何正兆，張華偉，蘇萬銀，唐進(jìn)謙

（盈德氣體（上海）有限公司，上海 200137）

引言

為了充分利用我國豐富的煤炭資源發(fā)展煤化工，自20 世紀(jì)80年代開始，我國就引進(jìn)了Texaco 水煤漿氣化技術(shù)，用于生產(chǎn)甲醇和合成氨。隨著其工業(yè)化應(yīng)用的推廣，為了更好地提高水煤漿氣化技術(shù)的煤氣化效率，完善水煤漿氣化技術(shù)，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)及研發(fā)人員進(jìn)行了相關(guān)研究，并推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水煤漿氣化技術(shù)。

2001年，清華大學(xué)開始研發(fā)第一代清華爐（耐火磚水煤漿激冷流程），采用分級給氧技術(shù)實現(xiàn)非熔渣-熔渣氣化，2006年首臺氣化爐一次開車成功，該技術(shù)當(dāng)時達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2008年，清華大學(xué)研發(fā)了第二代清華爐（水冷壁水煤漿激冷流程），采用水冷壁耐火襯里，擴(kuò)大了煤種適應(yīng)性，提高了氣化爐安全性和運(yùn)行周期，2011年8月清華爐水冷壁氣化技術(shù)示范工程一次投料成功。

2011年5月，盈德氣體集團(tuán)通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式成為清華爐的共同專利權(quán)人，并組建北京盈德清大科技有限責(zé)任公司（以下簡稱盈德清大），取得了清華大學(xué)的授權(quán)，開始經(jīng)營清華爐煤氣化技術(shù)，并與清華大學(xué)共同進(jìn)行后續(xù)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和推廣。

2016年，盈德清大開發(fā)第三代盈德清華爐（水冷壁水煤漿廢鍋流程），采用輻射廢鍋回收氣化室出來的高溫合成氣熱能并副產(chǎn)高壓蒸汽，進(jìn)一步提高氣化效率。

盈德清大現(xiàn)已申請并擁有發(fā)明專利7 項，實用新型專利10 項，在海外14 個國家申請了專利。

1 盈德清華爐水煤漿氣化工藝原理

盈德清華爐技術(shù)特點可概括為：爐內(nèi)（水冷壁）進(jìn)行氣化反應(yīng)，爐外（水冷壁汽/水系統(tǒng)）通過副產(chǎn)蒸汽移走部分熱量。

1.1 爐內(nèi)氣化反應(yīng)

水煤漿和氧氣通過工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在氣化爐燃燒室的高溫、高壓環(huán)境下，氧氣和煤發(fā)生劇烈的反應(yīng)，該氣化過程是一個非常復(fù)雜的耦合了一系列物理和化學(xué)變化的過程，包括脫水分和揮發(fā)分、燃燒、氣化幾個階段，且各個階段交混進(jìn)行。

煤漿顆粒在氣化爐內(nèi)的氣化過程經(jīng)歷以下步驟：顆粒的振蕩運(yùn)動、顆粒的對流加熱、顆粒的輻射加熱、煤漿蒸發(fā)與顆粒中揮發(fā)分的析出、揮發(fā)產(chǎn)物的氣相反應(yīng)、煤焦的多相反應(yīng)、灰渣的形成。

氣化反應(yīng)是串并聯(lián)反應(yīng)同時存在的極為復(fù)雜的反應(yīng)體系，可分為一次反應(yīng)與二次反應(yīng)：（1）一次反應(yīng)區(qū)(燃燒區(qū))：進(jìn)入該區(qū)的反應(yīng)物有工藝氧、煤漿以及回流流股和折返流流股中的CO、H2等。水煤漿入爐后，首先進(jìn)行霧化，同時接受來自火焰、爐內(nèi)壁、高溫氣體、固體物等的輻射熱以及回流流股、折返流流股的熱量。煤漿瞬間蒸發(fā)，煤粉發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)分。裂解產(chǎn)物、揮發(fā)分及其他易燃組分在高溫、高氧含量下迅速完全燃燒，放出大量熱。這個過程進(jìn)行得相當(dāng)短促，其結(jié)束的標(biāo)志是氧消耗殆盡。（2）二次反應(yīng)區(qū)：進(jìn)入二次反應(yīng)區(qū)的組分有煤焦、CO2、CH4、H2O 以及CO、H2等組分，這時主要進(jìn)行的是煤焦、CH4等與H2O、CO2發(fā)生的氣化反應(yīng)，生成CO 和H2，這是有效氣成分的重要來源。（3）一次反應(yīng)與二次反應(yīng)共存區(qū)：氣化爐中射流區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)共存，時刻進(jìn)行質(zhì)量交換，再加上湍流的隨機(jī)性，射流區(qū)的反應(yīng)組分及產(chǎn)物都有可能進(jìn)入撞擊區(qū)、回流區(qū)、折返流區(qū)，導(dǎo)致這些區(qū)域既進(jìn)行一次反應(yīng)，也進(jìn)行二次反應(yīng)。二次反應(yīng)以吸熱為主，致使發(fā)生二次反應(yīng)的區(qū)域溫度較低。

氣化爐中主要的化學(xué)反應(yīng)包括反應(yīng)（1）～（11）：

熱裂解反應(yīng)：

揮發(fā)分燃燒：

部分氧化反應(yīng)：

氧化反應(yīng)：

非均相水煤氣反應(yīng)：

變換反應(yīng)：

甲烷化反應(yīng)：

CO2還原反應(yīng)：

加氫反應(yīng)：

同時還可能發(fā)生式（12）～（17）的副反應(yīng)（不限于）：

氣化爐中的總反應(yīng)式可寫為式（18）：

氣化爐內(nèi)的反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，既有氣相反應(yīng)，又有氣- 固雙相反應(yīng)。煤氣化總的反應(yīng)是體積增大的反應(yīng)，從化學(xué)平衡來講，提高壓力對平衡不利，但壓力的提高增加了反應(yīng)物的濃度，對提高反應(yīng)速度是有利的。

總之，在氣化爐燃燒室內(nèi)，煤中的碳和氧氣、水等在1300 ℃～1700 ℃高溫條件下，發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，并有一系列的副反應(yīng)發(fā)生，最終生成以CO 和H2為主的粗合成氣。

1.2 氣化爐與水冷壁系統(tǒng)之間的熱交換

在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)的同時，氣化爐與水冷壁的汽/水系統(tǒng)也進(jìn)行著熱交換，在氣化爐爐溫及水冷壁掛渣厚度一定的情況下，這個熱量隨著氣化爐爐溫及水冷壁掛渣厚度的變化而變化。

2 研究模型

2.1 研究模型簡化原則

根據(jù)盈德清華爐的工藝與反應(yīng)機(jī)理，研究模型的建立需要考慮以下假設(shè)[1]：（1）爐內(nèi)流動為平推流，不考慮各相的動量守恒；（2）爐內(nèi)的壓力變化不大，在此假設(shè)爐內(nèi)壓力維持不變；（3）一維假設(shè)，假設(shè)氣體在徑向無濃度和溫度梯度；（4）煤顆粒表面和內(nèi)部溫度一致；（5）軸向流速均勻。

2.2 研究模型的建立

盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化工藝主要由水煤漿制備、煤漿氣化、黑水閃蒸及灰水回收組成，本研究側(cè)重研究氣化輸入主要條件（煤質(zhì)組成、煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、操作溫度、水冷壁等因素）對氣化主要指標(biāo)（如比煤耗、比氧耗、合成氣氣體組成、合成氣有效氣含量等）的影響，因此建立的研究模型見圖1。

圖1 盈德清華爐模擬計算流程

模塊CX1 用于調(diào)整煤的組成，模塊MIX1 用于添加劑添加，模塊MIX2 用于煤、水及氧氣混合，模塊DECOMP 用于將常規(guī)固體煤按照質(zhì)量平衡分解為常規(guī)組分，氣化爐GASIFIER 模塊GIBBS/RCT 用于常規(guī)組分在一定壓力及溫度下進(jìn)行反應(yīng)平衡計算及調(diào)整，模塊SEP 用于熔渣與氣相的分離，模塊HX/SEP 用于水冷壁副產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)，熱流QDECOMP 用于煤分解及氣化反應(yīng)的熱傳遞，熱流QST1 用于氣化爐與水冷壁汽/水系統(tǒng)的熱傳遞。

2.3 物性方法選擇

在進(jìn)行模擬計算時，一般將所涉及的組分分成非常規(guī)組分和常規(guī)組分兩大類。定義煤為非常規(guī)組分(Nonconventional)。非常規(guī)組分固體性質(zhì)模型中選用煤的焓及密度模型(Enthalpy and Density)，模型名稱選用常用煤的焓模型(HCOALGEN)與煤密度模型(DCOALIGT)，采用Peng -Robinson 方程來計算物質(zhì)的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)[2]。

2.4 研究模型中采用的基準(zhǔn)煤

本研究選用目前荊門盈德氣體有限公司使用的神府煤作為研究基準(zhǔn)，其灰熔融性溫度（流動溫度）為1250 ℃，低位發(fā)熱量為24.19 MJ/kg，煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，其余煤質(zhì)分析指標(biāo)見表1。

表1 模型基準(zhǔn)煤的煤質(zhì)分析%

3 氣化工藝的影響因素研究分析

3.1 研究基準(zhǔn)

氣化爐操作基準(zhǔn)條件暫按壓力6.5 MPa、溫度1300℃考慮，氣化爐投煤量暫按收到基煤62500 kg/h（1500 t/d）考慮（對應(yīng)氣化爐正常操作時水冷壁副產(chǎn)蒸汽約3000 kg/h）。

3.2 模型計算結(jié)果與工廠運(yùn)行的數(shù)據(jù)對比

本研究選用模型的計算結(jié)果與工廠實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比見表2。

表2 模型計算結(jié)果與工廠實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比

從表2 可以看出，選用模型的計算結(jié)果與工廠實際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較符合。

3.3 煤中碳含量對氣化工藝的影響

以基礎(chǔ)煤種為基準(zhǔn)，調(diào)整煤中碳含量，相應(yīng)調(diào)整煤中氧含量，使“碳含量+ 氧含量”保持定值不變，其他組分因變化不大暫不研究。煤中碳含量對氣化工藝主要指標(biāo)的影響見表3。

煤中碳含量與比氧耗、比煤耗的關(guān)系見圖2，與合成氣中各氣體組分含量的關(guān)系見圖3。

由表3、圖2、圖3 可知，煤中碳含量對氣化工藝指標(biāo)有著重要的影響，隨著碳含量增加（其他參數(shù)暫按不變化考慮），氣化指標(biāo)會變得更加友好，比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會下降，這將會提高項目的預(yù)期收益。

圖2 煤中碳含量與比氧耗、比煤耗的關(guān)系

圖3 煤中碳含量與各氣體組分含量的關(guān)系

表3 煤中碳含量對氣化工藝主要指標(biāo)的影響

3.4 煤中灰分含量對氣化工藝的影響

以基礎(chǔ)煤種為基準(zhǔn)，調(diào)整煤中灰分含量，同時相應(yīng)調(diào)整煤中碳、氧含量，使得“灰分含量+（碳含量+氧含量）”保持定值不變，其他操作參數(shù)不變，得到的主要?dú)饣笜?biāo)對比見表4。

煤中灰分含量與比煤耗、比氧耗的關(guān)系見圖4，與合成氣中各氣體組分含量的關(guān)系見圖5。

由表4、圖4、圖5 可以看出，煤中灰分含量對氣化工藝指標(biāo)有著重要的影響，隨著灰分含量增加（其他參數(shù)暫按不變化考慮），氣化指標(biāo)如比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會相應(yīng)增加，這將會降低項目的預(yù)期收益。

表4 煤中灰分含量對氣化工藝主要指標(biāo)的影響

圖4 煤中灰分含量與比煤耗、比氧耗的關(guān)系

圖5 煤中灰分含量與合成氣中各氣體組分含量的關(guān)系

3.5 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氣化工藝的影響

在不考慮煤種成漿性能的前提下，調(diào)整水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其他操作參數(shù)不變，其主要?dú)饣笜?biāo)的對比見表5。

表5 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氣化工藝主要指標(biāo)的影響

由表5 可知，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對氣化工藝指標(biāo)有很大的影響，因此在項目可研階段選擇煤種時，應(yīng)盡可能選擇價格便宜、成漿濃度高的煤種，以提高項目的經(jīng)濟(jì)效益。

3.6 操作溫度對氣化工藝的影響

在不考慮煤灰熔融性溫度對操作溫度影響的前提下，調(diào)整操作溫度，其他操作參數(shù)不變，其主要?dú)饣笜?biāo)對比見表6。

表6 操作溫度對氣化工藝主要指標(biāo)的影響

操作溫度對比煤耗、比氧耗的影響見圖6，對合成氣中各氣體組分的影響見圖7。

圖6 操作溫度對比煤耗、比氧耗的影響

圖7 操作溫度對合成氣中各氣體組分含量的影響

由表6、圖6、圖7 可知，操作溫度對氣化工藝指標(biāo)有著重要的影響，隨著操作溫度上升，在不考慮氣化參數(shù)惡化（如氣化操作溫度與所用煤種灰熔融性溫度不匹配）的條件下，氣化指標(biāo)如比煤耗、比氧耗、合成氣中CO2含量都會上升，因此需要根據(jù)實際情況選擇合適的操作溫度[3]。

目前運(yùn)行項目中盈德清華爐的操作溫度是根據(jù)煤的灰熔融性溫度來確定的，但是原料煤是時刻變化的，煤的灰熔融性溫度也不會固定，因此需要管理人員合理管控原料煤的采購，操作人員需精心操作，特別關(guān)注相關(guān)參數(shù)的變化。

3.7 氣化爐水冷壁副產(chǎn)蒸汽量對氣化工藝的影響

僅調(diào)整氣化爐水冷壁的副產(chǎn)蒸汽量（本工況下氣化爐正常操作時水冷壁副產(chǎn)蒸汽約3000 kg/h，在開始操作時由于控制不當(dāng)，副產(chǎn)蒸汽量曾達(dá)到7000 kg/h），其他操作參數(shù)不變，其主要?dú)饣笜?biāo)對比見表7。

表7 氣化爐水冷壁副產(chǎn)蒸汽量對氣化工藝主要指標(biāo)的影響

水冷壁副產(chǎn)蒸汽量反映了氣化爐水冷壁的工作狀況，副產(chǎn)蒸汽量越大，說明氣化爐燃燒室向外散發(fā)的熱量越多，也說明氣化爐內(nèi)水冷壁渣層厚度變薄，掛渣不好。這個參數(shù)側(cè)面反映了氣化爐內(nèi)的結(jié)渣情況及氣化爐操作溫度（一般控制在比煤灰熔融性溫度高50 ℃）是否適宜，是指導(dǎo)水冷壁氣化爐操作的一個重要參數(shù)。

4 結(jié)論及建議

利用過程模擬軟件，建立了盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化的模型，模型計算結(jié)果與工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比表明，該模型可以較好地反映運(yùn)行工廠實際生產(chǎn)情況，能指導(dǎo)運(yùn)行工廠的操作指標(biāo)優(yōu)化及新建項目的設(shè)計研究。從模擬計算的結(jié)果來看，煤質(zhì)組成、水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣化操作溫度、水冷壁副產(chǎn)蒸汽量是影響氣化工藝指標(biāo)的主要因素，在保證能夠順利泵送和良好霧化效果及合適的碳轉(zhuǎn)化率的前提下，應(yīng)盡可能提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時為保證水冷壁正常運(yùn)行，應(yīng)選擇合適的氣化操作溫度，只有這樣才能發(fā)揮盈德清華爐水冷壁水煤漿氣化工藝的優(yōu)勢。