清洁能源水煤浆技术论文
清洁能源水煤浆技术论文 清洁能源水煤浆技术论文篇一 水煤浆气化炉耐火材料的选择趋势 摘 要：本文阐述了水煤浆气化炉耐火材料的国产化发展历程，国内 水煤浆气化炉耐火材料的常规配置，目前GE公司的新型材料及今后趋势。关键词：水煤浆气化工艺 耐火材料 趋势 一、前言 随着国内油气资源的日益减少，煤气化工艺越来越多的应用于煤制气、 煤制甲醇、煤制化肥、煤制油等化工装置中，而在诸多煤气化工艺中，如水煤浆、 粉煤炉，水煤浆气化工艺是目前国内应用最为广泛、也是最为成功的工艺技术。
在水煤浆工艺中，两层纯氧夹包裹水煤浆通过工艺烧嘴并行高速进入气化炉燃烧 室进行反应，在约1350℃下，反应形成的液态煤渣及高温转化气沿燃烧室炉壁流 下并从渣口排出，在此过程中，耐火材料要承受高温转化气的冲刷和流态煤渣冲 蚀，因此气化炉耐火材料的性能直接影响到耐火材料的寿命及气化炉运行时间。
因此，水煤浆气化炉耐火材料的选择是直接关系到一个企业的安全及经济效益。
二、水煤浆气化炉耐火材料国产化历程 水煤浆气化炉耐火材料的国产化经历了大致以下几个过程：从八十年 代初的Cr2O3-Al2O3-ZrO2捣打料研究应用，到八十年代末国内成功研制出 Cr2O3-Al2O3-ZrO2耐火砖(高铬砖)，再到九十年代在鲁南化肥厂、渭化和上海焦 化成功使用。
三、水煤浆耐火材料的常规配置 目前国内水煤浆气化炉耐火材料主要由以下几个部分构成：
1、热面砖：耐高温熔融煤渣的磨蚀及高温转化气流的冲刷，能自由 膨胀、自立于托砖架上;砖与砖之间不用凹凸台配合，砖的厚度一般大于220mm;
2、背撑砖：自立于托砖架上，用于支撑拱顶热面砖;3、隔热砖：用于降低壳体温度;
4、压缩层：用于吸收耐火砖径向和轴向膨胀量;
5、浇注料：用于不规则部位的隔热层。
在订货时通常要对每部分的以下特性做出要求：
体积密度(g/cm3)、显气孔率、常温耐压强度(Mpa)、0.2MPa，1500℃ 条件下24小时的蠕变、导热系数{w/(m*K)}、热膨胀系数(常温～1500℃)、化学 成飞含量、烘干后容重(浇注料)等特性。
通过对以上特性的严格要求，来保证气化炉耐火材料的质量。当然， 目前国内气化炉燃烧室炉壁耐火材料的结构设计已较为成熟，国产材料应用也较 多，且价格较进口材料便宜很多，因此上述配置在国内取得了很好的市场。
四、近年来水煤浆耐火材料新型配置 近年来，随着科学的发展，目前国外TexaCO水煤浆技术专利商GE公 司在考虑cl离子腐蚀气化炉炉壁的基础上，提高了气化炉露点温度，更改了部分 炉衬结构及材料。目前新的配置方案：
气化炉耐火衬里由里向外主要分四层：向火面为铬铝锆砖，背衬砖为 铬钢玉砖，第三层为由传统的空心氧化铝空心球砖变为碳化硅(SiC)砖，第四层 为耐火纤维或可塑料。
通过比较可以得知，两种材料导热系数相差较多，而GE公司选择碳 化硅(SIC)砖作为隔热砖就是为了保证较高的露点温度(DewPointTemperature)，以 减少cl离子对炉壁的腐蚀，延长气化炉使用寿命。目前国内成功案例如：广东茂 名石化煤制氢气项目、中煤榆林煤制气项目等。正在建设中的中海石油华鹤30 万吨合成氨52万吨尿素项目气化工艺采用GE公司的水煤浆专利技术，气化炉露 点温度设置为238℃，考虑到项目所在地鹤岗当地的气温条件，炉壁温度 (SkinTemperatures)在不同的工况下最高温度部分(拱顶底部)的温度为297-184℃。
耐火材料的配置也是采用新型配置，即隔热砖采用碳化硅SIC砖，根据计算完全 能够满足使用气化炉壁温需要，热面砖采用Cr90砖也完全能够满足高温转化气的 冲刷和流态煤渣冲蚀。五、耐火材料的使用 1、耐火材料砌筑完成后的养生及烘炉过程十分重要。砌炉完成后自 然干燥7-10天，让部分水份可以挥发，但时间不宜过长，防止受冻和部分材料水 化;自然通风干燥后，再按照烘炉曲线进行烘炉。一定要严格执行烘炉曲线以避 免炉衬材料在热应力的作用下产生较大开裂。
2、水煤浆耐火材料的使用环境是承受化学侵蚀、机械冲刷、热应力 等，而在正常的生产条件下，耐火材料表面会挂有一层渣，而适当厚的渣层可以 减缓高温气体和熔渣对耐火材料的冲刷，从而达到“以渣抗渣”的目的。
3、开停车对耐火材料的影响很大，因为在开停车过程中，如果控制 不好升温降温速率，出现在短时间内温度变化较大的情况，会加速耐火材料的损 坏。
4、在每次停炉后，都要对耐火材料的各个部位进行详细的检查，特 备是渣口砖，因为此处砖最易损坏，发现损坏的砖要立即损坏，避免开车后短期 内又停车的现象。
5、做好原始烘炉及每次停炉检查后的记录，认真分析每次损坏部位 损坏的原因，及时调整工艺操作，达到延长耐火材料使用寿命的目的。
六、国内耐火材料的研究方向 目前国内几家较出名的耐火材料设计及制造厂从耐火材料的损毁机 理研究、炉衬的结构优化等方面进行研究，也研制出的优质的耐火材料，热面砖 产品的平均寿命15000h，由于煤种和工况条件不同，从8000～23000h不等;平均 蚀损率0.012mm/h，最低蚀损率0.004mm/h，而进口砖平均蚀损率为0.033mm/h， 已经超过进口材料的性能，完全实现国产化。
另外一方面，国内耐火材料制造厂也在加紧从含Cr材料无害化，即 Cr6+的抑制、资源节约化、内衬无铬化等方面研究，进行用后高铬残砖再利用技 术的开发，以解决解决资源短缺问题;在非氧化部位使用SiC材料，发挥其抗侵蚀 和抗热震的优势，采用散装料对局部修补，达到快速又经济的目的;开发新材质 和新结构的无铬氧化物材料用于水煤浆加压气化炉，减少对环境的破坏，达到可 持续性发展。清洁能源水煤浆技术论文篇二 水煤浆气化与粉煤气化的模拟评价 摘要：随着社会经济的快速发展，油价也在不断上涨，煤炭经过气化 产生有效合成气(CO+H2)，有效合成气经过变换、净化、合成反应生产特种石化 产品，因此就为洁净煤化工开辟了新的前景。本文就用模拟法对水煤浆气化和粉 煤气化进行评价，促进其快速发展。
关键词：水煤浆气化;粉煤气化;模拟评价 中图分类号：TQ534文献标识码：
A 一、粉煤气化技术 1.简介粉煤气化原理 原料煤以粉状入炉，粉煤和气化剂经由烧嘴进入气化炉，在气化炉 1400～1700℃温度下进行燃烧和气化反应，在此高温下参加反应的各种物质的化 学活性充分显示出来，因而碳转化率特高，有效气(CO+H2)产率特高，合成气气 中甲烷含量特低。
2.粉煤气化共性特点 2.1气化强度大。由于气流床气固两相的接触好，增强了热传导和热 交换，气化强度大，直径炉的单台煤气产量可超过40000m3/h。
2.2使用廉价煤料。可使用高灰的褐煤、不粘煤、弱粘煤和长焰煤等 煤料，特别是褐煤价格较低，可显著降低煤气的生产成本。
3.Shell气化 Shell气化技术是荷兰Shell国际石油公司开发的一种加压气流床粉煤 气化技术，该技术以干煤粉进料，采用纯氧和蒸汽气化，气化温度达1500℃左右， 采用液态排渣，碳转化率达99%，有效气体(CO+H2)达90%以上，甲烷含量几乎 为零，氧耗和煤耗较低。气化炉水冷壁采用特殊的结构，使用寿命可达25a以上。
气化采用废锅流程，可副产高压蒸汽，但是气化炉带有导气管和废锅，气化炉结构复杂，设备费及专利费均较高。粗煤气除尘也是一关键技术，技术须全面依赖 进口，国内技术支撑率低。自湖北双环的Shell炉开车后，又有中石化企业的气化 炉装置先后开车，但这些装置的运行不太正常。神华宁煤的100万t/a直接煤制油 项目气化使用的是Shell炉，运行基本正常，但运行成本较高，该项目Shell气化炉 装置的一次性投资是一般气流床气化炉的两倍左右。Shell炉将用于发电厂的废锅 流程照搬照抄到煤化工装置上，流程设置不合理，粉煤输送采用氮气，使合成气 中的氮气无法分离，直接影响合成气的质量。因此，该气化炉较适合用于发电项 目。
3.1特点 第一，煤种适应性广泛，能气化烟煤、无烟煤及石油焦等。对煤反应 活性要求极低。第二，节能，比氧耗与比煤耗较低。第三，碳转化率接近百分之 百，且排出的熔渣不会对环境造成污染。气化污水中含有害物质较少，极易处理， 甚至能做到零排放。第四，安全性能高，运行成本低廉。第五，单台气化炉生产 能力大。第六，具有先进的技术操作控制系统，能确保技术操作在最佳状态下运 行。
4.航天气化 航天炉的主要特点是具有较高的热效率(可达95%)和碳转化率(可达 99%);气化炉为水冷壁结构，能承受1500℃至1700℃的高温;对煤种要求低，可实 现原料的本地化;拥有完全自主知识产权，专利费用低;关键设备已经全部国产化， 投资少，生产成本低。据专家测算，应用航天炉建设年处理原煤25万吨的气化工 业装置，一次性投资可比壳牌气化炉少3亿元，比德士古气化炉少5440万元;每年 的运行和维修费用比壳牌气化炉少2500万元，比德士古气化炉少500万元。
它与壳牌、德士古等国际同类装置相比，有三大优势：一是投资少， 比同等规模投资节省三分之一;二是工期短，比壳牌炉建设时间缩短三分之一;三 是操作程序简便，适应中国煤化工产业的实际，易于大面积推广。
4.1特点 (1)采用干煤粉进料，加压二氧化碳气或高压氮气输送，该气化炉煤 种适应性广。
(2)气化温度约1400～1600℃，煤气中有效气体(CO+H2)达到90%以上，甲烷含量几乎为零，碳转化率达到99%以上。
(3)比水煤浆气化氧耗低15%～25%。
(4)采用粉煤进料，采取水冷壁以渣抗渣的方式，避免了使用耐火材 料寿命短的缺陷。
(5)烧嘴设在气化炉顶部，烧嘴的结构设计采取了新工艺，使其寿命 大大延长，可达到8000h以上，组合式烧嘴使其开停车使用方便。
(6)采用激冷流程，省去繁琐、昂贵的废锅，使气化气被水蒸汽饱和， 故变换工段不需补加中压蒸汽，使得流程设计合理，节约能耗。设备选用材质简 单，投资低。
二、水煤浆气化技术 1.简介水煤浆气化原理 水煤浆气化反应是一个很复杂的物理和化学反应过程，水煤浆和氧气 通过烧嘴喷入气化炉后瞬间经历煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残炭气化和 气体间的化学反应等过程，最终生成以CO和H2为主要成分的气化气，灰渣采用 液态排渣。该气化炉主要有GE炉和西北院多元料浆炉、华东理工多喷嘴炉、清 华炉。
单喷嘴的GE炉和多元料浆炉：水煤浆加压气化是美国德士古公司在 上世纪70年代开发的工艺，德士古水煤浆气化被美国GEEnergy公司收购后更名 为GEGP工艺技术。该气化技术是将一定粒度的煤粒(325目)及少量添加剂制成水 煤浆，与氧气在加压及高温状态下发生部分氧化反应，国内水煤浆加压气化装置 多数采用激冷流程，此工艺适用于灰熔点≤1350℃(可用添加助熔剂的方法解决)、 灰份≤20%、内水份≤10%的煤。
2.水煤浆气化共性特点 2.1气化压力高，压力等级：2.7，4.0，6.5，8.7MPa。
2.2碳转化率高。该技术碳转化率在96%～98%之间。
2.3气化炉结构简单，无机械传动装置。2.4氧耗高，比粉煤气化耗氧高15%～25%左右。
2.5烧嘴操作周期较短，仅为3～6个月;耐火砖平均每二年需更换一次， 更换时间为30d。
2.6需要设置备用系列，以保证年生产率。
3.GE气化 中国煤化工项目常建在水资源缺乏的地区。如何利用与处理工艺中的 水资源是一重要的课题。相较于其他气化技术，GE水煤浆气化技术工艺所产生 的废水少、氮氧含量低，大幅降低了废水处理的难度与技术要求。而且，工艺所 产生的部分废水还能够回收制浆，将整体气化系统的水最充分的循环利用。
3.1特点 GE的水煤浆气化技术近年来有了：大型化、高压气化、更宽广的煤 种适应性。大型化气化炉能够减少10～15%的设备资金投入，降低了项目风险。
中国国内目前已有8台1800立方英尺、日投2000吨煤的气化炉稳定运作中。中国 煤化工行业中的确存在着对GE气化技术大型化的疑虑。但物理证明的结果是：
单一喷嘴大型化是最为可靠稳定的技术。任何正常的运作时间下，均能够保持最 佳的气化火焰与雾化效果，进而保证气化效能。
4.多喷嘴气化 多喷嘴的气化炉：华东理工大学的多喷嘴对置式水煤浆气化炉采用撞 击流技术来强化混合、传质和传热。水煤浆通过四个对称布置在气化炉中上部同 一水平面的预膜式喷嘴，与氧气一起对喷进入气化炉，在炉内形成撞击流，完成 气化反应，碳转化率和有效气成分均可提高约2%～3%，相应的比煤耗降低约 2.2%，比氧耗降低约8.0%，但投资比单喷嘴气化炉增加15%～20%。该气化炉的 使用业绩也比较多。
4.1特点 多喷嘴对置式水煤浆气化技术为兖矿集团有限公司与华东理工大学 联合开发的具有自主知识产权的技术，其特点主要体现在以下几个方面：一是多 喷嘴进料后将会在炉内形成撞击流场，强化了混合和热质的传递;二是喷淋和鼓泡复合床型的合成气初步洗涤冷却系统，有效避免了合成气带水、带灰;三是采 用了净化效果好、能耗低的分级净化系统，避免了设备结垢或是堵灰;四是除渣 单元与热回收，用含渣水蒸发产生的蒸汽与灰水直接接触，同时完成传质、传热 过程，其先进性为：无影响长周期运转的隐患;回收热量充分，热效率高。运行 中已经证实有较长的周期和很好的能量回收效果。
三、粉煤气化和水煤浆气化的区别 对于粉煤气化技术和水煤浆气化技术经过实际考察、多方研究，粉煤 气化技术和水煤浆气化技术相比有以下优势：
氧耗量：对于采用纯氧气化工艺，氧耗是一个重要指标，与空分装置 的大小和投资有直接关系，对于水煤浆气化，由于进料中含有40%左右的水，在 气化炉内蒸发这些水需要大量的热量，这些热量由燃烧来提供，因此，水煤浆原 料的气化炉氧耗一般要比粉煤原料的气化炉高15%～25%。
碳转化率：原料煤消耗的一个重要指标是碳转化率，碳转化率越高， 原料煤消耗越低，单喷嘴进料的水煤浆气化炉碳转化率一般在95%左右，多喷嘴 水煤浆气化炉碳转化率大于98%，而粉煤进料的气化炉碳转化率都在99%以上。
有效气含量：水煤浆气化有效气(CO+H2) 82%～85%，粉煤气化有效 气(CO+H2)90%～93%。
结束语 煤气化技术种类较多，发展较快，但随着能源的枯竭及人们环保意识 的增强，四喷嘴水煤浆气化技术、航天粉煤气化技术为代表的气流床技术及地下 煤气化技术将会受到越来越多的重视。