德士古工艺手册德士古水煤浆加压气化技术资料Word格式.docx
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紧急停车
第六章：
正常操作要点
第七章：
PLC和DCS简介
联锁和可编程控制器（PLC）
集中分散控制系统（DCS）
第八章：
一般故障及处理
第九章：
安全生产
装置设计中的防范措施
安全生产管理
第一章德士古水煤浆加压气化技术概况
第一节
概
述
化学工业有限公司20万吨/年甲醇项目是新建一套利用神木本地所产烟煤作为原料，经空分、气化、净化、合成等几个化工工序，年产20万吨甲醇的生产装置。
其中气化装置是采用德士古水煤浆加压气化工艺，向甲醇生产制备合格水煤气。
煤气化已有一百多年的发展历史，先后开发了一百多种气化工艺和气化炉型，有工业应用前景的十余种。
煤气化分类无统一规定，最常用的是按原料在气化炉内的移动方式分为固定床、流化床和气流床三种：
固定床气化是块煤从炉顶加入，自上而下经历干燥、干馏、还原、氧化和灰渣层，灰渣最终经灰箱排出炉外；
气化剂自下而上经灰渣层预热后进入氧化层和还原层，生成的煤气显热用于煤的干馏和干燥。
固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求很高，要求入炉煤要有一定的粒（块）度及均匀性，对煤的机械强度、热稳定性、含碳量、灰熔点、粘结性、结渣性等指标都有比较严格的限制。
流化床气化是气化剂由炉下部吹入，使细粒煤（﹤6mm）在炉内呈并逆流反应，为了维持炉内的“沸腾”状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度（T2）以下，要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用粘结性煤。
由于炉温低，停留时间短，流化床气化最大的缺陷就是碳转化率低，飞灰多，残碳高，且灰渣分离困难；
其次是操作弹性小（控制炉温不易）。
气流床是原料煤（粉煤或水煤浆）由气化剂夹带入炉，进行并流式燃烧和气化反应。
受气化空间的限制，反应时间很短（1—10秒），为了弥补反应时间短的缺陷，要求入炉煤粒度很细，以保证有足够的反应面积。
并流气化气固相相对速度低，气化反应是朝着反应物浓度降低的方向进行，为增大反应推动力，提高反应速度，必须提高反应温度（火焰中心温度在2000℃以上）和反应压力，所以采用液态排渣是并流气化的必然结果。
采用廉价的普通煤做气化原料是气化工艺的发展方向。
1993年5月18日化肥厂水煤浆加压气化装置试车成功，为我国煤化工拓宽原料路线提供了宝贵经验。
其后十年，我国又先后在上海焦化厂、渭河化肥厂、安徽淮南化工集团引进建成四套水煤浆气化工业装置，均已稳定运行。
我公司经过多次调研反复论证，决定采用大使馆福州公司专利由国内自行设计开发的煤的第二代气化技术——水煤浆加压气化工艺。
该技术有以下特点：
1、煤种适应范围广
可以利用次烟煤、烟煤、焦、石油焦、煤加氢液化残渣等，不受灰熔点限制（灰熔点高可加助熔剂）；
不受煤的块度大小限制，因最终要经湿磨制成水煤浆使用；
不受煤的灰分高低限制，仅经济性有差异。
2、连续生产强
加工后的原料——煤浆，氧气可以连续不断地入炉，排渣也不需要停车，气化开、停车少，系统操作稳定。
3、气化压力高
气化压力高，单炉产量高。
目前在美国已建成日处理煤量为2000吨／台，压力为6.7Mpa的生产装置。
我公司首期建Φ2756mm气化炉三台（两开一备），气化压力高，产品气具有高压，这就节省了煤气压缩所需要的能耗和费用，同时也实现了甲醇的等压合成。
4、合成气质量好
一般情况下，产品煤气中有效成分CO+H2≥80%（我公司采用神榆路煤和捣老鸟素煤CO+H2≥81.887%）。
煤气中CH4﹤0.1%，可作为生产氨、甲醇、OXO产品的原料气，也可用于联合循环发电。
5、气化温度高
气化炉在1400℃左右操作，煤在熔融后呈液态排出燃烧室，碳转化率高达96%以上。
生产的高温煤气我公司采用直接冷激回收热能，产生的蒸汽用于加热灰水。
6、有利于环境保护
由于气化温度高，煤中的挥发份直接燃烧，所以不生成焦油、酚等污染环境的副产物，废水主要成分是含氰化合物，远比炼焦产生的废水易于处理；
同时气化系统的水在本系统内循环使用，外排废水很少，远比其它气化方法产生的废水量少；
而且还可在配置水煤浆时，利用甲醇合成排出的残液，从而减轻对环境的污染。
对于固体排放物，在气化中没有飞灰等带出，生成的熔渣不污染环境，而且是良好的建筑材料。
总之，我公司的气化装置是当今世界最先进的生产工艺之一，设备精良，操作方便，生产线连续，全部机械化，工艺生产装置采用先进的DCS控制系统，对全装置的过程参数进行集中数据采集、过程监视和实行控制。
第二节 国外发展情况
水煤浆气化工艺国外称作德士古煤气化工艺（TCGP），至今已有50多年的历史。
1948年美国德士古石油公司受重油气化的启发，首先创造了水煤浆气化工艺，并在加州洛杉矶近郊蒙特贝洛建设第一套中试装置，规模约15t/d。
这在煤气化发展史上是个重大的开端，但由于当时煤无法与天然气和石油相竞争，没有得道认可，直至第一次世界性石油危机（1973年），煤气化又被提到议事日程上来。
其中包括德士古于1975年重建MRL的实验装置。
1978年、1981年又分别建成两套中试装置。
鉴于在加压下连续输送煤粉难度大，德士古公司提出水煤浆的概念，即将煤粉和水混配成可用泵输送的水煤浆。
经过多年的研究和发展，目前国外已有的中试装置，工作性示范装置和工业化装置如表Ⅰ所示：
表见《合成甲醇》工艺学P28
蒙特贝洛试验中心是德士古总公司的一个试验基地，主要从事用石油、煤、石油焦为原料制备合成气技术研究，建有中试炉，最高压力为8.5Mpa，已对多种煤进行了试烧。
美国TVA是以煤制氨的样板装置，该装置建在国家肥料发展中心的一个以天然气为原料的合成氨厂内，气化使用的伊利若斯6#烟煤（低灰份，含硫1.5～3.0%），经盘式磨煤机研磨后送往混合槽，调配成浓度为55%的水煤浆，气化压力为3.45Mpa。
在美国加州的冷水工程建在冷水发电厂内，是德士古煤气化联合循环发电的示范厂，气化炉与前西德样板装置相同，附设辐射锅炉和对流锅炉，日处理煤量910吨，气化压力为4.0Mpa，气化温度1100～1500℃，煤气经冷却、除尘，然后脱硫，用作气体透平的燃料，从气体透平出来的气体通过废热锅炉，温度降至130℃放至大气。
豪佰荷森示范装置是前西德鲁尔煤／鲁尔化学公司对德士古煤气合法开展研究而建立的样板装置，它取得了如下改进：
1、由干磨改为湿法磨煤，有以下两个优点：
①可省去煤干燥的步骤，煤干燥的加工和输送成本太高，且粉尘大不安全。
②易泵送，水煤浆粘度小，泵送容易。
2、水煤浆浓度提高到70%
为了得到尽可能高浓度的煤浆，需使磨出的煤粒度有一定的级配，同时加入适当的添加剂来降低煤浆粘度，有利于泵送。
3、提供了热回收流程，提高了热效率。
由于气化炉温度高达1300℃～1500℃，离开气化炉的气体携带熔渣进入设在气化炉下部的辐射锅炉，气体被冷却，熔渣被分离后落入辐射锅炉的下部水池中并粒化排出，气体再经过对流式锅炉被进一步冷却。
可以说水煤浆气化是德士古的技术，而湿磨煤、热回收则是鲁尔煤／鲁尔化学公司开发的结果，但这些技术统归德士古开发公司所有。
第三节
国内发展情况
由上海化工研究院负责仿制早期的德士古气化工艺设计的我国第一套水煤浆气化装置（0.7t/hr）,于1969年在浙江省巨州化工厂投运。
因碰到煤浆蒸发等技术问题（蒸发器易结垢、堵塞、管道磨损大），气化炉不能连续运行，于1971年中止。
1971年化工部化肥研究所即现在的西北化工研究院建成一套模试装置，规模为10kg/hr，气化压力为1.0Mpa。
1984年底建成另一套模试炉20kg/hr，气化压力为2.0Mpa。
为了进行中试，化工部一院和化肥所共同协作设计了一套双废锅流程的中试装置，规模为1.0～1.5t/d,压力为2.0Mpa，并于85年建成，先后共试烧了十几种煤，其中为化肥厂试烧了山东七五煤，为上海焦化厂试烧了陕西神府煤，为渭河化肥厂试烧了陕西黄陵煤，为淮南化肥厂试烧了河南义马煤。
神化20万吨/年甲醇项目采用三台激冷式气化炉（二开一备），以神府煤为原料，湿法棒磨制浆，二级闪蒸灰水处理的气化工艺流程。
我公司的主要气化指标如下：
气化温度：
气化压力：
煤浆浓度：
煤浆粘度：
比氧耗：
碳转化率：
淮南化肥厂于1996年建成三台激冷式气化炉（二开一备）。
采用河南义马煤做原料，湿法棒磨制浆，冷激回收热量，二级闪蒸灰水处理流程。
该厂设计的主要工艺指标如下：
添加剂及加量：
0.5%SJG或1.0FNA
粒度分布﹤0.043mm
30～35%
1400℃
气化压力：
4.0MPa
煤浆浓度：
61%
CO+H2：
76.31%
碳转化率：
97.8%
冷煤气效率：
69%
比氧耗：
423Nm3/1000Nm3（CO+H2）
比煤耗：
703kg/1000Nm3（CO+H2）
山东化肥厂兴建二台激冷式气化炉（一开一备），采用山东七五煤做原料，湿法球磨制浆，冷激回收热量，二级闪蒸灰水流程。
于1993年正式开车。
该厂设计的主要工艺参数如下：
合成气产气量（CO+H2）
525600Nm3/d
原料消耗：
煤 318t/hr（干基）
石灰石（纯95%）：
18.1t/d（干基）
氧气（99.6%）:
9200Nm3/hr
气化工艺：
煤浆浓度 63%
煤浆及氧气入炉压力：
3.69MPa
气化压力：
2.7MPa
气化温度：
1400℃
煤浆粘度：
1400CP
400Nm3/1000Nm3（CO+H2）
69%
上海焦化厂先期兴建德士古水煤浆气化炉三台（二开一备），用陕西神府煤，湿法球磨制浆，激冷回收热量，二级闪蒸灰水流程，年产甲醇20万吨。
94年底建成，95年时试车投产，96年已上第四台气化炉（三开一备）。
上海焦化厂气化工艺指标如下：
60±
1%
1200CP
PH值：
7.5～9.0
比氧耗：
≦400Nm3/1000Nm3（CO+H2）
气化温度：
1380±
20℃
4.0MPa
陕西渭河化肥厂年产30万吨合成氨，52万吨尿素工程，采用三台气化炉（二开一备），以黄陵煤为原料，投煤量1300t/d，湿法棒磨制浆，激冷回收热量，灰水四级闪蒸循环使用，96年投运。
该厂主要化工工艺指标如下：
煤浆浓度：
63～66wt%
9
1000CP
气化炉压力：
6.5MPa
气化炉温度：
氧气炉前压力：
8.11MPa
氧气流量（单炉）：
17420Nm3/h
煤浆流量（单炉）：
34.6m3/h
洗涤塔出口合成气流量：
131540Nm3/h（干基）
洗涤塔出口合成气压力：
6.24MPa
第四节 德士古水煤浆加压气化技术有待改进
德士古煤浆气化有很多先进的方面，但在工业化生产实践中仍暴露出一些急待解决的问题，希望我公司从事这方面工作的技术人员和工人为解决这些问题尽自己微薄的一份力量，提高公司的气化技术，争取走到同行的最前面。
一、水煤浆气化氧耗高
比氧耗一般都在400Nm3/1000Nm3（CO+H2）以上，为了降低氧耗，应尽量选择灰份低、灰熔点低的煤，成浆性要好，以便可制得高浓度的煤浆，减少气化炉内大量水蒸发而消耗的氧。
二、需热备用炉
气化炉一般能开二个月左右就要单炉停车检修，或出现故障，须有计划的停车，而备用炉必须在1000℃以上才可投料，若临时把冷备用炉升温至1000℃以上，势必影响全系统生产，所以有备用炉应处于热备用状态的要求。
而维持热备用炉耗能较大，需煤气150～1500Nm3/h,空气150～1500Nm3/h及部分抽引蒸汽、冷却水。
若能通过强化管理，优化操作，确保单炉长周期运转，做到计划停车，检修前将备用炉温升上来，就可不需热备用炉。
三、气化炉耐火材料寿命短
耐火材料中的向火面砖时气化炉能否长期运转、降低生产成本的关键材料之一。
目前世界上使用最多的是法国砖、奥地利砖、美国砖。
法国砖的特点是在操作温度低的条件下性能比较好，适应操作温度变化大；
而奥地利砖、美国砖操作温度高时性能好，但操作温度变化大时易变脆。
我国选用了法国砖（沙佛埃耐火材料公司），其寿命为1～1.5年。
其中渭河化肥厂开车一年三台气化炉向火面砖全改换过，一炉砖需75万美元，而且换一炉砖周期长，影响生产二个月。
目前，我们国内正研制价廉、耐高温侵蚀，而且使用寿命长的耐火材料。
同时我们在安装时要保证筑炉质量，操作上加强管理减少炉温波动，来人为地延长向火面砖的寿命。
四、气化炉炉膛热电偶寿命短
由于气化炉外壳与耐火砖的受热后膨胀系数不同，而发生相互剪切，进而热电偶。
每次开停车炉温改变，我们尽量控制好外壳与炉膛温度，来保证热电偶不坏，来指导我们后续工作。
如果在热电偶坏时，我们可根据合成气中CH4含量的变化及炉子排出渣的颜色、颗粒的大小及形状来判断炉温，这就要求我们要有过硬的业务水平，积累经验，可看系统其它工艺参数，来控制炉温，维持系统正常生产。
五、工艺烧嘴寿命短
烧嘴的稳定运行时操作好气化炉的另一个重要因素。
烧嘴的寿命短（1.5个月左右）而且昂贵（8万美元/个）.根据日本宇部资料统计，烧嘴是引起气化炉停车次数最多的原因，所以操作过程中必须会烧嘴的运行情况严密监视。
我俄每年可从烧嘴冷却水系统、气化炉压差、气体成分等来判断烧嘴运行情况，我们还专门对烧嘴系统设置了联锁，如运行情况恶化，气化炉停车，否则轻者烧嘴偏喷冲刷侵蚀耐火砖，重者烧坏烧嘴。
六、气化装置投资大
我们采用德士古气化工艺，不仅要付给德士古发展公司专利费用，而且不少特别材料、设备、阀门、仪表等需从国外进口，价格一般为国内价格好几倍之多。
关于设计问题，国内大多数人认为，随着、上海、渭化、淮化的相继投产，我们已获得了丰富的设计经验和生产技术，国内设计院承担工程涉及是完全可信赖的。
七、激冷环寿命短
激冷环使用寿命短（1年左右），需广大的有志之士研究改进。
第二章
第一节煤的工业分析和元素分析
一、煤的概念及分类
煤是由一定地质年代生长的繁茂植物，在适宜的地质环境里，经漫长的地质年代的天然煤化作用而成的。
根据成煤植物和生成条件的不同，世界上煤可分为腐植煤、残植煤和腐泥煤三大类。
其中腐植煤是由高等植物形成的，储量最大，分布最广，如泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。
残植煤是由高等植物中稳定组分（角质、树皮、树脂等）富集而成的，储量少。
如云南角质残植煤、浙江长广的树皮残植煤。
腐泥煤有水肿藻类等浮游生物在还原环境下，腐解形成的，其储量也很少。
如藻煤、油页岩等。
因煤种不同产地不同，所以成分也不同。
煤质分析中最基本的就是工业分析和元素分析。
二、工业分析
煤的工业分析也称实用分析，其分析项目包括煤的水份、灰份、挥发份及固定碳。
1、水份（Mad）：
煤中水份按其存在形态不同分为三种：
⑴外在水，也称游离水。
是在开采、运输、贮存、洗煤是机械附着或润湿混合在煤颗粒表面和大毛细孔（直径大于10-5cm）中的水份。
因为外在水份只与外在条件有关，而与煤质本身无关。
将煤置于空气中，外在水可自然风干，风干后的煤称为风干煤。
⑵内在水，也称吸附水。
市吸附或凝聚在煤颗粒内部表面较小的毛细孔（直径小于10-5cm）中的水。
一般在稍高于100℃下恒温即可除掉。
内在水份的含量和煤质有关，是影响成浆性的重要因素。
⑶结晶水，也称化合水。
是煤的无机水化合物中所含的水。
一般在200℃以上恒温才可除去。
煤中的结晶水化合物有硫酸钙（CaSO4•2H2O）、高岭土（Al2O3•2SiO2•2H2O）等。
此结晶水与外在水和内在水相比含量少的多，故工业分析中不测结晶水。
煤的水份高易粘结在一起，易发生煤仓棚仓和堵塞煤溜管，影响下料。
2、灰份（Aad）：
煤的灰份是煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在高温下（850±
10℃）产生一系列分解、化合等复杂反应后残留物，它们是金属与非金属的氧化物及盐类。
其主要组成是：
SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、SO3等。
灰份在气化炉中是无用而有害的物质。
无用是说它不参与气化反应。
有害是因为它在炉内被熔融时要消耗热能，这样就增加了比氧耗和比煤耗，产生的CO2也会增多，而且熔渣对向火面砖的冲刷，侵蚀是不可避免的。
加之，熔渣激冷后形成的碎渣再后系统中对设备、管线、阀门的腐蚀也会随灰份增加而增加。
所以在选气化用煤时，煤灰份低好，一般在10～15wt%。
我公司目前选用三一煤矿煤或大（）窑煤的灰份为10.11wt%和9.64wt%。
另外煤灰熔性与煤化学组成密切相关，也是气化用煤的一个重要指标，灰熔性可用灰熔点来表示，如果灰份中酸性物质（SiO2+Al2O3）占比例大，则灰熔点高，如果碱性物质（Fe2O3+CaO+MgO）占的比例大，则灰熔点低。
测定方法有熔点法（角锥法、高温热显微镜法）和熔融曲线法。
我们选用常用的角锥法来测。
即将煤灰和糊精混合，俗称一定大小的三角锥体，放入测定炉内，以一定的升温速度加热，观察并记录灰锥变形情况，以确定灰熔点，见附图1：
图一：
灰锥熔特征图
图中T3温度是灰份流动温度，可根据它可确定气化炉的操作温度（一般情况为T3+50～100℃）。
采用灰熔点高的煤，将加剧对气化炉耐火砖的损坏，这时应在煤中加入助溶剂（CaO或CaCO3）来增加碱性物质在灰份中的比例，以降低灰熔点。
所以我们选择气化用煤时，尽量选用灰熔点低的煤。
我公司目前选用气化煤灰熔点T3在1170℃左右，所以不需设计添加助溶剂的设施，但要对气化煤要严格监测其灰熔点。
淮南化肥厂选用的气化煤灰熔点T3在1350℃左右，设置了添加助溶剂石灰粉的设施。
但目前由于气化煤的灰熔点低于设计值，现已停用助溶剂。
3、挥发份（Vad）
挥发份是煤样在900±
10℃下隔绝空气加热7分钟，煤分散所溢出的气体和蒸汽的百分数减去分析煤样的水份百分含量，即为挥发份含量。
煤的挥发份与煤的变质程度有关，年轻的煤挥发份含量高，反映活性好。
由此可看出挥发份主要是有机物分解产物，也含有矿物质分解产物，但在合成气中不会存在由挥发份形成的有机烃类。
我公司设计用煤挥发份含量为（
）
4、固定碳（FCad）
煤的固定碳是从煤中除去水份、灰份和挥发份后的残留物。
煤中的固定碳和挥发份含量高对气化有利。
我公司设计用煤固定碳含量为（
）。
三、元素分析
煤的元素分析用来大致估算煤的发热量，计算煤的燃烧热、理论燃烧温度和燃烧产物组成，并能指导后续煤气工序的设计和操作。
一般元素分析主要分析C、H、N、S、O这五种元素含量。
对于实际生产我们还需分析Cl、As这两种元素。
1、碳（C）
碳是煤中主要可燃物，但碳本身在比较高的温度下才能燃烧，纯碳是很难燃烧的，所以含碳量越高的煤越不易燃烧，一般含碳量在40～95%，我公司设计用煤含碳量为71.42wt%和69.79wt%。
2、氢（H）
氢是煤中第二个重要组成，也是一种可燃物。
灰煤中它与碳生成化合物存在，氢含量随着煤龄增加而减少，一般在2～8%，我公司设计用煤含氢量4.38wt%和4.52wt%。
3、氮（N）
煤中氮含量不高，约1～2%，一般为有机氮，它的含量决定了煤气中的氮含量和煤气冷凝水的PH值，如PH值高可减轻设备的酸性腐蚀。
我公司设计用煤含氮量为0.81wt%和1.01wt%。
4、硫（S）
煤中含有机硫和无机硫，是一种有害元素，经高温气化后生成H2S和COS，这两种产物不仅腐蚀管道和设备，而且也可使变换工序的触煤中毒。
因此我们寻用气化煤时硫含量尽可能的低。
我公司设计用煤的硫含量为0.27wt%和0.41wt%。
5、氧（O）
煤中氧含量变化很大，随着煤龄的增大而减少，一般在2～30%，煤中氧含量和水份含量是衡量煤变质程度的重要指标，也是衡量成浆性的重要指标。
二者含量越高，煤成浆性越差。
我公司设计用煤氧含量为9.69wt%和10.55wt%。
6、氯（Cl）
一般煤中的氯有80～90%会进入气相，会对设备和管道严重腐蚀，尤其是对不锈钢材之的腐蚀。
如煤中氯含量大于0.5wt%时，不宜选用。
我公司设计用煤氯含量为（
）
7、砷（As）
煤中的砷有20%进入气相，如含量大于0.06%，将会使变化工序钴钼系催化剂产生砷中毒。
我公司设计用煤砷含量为（
利用元素分析结果可以计算煤碳（
）发热量：
⑴计算无烟煤、贫煤和低灰份石煤QGW半经验公式
QGW=80（78：
1）C＋320H＋22（S－O）－8（A－10）
在式中C＞95%或H＜1.5的老年无烟煤，C前面系数采用78.1，其余采用80。
⑵计算各种风化煤QGW的半经验公式
QGW=79C＋290H＋22S－270－5（A－10）
煤的发热量是计算煤质的一项重要指标。
一般用测定法计算出的发热量只做为参考。
煤的发热量越高越好。
我公司设计用煤发热量为（
第二节
根据煤的不同用途，需做不同的工艺性试验。
与我公司水煤浆加压气化有关的工艺试验有以下几种：
一、煤的粘温性
煤的粘温性是指煤灰份在不同温度下熔融时，液态灰所表现的流动特性，一般用粘度来描述。
为保证气化炉排渣顺利，熔融态的灰渣流动粘度要小，正常操作中，灰的粘度不宜超过25Pa•S。
这须通过试烧才可了解到。
熔渣的粘度随温度的升高而降低，当气化炉排不畅时，可适当地提高操作温度，使其排放正常。
因此有人把可确保气化炉排渣
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