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【中国煤炭报】水煤浆气化的“进阶之旅”
2017-05-19

●本报记者 吴玉华

今年1月,兖矿集团等单位完成的大型高效水煤浆气化过程关键技术创新及应用项目获国家科学技术进步奖。

业内专家指出,该项目把日处理3000吨级的超大型水煤浆气化技术推向了国际领先地位。

把坚硬的煤变成像水一样的水煤浆,也许只需瞬间。但把水煤浆变成各式各样的化工产品,却需要复杂的工艺,经历漫长的过程。

日前,记者来到位于山东滕州的兖矿集团水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心(下称工程研究中心),探秘大型高效水煤浆气化过程关键技术创新及应用项目。

从引进到输出,急需成套技术升级

“这是兖矿集团开发的具有自主知识产权的多喷嘴对置式新型气化炉,为国际首创,已向美国最大的炼油企业——Valero能源公司实施了技术许可,转让费用高达1亿元。”工程研究中心总经理郭宝贵指着一座四五层楼高、矗立着金属罐体和管道的建筑物,对记者说。

据悉,这是我国第一次向发达国家出口大型化工成套技术。

据郭宝贵介绍,20世纪80年代,为调整我国化肥生产严重依赖无烟煤的原料路线,改变气化技术落后的面貌,我国引进了美国德士古水煤浆加压气化技术,用于鲁南、上海焦化、首钢、渭河、淮南5套以水煤浆为原料的气化装置上。1993年,我国第一套水煤浆加压气化装置在鲁南化肥厂投料试车成功。

“德士古水煤浆加压气化技术的喷嘴位于气化炉顶,由于喷出速度极高,导致部分物料短路,造成碳转化率低。”郭宝贵说,水煤浆气化的关键技术在气化炉,气化炉的关键技术在喷嘴。研制新型喷嘴,顺理成章地被提上日程。

“九五”期间,工程研究中心联合华东理工大学、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关课题——新型水煤浆气化炉开发,进行了多喷嘴对置式水煤浆气化炉的中试研究,并于2000年通过专家鉴定及验收:填补了国内空白,达到国际领先水平。“十五”期间,新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术进入商业示范推广阶段,兖矿集团承担了国家“863”课题——新型水煤浆技术的研发工作,在兖矿国泰化工公司建设了日处理1150吨煤的多喷嘴对置式水煤浆气化技术商业示范装置。

“多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用四喷嘴对置形成撞击流,加强了混合,强化了热质传递,气化效果优于美国德士古水煤浆加压气化技术,但成本远低于它。”郭宝贵说,“有了该技术,我们再也不用给外国人交专利使用费了。相反,我们还输出自己的技术,让外国人给我们交专利使用费。”

郭宝贵告诉记者,尽管他们当时打破了国外技术的长期垄断,但是当时的水煤浆气化技术还存在单炉规模小、关键设备寿命短、运行稳定性差、气化效率有待提高等技术与工程难题,急需进行成套关键技术的升级与创新,向大型成套化方向发展,以满足现代煤化工大型高效、清洁低碳、可持续发展的需要。

从2005年开始,兖矿集团携手华东理工大学、中科院山西煤炭化学研究所等单位在国家“973”项目、国家“863”项目等的支持下,开始了大型高效水煤浆气化技术研发。

10年产学研攻关,实现四项突破

2014年7月9日,兖州煤业鄂尔多斯能化荣信化工项目全系统贯通,生产出纯度为99.9%的合格甲醇产品,装置运行安全稳定。该项目是国家“863”项目——3000吨/日级大型煤气化关键技术研发及示范的示范工程。

“从2005年开始研发,到2014年投入运行,我们历经了10年产学研联合攻关。”郭宝贵说,“通过系统的基础研究、技术开发和工程应用,我们突破了水煤浆气化大型化、高效率、长周期稳定运行等关键技术瓶颈,形成了国际领先的大型高效水煤浆气化成套技术。”

43岁的路文学是工程研究中心的副总经理,他从2006年开始参与该项目研发,一直到示范工程贯通,深知其中的酸甜苦辣。

“耐火砖和喷嘴寿命如何延长?如何确立放大依据实现大规模高效气化?如何实现大型水煤浆气化系统集成优化?如何确定复杂条件下火焰结构、温度分布?如何实现复杂气化过程动态模拟……”路文学说,“水煤浆气化过程中工程问题、技术问题、科学问题交互作用,互为因果,非常复杂。”

为了解决上述难题,研发团队确定了总体思路:通过基础研究揭示过程机理,形成理论体系;在理论指导下开发长周期稳定运行关键技术;通过关键技术的应用解决重大工程难题。

研发团队将基础研究、技术开发与工程应用紧密结合,实现四项突破。一是在国际上首次揭示了水煤浆气化炉内三维温度场及火焰结构,揭示了大型水煤浆气化炉的流场特征和撞击流驻点偏移规律,确立了基于速度场、温度场和停留时间分布等多目标耦合的气化炉放大准则,发明了大型高效水煤浆气化炉。二是发明了分段支撑的气化炉耐火衬里结构,开发了一种“薄端部、低回流”的高效长寿命气化喷嘴,独创了大型水煤浆气化炉在线无波动切换技术。三是建立了多喷嘴气化炉数学模型,开发了气化过程模拟软件,通过优化集成,对大型水煤浆气化成套工艺进行了系统创新,发明了高温气体洗涤冷却工艺,解决了高温合成气高效洗涤的技术难题。四是揭示了高温、高压下煤中矿物质熔融特性和灰渣黏度变化规律,发明了低阶煤成浆技术。

推广应用到32家企业,技术市场份额居世界第三

2013年1月,美国能源部在其官方网站公开发布的气化数据库中对该技术给予了评价:先进的烧嘴结构设计,强化了炉内混合,保证了气化性能,有利于烧嘴更换。该技术向Valero能源公司实施了技术许可,单炉日处理能力2500吨。

截至记者发稿时,该技术已推广应用到32家企业:投入运行16家、在建16家,合计94台气化炉年处理煤总量约4000万吨。

“该技术市场份额居世界第三。国内单炉处理能力2000吨/日以上的水煤浆气化装置全部采用该技术。与国外技术相比,仅专利使用费就为上述企业节省3.8亿元。据不完全统计,过去3年,这些装置合计节约标准煤102万吨,减排二氧化碳约260万吨。”郭宝贵说。

据悉,陕西未来能源化工公司采用该技术建设了8台单炉日处理能力2000吨水煤浆气化装置,用于煤间接液化制高品质油品。该装置是目前国际上总产气量最大的水煤浆气化装置。内蒙古荣信化工公司建设了3台单炉日处理能力3000吨水煤浆气化装置。该装置是目前国际上单炉处理能力最大的水煤浆气化装置。该企业已成为煤制甲醇行业的标杆企业。江苏索普集团建设了3台单炉日处理能力1500吨水煤浆气化装置,配套生产醋酸,创造了大型煤气化装置连续运行511天的世界纪录。灵谷化工公司建设了3台单炉日处理能力2000吨水煤浆气化装置,配套生产合成氨及尿素。该企业经济效益连续3年居化肥行业第一。

为加快该技术进一步产业化、市场化,工程研究中心多次召开经验交流会,交流生产管理经验、探讨创新思路。他们根据该技术专利转让情况,按照实施进度,对使用该技术的企业管理人员、操作维护人员进行培训,使其掌握煤气化基本知识,了解和熟知工艺原理、工艺流程、操作要点和常见事故的处理流程。