作為一種潔凈、高效可存儲(chǔ)、可再生的能源,氫氣是目前石油化工領(lǐng)域中用量最大的一種化工原料,廣泛用于生產(chǎn)合成氨、油品、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應(yīng)。傳統(tǒng)煉廠制氫方法成本高,水煤漿氣化制氫是目前煉廠成本最低的大規(guī)模制氫方式之一。然而,煤制氫卻面臨氣化運(yùn)行周期短、噴嘴易燒蝕、細(xì)灰量大等重大挑戰(zhàn)。
有沒有一種更高效、高可靠性的大型煤氣化技術(shù)?
剛剛開幕的第21屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上,由華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所代正華教授領(lǐng)銜的“SE水煤(焦)漿氣化成套技術(shù)”項(xiàng)目,以雙漿雙氧噴嘴、平推流氣化爐、煤漿自動(dòng)分配三大創(chuàng)新點(diǎn),攻克了噴嘴易燒蝕的難題,噴嘴使用壽命可達(dá)一年以上,碳轉(zhuǎn)化率大于99%,能協(xié)同處理液固廢棄物,且工藝流程簡(jiǎn)單、投資低。
三大創(chuàng)新破解核心難題
作為煤氣化裝置的核心設(shè)備,噴嘴的使用壽命短一直是制約氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的難題——噴嘴到使用后期燒蝕嚴(yán)重、磨損大、霧化效果差等,為了安全生產(chǎn)必須停車更換噴嘴,這樣難以為煉廠的后續(xù)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定供氫。因此,延長(zhǎng)噴嘴使用壽命是提高氣化爐運(yùn)行周期、增加效益的有效途徑之一,對(duì)煉廠而言顯得尤為重要。
瞄準(zhǔn)這一業(yè)界難題,從2009年起,華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所就開始了歷經(jīng)10年的技術(shù)攻關(guān)。
噴嘴是將煤漿和氧氣輸送至氣化爐的關(guān)鍵設(shè)備,氣化爐內(nèi)溫度高達(dá)1300攝氏度,如果能有效降低噴嘴端部燃燒強(qiáng)度,則可大幅延長(zhǎng)噴嘴壽命。為此,研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于氣化爐內(nèi)氧化反應(yīng)路徑的研究,發(fā)明了雙煤(焦)漿通道氣化噴嘴——噴嘴四通道走的原料由內(nèi)至外分別為氧、漿、氧、漿,這種排列最大的好處就是, 最外側(cè)通道的水煤漿作為冷卻介質(zhì)強(qiáng)化了噴嘴自冷卻保護(hù),使得噴嘴使用壽命得以大幅延長(zhǎng)。
煉廠對(duì)氫氣純度的要求非常高,為了降低凈化工藝的負(fù)擔(dān),這就要求煤氣化過程中產(chǎn)生的細(xì)灰越少越好。所謂“細(xì)渣”,是一種會(huì)隨著氣體進(jìn)入到后續(xù)工藝的雜質(zhì);相對(duì)應(yīng)的大塊“粗渣”,則是像巖漿一樣的液態(tài)排渣,遇水激冷,碳反應(yīng)更充分。基于氣化爐內(nèi)顆粒反應(yīng)特性和爐內(nèi)流場(chǎng)調(diào)控的研究,研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了以爐內(nèi)平推流為主的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),顯著優(yōu)化顆粒停留時(shí)間分布和爐溫分布,將碳轉(zhuǎn)化率提高到了大于99%,細(xì)灰與粗灰的比例也降低為2:8(現(xiàn)有技術(shù)約4:6),灰渣中殘?zhí)家步抵?0%左右(現(xiàn)有技術(shù)約30%)。
此外,課題組還基于水煤漿復(fù)雜流變性的研究,建立了高精度的煤漿流量和阻力分配數(shù)學(xué)模型,發(fā)明了采用分支流和節(jié)流部件組合的煤漿多通道的分配技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在無泵和無調(diào)節(jié)裝置的情況下,雙股煤漿的精確自動(dòng)分配。
2019年1月30日,中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司煤焦制氫裝置(POX項(xiàng)目)全流程一次打通,并成功產(chǎn)出合格產(chǎn)品,標(biāo)志著采用國(guó)產(chǎn)化自主攻關(guān)高壓水煤(焦)漿氣化技術(shù)的煤焦制氫裝置開車成功。
這是SE水煤(焦)漿氣化成套技術(shù)的首次工業(yè)化應(yīng)用。2012年,中國(guó)石化與華東理工大學(xué)合作建設(shè)中國(guó)石化—華東理工大學(xué)氣化技術(shù)研究中心,通過產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)高效煤氣化技術(shù),SE水煤(焦)漿氣化技術(shù)即為其中之一,被列入中國(guó)石化“十條龍”科技攻關(guān)項(xiàng)目。
作為鎮(zhèn)海煉化POX項(xiàng)目的關(guān)鍵裝置,SE水煤(焦)漿氣化裝置采用了SE水煤(焦)漿氣化技術(shù),該裝置建設(shè)了3臺(tái)日處理煤千噸級(jí)氣化爐,二開一備,采用激冷流程,操作壓力6.5MPa。3臺(tái)氣化爐分別于2019年1月30日、2月20日和4月22日一次開車成功,目前進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段。
在煉化企業(yè),會(huì)產(chǎn)生許多種危險(xiǎn)廢物,例如含油污泥、廢催化劑、廢油漿等,交給環(huán)保企業(yè)處理成本較高。如果企業(yè)能夠回收利用,豈不是具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙重價(jià)值?
SE水煤(焦)漿氣化技術(shù)的另一技術(shù)優(yōu)勢(shì)再次凸顯——變廢為寶,即協(xié)同處理煉化企業(yè)的液固廢棄物。“我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出含油污泥的熱值有時(shí)跟煤差不多,具有氣化價(jià)值。”代正華教授告訴記者。
代正華教授仍然記得鎮(zhèn)海煉化POX項(xiàng)目首臺(tái)氣化爐開車時(shí)的緊張。當(dāng)時(shí)臨近新春,雖然學(xué)校已經(jīng)放假,但作為SE水煤(焦)漿氣化技術(shù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì),他們與企業(yè)方、設(shè)計(jì)方、施工方一起,都在鎮(zhèn)海煉化的現(xiàn)場(chǎng)見證了氣化爐的一次開車成功。
短暫的興奮后,團(tuán)隊(duì)依然“隨時(shí)候命”。“畢竟是首套示范裝置,還有些實(shí)驗(yàn)性質(zhì)。”據(jù)代正華教授介紹,首臺(tái)氣化爐運(yùn)行60余天后監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),噴嘴沒有明顯的損傷,“對(duì)我們來說,這是一個(gè)新的起點(diǎn)。”
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