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褐煤气化难题获解“航天方案”

  技术先进 数据亮眼 反响良好

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图为中化长山航天气化装置全景

  9月3日,航天长征化学工程股份有限公司(简称航天工程)在吉林省松原市发布了航天炉褐煤清洁高效转化技术鉴定成果。该技术率先用于中化吉林长山化工有限公司(简称中化长山)尿素改扩建项目并取得亮眼的运行效果,为大规模加工利用丰富的劣质煤资源这一难题提供了航天方案。来自全国各地的与会代表通过参观和深入交流,充分了解该技术后,认为该技术投资低、流程短,容易实现长周期稳定运行,具有很好的推广价值和前景。

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图为鉴定成果发布会现场

  我国富煤、贫油、少气的资源结构,以及新能源占比很小的现实,决定了未来很长时期内煤炭仍将是我国的主体能源。尽管我国总体富煤,但煤炭品质并不都尽如人意,低阶煤包括褐煤、高硫原煤、高灰原煤等,占全国煤炭资源总量的40%左右。

  截至目前,全国已探明褐煤储量约1300亿吨,占我国煤炭资源储量的13%。它主要分布在蒙东、黑龙江和云南等地区,资源供应丰富,开采成本低,推进褐煤在产地周边就近转化利用,是落实国家能源安全战略、促进地区经济社会可持续发展的重要方向。

  褐煤作为煤化程度最低的煤,碳含量低、氢和氧含量高,具有水分及挥发分含量高、灰熔融性变化范围大、热值低、热稳定性差、反应活性高等特点,与烟煤和无烟煤相比,无论是作动力煤还是作原料煤在品质上都存在较大差距,清洁高效加工实现资源化利用的技术难度也更大。正因如此,目前国内褐煤的开发利用不够充分,褐煤资源被闲置或低质化利用的现象普遍存在。

  如何有效开发利用好褐煤资源,成为提高我国煤炭资源利用率、更有效落实国家能源安全战略的重要抓手之一,也是煤炭及深加工工业供给侧结构性改革的重要补短板工程,近年来持续成为能源领域关注的焦点。

  中国煤炭工业协会名誉会长王显政介绍,基于运输安全性和经济性,褐煤的使用与有效利用半径密切相关,就地加工转化势在必行。褐煤就地转化有两种途径:发电和煤化一体化。相对而言,煤化一体化过程借助煤气化炉这一转化载体,可实现煤炭由燃料向原料、燃料并重转变,由传统能源向洁净能源转变,生产油、气、烯烃及煤基化学品、煤基新材料,市场巨大,经济性也更为可观。

  航天工程副总经理朱玉营指出,褐煤气化在技术上存在四个主要难点:一是反应活性好,燃烧剧烈,烧嘴头部热应力大;二是火焰刚度低,容易造成“舔壁”;三是挥发分含量高,干燥和输运环节安全和环保问题突出;四是褐煤煤粉的物化性质不同,上下游工艺匹配存在问题。

  长山首秀,运行数据亮眼

  中化长山地处吉林省松原市,拥有60万吨/年尿素、25万吨/年复合肥、3000吨/年精吗啉生产能力,副产液氧、液氮、液氩等产品。

  中化长山尿素改扩建项目为新建一套30万吨/年尿素装置,由空分、气化、净化、氨合成和尿素等装置组成,于2009年启动,2013年开工建设,2015年7月竣工,2015年10月产出合成氨产品。其气化装置采用航天褐煤高效转化技术生产粗合成气,也是该技术首次应用于褐煤气化领域。

  中化长山造气车间主任周启航介绍,该气化装置干燥工艺采用“滚筒预干燥”技术路线。气化工艺采用“顶置单烧嘴+粉煤加压气化+下行水激冷”技术路线,可以实现较为宽泛的各类褐煤的转化利用;技术先进,碳转化率高,单位氧耗低;国产化率高,建设投资省,运行维护费用低;装置运行稳定可靠。

  由于航天工程对褐煤气化工艺的适应性开发,中化长山项目实现了长周期稳定运行,技术指标亮眼。据周启航介绍,装置没有发生过安全事故,且VOCs达标排放。2018年累计运行304天,气化碳转化率98.7%左右,有效气含量88.5%。截至2019年7月底共运行199天,气化碳转化率98.8%左右,有效气含量88.7%。

  中化长山总工程师谢德全说:“以航天炉为龙头的新建项目投产后,合成氨生产成本下降了500~600元/吨。企业经历了2016年到2017年化肥行业和尿素市场的低迷后,深刻理解了航天炉的能耗优势。”

  周启航介绍,中化长山今年前7个月已经实现盈利近8000万元,全年盈利预计有望实现1.5亿元。

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为客户代表现场观摩中化长山航天气化装置

  逐个击破,整体技术国际先进

  朱玉营表示,为了破解这些“拦路虎”问题,航天工程多年深入研究蒙东褐煤煤质特性,吃透了褐煤的气化特性、熔渣特性及煤粉的物化性质。在此基础上,针对性开发出了新型烧嘴、新型气化炉及褐煤预干燥和输送工艺路线,实现了褐煤气化装置的高效、清洁、安全、稳定运行。

  航天工程建立了典型褐煤煤质气化及熔渣特性、褐煤煤粉输运特性数据库,为国内其他地区以及海外褐煤气化项目的推广提供了条件。航天工程市场开发部宋高鹏介绍说,对蒙东褐煤进行元素分析和工业分析发现,该地区原煤水分含量较高,约在30%左右,热值较低、灰分波动较大、挥发分含量高、易磨煤。

pk10官网  在充分研究褐煤数据的基础上,航天工程总结了蒙东褐煤的高效清洁转化思路。宋高鹏表示,蒙东褐煤水分高热值低,应优先选用30%左右含水,热值3500KCal/kg以上的煤种,就近转化,运输距离控制在200~300km半径内。蒙东褐煤渣粘温特性较好,操作窗口较宽,优先选用操作窗口>80℃以上的煤种作为原料煤使用。蒙东褐煤灰分含量和灰熔点波动较大,优先选用入炉基灰分在8%~15%,灰熔点在1200℃~1350℃的煤种作为原料煤使用。蒙东褐煤挥发分含量高,反应活性高,物理化学性质明显区别与烟煤,干燥和输送工艺要重点解决好安全、环保问题,以及系统的工艺参数匹配问题。

  对此,王显政指出,行业之前发展吃亏在先造好气化炉再去匹配原料煤,越试产生的问题越多。航天炉最大的特点是先研究透原料,再进行炉型设计,这是取得成功的重要因素之一。

  宋高鹏介绍,公司在新型烧嘴(燃烧器)开发过程中,主要针对烧嘴头部热防护、烧嘴喷口结构、烧嘴粉煤通道均布结构等方面进行了研发。其中,通过烧嘴喷口结构开发,确定了烧嘴喷口结构方案,实现炉内高温区下移,有效延长烧嘴寿命,提升气化烧嘴性能。通过烧嘴粉煤通道均布结构研发,保证碳转化率和燃烧效率,避免烧嘴偏烧,平均相对标准差由约49。16%降低到了6。75%。

  宋高鹏介绍,公司在新型气化炉研发方面,通过气化室结构参数设计,模拟实验获取了褐煤熔渣在水冷壁面流动的一般规律,结合仿真分析和褐煤煤灰特性,确定了水冷壁直径、长径比。通过气化室渣口设计,确定了渣口结构形式及关键尺寸,并针对煤种灰分波动引起的异常情况设计了渣口堵渣故障处理预案,确保气化炉运行过程中渣口挂渣良好。另外,公司还开发了“滚筒预干燥+褐煤密闭输送+褐煤磨煤干燥”组合工艺路线,解决了预干燥和输运环节安全性和VOCs达标排放问题。

  2019年8月31日,航天工程自主开发的国内首套适用褐煤加工的粉煤水冷壁加压气化技术,通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。鉴定委员会专家鉴定意见为:该项技术拥有自主知识产权,可实现褐煤的安全、清洁、高效转化,整体达到国际先进水平,建议加快推广应用。

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图为客户代表听取有关中化长山航天气化装置的现场讲解

  反响良好,加大推广应用

  9月3日,航天炉褐煤清洁高效转化技术鉴定成果发布会上,来自全国的代表对该技术和中化长山运行情况进行了深入了解、交流。来自某煤化工企业的代表告诉记者,该技术投资低,流程短,容易实现长周期稳定运行,推广前景非常好。

  一位新疆煤化工企业代表借参观机会,与中控车间操作员就干燥机的参数进行深入交流。他告诉记者,自己企业当地用煤虽非褐煤,但含水量与褐煤相近,此次专程来考察褐煤航天炉运行情况,在新上项目时会考虑选用航天炉。

pk10官网  此外,多家企业代表借着此次机会交流学习,考察航天炉运行情况。一位来自褐煤气化技术研发企业代表告诉记者,利用此次机会学习交流航天褐煤技术,很有收获。

  针对航天炉褐煤清洁高效转化技术今后发展的重点方向,朱玉营表示,航天工程将加快我国褐煤产区的技术推广应用,积极开发印尼和澳大利亚等褐煤资源丰富的海外市场;建立褐煤预干燥、褐煤输送、褐煤气化设计和运维的企业标准体系,并进一步丰富褐煤气化特性数据库;推动更大规模褐煤气化项目实施,提升规模效益。

  中化长山褐煤航天炉选用记

  中化吉林长山化工有限公司(简称中化长山)始建于1969年,自1976年投产的几十年发展历程过程中,气化装置几经更迭。

  中化长山总工程师谢德全介绍说:“由于原油价格上涨,中化长山2000年油改煤,上马了6台富氧连续气化炉,以山西白煤和焦化煤为原料。刚运行两年,白煤和焦炭价格大幅上涨,于2003年上马了两套恩德炉。从2003年开始,直至2018年1月,两套恩德炉解决了当时中化长山的生存问题。”

  他说:“但基于恩德炉常压制气能耗高所带来的环保问题逐渐显现,中化长山于2008年就开始调研气化炉。考察前后花了3~4年时间,很耐心也很严谨,在调研多种煤型和气化炉实际运行情况的基础上,最后下定决心向总部打报告,选用粉煤加压气化技术。”

  选定气化炉之后,煤种适应性问题就首当其冲。谢德全介绍说:“之前运行的航天炉烧的都是烟煤和无烟煤,但蒙东褐煤含水量达30%多,变成煤粉送入气化炉成为一道难题。恰好当时,某化工企业煤制烯烃项目成功运行,选用的预干燥系统能把40%的水干燥至8%左右。我们与航天工程受此启发,开发了干燥工艺路线,并用在航天炉前端,解决了煤种干燥问题。”

  同时,航天工程还针对烧嘴和气化室进行了适应性改造,克服诸多技术困难后,气化炉顺利投产运行。

  他说:“航天炉投用之后,该装置操作人员在主控室操作就行,现场人员都撤出来了。2018年初,就把恩德炉完全停下来了。这主要基于两方面原因:一是恩德炉的造气、环保、安全等各方面成本高;二是两套装置生产工艺完全不一样,完全独立,人员不好配置。”

  近两年,在中化集团“科学至上”战略的指引下,中化长山不断改进创新、优化运行指标,2018年以来该项目实现了安、稳、长、满、优运行,并取得了良好的经济和社会效益。


关键字:褐煤
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