张 浩

（兖矿国泰化工有限公司，山东 滕州 277527）

0 引 言

煤气化技术的发展和进步是推动洁净煤利用技术发展的关键因素之一。水煤浆气化炉利用柱塞隔膜泵输送水煤浆，克服了煤粉输送困难及不安全的缺点，经过研究机构的逐步完善，已于20世纪80年代投入工业化生产，并成为具有代表性的第二代煤气化技术。中国从20世纪90年代初开始大量引进该技术，如山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、淮化集团有限公司等均采用该工艺。GE德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术，属气流床加压气化技术，原料煤经磨制成水煤浆后泵送进气化炉顶部单烧嘴喷出，下行制气，但要求原料煤含灰量较低，还原性气氛下的灰熔点低于1300℃，灰渣粘温特性好。气化压力从2.5MPa、4.0MPa、6.5MPa到8.5MPa，皆有工业性生产装置在稳定长周期运行，且装置建成投产后即可正常稳定生产。气化炉内无转动装置或复杂的膜式水冷壁内件，制造方便、造价低；在开停车和正常生产时无需连续燃烧一部分液化气或燃料气（合成气），煤气除尘比较简单；碳转化率达96%～98%，有效气成分（CO＋H2）为80%～83%，有效气（CO＋H2）比氧耗为336～410m3／km3，有效气（CO＋H2）比煤耗为550～620kg／km3。

四喷嘴水煤浆气化炉是兖矿集团有限公司（水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心）与华东理工大学在消化、吸收德士古水煤浆气化技术的基础上，成功开发出的具有自主知识产权的新型水煤浆气化技术，该技术是世界上最先进的气流床气化技术之一。四喷嘴水煤浆气化技术，可为化肥行业的技术改造、煤炭液化、整体煤气化联合循环发电（IGCC）、煤基多联产技术的发展提供龙头技术和关键技术，将大大推动我国煤化工技术的发展，推进相关产业的技术进步。

1 四喷嘴对置式水煤浆气化炉气化原理简介

1.1 气化流场

在实验室以φ1000mm的大型冷模四喷嘴对置式水煤浆气化炉有机玻璃模型，对气化炉流场进行了探讨。其流场可划分为射流区、撞击区、撞击流股（上下2股）、回流区（共6个）、折返流区、管流区［1］，如图1所示。

图1 四喷嘴对置式水煤浆气化炉流场示意

撞击区是气化炉内物流间混合最为剧烈的区域。研究表明，它从以下几方面强化了气化炉内的雾化与混合过程。

（1）撞击区内氧气与煤浆的相向运动产生剪切力，促使煤浆液滴进一步破碎，完善了雾化过程。

（2）四股射流经过撞击才形成撞击流股，其轴向速度衰减明显加快，炉内流体的停留时间分布得到改善，即 “短路”现象受到抑制。

（3）撞击区内产生的颗粒振荡现象，使颗粒停留时间相对延长。

（4）撞击区内物流速度脉动剧烈，湍流强度最大［2］，说明混合效果最好。

1.2 气化原理

水煤浆、氧气进入气化室后，相继进行雾化、传热、蒸发、脱挥发分、燃烧、气化等六个物理和化学过程［3］，前五个过程速度较快，在1、2、3、4、5五个流型区域（如图1）中已基本完成，而气化反应除在上述五个区域中进行外，主要在管流区（6）进行。

煤浆颗粒在气化炉内的气化过程经历了以下步骤［4］：颗粒的湍流弥散、颗粒的振荡运动、颗粒的对流加热、颗粒的辐射加热、煤浆蒸发与颗粒中挥发分的析出、挥发产物的气相反应、煤焦的多相反应、灰渣的形成。

在实验室进行了大型冷模、小型热模、雾化性能研究；同时，进行了合成气初步净化研究，鲁南化肥厂中试装置采用集散控制系统，运行平稳、安全，工艺先进。在相同的煤种与煤浆浓度条件下，中试装置比鲁南化肥厂引进的Texaco装置有效气（CO＋H2）体积分数高1.5～2个百分点，碳转化率高2～3个百分点，节省氧气2.0%～7.0%；有效气成分、碳转化率、比氧耗、比煤耗等技术指标均有明显的进步。

2 工业应用情况

2.1 项目简介

“十五”期间，依据以 “项目带研发，以研发促项目”的思路，兖矿集团有限公司决定建设日处理1150t煤、压力4.0MPa的四喷嘴水煤浆气化炉，配套240kt／a甲醇、71.8MW 燃气发电工程项目，总投资16个亿。该项目是我国第一个煤气化多联产系统示范工程，包含了两项国家 “863”计划，即 “新型水煤浆气化技术工业示范装置”和 “煤气化发电与甲醇联产系统关键技术的研发与示范”。新型水煤浆气化技术工业示范装置于2003年5月1日正式开工建设。气化装置由中国天辰化学工程公司设计，气化炉由哈尔滨锅炉厂制造；耐火砖由洛阳耐火材料研究院高耐厂、新乡耐火材料厂生产。该工业示范工程于2005年12月11日～18日通过了由中国石油和化学工业协会组织的现场168h的工业运行考核。2006年1月8日在北京通过了由中国石油和化学工业协会组织的科技成果鉴定。2006年11月新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术获得2006年度中国石油和化学工业协会科技进步特等奖。

2.2 生产运行情况

四喷嘴水煤浆气化装置于2003年5月1日正式开工建设，2005年7月气化装置一次投料成功，打通工艺流程，投产第一年就基本达到了设计生产能力。目前整个装置运行稳定，已全面超过设计生产能力，2007年前4个月累计生产甲醇99.5kt，2007年甲醇产量将达到270kt。截至2007年4月，我国首台日处理1150t煤的四喷嘴水煤浆气化炉，在兖矿国泰化工有限公司实现稳定连续运行68d，工艺烧嘴连续使用85d，创造了该种炉型连续运行时间的新纪录。同时，实现了带压连投技术，到目前为止，累计进行了10次带压连投操作，节省费用近700万。国泰公司新上第3台气化炉（C＃炉）已于2007年9月3日投运，从目前的情况来看，拱顶加高后的效果已经体现出来：与B＃炉新换拱顶砖投运初期相比，C＃炉拱顶壁温普遍下降了约47℃，表明顶部空间耐火砖工作环境大为改善，预期能够达到良好的使用寿命。

但在装置运行初期，A＃和B＃气化炉拱顶同时出现拱顶砖超过正常烧蚀速率的问题。经过华东理工大学和兖矿集团有限公司的专家和兖矿国泰化工有限公司全体员工的共同努力，在已有设备条件下，先后四次改变了拱顶耐火砖／预制块的设计，调整了工艺烧嘴的结构，并优化操作，拱顶耐火砖／预制块的寿命已大大提高；工艺烧嘴的连续使用寿命达到80d；拱顶耐火砖寿命在5000h左右；直筒段耐火砖自从2005年10月以来未更换。至2007年，兖矿国泰化工有限公司四喷嘴水煤浆气化装置已经运行了近2a时间，虽然在运行初期遇到了一些问题，但是通过兖矿国泰化工有限公司和华东理工大学的通力合作，这些问题都得到了圆满地解决。目前，该气化装置处于良好的运行状态，工艺指标先进，系统运行安全稳定，操作控制手段先进灵活，取得了良好的经济效益。同时，也表明该技术已经成熟，具备了大规模市场应用的条件。

3 四喷嘴水煤浆气化炉的特点

通过对长期运行数据的收集、对比、分析，四喷嘴水煤浆气化炉的特点总结如下。

（1）合成气中有效气成分（CO＋H2）高，达到84.9%，比单喷嘴水煤浆气化炉高2～3个百分点。

（2）碳转化率高，达98%～99%。这可从渣中可燃物含量得到验证，单喷嘴水煤浆气化炉的渣中可燃物一般在25%～40%，而多喷嘴对置式水煤浆气化炉的渣中可燃物一般为5%～15%之间，平均低于10%。

（3）消耗低，吨甲醇耗煤1.35t，而使用单喷嘴水煤浆气化炉的兖矿鲁南化肥厂吨甲醇耗煤1.45t，吨甲醇可节约0.1t煤。

（4）四喷嘴水煤浆气化炉更适合大型化。单喷嘴水煤浆气化炉只有一只工艺喷嘴，提高气化负荷受限制，加大烧嘴间隙则影响雾化效果。日处理1500t煤单喷嘴水煤浆气化炉煤浆浓度在59%时，有效气体成分不到80%，渣中可燃物在25%以上。

（5）可带压连投。多喷嘴对置式水煤浆气化炉一对烧嘴跳车（非烧嘴自身因素跳车），另外一对烧嘴可维持后系统生产，跳车烧嘴可进行带压连投。而单喷嘴水煤浆气化炉因为只有一只工艺喷嘴，当出现跳车时，该台气化炉需从系统中退出，若系统中只有一台气化炉运行时，还会造成整个系统的停车，开、停车损失较大。目前已累计带压连投10次，节省费用近700万元。

（6）高温热偶寿命长。多喷嘴对置式水煤浆气化炉由于其流场和单喷嘴水煤浆气化炉有很大的区别，决定了高温热偶寿命长，其平均使用寿命一般≥2个月。

（7）气体净化处理及渣水处理工艺先进，带灰带水的现象有了明显的改善。与兖矿国泰化工有限公司同期投产的使用单喷嘴水煤浆气化炉的生产装置，后系统耐硫变换催化剂因床层阻力大已更换，而国泰公司的耐硫变换催化剂到目前为止使用情况仍然良好，预计再使用一年没有问题。

［1］谭可荣，韩文，赵东志，等.新型水煤浆气化技术的开发及其应用 ［J］.煤炭转化，2001，24 （1）：36～39.

［2］李希，陈甘棠，戎顺熙.微观混合问题的研究 ［J］.化学反应工程与工艺，1990，6 （4）：15～29.

［3］龚欣，刘海峰，王辅臣，等.新型 （多喷嘴对置式）水煤浆气化炉 ［J］.节能与环保，2001，19 （6）：15～17.

［4］王辅臣，于广锁，龚欣，等.射流携带床气化炉内宏观混合过程研究 ［J］.化工学报，1997，75 （2）：193～207.

［5］赵旨厚，张大晶.多喷嘴水煤浆气化炉的工业化应用 ［J］.化肥工业，2008，35 （3）：23～26.