【技术】我国自主多喷嘴对置式水煤浆气化技术全析

¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯2008年7月，一批美国人来到了位于山东鲁南的兖矿集团。他们不是来简单的观光考察，而是要完成一项重要的商务任务，代表美国Valero能源公司与中方完成技术专利授权的谈判。美国Valero能源公司是北美最大的独立炼油企业，一度在世界500强企业中排到第43位。在此之前，他们已经广泛考察过了世界上的各种煤化工气化技术，最终把目光落在华东理工大学、兖矿集团和中国天辰化学工程公司共同开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术上。为了这次商务谈判能够成功，美国人事先做了充分准备，做出了详细的风险评估，光支付出去的律师费用据说就有上百万美元。经过紧张的谈判，2008年8月29日，中方终于和美国Valero能源公司签订了商业合同。合同分两部分，第一部分是“气化技术专利许可协议”合同，中方授权美国Valero能源公司在将要实施的大型石油焦气化项目中使用中方的多喷嘴水煤浆气化专利技术，美国Valero能源公司为此支付专利技术授权使用费1510万美元。第二部分合同是工艺软件包开发合同。合同规定，中方将为美国Valero能源公司未来将要建设的5套单炉日处理能力2500吨石油焦的大型气化装置开发提供工艺软件包。这是新中国成立以来我国向发达国家最大金额的一笔技术转让，也是中国煤化工自主技术第一次向外商业转让，这一历史性事件还开启了中国向发达国家出口先进清洁能源化工技术的先河，一时间在国内化工行业引起巨大反响。多喷嘴水煤浆气化专利技术的拥有者是是华东理工大学和兖矿国拓公司。这项具有自主知识产权的技术也是经过20余年的研发和积累。作为我国煤化工自主技术突破的标志性成果，这项专利技术到目前为止已经取得了令人瞩目的成绩。即使是竞争对手国外跨国公司，也不得不承认，该项技术已完全具备与GE、Shell等大型跨国公司同台竞争的能力技术。八十年代初，刚刚开始改革开放的中国百废待兴。国内化肥，石化行业先后引起了一批国外先进技术，包括鲁奇第四代加压气化技术，德士古/GE水煤浆气化技术，SHELL粉煤气化技术等等，用在许多新建项目上。这些技术的引进，把我国化肥，石化行业整体技术水平提升到新的台阶。但这个过程也暴露出诸多问题，除去花费了大量外汇支付技术专利费用不说，从国外千里迢迢运来的专利设备往往表现出“水土不服”，长期难以稳定运行。另外，昂贵的维修，设备配件更换费用也让企业吃不消。这一切都在督促国内科研部门联合生产企业，必须尽快实现引进技术的消化吸收。在七五，八五期间，原化工部，中石化系统就部署了一批此类基础科研项目，包括重油气化过程研究，水煤浆气化研究。九五计划以后，国家计划委员会（现国家发改委），科技部又把很多此类科研项目纳入到863计划中，予以扶持。现在国内欣欣向荣的煤化工产业，很多国产技术都能找到当时的源头。1995年，于遵宏教授牵头在华东理工大学内成立了洁净煤技术研究所，在原有继续进行清洁煤利用技术的研发。洁净煤技术研究所长期致力于气流床气化过程与技术的基础研究和应用技术开发，同时在水煤浆气化技术和粉煤气化技术两条战线上推进。到2000年，已经完成了水煤浆气化技术基础性的仿真和实验室小规模试验，包括大型冷模研究、小型热模试验、雾化性能研究及合成气初步净化研究等。多喷嘴对置式水煤浆气化技术在实验室中已经初步成形。当时，国内很多科研成果都夭折在产业化这一环节上。这到不仅仅是缺乏国家科研经费的进一步扶持，主要原因还是产业化最适合的平台应该是企业，科研院所是不适合担当这部分工作的。显然，华东理工大学洁净煤技术研究所的初步科研成果，要实现产业化，必须要找到合适的企业伙伴，来继续推进。华东理工大学洁净煤技术研究所在技术推广过程中找到了合适的产业伙伴，这就是兖矿集团。兖矿集团位于山东南部兖州，枣庄地区。这是山东省的老煤炭基地，曾经为共和国贡献上百亿吨煤炭。而当时，枣庄这座“因煤而生”的城市，连同兖矿集团，当时已经隐含危机。兖矿集团的煤炭资源开发比较早，后续储备资源已经显得不足。另一方面，煤炭储量中40%都是污染严重的“高硫煤”，无法用于民用和直接燃烧，加剧了资源不足。解决这一难题的出路就是发展煤化工产业。兖矿集团很早就意识到这个问题，也是国内煤化工动手比较早的企业。兖矿集团先后建成或者合并了鲁南化肥厂，兖矿国泰乙酰化工公司，兖矿国泰化工有限公司，开发了合成氨化肥，甲醇，醋酸等煤化工产品，同时引进了国外先进煤化工技术。在这一过程中，兖矿集团碰到了和国内其他煤化工技术引进企业相同的问题。国外技术要价很高，引进一套技术成本动辄五六千万元。鲁南化肥厂作为国内最早引进德士古水煤浆气化技术的企业，因为无法支付全部专利授权费用，只购买了部分技术资料和软件。技术引进后，由于一时难以把握吃透，装置开始普遍运转不正常，而且很多专利设备的维修更换只能向国外订购，继续受制于人，这已经严重制约了国内煤化工企业的发展。兖矿集团本身对煤化工先进技术有强烈的需求，又是当时国内煤化工起步比较早，技术力量比较强的企业。最重要的是，兖矿旗下的鲁南化肥厂是国内最早引进德士古水煤浆气化技术的企业，有多年实践和技术更新升级经验，对这一技术理解比较深，兖矿集团自身也有强大的机械设备配套制造能力。因此，对于华东理工大学洁净煤技术研究所来说，是开发水煤浆气化技术最合适不过的产业化合作伙伴。2000年，华东理工大学洁净煤技术研究所的“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉”已经列入当时的国家'九五’重点科技攻关课题，在“九五”科技攻关项目经费支持下，华东理工大学洁净煤技术研究所在兖矿集团厂区内建成了第一个日投煤22吨的中试装置，初步实现了装置的连续稳定运转。2000年10月该装置通过了石油和化学工艺局的技术鉴定与验收，专家认为该技术在消化吸收德士古水煤浆气化技术的基础上，通过自主创新，已经超越了原有技术，达到国际领先水平。2003年，兖矿集团为了调整产业结构，与美国国泰煤化控股有限公司合资成立了兖矿国泰化工有限公司，作为集团高科技煤化工企业平台。华东理工大学洁净煤技术研究所与兖矿集团的合作继续由兖矿国泰化工有限公司承接。此后，多喷嘴对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。“十五”期间，“新型水煤浆气化技术”被列入国家863计划，由华东理工大学、兖矿集团有限公司共同承担。2003年5月，第一个多喷嘴对置式水煤浆气化技术商业示范项目开工建设。这是兖矿国泰化的煤制甲醇项目，采用两台日投煤量1150吨，压力4.0Mpa的多喷嘴气化炉，年生产24万吨甲醇，联产71.8MW发电。由于2003年赶上非典流行，施工进度被延误。直到2005年10月，两台多喷嘴气化炉（A，B炉）才投入工业运行。2005年12月两台多喷嘴气化炉通过中国石油和化学工业协会的连续168小时现场考核。将考核结果与当时国内使用德士古水煤浆气化技术的其他企业主要技术数据相比较，可以看出，多喷嘴对置式水煤浆气化技术已经初步显示出优越性。德士古技术单炉规模t/d煤种产出合成气中CO+H2%比氧耗 Nm3 O2/KNm3 CO+H2比煤耗 Kg煤/KNm3 CO+H2碳转化率鲁南化工400北宿矿水洗煤82~8333654796~97上海焦化500神府煤8141263895渭河化肥750华亭煤7841562795安徽淮化500华亭、义马混煤7742570895兖矿国泰示范项目1150北宿矿水洗煤84.9%30953598.82006年1月该技术通过技术鉴定，认为该技术处于水煤浆气化技术的国际领先水平，并荣获石油和化学工业协会2006年度科技进步特等奖。十年磨一剑，该技术终于成功破茧而出了。2005年底，多喷嘴对置式水煤浆气化技术在兖矿国泰化工的24万吨煤制甲醇项目取得了初步成功。不过，第一个商业示范的还不是这个项目，在兖矿国泰化工开工建设之前，山东华鲁恒升化工股份有限公司已经成了第一个勇敢吃螃蟹者。山东华鲁恒升集团有限公司是山东地方国有企业，其渊源是原山东省化肥工业总公司。2000年4月24日，山东华鲁恒升化工股份有限公司成立，拥有18万吨合成氨，30万5万吨甲醇生产能力。2002年6月20日，公司成功在上海证券交易所上市。在兖矿国泰化工的24万吨煤制甲醇示范项目还没建成时，华东理工大学就通过专利实施许可的方式，在山东华鲁恒升化工股份有限公司日产1000吨大氮肥国产化工程项目中，建设了一套日处理750吨煤，气化压力6.5MPA的多喷嘴对置式水煤浆气化装置。这次技术授权得到了当时国家发改委'十五'重大技术装备研制项目的支持。项目开工虽然比兖矿国泰化工的24万吨煤制甲醇示范项目晚，但是施工进度快。该装置由华东理工大学、水煤浆气化与煤化工国家工程研究中心提供工艺软件包，中国华陆工程公司进行工程设计，哈尔滨锅炉厂有限公司制造了气化炉设备主体，新乡耐火材料厂提供了气化炉燃烧室耐火衬里。2004年12月1日，山东华鲁恒升化工股份有限公司四喷嘴气化炉开始试车，比兖矿国泰化工的24万吨煤制甲醇示范项目提前了半年，成为多喷嘴气化技术在中试装置通过考核后的第一台工业化装置。经过优化，调整，该装置在2005年6月初正式投入运行，到2006年7月25日，实现了累计运行超过6000小时，最长连续运行时间近2个月，工业运行证明了该技术的优势。

华鲁恒升30万大氮肥装置，多喷嘴对置式水煤浆气化技术的第一个工业业绩我国氮肥产业是从“小氮肥”发展而来，原来的固定床间歇气化工艺需要采用无烟块煤作为原料。公司水煤浆煤气化装置的运行成功，使公司可以改用 5500大卡的动力烟煤，均价比无烟块煤低 300～400 元/吨。按每吨合成氨动力烟煤单耗 1.45吨、无烟煤单耗 1.3吨计算，公司吨氨成本降低了 350元/吨左右，为公司创造了显著的经济效益。2006年，对该大氮肥国产化工程进行的现场考核表明，多喷嘴对置式水煤浆气化炉的碳转化率在99%以上，有效气组成高于84%，渣中含碳量小于5%。与引进的GE水煤浆气化技术相比，每天可多创造经济效益约5万元。国产水煤浆气化技术的运行成功，助力了华鲁恒升迅速的内涵式扩张。目前公司年水煤浆气化能力约200万吨，公司已成长为拥有氨醇产能120万吨、尿素 150万吨、DMF25万吨、三甲胺 6万吨、醋酸 35万吨、醋酐 3万吨的大型煤化工企业，成为全球最大的DMF供应商。华鲁恒升公司后来还于2012年7月建成5万吨煤制乙二醇装置，这是国内第一批煤制乙二醇装置，华鲁恒升又一次敢为先行吃了螃蟹。而兖矿国泰化工的24万吨煤制甲醇示范项目也在2005年底正式投入运行。2006年生产甲醇23.6万吨，第一年就基本达到了设计能力，表明该技术成熟可靠。截至2007年4月，我国首台日处理1150t煤的多喷嘴对置式新型水煤浆气化炉，在兖矿国泰化工有限公司实现稳定连续运行68天，工艺烧嘴连续使用83天，创造了该种炉型连续运行时间的新纪录。同时实现了带压连投技术。经过检验表明，在同煤种、同等操作环境的情况下，该技术的碳转化率达到98.8%，每年能够节约纯氧2000万立方米，节约标准煤1.8万吨，完全达到了国际先进的技术水平。