利用TEXACO水煤浆加压气化工艺

Reforming Medium-sized Fertilizer Plant
Using TEXACO Coal-water slurry
Pressurized Gasification Process

Zeng Qingchun　Han Wen
(National Research and Engineering Center for
Coal-water Slurry Gasification
and Coal Chemical Industry 277527)

　　Abstract　It is in our urgent need of developing modern coal chemical industry, clean coal power generation and reforming medium-sized coal-based fertilizer plant with advanced coal conversion technology. This article only discusses the plan of reforming the medium-sized fertilizer plant TEXACO coal gasification process in stead of fixed bed gasifier.
　　Key words　TEXACO, coal-water slurry, pressurized gasification, medium-sized fertilizer plant, reform

1　TEXACO水煤浆气化工艺的特点
　　自美国TEXACO(德士古)公司开发出加压水煤浆气化工艺技术(TCGP)制取合成气以来，该工艺已在合成氨、甲醇、含氧化合物、洁净煤气化联合循环发电(IGCC)等方面得到成功的应用。该技术也是当前世界上发展较快的第二代煤气化技术，TEXACO水煤浆气化工艺是将一定粒度的煤粒及少量添加剂与水在磨机中磨成可以用泵输送的非牛顿形流体，与氧气或富氧在加压及高温状态下发生不完全燃烧反应制得高温合成气，高温合成气经辐射锅炉与对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)，或直接在水中冷却(激冷流程)。废锅流程的气体经进一步冷却除尘后，通过燃气轮机与其副产的高压蒸汽实现洁净的煤气化联合发电技术；激冷流程的气体用作制造一碳化学品、合成氨。由于是在加压及连续操作下进行，从而简化了工艺，又因其三废排放少属环境友好型工艺。其主要特点如下：
　　(1)气化炉结构简单。该技术关键设备气化炉属于加压气流床湿法加料液态排渣设备，结构简单，无机械传动装置。
　　(2)开停车方便，加减负荷较快。
　　(3)煤种适应较广。可以利用粉煤、烟煤、次烟煤、石油焦、煤加氢液化残渣等。
　　(4)合成气质量好。CO+H₂≥80%且H₂与CO量之比约为0.77，可以对CO全部或部分进行变换以调整其比例用来作合成氨、甲醇等，且后系统气体的净化处理方便。
　　(5)合成气价格低。在相同条件下，天然气、渣油、煤制合成气，合成气的综合价格以煤制气最低。
　　(6)碳转化率高。该工艺的碳转化率在97%～98%之间。
　　(7)单炉产气能力大。由于德士古水煤浆气化炉操作压力较高(一般为4.0MPa～6.7MPa)，又无机械传动装置，在运输条件许可下设备大型化较为容易，目前气化煤量为2 000t/d^.台的气化炉已在运行。
　　(8)三废排放有害物质少。

2　TEXACO水煤浆气化工艺原理
　　TEXACO水煤浆气化属气流床气化工艺技术，即水煤浆与气化剂——纯氧在气化炉内特殊喷嘴中混合，高速进入气化炉反应室，遇灼热的耐火砖瞬间燃烧，直接发生火焰反应。微小的煤粒与气化剂在火焰中作并流流动，煤粒在火焰中来不及相互熔结而急剧发生部分氧化反应，反应在数秒内完成。在上述反应时间内，放热反应和吸热反应几乎是同时进行的，因此产生的煤气在离开气化炉之前，碳几乎全部参与了反应。在高温下所有干馏产物都迅速分解转变为均相水煤气的组分，因而生成的煤气中只含有极少量的CH₄。
　　气流床气化的特点是每个煤粒均被气流隔开，每个颗粒能单独膨胀、软化、燃烧尽及形成熔渣，而与邻近的颗粒毫不相干。燃料颗粒不易在塑性阶段凝聚，从而燃料的粘结性对气化过程不会产生大的影响。
　　TEXACO水煤浆气化炉所得煤气中含有CO、H₂、CO₂和H₂O四种主要组分，它们存在如下平衡关系：
　　CO+H₂O=CO₂+H₂
　　在气化炉的高温条件下，上述反应很快达到平衡，因此气化炉出口的煤气组成相当于该温度下CO水蒸气转化反应的平衡组成。

3　TEXACO水煤浆气化工艺流程
　　TEXACO水煤浆气化工艺在工业化生产中有两种流程：即废热锅炉流程和激冷流程。根据合成气的用途可选用其中任一流程。
3.1　废锅流程简介
　　＜10mm的煤经计量进入湿式煤磨机，与定量加入的水、添加剂、助熔剂(煤的灰熔点T₃＞
1 350℃时则需加助熔剂，以降低灰熔点)磨成含固量为60%～70%的水煤浆，其粒度分布为全部通过8目，99%通过14目，通过325目的占35%～55%(其数字与煤种有关)。水煤浆经柱塞隔膜泵送入气化炉顶部烧嘴，与制氧车间来的氧气(含氧量大于99%)在烧嘴出口混合雾化进入约1 400℃的气化炉内，煤浆中的碳和水在高温下迅速发生反应，产生的高温合成气进入辐射锅炉和对流锅炉降温初步除尘后，煤气进入文丘里除尘器和煤气洗涤塔，进一步除尘送至气体净化车间。随高温气流流动的熔渣，在辐射锅炉内与辐射管内锅炉水进行热辐射传递后，进入辐射锅炉底部被灰水冷却成粒状玻璃体，定期经锁斗排放到渣池内外运。气化炉内黑水定量排出，黑水中细炭灰经沉降、过滤返回磨机(废锅流程多用在发电上)。
3.2　激冷流程简介
　　激冷流程前半部分与废锅流程相同。不同之处是，气化炉产生的高温合成气经下降管与来自激冷环，沿下降管管壁流动的灰水，在下降管内和下降管与上升管间环隙形成的二相流进行辐射和对流、传热与初除尘。被水激冷的含饱和水蒸气的合成气，经文丘里除尘器和煤气洗涤塔进一步除尘后，送至气体净化车间。熔渣和黑水处理同废锅流程。

4　TEXACO水煤浆气化工艺的关键技术
4.1　煤浆制备
　　TEXACO公司经多年研究，在水煤浆中加入添加剂以降低煤浆的粘度，使其易于输送和使煤浆中水在较长时间内不析出。根据煤种的类别及工业分析、元素分析，确定水煤浆的各种粒度分布比例来提高煤浆的含固量，达到不易析水又能输送的最佳含固量值。一般情况，在同等条件下的褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤制浆浓度依次增大，也即煤化程度深的煤吸水性能和亲水性能较差，适宜形成以煤粒为主的固液混合体系，易得高浓度煤浆，但煤粒易于从煤浆中沉降出来。煤化程度深的煤活性差，煤浆中通过325目的量就应越大。目前TEXACO公司在洛杉矶的“蒙特彼洛实验室”，我国的“水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心”本部和“水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心水煤浆气化开发研究部”(西北化工研究院)，均能根据煤的工业分析、元素分析、煤的可磨指数等化学和物理数据，推荐最经济的添加剂、最佳煤浆浓度、预测氧煤含量之比、合成气成分等。并在中试装置上进行一周左右的试烧，最后为德士古公司编制工艺软件包提供可靠的数据。更为重要的是在试烧中得到今后生产系统所依据的灰水中钙、铁、铝、硅等化合物含量，选取最佳的稳定剂及絮凝剂，以确保正常生产的进行。
4.2　煤浆输送
　　由于煤浆粘度大(1 000mPa^.s～3 000mPa^.s)且含有大量固体颗粒，对运转设备部件磨损很快，因此煤浆的输送多选用隔膜柱塞泵。
4.3　烧嘴技术
　　TEXACO公司多年研究开发了三流道烧嘴，开发了耐温、耐磨的制造烧嘴材料以及烧嘴结构。目前烧嘴的材料仍在不断改进中。
4.4　耐火砖技术
　　TEXACO水煤浆气化炉燃烧反应室内衬耐火砖，其不但需要耐高温而且要求能抵抗煤灰熔渣(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)的浸蚀。目前水煤浆气化炉用向火面耐火砖，采用以氧化铬为主添加少量氧化镁或氧化锆的耐火材料。耐火砖的砌筑设计，既保证高温气体不能串到炉壁引起气化炉壁超温，又要便于能局部更换。
4.5　激冷室降温除尘技术
　　由于气化炉是在较高压力下操作，为使高温的合成气迅速冷却下来，在气化炉燃烧反应室下部设气化炉的激冷室，其中有将灰水均匀分布沿下降管内壁均匀流下的激冷环。下降管和上升管组成的二相流上升环隙及挡液板等设计，目的是要在最短时间、最小分离空间达到高温气体冷却饱和及初除尘。
4.6　排渣技术
　　粒状玻璃体的煤渣自激冷室底部排出至锁斗内储存，选用灰渣极不易进入阀座与阀芯间的耐温、耐磨、快速开关的球阀。排渣系统采用一套逻辑控制系统操作。

5　改造以煤为原料的中型化肥厂技术方案介绍
　　我国众多的以煤为原料的中型化肥厂，经过多年的改造，合成氨能力已突破10万t/a，已具备采用TEXACO水煤浆气化工艺的条件。根据鲁南化肥厂第二氮肥厂(合成氨设计能力为8万t/a，气化炉一开一备)开车的经验，备用炉不需要长时间热备用；如无备用炉，单台炉年可运行280 d以上。为减少改造投资及改造期间企业停产的损失，改造工程设计最终规模可为18万t/a合成氨(两台气化炉)。第一期工程先建设一套TEXACO气化炉(与常压UGI气化炉互为备用)及一套空气分离装置，并增设年产2.2万t甲醇的联醇装置，以减少铜洗装置的改造。在一期工程将完成建设安装时，旧系统首先改造备用压缩机的低压段为双高压压缩机，净化车间改造成新旧气化均能通过。在一期工程投产后，用一年半时间进行第二期改造工程建设(再建一台德士古气化炉、一套空气分离装置及气体净化、合成氨和尿素车间)，待第二期工程投产后，可以停下旧造气装置，实现全部新工艺生产。
　　有以下条件的中型化肥厂采用TEXACO水煤浆气化工艺技术最为有利：
　　(1)合成氨能力已达8万t/a以上；
　　(2)采用了耐硫变换，有NHD脱除硫化氢、二氧化碳装置，或碳酸丙烯酯脱二氧化碳装置。变换装置及脱碳装置的最佳操作压力为2.7MPa。
5.1　工厂建设规模
　　开工天数：310d
　　年合成氨产量：18万t/a(一期：9万t/a；二期全部建成后达18万t/a)
　　年联产甲醇：22 000t/a
　　日产合成氨：第一期工程：290t/d　(12.083t/h)
第二期工程：580t/d　(24.167t/h)
　　日产甲醇：　　　　　　　　70t/d　(2.917t/h)
　　TEXACO气化压力：3.0MPa～4.0MPa，推荐压力为4.0MPa
　　TEXACO气化用煤：除褐煤外任何煤种均可，从经济效益考虑，灰熔点最好低于1 350℃。
　　TEXACO气化用氧气　氧气纯度96.0%～99.6%(视后系统需要定)。
　　一期工程建设时间为2年，二期工程建设时间为1.5年。
5.2　工程改造工艺流程(图1)

图1　改造工艺方框流程图

　　注：1)有底纹的为需局部进行改造装置；有下划线斜体黑字的为原有不改造装置；无下划线无底纹的为新建装置。