摘要：目前关于多喷嘴气化炉和 GE

多喷嘴对置式气化炉与单喷嘴水煤浆气化炉

实际运行数据的比较与相关分析

陆新华1 ，胡 瑾1 ，张 彦2

(1. 南京化工职业技术学院应用化学系 2. 宁波万华聚氨酯有限公司)

摘 要：目前关于多喷嘴气化炉和GE 单喷嘴水煤浆气化炉工艺的优劣存在争议，特别是对运行效率问题，众说纷纭。本文通过实际生产中所测数据的对比，利用相对有效产气率这一概念，试图解决存在的争论，给出分析煤气化效率的一个有效思路。

关键词：多喷嘴对置式气化炉；单喷嘴气化炉；运行效率；有效产气率；水煤浆气化

煤气化技术是发展煤基化学品(如甲醇、氨、二甲醚) 、煤基液体燃料、先进的IGCC 发电技术、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术，可以说是工业领域许多行业发展的“引擎”。长期以来，国内企业靠的是引进国外煤气化技术，引进技术昂贵，而且引进的技术有明显缺陷，其换热器容易堵塞，一堵塞就要停工两三天，损失可观。华东理工大学基于对置撞击射流强化混合的原理，提出了多喷嘴对置的水煤浆气化炉技术方案，在气流床煤气化技术的应用基础研究和产业化方面取得了重要进展，先后完成了多喷嘴对置水煤浆和粉煤中间试验，建设了多喷嘴对置水煤浆气化工业装置。多喷嘴对置式水煤浆气化技术在国际上与GE 、Shell 、Siemens 的煤气化技术并驾齐驱，引起了国际煤气化领域的关注。

但是目前很多资料对多喷嘴对置式水煤浆气化炉和GE 水煤浆气化炉工艺的争论很多，其实际情况如何? 下面根据多喷嘴和单喷嘴气化炉的实际运行结果，对照气化考核需要测试的数据，逐条进行分析。

1 生产流程介绍

某公司运行的水煤浆气化炉有2 种工艺、3 种规格，分别是多喷嘴对置式气化炉， 燃烧室直径Ф2800，单喷嘴水煤浆气化炉，直径分别为Ф2800 、Ф3200 。压力都是6.5 MPa 。这些条件对于比较多喷嘴气化炉和单喷嘴气化炉工艺来说，具有很强的说服力。

1.1 多喷嘴(四喷嘴) 对置式水煤浆气化工艺流程

水煤浆由煤浆振动筛过筛后进入煤浆槽，出煤浆槽后经2 台水煤浆给料泵加压后通过4 个工艺烧嘴从侧面对喷进入气化炉，以下简称A 炉。

空分来的高压氧气进氧气缓冲罐，经调节流量后分别进入 4 个工艺烧嘴的中心管和外环管。在气化炉中煤浆与氧发生如下主要反应：

CmHnSr + m/ 2O2 ——mCO + (n/ 2 - r) H2 + rH2S

CmHnSr —— (m/ 4 - r/ 2) CH4 + (m - n/ 4 + r/ 2) C + H2S

C + O2—— CO2 C + CO2 ——2CO

C + H2O ——CO + H2 CO + H2O ——H2 + CO2

反应在6.5 MPa ( G) 、1350～1400 ℃下进行。

气化反应在气化炉反应段瞬间完成，生成CO 、H2 、CO2 、H2O 和少量CH4 、H2S c w m

等气体。

离开气化炉燃烧室的热气体和熔渣进入气化炉下段激冷室，被水淬冷后温度降低并被水蒸汽饱和后出气化炉；出气化炉的气体约249 ℃，气体经文丘里管喷水湿润，在分离器进行气液分离后进水洗塔，水洗塔为板式塔，进塔气经灰水洗涤、变换冷凝液洗涤冷却后，温度243.9 ℃，压力6.26 MPa ( G) ，经旋流板、丝网除沫器除去气体夹带的雾沫后送至变换工段。

1.2 单喷嘴气化工艺流程

出煤浆槽的水煤浆经单台煤浆给料泵加压后通过单个工艺烧嘴从气化炉顶部进入气化炉。以下简称B 、C 炉，空分来的高压氧气进氧气缓冲罐，经调节流量后分别进入单个工艺烧嘴的中心管和环管。在气化炉中煤浆与氧发生的主要反应与单喷嘴气化炉相同。

离开气化炉燃烧室的热气体和熔渣进入气化炉下段激冷室，被水淬冷后温度降低并被水蒸汽饱和后出气化炉；出气化炉的气体约249 ℃，气体经文丘里管喷水湿润后直接进水洗塔，水洗塔为板式塔，进塔气经灰水洗涤、变换冷凝液洗涤冷却后， 温度243.9 ℃，压力6.26 MPa ( G) ，经旋流板、丝网除沫器除去气体夹带的雾沫后送至变换工段。

关于多喷嘴和单喷嘴的详细流程及燃烧室的流场分布在相关资料上和网上介绍比较多，这里就不一一叙述。

2 工业运行情况分析

多喷嘴气化炉(简称A 炉) 、单喷嘴气化炉B 炉(燃烧室Ф2800) 和单喷嘴气化炉C 炉( 燃烧室Ф3200) 都经过了长期的工业运行考验，大家原来普遍担心A 炉的拱顶砖寿命偏短，从运行结果来看A 炉拱顶砖使用寿命已达到6000 h 以上，并且在换拱顶砖时发现，除炉顶盲头附近的砖磨损严重，还剩余50 mm 外，其他拱顶部位的砖基本剩余在130～140mm ，从这点来看，该厂A 炉拱顶的问题主要在盲头部位的设计上，这个地方在封堵后有一定的间隙，气体冲刷湍动比较厉害，因此，如何设计盲头封堵，让盲头部位配合紧密，这应该是解决目前所谓拱顶超温和拱顶砖使用寿命短的迫切问题。

C 炉负荷为日投煤量1000 t ，从目前运行来看，主要表现是粗渣和细灰残炭偏高，具体数据见表1 。

表 1 中的数据基本是在同一时期的稳定时的分析数据，可以代表大部分时间的运行状况。从表中看出，多喷嘴A 炉的炉渣残碳很低，只有1.275 % ，远低于B 、C 炉，同时，由于细渣A 炉无法单独分开，所以无法单独测得，但是在A 运行期间，总体上细灰的含碳量要降低近10 个百分点，由此可见，多喷嘴A 炉的碳转化率要高于单喷嘴B 、C 炉的。具体数值在实际对比中没有什么意义，但从下面的一个简单计算中可以看出来。

表1 A 、B 、C 炉渣(粗渣) 、细渣分析

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表2 某原料煤的分析数据

假设转化后的全部炉渣残碳分别为1%、5%和15 % ， 则计算后的碳转化率分别为99.87 %、99.34 %和97.81 % ，由此可以看出，多喷嘴的碳转化率到99 %是没有问题的。由于工艺本身限制，在相同的工业运行环境中，单喷嘴的碳转化率低于多喷嘴的，这是因为顶置单喷嘴在喷射气化的过程中，不可避免地存在一部分煤颗粒走短路直接进入炉渣当中。特别是炉子负荷加大后，总体指标从数据上看，B 炉要好于C 炉，这也就是在炉子负荷和直径增加后，多喷嘴气化炉有优势的原因。

下面再说一下多喷嘴和单喷嘴水煤浆气化炉煤气中有效气含量问题，这也是很多煤气化专利商和应用厂家关注的重点，例如shell 说他的粉煤有效气(CO + H2) 含量可达到90 % ，GE 说他的水煤浆气化有效气(CO + H2) 可以达到80 %等等，但从这一数据来看，肯定是干煤粉气化要好了。但是，这里需要澄清一下，有效气含量高并不代表有效产气率高，所谓的有效产气率就是：气化炉干煤气中有效气(CO+ H2) 产量(Nm3 ·h - 1 ) 和气化炉入炉干基原料(kg ·h - 1) 的比值，也就是说单位质量的煤能产出有效气的量。但是，在实际生产当中，由于煤种和计量方面的原因，这一很重要的指标是不好测量的，所以也就给许多专利商提供了方便，以煤气中有效气含量来代表自己技术的水平了。

虽然，有效产气率在生产中不好测定，但是，由于煤气中的气体成分测量是很准确和方便的，因此，根据煤气成分就可以判断出有效气的相对产气率，这一指标对于同一煤种来说具有很好的对比性。下面简要介绍一下相对产气率的概念和计算方法。

一般来说，对于水煤浆加压气化，可将一般气化当成一个黑箱，不过过程怎么样，最终的总反应如下(为了方便，忽略其他微量元素) ：

(a + c + d) CHmOn + 1/ 2[ a + 2c - b - 2d + (1/ 2m - n) (a + c +d) ]O2 + [ (b + 2d - 1/ 2m(a + c + d) ]H2O ——aCO + bH2 + cCO2 + dCH4 (1)

有效产气率定义为CO + H2 的生成量与煤消耗量之比，即：α= ( a + b) / ( a + c + d) ，由于CH4 在煤气中比例很低，故可以忽略，则有效产气率改写为：α= ( a + b) / ( a + c) 。 定义气体产物总量N = a + b + c + d ，各气体成分分别为： x CO = a/ N ， x H2= b/ N ， x CO2= c/ N ，x CH4= d/ N ，因此，有效产气率α

= ( a + b) / ( a + c)

也就是说，对于任何煤种来说，单位量的煤(CHmOn) 的有效气

量为，有效气

c w m

成分(CO+ H2 ) 高，并不代表有效气产量就高。下面就对生产中的数据分析一下。

从表3 可以看出，有效气成分大概差不多，但是，A 炉有效产气率明显高出单喷嘴炉

B 炉约1.34 %和单喷嘴

C 炉2.38 % ，也就是说在相同条件下，煤耗可以降低约2 % ，需要说明的是，以上数据是在同期同煤种测试情况下的数据，具有很好的可比性，因为当煤种发生较大变化时，有效产气率也会发生变化的。

表3 近期各炉实际生产当中的煤气成分平均值

表4 不同工况下有效产气率数据表

如果只考虑有效气比例，则很明显地认为工况2比较好，因为有效气比例达到83.51 % ，而工况1则只有80.63 % ，但从相对有效产气率来看，两者则相差0.0638 ，也就是说同样的煤，在工况1 下，有效气产量要高出工况2 约4.97 % ，对于双炉生产的企业来说，如果出现相对有效气产气率差别太多的情况，一定不要掉以轻心。但是同时发生大幅变化，则说明原料煤发生变化。 对于水煤浆气化炉，另一个重要指标是比氧耗，即：

从式(1) 可以看出，比氧耗的计算可以表达为：

如果忽略了甲烷值，则：

可以看出，比氧耗计算比较复杂些，不仅跟煤气成分有关，也与煤质有关，但是在煤质一定的情况下，与有效气产率类似，比氧耗可以通过煤气成分来分析。比如， 表2 中原料c w m

煤数据，经计算， m=0.656597，n= 0.107616 ，d 代入式(4)得结果如下：A 炉比氧耗为351.53 Nm3·kNm- 3 (CO + H2) ，实际测量为346 Nm3·kNm- 3 (CO + H2) 。B 炉比氧耗为363.71 Nm3 ·kNm- 3 (CO + H2 ) ， 实际测量为350Nm3·kNm- 3 ( CO + H2 ) 。C 炉比氧耗为371.26Nm3·kNm- 3 ( CO + H2 ) ， 实际测量为346 Nm3 ·kNm- 3 (CO + H2) 。

从结果来看，四喷嘴气化炉的比氧耗还是比较低的，但在实际测量过程由于氧气流量及煤气流量的误差，其实没有几个测准的，但是如果根据这个来判断比氧耗的话，就会引起判断的混乱。因此，根据分析成分等数据计算出的比氧耗还是有一定的可比性及可信度的，虽然是一种大概计算，但在实际应用中还是允许的。

由上面可以看出，化工生产中，水煤浆气化工艺主要的好坏主要看三个方面，即碳转化率、比氧耗和相对转化率。利用以上方法把以前那些在工业中很多没有可比性的数据放在一块对比，煤种的好坏及气化技术的优劣就一目了然。

3 投资比较

目前普遍认为多喷嘴气化炉的投资相对较高，但是具体高出多少却没有一个准确的数据，而且在提出投资高低的问题时也不是综合比较，而仅仅是通过和( GE) 德士古类似装置对比，但是又不区分2种工艺的异同，所以造成单喷嘴和多喷嘴投资问题各说各话。其实，多喷嘴投资如果要和单喷嘴比，最主要是多出以下投资。

通常设备阀门仪表等投资越大越值钱，多喷嘴用的阀门较多，但是不简单是一个四倍的关系，而且要小得多。其他设备投资如果要不考虑优化，完全可以做得和单喷嘴一样，因此如果要算投资高出多少，根据表 5 就可以算出。例如分离器，不要也是可以的，GE 就没有，但是多喷嘴这种分级分离洗涤，可使气化炉激冷水的水质大大提高，对于延长激冷环的使用寿命还是很有帮助的，同时带灰问题也大大降低。再如每个气化炉一套灰水系统，本来可以相对降低气化系统的水质要求，减少外排水量，如果像单喷嘴那样共用一套灰水，也是可以的。因此在投资问题上要有一个清醒意识。

表5 多喷嘴对置式气化炉与单烧嘴气化炉工艺配置比较

由于实际操作经验相对还不多，多喷嘴气化在早期运行的过程中，也出现了许多问题，但是一旦把握问题实质，解决起来还是没有问题的。这还需要努力，不能凭借单喷嘴的经验来对c w m

待多喷嘴，必须静下心来研究。

4 结语

经过分析可以看出，在气化炉负荷相对较小时，四喷嘴的气化工艺在技术指标上不占多大优势，但是一旦大规模应用，单喷嘴在各个工艺指标上是没有优势的。同时，顺便提一下，对于干煤粉气化，在冷煤气效率上是很占优势的，也就是发电还是不错的，但是对于生产化工产品来说，并没有优势。因此选择何种工艺，还是要看原料煤的成分及试烧结果，综合分析才能选出适合实际情况的气化工艺。

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