分级气化技术综述.ppt
非熔渣熔渣分级气化技术的先进性、实用性和发展前景,北京达立科科技有限公司2008年3月,前 言 2007年10月23日非熔渣熔渣分级气化技术通过国家72小时连续运行考核。两年的运行实践和考核结果表明：消化吸收国外技术，自主开发创新的非熔渣熔渣分级气化技术已经成熟，采用该技术的工业装置运行稳定，开工率高，自第一次化工投料始，年运转率达94%，年负荷率达120%，气化炉的投资能力比传统水煤浆气化炉低20%。,1.非熔渣熔渣分级气化技术发展背景和技术简介,1.1 非熔渣熔渣分级气化技术的发展背景,由于世界性的油气短缺、价格上扬，特别是中国多煤少油的资源特点，使煤气化技术在中国进入了发展的快车道。我们：北京达立科公司与清华大学、丰喜肥业集团共同所有，由北京达立科公司经营的非熔渣熔渣分级气化技术也取得令人满意的实质性进展。非熔渣熔渣分级气化技术前期得到国家863计划支持(清华大学为主)，课题编号：2002AA 529050，2005年已由科技部组织验收。技术实施阶段得到国家发改委支持（支持丰喜肥业集团产业化项目）列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目，文件编号发改办高技【2006】2352号，2007年已经通过国家级考核和鉴定。,1.2 应用领域和技术原理,非熔渣熔渣分级气化技术应用于国家重点新能源领域，煤炭的清洁利用和石油替代项目。其主要技术原理是将煤炭加工成粉状（水煤浆或干粉），加压送入部分氧化气化炉中生产合成气。非熔渣熔渣分级气化技术的特点是:通过氧气分级供给，气化炉主烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别向气化炉内加氧，使气化炉主烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束，改变了主烧嘴局部区域氧化强度过高的状态，使气化炉轴向温度均衡并有所提高，充分发挥气化炉全容积的气化功能。,在主烧嘴中心通道采用氧含量从0到100%的不同气体作为主烧嘴预混气体，不仅调整了火焰中心的温度，而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离，有利于降低主烧嘴端部温度，延长其使用寿命。生产甲醇时，采用CO2作预混气体，不仅可以保护主烧嘴，还可以使气化炉内起控制作用的变换反应向CO方向移动，提高有效气体成份。,1.3 新技术的创造性、先进性及与国内外同类技术比较,1.3.1 新技术的创造性、先进性,非熔渣熔渣分级气化技术工艺过程如图所示。原料（水煤浆、干煤粉或者其它含碳物质）通过给料机构和喷嘴进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，采用其它气体，如O2或与O2以任意比例相混合的CO2、N2、水蒸汽等作为预混气体调节控制第一段氧气的加入比例，使第一段的温度保持在灰熔点以下；在第二段再补充部分氧气，使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成全部的气化过程。,把煤一次给氧的连续气化过程分为二次或多次给氧的两级（或多级）气化过程是在对现有问题分析和机理研究的基础提出来的，具有科学性。连续的气化过程，其实际的气化过程也是分段依次进行的，开始是水分的蒸发和脱挥发分过程，接着才是煤颗粒的着火燃烧和气化过程。本工艺提出将煤颗粒的着火燃烧再进行分级，主要的燃烧过程在第一段完成，在第二段补充部分氧气，完成全部的燃烧过程和气化过程，从而煤的化学反应过程经历了脱水分和挥发份燃烧气化再燃烧再气化5个反应阶段，而不是传统的脱水分和挥发份燃烧气化，并且在第一段控制氧气的加入比例，保持温度在煤的灰熔点以下。在第二段加入氧气的作用下使温度提高到煤的灰熔点以上，从而实现煤的非熔渣熔渣分级气化。,在清华大学的热态实验炉中测得温度曲线，如气化炉轴向温度曲线图所示，不分级给氧与分级给氧的气化炉轴向温度特性是不同的。由于二级氧气的加入，提高气化炉下部的温度水平，整个气化炉从上到下的温度分布更加均匀，平均温度水平得到提高，气化反应更加充分。,气化炉轴向温度曲线图,运行8000小时后的耐火砖,炉顶部温度降低，使顶部耐火砖的寿命大延长，如照片所示，运行了8000小时后，顶部耐火砖减薄量只有3-4cm（新砖厚度为23cm）。,另外，清华大学在实验中测得分级给氧与不分级给氧的碳转化率曲线表明，在分级给氧状态下，完成80%碳转化的时间向后推移，碳的转化过程更加均衡，也有利于发挥气化炉有限空间的燃烧和气化功能。,碳转化率曲线图,连续气化,两段式气化,非熔渣熔渣分级气流床煤气化工艺从化学反应过程上与现有气流床煤气化技术有着本质的区别，而不单单是气化炉的物理特征上的差别，因此是具有独立知识产权的新型专利技术。现有的气流床煤气化工艺，不论是一级给料的GE、Texaco、Shell、GSP和多喷嘴气化，还是两级给料的E-Gas（ConocoPhillips）的两段水煤浆和西安热工院的两段干粉气化，气化炉内原料的反应过程都是一样的，即经历了脱水分和挥发份燃烧气化三个阶段。而非熔渣熔渣分级气流床气化工艺通过氧气的分级加入，将煤的气化反应过程从三个阶段变为五个阶段，即脱水分和挥发份燃烧气化再燃烧再气化，在化学反应过程上有着本质的区别。,与国内外同类技术比较,与国内外同类技术比较情况归纳汇总如下:,非熔渣熔渣分级气流床气化技术的独特型和先进性已经得到国内外专家的认可。在国内，国际工程咨询公司对该技术进行了评估，评估认为“具有自主知识产权，能与当今世界先进的壳牌（Shell）、德士古（Texaco）、GSP等气化技术竞争；从小试到工业化生产，在参与各方的共同努力下，各项工作进展都很顺利，已经具备了高技术产业化的条件。在当前国内大搞煤化工，各企业纷纷引进国外技术的形势下，急需开发具有自主知识产权的新技术，以打破外国公司的技术垄断；评估建议，企业加强合作，尽快完成工业化规模的实验，及时总结经验进入鉴定推广阶段。”在国际上，我们与GE、IHI等在非熔渣熔渣分级煤气化技术上一直保持着密切的技术交流，并且得到这些公司对该技术的认可，此外BP也意识到本技术的专利独特性，已经和我们签订了技术评估协议（BP Reference:BPI/PAT/EDK/50487），BP表示可以帮助我们将非熔渣熔渣分级气化技术推向国际市场。,非熔渣熔渣分级气化技术是在消化吸收国外水煤浆气化技术的基础上自主创新，具有国外成熟技术运行稳定的基本性能，又有自己独特的创新点。采用该技术的丰喜肥业集团气化装置（20万吨/年甲醇气头）自2006年1月23日首次化工投料至今，运转率达到94%，年负荷率达到120%，创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。,由于氧气分级供给，气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量脱离约束，减少了主烧嘴的氧化负荷，改善了主烧嘴的工作环境，延长了其运行周期；由于氧气分级供给，比不分级气化炉轴向温度均衡，长径比可加大，同样直径气化炉的生产能力大于国内外其它水煤浆气化技术的气化炉；由于氧气分级供给，改善了炉内的温度场，提高了炉内的平均气化温度，使有效气体成份提高12%；由于炉内高温区在二次进氧的范围内，平均炉温高，出渣区域接近高温区域，使非熔渣熔渣分级气化炉的温度可低于灰熔点。在丰喜肥业的气化装置上已达到的指标是：出渣区温度低于进料煤灰熔点100，这一点十分重要：以耐火材料为防护的气化炉一般耐受温度可达到1350，非熔渣熔渣分级气化炉就可以使用灰熔点为1450的煤作为气化原料，此特点使国内大部分煤均可作为原料煤用于本气化技术。,除气化炉的专利技术外，我们还提供一些专有技术，有利于进一步改善装置的清洁生产状况，并降低投资，这些可供甲方选用。例如气化炉灰渣水带压排放，在煤场区设渣池，取消框架内捞渣机（丰喜肥业集团提出，并在其气化装置采用此项技术，效果很好）。氧气控制系统设在氧气总管上，分级给氧支管上只设流量计和切断阀，同压力、同炉直径的气化岛，非熔渣熔渣分级气化技术与传统水煤浆气化的硬件投资基本相同。由于理论上的创新，工程实践中的改进，由于没有增加水煤浆泵，没有增加主烧嘴，没有增加控制回路，因此非熔渣熔渣分级气化技术在投资方面与传统水煤浆气化相近，但在气化炉生产能力上有20%左右的提高，相当于相同产气能力，投资下降20%，使得投入产出的性价比方面明显优于传统水煤浆技术。下面列出几种不同炉型，在同一炉型区域内采用非熔渣熔渣分级气化技术与采用传统水煤浆技术硬件投资相近，但是能力范围却有不同。,说明：1.1104NM3/h（CO+H2）生产能力大约相当于每小时4.2吨甲醇、0.87吨氢 的生产能力。2非熔渣熔渣分级气化岛与传统水煤浆气化岛硬件投资相近。3柱状图为设计能力，仍保留+10%以上生产弹性。4非熔渣熔渣分级气化炉有效长径比（气化室直筒段/耐火材料内径）约 为3.4，传统气化炉约为3.0。5本图以神木煤为基础测算绘制。,气化岛造气能力匹配图,近期我公司对内蒙某60万吨/年甲醇装置报价摘要：气化炉主要参数：气化炉按两开一备配置。直径3200mm，全高约20500mm，气化室有效长度6820mm，比传统水 煤浆气化炉长800mm 气化压力：6.5MPa 每台气化炉有效气体（COH2）产量12.5万NM3/h，比传统水煤浆气 化炉多产有效气体（COH2）2.0万NM3/h 以神木煤为例：比氧耗NM3/1000 NM3（COH2）380 比煤耗Kg/1000 NM3（COH2）580 有效气体成分83%操作弹性：10%至50%,河北某30万吨/年甲醇装置报价摘要：气化炉主要参数：气化炉按两开一备配置。直径2800mm，全高约19400mm,气化室有效长度5520mm，比传统水煤浆 气化炉长700mm 气化压力：4.0MPa 每台气化炉有效气体（COH2）产量5万NM3/h，比传统水煤浆气化炉 多产有效气体（COH2）1.0万NM3/h 以神木煤为例：比氧耗NM3/1000 NM3（COH2）380 比煤耗Kg/1000 NM3（COH2）580 有效气体成分83%操作弹性：10%至50%,2.技术成熟并进入实用阶段2.1 项目进展情况及成果已经完成专利技术研究、实验开发、工 程设计、工业装置建设、工业装置正常投入运行的全过程。,专利技术研究：（2001年至2006年）非熔渣熔渣气化炉 ZL 02 2 35127.2 一种改进的非熔渣熔渣气化炉 ZL 03 2 79783.4 用于煤、焦气化的分级式气化炉 ZL 2006101140391 经过中国化工信息中心查新，本技术具有新颖性，详见中国化工信 息中心查新报告2007-237。基础理论研究和冷热态试验：（2002年至2005年）得到国家863计划 支持，（课题编号：2002AA529050）完成了数学模型、冷态实验和热 态实验，在热态实验中，得到了预期结果。,工艺包和工程设计：（2002年至2006年）完成了非熔渣熔渣分级式气化技术工艺包和工程设计，同时完成其后续装置10万吨/年甲醇装置工程设计，为装置建设创造了必要的条件。项目实施阶段得到国家发改委支持，列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目，文件编号发改办高技【2006】2352号。装置建设、开工和正常运行：（2003年至2007年）采用非熔渣熔渣分级式气化技术的20万吨/年甲醇生产装置一期工程于2003年正式开工建设，2006年1月在山西丰喜肥业集团建成，一次开车成功。截至2007年10月21日，累计自然天数637，运转了603天，运转率94.66%；，平均日负荷率107.3%，年负荷率达到120%。,非熔渣熔渣分级气化技术于2007年10月23日顺利通过72小时考核。专家考核组认为:1装置连续稳定运行72小时，平均负荷率为109.4%，装置各项指标平稳。2运行数据与计算结果真实可靠，考核装置满负荷运行的技术指标如下：,3气化装置自动化程度高，安全可靠，操控性能良好。预混气由氧气切换为二氧化碳时装置运行平稳。预混气体为二氧化碳时炉上部温度比预混气体为氧气时低50（清华大学实验室测定气化炉中心的温度低200），有利于延长喷嘴使用寿命。,4与国内外水煤浆气化技术相比，本项目的技术创新点在于：（1）采用分级给氧，使主喷嘴附近温度降低，有助于延长喷嘴寿命。气 化炉内的温度分布更加均匀，平均温度提高；气化炉主烧嘴的氧气 量可以脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束。（2）主烧嘴可以采用氧含量从0100%的不同气体（如CO2或N2）作为主 烧嘴预混气体。非熔渣熔渣分级气化技术与现有其它粉煤液态排渣气化技术相比 具有新颖性和创新性。5.本工程在实验室研究的基础上进行工程设计，成功实现了工程化放大，表明研究与放大方法科学、正确，掌握了该技术的工程放大规律，奠 定了向更大规模跨越的理论与工程化基础。6.本装置采用国产化技术和设备，工艺设备国产化率达到100。7.非熔渣熔渣分级气化技术先进可靠，有效气体成分比氧气不分级的高 12。考核期间分级运行平稳，由O2切换为CO2作为主喷嘴预混气体 时，切换平稳，操作运行数据达到了考核要求。8.本次考核采用华亭和神木的混合煤，专家组认为混合煤的煤质与设计煤 种没有实质性差异，可以作为考核煤种。,根据以上现场考核结果，专家组意见和建议如下：（1）示范装置72小时的满负荷考核数据达到了考核指标要求，建议予以项目验收。（2）对降低喷嘴端部温度，延长喷嘴使用寿命的实际效果需 继续进行观察。（3）本项目技术性能考核指标优于国外同类技术，是具有国 际先进水平、自主知识产权的新型煤气化技术，并在示 范工程中成功应用，取得显着效果，希望有关部门予以 推广。（4）鉴于项目三个开发单位在产学研结合上已经取得了显着 成果，并已开始在水冷壁替代耐火砖、干粉泵替代水煤浆 泵的方向上开展工作，希望有关部门给予支持。,2007年12月6日，中国石油和化学工业协会在北京组织召开了“非熔渣熔渣分级氧化气化技术”科技成果鉴定会。鉴定委员会听取了成果完成单位北京达立科科技有限公司、清华大学和山西丰喜肥业（集团）股份有限公司所作的工作报告、研究报告、工业运行报告及现场考核专家组的考核报告等，审查了有关技术资料，经过认真讨论，形成鉴定意见如下：1、提供的技术资料齐全，实验及工业数据可靠，符合鉴定要求。2、该技术经过数学模型化、冷模实验、热模实验、工艺包编制、工程设 计、工程建设和生产运行等阶段，建成两台单炉日处理煤500吨、操作压力4.0MPa的工业级气化装置，开发过程科学合理。3、该技术采用氧气分级加入气化炉内，改善了气化炉烧嘴的运行环境和优化气化炉的轴向温度分布，使主烧嘴附近温度降低，有助于延长烧嘴寿命；气化炉内的温度分布更加均匀，有利于碳的转化，具有创新性。,4、该气化装置分级进氧连续运行48天后，经72小时连续考核运行表明：该气化装置运行平稳，自动化程度高，安全可靠，操控性能良好；技术指标先进:比氧耗367.6Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)，比煤耗553.5kg煤/1000Nm3(CO+H2)，合成气有效成分(CO+H2)83.06%，碳转化率98.2%。与本装置采用不分级气化运行结果相比，合成气中有效气成分提高12个百分点，碳转化率、比氧耗、比煤耗均有所改善，处于水煤浆气化技术的国际先进水平。5、该装置全部采用国内技术和国产设备，满足了10万吨/年甲醇项目需求，节约了建设投资，将为推动我国煤化工产业的发展和能源结构调整提供技术支撑，具有良好的经济、社会效益和推广价值。鉴定委员会一致同意通过该技术鉴定。建议加快大型化开发和推广应用。,2.2 采用非熔渣熔渣分级气化技术的三大优势工艺成熟，成功的工业实践多,非熔渣熔渣分级气化技术是在消化吸收国外传统水煤浆气化技术的基础上发展的创新技术，具有传统水煤浆气化技术的主要优势：水煤浆给料方式简洁、稳定；系统压力易于提高；配套技术成熟。正因为有这些优势，非熔渣熔渣分级气化技术的第一个工程项目就取得了生产平稳，投产两年来，年运转率94%，年负荷率120%的好成绩。这个业绩表明，传统水煤浆气化技术的工业实践已经为非熔渣熔渣分级气化技术的工业应用开辟了低风险的坦途。,突破核心技术，提高了投入产出比和性价比 如前所述，由于非熔渣-熔渣分级气化技术特点，由于没有增加水煤浆泵，没有增加主烧嘴，没有增加控制回路，因此使得采用本技术的气化岛硬件投资与同压力、同直径的传统水煤浆气化技术气化岛相近，但能力大20%。非熔渣熔渣分级气化技术特点还降低了主喷嘴氧化强度，提高了气化炉有效空间内的气化功能，实践已经证明，采用本技术的气化岛运行周期更长，系统更为平稳。,具有独立自主知识产权 我们（以清华大学为主）自主完成了非熔渣熔渣分级气化技术的数学模型，冷态试验，热态一米炉试验；新技术与国内外已投产和将要投产的8种技术：GE、Texaco、Shell、GSP、多喷嘴对置气化、E-Gas、航天炉、两段干粉气化不同，这8种技术的氧气均未分级，只有非熔渣熔渣分级气化技术分级给氧；非熔渣熔渣分级气化技术已取得了国家专利 ZL 02235127.2、ZL 03279783.4、ZL 2006101140391。采用非熔渣-熔渣分级气化技术在知识产权问题上无后顾之忧。,3.不同路线的煤气化技术及我们的努力方向3.1 不同技术路线的煤气化技术及与国内外同类技术比较煤气化技术路线的比较1）以煤进料形态分类的煤气化技术煤气化技术有各种分类方法，以进料形态分类，可分成块煤气化、碎煤气化和粉煤气化三大类，分列如下：,从上表可以看出，从气化发展历史看，粉煤气化有很强的生命力，国内国外都在集中力量研究和发展粉煤气化技术，是有其内在原因的。综合分析国内外几十年来煤气化发展的过程和我们自身条件，我们做出如下决断：气化技术开发重点放在粉煤气化上，针对现有粉煤气化的薄弱环节攻关；在粉煤气化中先搞水煤浆，后搞干粉；先搞耐火砖炉型，后搞水冷壁炉型。以水煤浆为原料，采用耐火砖炉型的非熔渣熔渣分级气化技术，作为我们技术开发的第一高度。现在我们已经站稳了第一高度，正向第二、第三高度努力。,3.2非熔渣熔渣分级气化技术发展的第二、第三高度 目前以水煤浆为原料，采用耐火材料的非熔渣熔渣分级气化在煤种适应性及用于电厂的热效率问题上仍需改进，我们将从以下两个方面开展工作。,水冷壁的研究 为了改善煤种的适应性，扩宽气化煤在灰熔点方面的要求，就必须进一步提高炉温，在这方面，采用膜式水冷壁是一个比较好的选择。在国内已经运行的膜式水冷壁气化炉中发生了一些问题，经分析有些问题的技术含量不高，是低级错误。化工研究、设计与热工研究、设计是两个不同的技术领域，但是在膜式水冷壁气化技术是两个技术领域的交叉区域，处理好交叉区域的技术问题，就可以防止低级错误的发生。在膜式水冷壁气化技术的研究、设计中，我们与热工行业的专家紧密结合，工作进展十分顺利，目前气化炉的工程设计图纸已近完成，初步具备了制造的基本条件。这是非熔渣熔渣分级气化技术的第二高度。,干粉进料的研究 国内外还有些内水含量的褐煤，成浆性差，气化时以干粉进料为宜。另外在更宽的领域内，例如，发电行业IGCC中使用煤气，干粉进料的效率高于水煤浆进料，干粉进料是我们必须研究的课题。目前经典的干粉进料方式是分仓加压，这种方式是切实可行的，但过程过于复杂。我们已经开展前期研究，并就干粉泵申请了专利，希望走出一条新路。干粉泵，是一个全新的概念，距离成功还有很长的路要走。我们相信，科研、开发、生产本身就是一条长路，要想让中国的煤化工不仅大，而且强，就一定要有自主创新的技术。这是非熔渣熔渣分级气化技术的第三高度。有正确的技术方向，有产学研队伍的全力攻关，我们将尽快攀上非熔渣熔渣分级气化技术的第三高度，提供具有多种技术的组合非熔渣熔渣分级气化技术方案，适应不同煤种，供不同用户选择，在自主创新的基础上为煤的利用开创一个新的局面。,清华大学正在测量的冷态气化炉,清华大学热态气化炉,山西丰喜肥业集团甲醇工厂全景,山西丰喜肥业集团甲醇工厂气化框架,山西丰喜肥业集团甲醇工厂煤场,山西丰喜肥业集团甲醇工厂磨煤机,山西丰喜肥业集团甲醇工厂高压煤浆泵,山西丰喜肥业集团甲醇工厂总控制室,使用88天后的二次给氧喷嘴,使用88天后的二次给氧喷嘴,谢 谢！,
