化的工程實踐表明，經(jīng)過1 s,煤顆粒的氣化反應(yīng)已進行得相當(dāng)完全。因此，多中國煤化工約碳轉(zhuǎn)化率將會比Texaco氣化爐有顯著提高。YHCNMHG1.2.3不對稱撞擊射流[14] 在氣化爐 實際操作中,完全的對稱撞擊只是相對增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范的，由于流量的波動,普遍存在不對稱撞擊的情況,因此研究流量不均勻時不對稱撞擊流的規(guī)律,對指導(dǎo)工業(yè)操作有重要意義。通過大型冷模實驗，獲得了重要結(jié)論,影響撞擊流駐點偏移的因素有氣量比、噴嘴直徑、噴嘴間距等。氣速比一定時,氣速的絕對大小對軸線上撞擊面駐點影響可以忽略。通過曲線擬合可以得出無因次的偏移量Ox/L隨操作條件的變化關(guān)系為:Ox0. 0831L*=0. 8086 x(1-a)1.338 >(號)°4個噴嘴氣速相等時,流場是對稱的;駐點只有一個,都出現(xiàn)在正交的交點上;對其速度分布曲線無因次化后,曲線重合,即各工況按相同規(guī)律衰減。4個噴嘴中有3個噴嘴氣速相等時,發(fā)現(xiàn)兩個駐點，駐點基本都出現(xiàn)在x/D=0和.x/D=-5處;和兩噴嘴的工況比較,駐點比兩噴嘴多了-一個,駐點出現(xiàn)的位置也比兩噴嘴工況的位置向氣速大的噴嘴的方向移動。4個噴嘴中對置的2對噴嘴氣速兩兩相等時,發(fā)現(xiàn)速度曲線中出現(xiàn)3個駐點,而2對噴嘴氣速相差不大時只測量到一個駐點。4個噴嘴中相鄰2個噴嘴氣速兩兩相等時，發(fā)現(xiàn)駐點發(fā)生了偏移,且偏離了軸線。1.3化學(xué) 反應(yīng)特征氣化爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)可分為一次反應(yīng)(即燃燒反應(yīng))和二次反應(yīng)(即C、CH4 .等的氣化反應(yīng)和逆變換反應(yīng)),某個流動區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)到底以--次反應(yīng)為主、還是以二次反應(yīng)為主,與該區(qū)內(nèi)的流體流動特征及與之相應(yīng)的混合過程有關(guān)。根據(jù)不同特點,爐內(nèi)有3個化學(xué)反應(yīng)特征各異的區(qū)域,即一次反應(yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一、二次反應(yīng)共存區(qū)。1.3.1 一次反應(yīng)區(qū)一次反應(yīng)區(qū)包括射流區(qū)、撞擊區(qū)及撞擊擴展流區(qū)的--部分。該區(qū)中以煤中揮發(fā)份與氧氣的燃燒反應(yīng)為主,也伴有射流卷吸的回流氣體中CO和H2的燃燒反應(yīng)。揮發(fā)份、H2和CO的燃燒速率極快,其時間尺度在2~4 ms ,遠小于爐內(nèi)物料微觀混合的時間尺度(約0.1 s), 在混合過程中,脫揮發(fā)份后的顆粒將形成殘?zhí)?因此在一次反應(yīng)區(qū)中亦有游離炭黑或殘?zhí)康娜紵磻?yīng)。Masdin 和Thring的研究表明,殘?zhí)康娜紵俾始s為揮發(fā)份燃燒速率的1/10左右,因此,殘?zhí)吭? -次反應(yīng)區(qū)中的燃燒與揮發(fā)份的燃燒相比是次要的。即- -次反應(yīng)區(qū)中的主要反應(yīng)為:煤中揮發(fā)份+O2-→CO2 + H20(5)2C0 + 02= 2CO2中國煤化工2H2+ O2= 2H2ODHCNMHGCH4+ 202= CO2 + 2H20(8)2C + O2= 2CO(9)12-應(yīng)用化工2006年第35卷增刊1.3.2二次反應(yīng)區(qū) 二次反應(yīng)區(qū) 包括管流區(qū)和撞擊擴展區(qū)的一部分。一次反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)物將進行二次反應(yīng),其主要組分有殘?zhí)俊⒂坞x炭黑CO2、CH,、H20以及CO和H2,殘?zhí)颗c游離炭黑在二次反應(yīng)區(qū)中繼續(xù)氣化:C + CO2= 2CO(10)C+H2O=CO+H2(11)CH4將發(fā)生下列轉(zhuǎn)化反應(yīng):CH4+H2O=CO+3H2(12)CH4 + CO2= 2H2 + 2CO(13)CO2和H2O在二次反應(yīng)區(qū)中將進行下列逆變換反應(yīng):CO2+ H2= CO + H20(14)通?？捎梅磻?yīng)速率常數(shù)的倒數(shù)1/k表征反應(yīng)時間尺度,由文獻提供的有關(guān)反應(yīng)速率數(shù)據(jù),可算出反應(yīng)( 10)的時間尺度為10 s左右[5];已有研究表明,反應(yīng)(11)的速率快于反應(yīng)(10);而反應(yīng)(12) ~(14)這3個反應(yīng)為均相反應(yīng),在高溫下其速率高于反應(yīng)( 10)和(11)。碳與H20和CO2反應(yīng)的時間尺度均大于微觀混合的時間尺度，即化學(xué)反應(yīng)是殘?zhí)繗饣磻?yīng)的控制步驟。1.3.3一 次與二次反應(yīng)共存區(qū)一、二次反應(yīng)共存區(qū)主要是回流區(qū)。因射流的卷吸作用和湍流擴散,回流區(qū)將與射流區(qū)和撞擊流擴展區(qū)進行質(zhì)量交換,其中以卷吸為主,但因湍流的隨機性,也將有個別氧氣微團經(jīng)湍流擴散作用而進人回流區(qū)中。因此,在回流區(qū)中,既有一次反應(yīng),亦有二次反應(yīng),但以二次反應(yīng)為主。同樣，該區(qū)中的反應(yīng)除碳與H20和CO2的氣化反應(yīng)外均受微觀混合過程的控制。1.4數(shù)學(xué)模型 ，氣化過程中,除殘?zhí)康臍饣磻?yīng)外,其它反應(yīng)基本上屬于快反應(yīng)。因此,就局部而言,反應(yīng)(12)和(14)處于平衡狀態(tài),模擬時可以不考慮動力學(xué)因素。但從總體上講,因受停留時間分布的影響,停留時間低于宏觀或微觀混合時間尺度的這一-部分物料將 無法充分反應(yīng),其宏觀表現(xiàn)似乎是化學(xué)反應(yīng)未達到平衡。在進行氣化爐氣相物料的計算時,必須從停留時間分布的角度出發(fā),考慮到微觀混合與宏觀混合的時間尺度。基于冷態(tài)流場的研究,提出了對氣化爐進行工藝計算的混合模型,已成功應(yīng)用于水煤漿、粉煤、渣油氣化及天然氣部分氧化過程[16-18]2中試裝置的運行2.1水煤漿氣化中試裝置的運行中國煤化工基于實驗室研究結(jié)果,提出了新型水煤漿MHCNMH c在兗礦集團公司魯南化肥廠設(shè)計了日處理22t煤的多噴嘴對置水煤漿氣化中試裝置，該裝置于2000年7月開始試運轉(zhuǎn),累計運轉(zhuǎn)700多h,2000年10月通過中國石油化工增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范125協(xié)會組織的72 h工藝考核。中試水煤漿來自魯南化肥廠Texaco 水煤漿氣化工業(yè)裝置,采用落陵煤、井亭煤級索煙煤混合制漿,各煤種的分析結(jié)果見表1。氣化操作條件為:氣化壓力4. 0 MPa,氣化溫度1200 ~ 1350C ,煤漿濃度61%,氧煤比約為0.691 Nm'/kg。表1中試裝 置煤質(zhì)分析結(jié)果煤種落陵井亭級索煙煤Mad/%0.660.971.85Ad/%7. 913.8414. 90Vdaf/%45. 5939. 3642. 70固定碳/%49.7758.3247. 85總硫/%2.772. 204.29熱值/(kJ●kg~')316843394027990元素分析/%C77. 4785.7466. 83H5.385.534. 76N1.211.381.08.05. 191.257. 78s2. 792.224. 37Ash7.963. 8815.18混合比例/%60.0020. 00氣化爐出口典型氣體組成列于表2,與采用同樣煤種的魯南化肥廠Texaco水煤漿氣化工業(yè)裝置工藝指標(biāo)的比較列于表3。表2典型合成氣組成組分體積分?jǐn)?shù)/%37.07CO46. 12CO216. 20其庀0.61從表3可見,在采用同樣煤種的情況下,多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的整體工藝指標(biāo)優(yōu)于Texaco氣化裝置,表現(xiàn)出碳轉(zhuǎn)中國煤化工;煤耗低的優(yōu)勢。YHCNMHG中試裝置的成功運轉(zhuǎn),表明多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)整體工藝方案可行，工藝指標(biāo)先進,為建設(shè)商業(yè)化示范裝置奠定了基礎(chǔ)。126應(yīng)用化工2006年第35卷增刊表3多噴嘴對置氣化爐中試裝 置與Texaco水煤漿氣化爐工業(yè)裝置工藝指標(biāo)比較多噴嘴對置氣化爐中試裝置魯南化肥廠 Texaco 工業(yè)裝置單爐生產(chǎn)能力/(t煤●d")~22~ 400操作壓力/MPa~2.0~3.0煤漿濃度/%~6162 ~64有效氣成分(CO + H2)/%~ 8381.4碳轉(zhuǎn)化率/%> 98~ 95比氧耗/[Nm'O2●10~3 Nm'(CO +H2)]~ 380-410比煤耗/[kg煤.10-3 Nm'(CO +H2)]~ 550~ 590干氣產(chǎn)率/(NM’干氣●kg~'煤)~2.192.2干煤粉氣化中試裝置的運行2004年末,在華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠(水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心)、中國天辰化學(xué)工程公司3家單位通力合作下,建于兗礦魯南化肥廠的國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的粉煤加壓氣化中試裝置順利通過72h專家現(xiàn)場考核,率先在國內(nèi)展示了氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)的優(yōu)越性能。中試裝置氣化溫度為1300 ~ 1400C,氣化壓力2.0 ~3.0 MPa,根據(jù)1對噴嘴或4個噴嘴運行情況不同,裝置操作負(fù)荷可調(diào)范圍較大,為15~45 t煤/d。氧煤比主要操作范圍為0.5 ~0.6 Nm'/kg,蒸汽煤比操作范圍為0 ~0.3 kg/kg。粉煤加壓氣化中試裝置氣化用煤為兗礦魯南化肥廠氣化分廠Texaco 水煤漿氣化工業(yè)裝置用煤,進氣化爐的煤粉煤質(zhì)分析結(jié)果見表4。,表4煤質(zhì)分析結(jié)果煤質(zhì)分析項目分析結(jié)果工業(yè)分析/%M.s0.76Aad9.14V37. 38FC。52.73元素分析/%S.s3.51Cs73. 5H.中國煤化工NuMYHCNMHGOd6. 86合成氣成分見表5,其中以二氧化碳為輸送載氣進行氣流床粉煤加壓氣化增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范127的運行數(shù)據(jù)在國際上還未見報道。顯然,采用二氧化碳為輸送載氣后,合成氣中的氮氣含量明顯降低,這對于粉煤加壓氣化技術(shù)更好地應(yīng)用于生產(chǎn)甲醇、二甲醚醋酸烯烴、F-T合成等具有重要意義。表5還同時列出了其它國外氣流床煤氣化技術(shù)公開的合成氣成分?？梢钥吹?該氣化技術(shù)的合成氣中有效氣成分較水煤漿氣化高出約6~ 10個百分點，而和Shell、GSP技術(shù)基本- -致。表5中試裝 置合成氣成分及其比較成分COH2CO2N2(CO +H2)本裝置(N2輸送)/%58 ~6229 ~322~44~789~93本裝置(CO2輸送)/%59~6428 ~311.5~70.7 ~0.989~95Shell"氣化技術(shù)(N2輸送)/%64. 627.21.534. 1891.8GSP[2]氣化技術(shù)(N2輸送)/%68.9.23.63.192.5表6還給出了以二氧化碳為輸送載氣、氣化爐壓力在1.0 MPa時,蒸汽碳比的一系列變化對合成氣成分的影響。表6以二氧化碳為輸送載 氣時的合成氣成分粉煤流量/氧碳比/蒸汽碳比/合成氣成分(干基)/%體積No.(kg煤.h-")(mol●mol ~')(mol.mol")N10430.390.2560.3332. 106.780.7910510. 2062.5331. 275.390.81310410.1363.2030. 845.260. 7010370.370.1064.7930.15 4. 32.0.7450.310.0069. 5927. 881.481.08由表6可見，隨蒸汽煤比的降低,有效氣成分呈上升趨勢,CO含量明顯增加,同時H2和CO2含量下降。結(jié)果表明CO2不僅可以用作輸送粉煤的載氣,同時作為氣化劑也參與了氣化反應(yīng)。值得指出的是,以二氧化碳為輸送載氣時,氣化爐操作壓力最高達到了3. 0 MPa。表7在給出本裝置工藝技術(shù)指標(biāo)的同時,也列出了其它技術(shù)的相應(yīng)指標(biāo),便于比較,包括相同煤種的兗礦魯南化肥廠水煤漿氣化工業(yè)裝置同時期運行指標(biāo)，以及Shell、GSP粉煤氣化技術(shù)指標(biāo)。由表7可見,本技術(shù)的各項工藝技術(shù)指標(biāo)與Shell和GSP煤氣化技術(shù)基本上處于同一水平。與多噴嘴對置式氣化爐的水淇收氣化城術(shù)北壇胡比，該技術(shù)節(jié)中國煤化工煤2%~4%,節(jié)氧16%~21%,表現(xiàn)出明顯的YHCNMHG128應(yīng)用化工2006年第35卷增刊表7幾種不同氣化裝置運行指標(biāo)比較比氧耗比煤耗裝置原料形態(tài)(CO+H2)碳轉(zhuǎn)化率/[Nm'O2●10~3 [kg煤. 10-3煤種/%Nm'(CO+H2)] Nm'(CO +H2)]多噴嘴對置式粉煤89 ~93> 98300 ~ 320530 ~ 540魯化生產(chǎn)裝置氣化爐用煤(灰份9.14%)水煤漿~83~ 380~550原魯化生產(chǎn)裝置用煤(灰份7.67%)Shell粉煤.)0>99340590灰份18%CSP粉煤92.5315564魯化生產(chǎn)裝置水煤漿~95 .~410~ 5903商業(yè)示范裝置的建設(shè)和運行3.1 工藝流程與技術(shù)特點與Texaco水煤漿氣化技術(shù)相比，多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)具有顯著的工藝特點,下面分別加以敘述。3.1.1基本流程多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)由磨煤制漿、多噴嘴對置氣化、煤氣初步凈化及含渣黑水處理4個工段組成,包括磨煤機、煤漿槽、氣化爐、噴嘴洗滌冷卻室、鎖斗、混合器、旋風(fēng)分離器、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔、閃蒸器、澄清槽、灰水槽等關(guān)鍵設(shè)備組成,工藝流程簡圖見圖4。ozyEensyn-. gasCandensatecoalmterp4山:Soft二oo.↑:14siag圖4多噴嘴對 置式水煤漿氣化技術(shù)工藝流程1.磨煤機;2.煤漿槽;3.煤漿泵;4.多噴嘴對置式氣化爐;5.噴嘴;6.洗滌冷卻室;7.鎖斗;8.混合器;9.旋風(fēng)分離器;10.水洗塔;11.蒸發(fā)熱7把汽槽;14.灰水槽中國煤13.1.2 技術(shù)特點MHCNMHG3.1.2.1多噴嘴對 置式氣化爐水煤漿 通過4個對標(biāo)仰直仕氣化爐中上部同一水平面的預(yù)膜式噴嘴,與氧氣-起對噴進人氣化爐,在爐內(nèi)形成撞擊流,在完增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范成煤漿霧化的同時,強化熱質(zhì)傳遞,促進氣化反應(yīng)的進行。3.1.2.2新型洗滌冷卻室結(jié)構(gòu)運用交叉流式洗滌冷卻水分布器和復(fù)合床高溫合成氣冷卻洗滌設(shè)備,即強化高溫合成氣與洗滌冷卻水間的熱質(zhì)傳遞過程,又很好的地解決洗滌冷卻室?guī)畮Щ?、液位不易控制等問題,并使合成氣充分潤濕,有利于后續(xù)工段進一步除塵凈化。3.1.2.3分級凈化式合 成氣初步凈化工序采用分級凈 化的概念，由混合器、分離器、水洗塔等3個單元組合,形成合成氣初步凈化工藝流程,即先粗分再精分,屬高效、節(jié)能型。混合器后設(shè)置分離器,除去80% ~ 90%的細灰,使進人水洗塔的合成氣較為潔凈;加入水洗塔的洗滌水比加人混合器的潤濕洗滌水更清潔,保證洗滌效果。3.1.2.4含渣水處理工序 采用含 渣水蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽與灰水直接接觸,同時完成傳質(zhì)、傳熱過程,其先進性為:無影響長周期運轉(zhuǎn)的隱患;回收熱量充分,熱效率高。工業(yè)裝置運行已證實有較長的操作周期和很好的能量回收效果。3.2商業(yè)示范裝置的建設(shè)和運行從2002年開始,先后在山東華魯恒升化工有限公司和兗礦集團國泰化工有限公司建設(shè)了2套多噴嘴對置商業(yè)性示范裝置,示范裝置的建設(shè)得到了國家863計劃和其它科技計劃的支持。建設(shè)了2臺氣化壓力6.5 MPa、單爐日處理煤量1000 t,配套生產(chǎn)24萬t/a甲醇、80 MW IGCC發(fā)電的氣化裝置。3.2.1華魯恒升公司 示范裝置山東華魯 恒升化工有限公司示范裝置氣化壓力6.5 MPa、單爐日處理煤量750 Va,配套生產(chǎn)30萬t/a合成氨的氣化裝置,氣化裝置由中國華陸工程公司設(shè)計,裝置于2004年底建成,于2004年12月1日- - -次投料成功。經(jīng)過調(diào)整和優(yōu)化,多噴嘴對置式水煤漿氣化爐于2005年6月初正式投入運行。截至2006年7月31日,裝置已累計運行約6000 h。3.2.2國 泰化工有限公司示范裝置兗礦 集團國泰化工有限公司示范裝置包括2臺氣化壓力4.0 MPa、單爐日處理煤量1000 t的氣化裝置,配套生產(chǎn)24萬Va甲醇、由燃氣輪機和蒸汽輪機聯(lián)合生產(chǎn)80MW電力。該氣化裝置于2005年10月16日一次投料成功,10月17日打通全部工藝流程,生產(chǎn)出合格甲醇。至今氣化裝置累計運行約6000 h,運轉(zhuǎn)率~ 90%。工業(yè)運行證實,多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置具有如下優(yōu)點:①開車方便,操作靈活，負(fù)荷增減自如,操作的方便程度優(yōu)于引進的水煤漿氣化裝置;②自動化程度高，全部采用集散控制系統(tǒng)( DCS)控制,特別是氧些當(dāng)廣中國煤花制，氣化爐操作簡.單方便;③整個氣化系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定;④TYHcNMHc進;⑤洗滌冷卻室液位可控,無帶水帶灰現(xiàn)象發(fā)生;⑥合成氣中細灰含量低;⑦含渣水系統(tǒng)回.收效率高,灰水溫度得到最大程度提高。130應(yīng)用化工2006年第35卷增刊3.2.3示范裝置主要工藝指標(biāo) 華魯 恒升化工有限公司氣化裝置采用神府煤,國泰化工有限公司采用北宿精煤,2種煤的煤質(zhì)分析見表8。氣化爐出口合成氣典型組成列于表9。表8工業(yè)示范裝置煤質(zhì)分析結(jié)果煤種神府煤.北宿精煤Mad/%6.983.30Ad/%4. 567.32Vd/%30. 5850. 57固定碳/%64. 8742.11總硫/%0.432.51熱值/(kJ .kg")3017031059元素分析/%C71.2374.73H6.085.13.N1.001.20014.768.77s0. 462. 60Ash4. 907.57氣化裝置華魯恒升兗礦國泰表9氣化爐出口典型合成氣組成%H234. 8536. 33CO47.7848. 46CO216. 8014.21H2S0.030.71CH,0.020. 050. 24中國煤化工其它0.09MHCNMHG_表10給出了采用相同煤種時多噴嘴對置氣化爐與Texaco 水煤漿氣化爐主要工藝指標(biāo)的比較。增刊王輔臣等:多噴嘴對置煤氣化技術(shù)的研究與工業(yè)示范131表10多噴嘴對置氣化爐中試裝 置與Texaco水煤漿氣化爐工業(yè)裝置工藝指標(biāo)比較多噴嘴對置氣化爐Texaco氣化爐煤種北宿精煤神府煤單爐生產(chǎn)能力/(t煤.d"I)100040500操作壓力/MPa4.06.53.0煤漿濃度/%~61-60~63~60有效氣成分(CO +H2)/%~85~8382 ~83~80碳轉(zhuǎn)化率/%> 98~ 95~95比氧耗/[Nm' O2 .10-3 Nm'(CO +H2)]~309~400~ 336~412比煤耗/[ kg煤10-3 Nm'(CO +H2)]~535~ 581~ 547~631由表10可知,同樣采用北宿精煤的國泰化工有限公司多噴嘴裝置氣化爐與魯南化肥廠Texaco 氣化爐相比,碳化率提高3個百分點以上，比氧耗降低約8%,比煤耗降低2%~3%;同樣采用神府煤的華魯恒升化工有限公司多噴嘴對置氣化爐與上海焦化廠Texaco 氣化爐相比,，碳轉(zhuǎn)化率提高了3個百分點以上,比氧耗降低約2%,比煤耗降低約8%左右。工業(yè)運行結(jié)果表明，多噴嘴對置氣化爐工藝指標(biāo)先進,運行穩(wěn)定可靠。4結(jié)論(1)多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)采用新的噴嘴組合型式，有利于強化混合。冷模實驗表明,其流場結(jié)構(gòu)合理,停留時間分布得到優(yōu)化,有利于提高碳的轉(zhuǎn)化率。(2)多噴嘴對置水煤漿氣化技術(shù)在合成氣洗滌冷卻、初步凈化、含渣黑水熱量回收等方面有創(chuàng)新性的技術(shù)方案,避免了目前Texaco技術(shù)在工業(yè)操作中出現(xiàn)的諸多問題,有利于氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。(3)工業(yè)裝置的運行結(jié)果表明,多噴嘴對置氣化爐工藝指標(biāo)先進,同樣采用北宿精煤的國泰化工有限公司多噴嘴對置氣化爐與魯南化肥廠Texaco氣化爐相比,碳轉(zhuǎn)化率提高3個百分點以上,比氧耗降低~8%,比煤耗降低2%~3%;同樣采用神府煤的華魯恒升化工有限公司多噴嘴對置氣化爐與上海焦化廠Tex-aco氣化爐相比,碳轉(zhuǎn)化率提高3個百分點以上,比氧耗降低~2%,比煤耗降低~ 8%左右。(4)工業(yè)運行結(jié)果還表明,該裝置的優(yōu)點是:①開車方便、操作靈活、負(fù)荷增減自如,操作的方便程度優(yōu)于引進的水煤漿氣化裝置;②自動化程度高,全部采用集散控制系統(tǒng)( DCS)控制,特別是氧煤比投V7中國煤 化工戶操作簡單方便;③整個氣化系統(tǒng)運行狀況穩(wěn)定;④洗滌冷YHCN MH GK帶灰現(xiàn)象發(fā)生;⑤合成氣中細灰含量低;⑥含渣水系統(tǒng)熱回收效率高,灰水溫度得到最大程度提高。132應(yīng)用化工2006年第35卷增刊參考文獻:[1] Cormils B,Hibbel J Ruprecht. Langhoff P ,et al. Gasification of hydrogenation residues usingthe Texaco coal gasification process[J]. Fuel Proc Tech, 1984 ,9(3) :251 -264.[2] Schafer W , Trondt M , LanghoffW Konkol J, et al. Coal gasification for synthesis-and IGCC-processes. results of the development of Texaco coal gasifcation by Ruhrkohle AG/Ruhrche-mie AG[J]. Fuel Proc Tech , 1984，17(3) :221-234.[3]Doering E L,Cremer G A. The Shell coal gasification process :the demkolec project and be-yond[J]. Proc Am Power Conf , 1994 ,56(2) :1686-1691.[ 4] Doering E L, Cremer C A. Advances in the Shell coal gasification process[ J]. Prepr Pap AmChem Soc ,Div Fuel Chem，1995 ,40(2) :312-317.[5] Thompson D , Argent B B. Prediction of the distribution of trace elements between the productstreams of the prenflo gasifier and comparison with reported data[ J]. Fuel ,2002 ,81 :555-570.[6] Schellberg W. Prenflo for the european IGCC at puertollano[ J]. Proc Anul Int PittsburghCoal Conf, 1995 ,12 :58-63.[7] Higman C, Burt M V D. Gasification[ M]. Burlington USA: Elsevier Science ,2003. 120-122.[8] 于遵宏, 沈才大,龔 欣,等.雙通道噴嘴渣油氣化過程. I冷模實驗[J].化工學(xué)報，1994 ,45(2) :127-134.[9]王輔臣,于廣鎖,龔 欣, 等.射流攜帶床氣化爐內(nèi)宏觀混合過程研究I冷體濃度分布[J].化工學(xué)報,1997 ,48(2) :193-199.[10] 王輔臣,龔欣,吳韜,等.射流攜帶床氣化爐內(nèi)宏觀混合過程研究. II停留時間分布[J].化工學(xué)報, 1997 ,48(2) :200-207.[11]劉海峰,劉輝,王輔臣,等.大噴嘴間距對置撞擊流徑向速度分布[J].華東理I工大學(xué)學(xué)報,2000 ,26(2) :168-171.[12]侯麗英,王輔臣,于遵宏,等.渣油氣化雙通道噴嘴的霧化性能[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,1995 ,9(1):18-23.[13] Liu Hai-Feng, Gong Xing, Li Wei-Feng, et al. Prediction of drop size distribution in sprays ofprefilming air-blast atomizers[ J]. Chemical Engineering Science ,2006 :61 :1741-1747.[14]許建良,李偉鋒,曹顯奎,等.不對稱撞擊流的實驗研究與數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報,2006 ,57(2) :288-291.[15]孫學(xué)信,陳建原.煤粉燃燒物理化學(xué)基礎(chǔ)[ M].武漢:華中理工大學(xué)出版社, 1991.[16] 王輔臣,吳 韜,于建國,等射流攜帶床氣化爐內(nèi)宏觀混合過程研究. I過程分析與模擬[J].化工學(xué)報,1997 ,48(3) :336-346.[17] 王輔臣,龔 欣,代正華,等. Shell粉煤氣化爐中國煤化工、理工大學(xué)學(xué)報,2003 ,29(2) :202-205. .*YHCNMHG[18]王輔臣,李偉鋒,代正華.等天然氣非催化部分氧化制合成氣過程的研究[J].石油化工，,2005 ,35<(1):47-51.