水煤浆浓度对德士古气化效率的影响研究

1 德士古气化工艺概述

1.1 工艺原理

德士古气化工艺利用水煤浆作为原料，在高温高压环境下，水煤浆与氧气发生不完全燃烧反应，从而制备高温合成气。这一过程涉及复杂的物理和化学变化，包括煤的热解、气化反应以及产物的生成和传输等多个环节。水煤浆中的煤在气化炉内经历一系列反应，逐渐转化为一氧化碳（CO）、氢气（ (H₂) ）等有效气体成分以及二氧化碳（ CO₂ ）、水蒸气（ (H₂O ）等副产物。

1.2 工艺特点

（1）操作安全可靠：采用水煤浆进料方式，避免了干法磨煤和煤锁进料过程中可能出现的安全问题，且水煤浆可用隔膜泵方便地进行输送和计量控制。

（2）气化指标先进：能在高温（ 1300～1500^∘C ）和高压（ 2.7～6.5Mpa ）条件下进行气化，碳转化率高达 98%～99% ，合成气中有效组分（ CO+H₂ ）含量约 80% 以上，甲烷量低于 0.1% ，冷煤气效率为 70%～76% 。

（3）负荷适应性强：即使在低至 50% 负荷的情况下，仍能保持正常操作，具有良好的负荷调节能力。

（4）环保优势明显：整个工艺过程污染轻微，不产生废水，甚至可将其他有机废水添加到煤浆中，利用气化炉进行焚烧处理。

2 水煤浆浓度与气化效率的关系

2.1 水煤浆浓度对煤气成分的影响

随着水煤浆浓度的提高，煤气中的有效成分（ CO+H₂ ）显著增加。这是因为水煤浆浓度的上升意味着单位体积内煤的含量增多，在气化反应过程中，能够参与反应生成CO 和 H₂ 的碳和氢元素的量也相应增加。例如，当水煤浆浓度从较低水平逐渐提升时，煤气中CO 和 H₂ 的总体积分数会随之稳步上升，为后续的化工生产提供了更为优质的合成气原料。

2.2 水煤浆浓度对氧气消耗的影响

水煤浆浓度与氧气消耗（比氧耗）之间存在着反向关系。当水煤浆浓度较低时，其中含有的水分较多，在气化过程中，这些额外的水分需要吸收大量热量以实现蒸发和参与反应，而这些热量主要由煤的燃烧提供。为了提供足够的热量来满足水分蒸发和气化反应的需求，就需要消耗更多的氧气来支持煤的充分燃烧。相反，当水煤浆浓度提高后，水分含量减少，用于蒸发水分所需的热量降低，从而使得煤燃烧所需的氧气量也相应减少，比氧耗下降。有研究资料表明，当水煤浆浓度由 44% 增加到 56% 时，氧气消耗明显下降，这充分体现了水煤浆浓度对降低氧气消耗的积极作用[1]。

2.3 水煤浆浓度对冷煤气效率的影响

冷煤气效率是衡量气化效率的重要指标之一，它反映了气化过程中转化为有效气体的能量与投入原料能量的比值。水煤浆浓度对冷煤气效率有着显著的影响。随着水煤浆浓度的提高，冷煤气效率会大幅提升。如前文所述，水煤浆浓度增加使得煤气中有效成分（ CO+H₂ ）增多，同时氧气消耗降低，这意味着在投入相同能量的情况下，产出的有效气体能量增加，从而使得冷煤气效率得到显著提高。据相关报道，水煤浆浓度从 44% 提升至 56% ，冷煤气效率将提高 40% ，这一数据直观地展示了水煤浆浓度对冷煤气效率的积极影响。

3 实际生产中对水煤浆浓度的考量

3.1 浓度与输送、雾化的矛盾

在实际生产过程中，不能仅仅追求高浓度的水煤浆以提高气化效率，还需要充分考虑水煤浆的输送和在气化炉中的雾化问题。一般来说，水煤浆浓度越高，其粘度越大，流动性就越差，这给输送过程带来了极大的困难。高粘度的水煤浆在管道中流动时，需要更高的泵送压力，不仅增加了能源消耗，还可能对输送设备造成更大的磨损，降低设备的使用寿命。同时，在气化炉内，高浓度、高粘度的水煤浆难以实现良好的雾化效果，无法与氧气充分混合，进而影响气化反应的进行。因此，在实际操作中，需要在水煤浆浓度与输送、雾化性能之间找到一个平衡点，以确保整个气化工艺的稳定运行。通常，煤浆浓度一般控制在 60%～70% 这个范围内，既能在一定程度上保证气化效率，又能满足输送和雾化的基本要求。

3.2 煤种对水煤浆浓度的影响

不同的煤种由于其自身特性的差异，对水煤浆浓度有着不同的要求。例如，煤的内在水分含量对水煤浆浓度影响较大，内在水分含量越低，越有利于制备高浓度的水煤浆。如果煤的内在水分含量过高，会稀释水煤浆中的煤含量，导致水煤浆浓度难以提高，并且在气化过程中会消耗更多的能量用于水分的蒸发，降低气化效率。此外，煤的挥发分含量、灰分含量等也会对水煤浆的成浆性能产生影响。挥发分含量较高的煤，在气化过程中有利于提高气化反应速率和煤气产率，但如果挥发分过高，可能会引发安全问题，如煤的自燃等。灰分含量过高则会降低煤粉的发热量，影响水煤浆的性能，使得水煤浆在气化过程中的反应活性降低，同样不利于提高气化效率。因此，在实际生产中，需要根据不同的煤种，通过实验室研究和实际生产调试，确定最佳的水煤浆浓度，以达到预期的生产目标[2]。

3.3 添加剂对水煤浆浓度及性能的影响

为了改善水煤浆的性能，提高其浓度并确保良好的输送和雾化效果，通常会在水煤浆中添加一定量的添加剂。添加剂的种类和用量对水煤浆的性能有着重要影响。例如，表面活性剂是常用的水煤浆添加剂之一，其亲水基伸入水中，疏水基端被煤粒表面吸引，从而对煤粒起到良好的分散作用，降低水煤浆的粘度，提高其流动性，使得在较高浓度下也能顺利输送。同时，添加剂的使用还可以在一定程度上提高水煤浆的稳定性，防止煤粒在储存和输送过程中发生沉淀和团聚。但需要注意的是，添加剂的选择和使用量需要根据具体的煤种和工艺要求进行优化，过量使用添加剂可能会增加生产成本，甚至对气化反应产生不利影响[3]。

4 案例分析

以某配套 400kt/a 甲醇装置的德士古煤气化装置为例，通过对水煤浆制备工艺进行优化，调整棒磨机钢棒的级配方式和添加剂的用量，成功使水煤浆浓度提高了 2.60% 。在气化效率方面，粗煤气中的有效气（ CO+H₂ ）含量提高了 4.08% ，年降低氧耗 2.246×10⁷m³ ，降低煤耗 2.246×10⁴t ，产生了显著的经济效益，约为2952.495 万元。而且，在水煤浆浓度提高后，经过长期运行观察，对现有主要气化设备的运行未产生明显的负面影响，这充分证明了在实际生产中，通过合理调整工艺参数提高水煤浆浓度，能够有效地提升德士古气化工艺的效率和经济效益。

5 结束语

综上所述，水煤浆浓度通过影响煤气成分、氧气消耗和冷煤气效率等，对德士古气化效率起着决定性作用。尽管提高浓度能提升效率，但需兼顾输送、煤种特性及添加剂等因素。当前研究虽取得一定成果，但仍有优化空间。未来，随着技术创新与研究深入，有望实现水煤浆浓度精准调控，进一步提升德士古气化工艺的综合效益，推动煤化工行业绿色高效发展。

参考文献：

[1]徐彤,何国锋,李磊.水煤浆制备、应用现状及其新进展[J].洁净煤技术,2021,27(06):42-52.

[2]许振宝.德士古水煤浆气化工艺及长周期运行因素分析[J].齐鲁石油 化工,2020,48(02):132-135.

[3]郭煜.德士古水煤浆加压气化技术运行中的问题和处理对策[J].云南化工,2020,47(01):117-118.