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德士古气化炉的优缺点
淮化“1830”工程是于2000 年建成投产的一套年产18 万吨合成氨并加工成30 万吨尿素的生产装置, 它由空分、气化、净化、合成、尿素等几个工序组成, 其中气化是制备合格煤气的工序, 采用的是最新一代德士古水煤浆加压气化工艺技术。该工艺是美国德士古石油公司受重油气化的启发, 于1948 年首先开发的煤气化工艺, 后经前西德鲁尔煤/鲁尔化学公司在磨煤、热回收方面的进一步改进, 以及日本对系统关键设备进行合理改造后, 逐步形成比较完善的煤气化工艺。相继在美国、德国、日本等地建成了多套工业性示范及工业化生产装置, 其系统工艺技术已基本成熟。
淮化公司的气化装置由磨煤低压煤浆泵、煤浆槽、高压煤浆泵、气化炉、收排渣系统、洗气系统及渣水系统组成。投产6 年来, 总体运行情况良好, 同时也暴露出一些问题。在此之前, 国内的上海焦化厂、山东鲁南化肥厂、陕西渭河化肥厂等企业都先后建成投产了多套类似的煤气化装置。虽然在煤浆制备、操作压力及装置能力等方面存在小的差异, 但核心技术基本相同。根据公司六年来的使用实践, 结合国内其它兄弟单位的使用经验以及国外的相关资料, 总结出德士古水煤浆加压气化工艺技术相对于传统的固定床、流化床等气化工艺, 具有如下优点:
( 1) 煤种适应性广。德士古气化工艺可以利用次烟煤、烟煤、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) , 同时因煤最终要磨制成水煤浆,故不受煤的块度大小限制。原设计为河南义马煤, 但在近几年煤炭市场紧俏的情况下, 我们经常掺烧山东、陕西等地的煤种, 经过局部的工艺调节, 同样能够平稳运行。
( 2) 连续生产性强。气化炉的原料———煤浆、氧气的生产是连续的, 因此也就能够连续不断地进入气化炉。排渣经排渣系统固定程序控制, 不需停车, 气化开停少, 系统操作稳定。迄今单炉连续稳定运行最长已达53天。
( 3) 气化压力高。气化炉内的高压, 首先是相同质量的产品气大幅度减小了比容积, 提高了单炉产量; 其次产品气具有的高压节省了煤气压缩所需要的能耗和费用。对于淮化公司4.0MPa 级的气化炉而言, 仅在合成气压缩一项, 年节约开支约合950 万元( 根据单炉实际产干气量34500Nm3/h、气体平均分子量23、出炉压力3.85MPa 及市场电价折算而得) 。对于压力级别更高的气化工艺而言, 则收益更多。
( 4) 合成气质量好。国内外已有的德士古水煤浆气化工艺产品煤气中有效成份( CO+H2) 一般都在80%以上。淮化公司采用的义马煤因成浆性较差, 煤气中CO+H2≥75%, CH4<0.1%, 可作为生产氨、甲醇的原料气, 也可用于联合循环发电。
( 5) 气化温度高。气化炉运行温度一般在1100～1540℃, 提高了煤的碳转化率。淮化公司气化炉实际运行温度在1370±30℃左右, 碳转化率高达96%～98%以上; 同时, 高温产生的热能回收后生产蒸汽, 能满足其它工序的生产需要。
( 6) 安全性能好。由于德士古工艺采用湿法磨煤,避免了干磨法中煤粉这一易燃易爆物质给工业生产带来的巨大安全隐患。德士古公司最初的设计为将原料煤干燥后磨制成煤粉, 再进入混合槽调配成煤浆。1978年, 前西德鲁尔煤/鲁尔化学公司在德国豪伯荷森建成一套工业性示范装置, 该装置是在对德士古煤气化法进一步研究的基础上建成的, 其相对于最初的德士古工艺两大显著特点就是将煤的干磨改为湿磨以及提供了比较完善的热回收流程。
( 7) 有利于环保。首先, 德士古气化工艺由于气化炉内温度高, 所以不生成焦油、酚等污染环境的副产物,废水主要成份是含氰化合物, 远比煤焦产生的废水易于处理; 其次, 气化系统的水在本系统内循环使用, 外排废水很少( 在0.5t/tNH3 以下) , 远比其它气化方法产生的废水量少; 第三, 配制水煤浆时, 可利用工厂排出的含大量有机物、较难生化处理的废水。如淮化公司使用焦化含酚废水16t/h, 用于配制水煤浆, 从而大幅度降低了因满足环保要求而支出的废水处理费用; 第四, 气化炉渣为固态排放物, 没有飞灰等带出, 不污染环境, 而且是良好的建筑材料。当然, 德士古气化工艺虽然与传统的煤气化工艺比较有诸多优势, 但它并非完美无缺, 需进一步改进的明显不足有以下几点:
( 1) 制浆噪音大。煤在磨制( 球磨、棒磨) 成煤浆的过程中, 由于磨料( 钢球、钢棒) 的相互碰撞, 不可避免地产生噪音污染, 一般制浆厂房的噪音都在95dB 以上, 给现场操作人员的身体健康带来极为不利的影响。
( 2) 煤浆泵备件消耗高。淮化公司用于给气化炉送料的高压煤浆泵, 使用的是液压隔膜泵。其主要备件隔膜及单向阀的使用寿命基本在4～6 个月, 其中单向阀每套价格在11500 元左右, 隔膜每只约8000 元, 每台泵需用单向阀6 套, 隔膜3 只, 维护费用很高; 并且到目前为止, 该类备件完全依赖进口, 购买周期长, 给稳定生产带来隐患。
( 3) 水煤浆气化氧耗高。德士古气化炉氧耗一般都在400Nm3/1000Nm3 ( CO+H2) 以上。为了降低氧耗, 需选择灰份低、灰熔点低的煤, 且煤的成浆性要好, 以便制得高浓度的煤浆, 减少气化炉内气化水而耗氧。当煤的灰份、灰熔点上升, 成浆性能降低时, 氧耗将大幅度提高, 同时助熔剂、煤浆添加剂、炉砖的消耗也迅速上升,降低了系统的经济效益。
( 4) 需备用热源。德士古气化炉投料时, 其炉内温度必须在1000℃以上方可, 这就要求本系统外有备用热源设备, 已经超出了大部分工矿企业常规的水、气、汽公用工程; 另外, 如果需要维持热备用炉, 其能耗是很大的, 需煤气150～1500Nm3/h、空气150～1500Nm3/h 及部分抽引蒸汽和冷却水。
( 5) 气化炉耐火材料寿命短。气化炉耐火材料一般包括背衬砖、支撑砖及向火面砖。其中向火面砖的使用寿命是决定气化炉能否长周期运行、降低生产成本的关键因素之一。在淮化公司新建“1830”的时候, 世界上使用最多的是法国砖、奥地利砖及美国砖, 进口到国内一炉砖需要75 万美元( 约合人民币600 万元) , 其使用寿命在1～1.5 年左右。渭河化肥厂开车一年三台气化炉向火面砖即已全部更换。近年来, 随着国内生产厂家对耐火砖生产工艺的不断改进, 国产砖的质量已基本达到进口砖同等水平。如淮化公司三台气化炉, 除原始安装选用的是法国沙瓦砖外, 其后更换的均为国产砖, 使用效果基本相当, 大致都在12000～15000h 左右。迄今使用情况最好的为2# 炉所用的河南新乡砖, 已突破18000h。尽管如此, 一炉砖超过100 万元的费用, 仍然是制约气化系统经济效益的关键因素。
( 6) 排渣系统阀门损耗大。淮化公司气化炉的收渣、排渣系统介质为水激后的固态煤熔渣, 具有很高的硬度, 因此对系统阀门造成很强的磨损伤害, 经常引起收、排渣系统阀门内漏、开关故障从而影响生产。该部分阀门因要对抗高硬度炉渣的冲刷, 故阀门材料必须具有很高的硬度和很强的耐磨性, 目前国内的制造水平还难以满足这些要求, 基本依赖进口。每台阀门的价格均在数十万元至百余万元, 耗费巨大, 且同样存在购买周期长的问题。
( 7) 洗气、渣水系统易堵塞。由于煤气出炉时不可避免地携带一定量的煤渣灰, 渣水内含灰就更不必说。因此, 随着运行时间的延长, 在洗气、渣水系统沉积, 引起阻力增加及管路堵塞。据统计, 淮化公司因洗气系统阻力大及渣水系统堵塞造成的停炉约占全部停炉次数的50%。
从操作性能、运行稳定性及经济效益等各方面综合评价, 德士古水煤浆加压气化工艺优势远远强于劣势。对于热备用炉问题, 淮化公司通过强化生产及设备管理, 目前已基本做到计划性停炉, 消除了维持热备用炉的能耗费用; 对于进口备件周期长、费用高的问题, 淮化公司早在三年前就已经着手实施备件国产化, 已与国内多个相关生产厂家取得联系并部分已经取得成功; 对洗气系统的阻力问题, 淮化公司已对洗气系统的关键设备—碳洗塔作了技术改造。当然, 对于核心工艺的“氧耗高”等问题, 则需进一步探索, 加以改进和完善。

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400 Nm3/1000Nm3 (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150～1500 Nm3/h,空气150～1500 Nm3/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，随着鲁南、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

气化炉工艺烧嘴新材料的开发与应用
[日期：2010-03-23]
来源：鲁化  作者：孙淑杰 贾言波
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兖矿鲁南化肥厂于1987年引进美国德士古水煤浆加压气化技术，建成我国第1套水煤浆加压气化装置。该装置运行以来，经过消化、吸收和创新，于2000年新建的第3台气化炉完全立足于国内，国产化率达到100%。工艺烧嘴是水煤浆煤气化技术的核心设备, 装置的大部分技术、经济指标都与工艺烧嘴有关，其性能的好坏、使用寿命的长短直接影响到整个装置的运行质量。
工艺烧嘴存在的问题
烧嘴属于周期性易损件，烧嘴到使用后期会出现煤浆喷头磨损大、雾化效果差等问题，从而导致气化反应工况变差、碳转化率降低、渣中含碳量升高；烧嘴磨损后还会引起煤浆偏流、冲刷气化炉耐火砖，加剧磨蚀而且不均匀，使得耐火砖寿命降低，直接导致经济效益降低；最终需要停车更换，而每次更换烧嘴的停开车过程中会造成一定量煤浆及其他原材料、物料的损失。因此，延长烧嘴使用寿命是提高气化炉运行周期、增加效益的有效途径之一。实际上影响烧嘴使用寿命的主要部件是煤浆喷头和一次氧喷头的运行周期。
工艺烧嘴的改造措施
（1）和山东大学陶瓷研究室共同开发、研制了特殊的耐高温、耐冲刷的复合型陶瓷内套，镶嵌在烧嘴的头部。
（2）根据实际生产数据，自行设计、更新图纸。
（3）和青岛科技大学合作研发外氧喷头端面的强化处理工艺，研发了激光改性喷涂技术，改善一次氧喷头端面大面积龟裂的现象。
（4）改变了原始工件焊缝的结构布置，把不易实施焊接的陶瓷内衬镶嵌到重要部位，使其喷头、耐磨材料达到耐温、耐蚀、耐冲刷，提高烧嘴的使用寿命。  
  （5）购置了先进的数控机床，采取数字控制加工，使其各部位加工精度更高。
（6）选择合适的焊接材料，购置触摸式数字化焊机，采用先进的触摸式TIG焊接技术和焊接工艺，保证焊接质量最佳。
（7）严格控制焊后机械加工精度，即数控车床的编程和操作加工。
（8）严格焊后的热处理，这关系到焊接应力的消除，尺寸、形状误差的控制，以及烧嘴机械性能的保证，如强度、硬度、耐高温、耐冲刷、耐磨损性能。
（9）在新型烧嘴使用期间，加强机、电、化、仪各专业的综合管理，尽量减少气化炉的停车次数，减少对新型烧嘴的影响和冲击，做好烧嘴备件管理，做到随时可以更换烧嘴，减少对生产的影响。
改造后的工艺烧嘴运行情况
工艺烧嘴通过以上改造，取得了较好的效果。原烧嘴运行时间一般为80～90 d，且运行到后期烧嘴雾化不好，严重影响气化炉的稳定运行，比氧耗高（生产1000 m3有效气消耗的氧气平均为382.5 m3），渣中可燃物高，吨氨耗煤高（平均为1368 t）。
（1）第1台新型烧嘴运行状况
首台烧嘴于2006年8月29日在B炉上使用，新型烧嘴在运行到120 d后，从各项工艺指标看，烧嘴没有出现以往烧嘴使用后期经常出现的产气量降低、渣口压差降低、比氧耗升高、渣可燃物升高等现象，气化炉渣口压差仅仅降低了0.03 MPa，说明煤浆喷头没有出现较为严重的磨损；与前60 d比，产量没有出现明显降低、吨氨耗煤没有升高，说明烧嘴的雾化效果仍保持良好的状态。
首台烧嘴至2007年1月13日更换退出，累计运行151 d，期间开停车5次（4次连投），烧嘴在使用期间未发生异常,当时创国内外烧嘴运行的最高纪录。生产1000 m3有效气消耗的氧气平均为354.25 m3，吨氨耗煤平均为1350 t。
 (2)第2台新型烧嘴运行状况
第2台新型工艺烧嘴于2007年5月制作完成，2007年6月9日在A炉上使用。第2台新型烧嘴充分吸取了第1台烧嘴的制作、运行经验，运行时间比第1台更长，运行效果更好，特别是运行到了150 d以后，并未出现烧嘴雾化状况恶化、产量下降、气化炉耐火砖局部冲刷加剧等现象，产品产量及消耗也没有出现较大变化（生产1000 m3有效气消耗的氧气平均为354.5 m3，吨氨耗煤平均为1359 t），气化炉炉壁温度维持在工艺指标范围内。
       2007年12月24日第2台新型工艺烧嘴退出，共计投料4次，烧嘴连续运行197 d，在同等压力下，第2台新型烧嘴创国内外烧嘴运行的最长纪录，该项目所采用的耐磨陶瓷衬里材料、焊接工艺和新型烧嘴结构形式达国际领先水平。