晉華爐水煤漿氣化技術(shù)簡介

李子正，李相軍，李朝勇

(1.河南省濮陽市第一中學(xué) 河南濮陽 457000； 2.清華大學(xué) 北京 100084；3.北京三聚綠能科技有限公司 北京 100082)

晉華爐水煤漿氣化技術(shù)采用水煤漿加壓氣化、輻射式廢熱鍋爐流程，氣化室采用水冷壁結(jié)構(gòu)。晉華爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三大部分：上部為氣化室，內(nèi)件是1臺膜式水冷壁，安裝在氣化爐承壓外殼中，氣化爐運行時，高溫熔融的液態(tài)渣在水冷壁表面固化形成固態(tài)灰渣層，能夠?qū)λ浔谄鸨Ｗo作用，防止水冷壁管受到熔渣的侵蝕，達到“以渣抗渣”的效果[1]；中部為輻射廢熱鍋爐段，從氣化室出來的高溫煤氣進入廢熱鍋爐段回收熱量，并產(chǎn)生高品位蒸汽；下部為激冷段。

1 晉華爐水煤漿氣化技術(shù)的發(fā)展

2015年，清華大學(xué)山西研究院、北京清創(chuàng)晉華科技有限公司合作開發(fā)了晉華爐3.0氣化技術(shù)，即水煤漿進料+膜式水冷壁+輻射式蒸汽發(fā)生器+水激冷技術(shù)。第1套晉華爐示范裝置于2016年4月1日在山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團)有限責(zé)任公司一次開車成功，目前裝置運行正常。該技術(shù)成功解決了高灰熔點煤和低濃度水煤漿氣化能耗高的難題，充分回收了氣化裝置高溫合成氣的顯熱，在不增加氧耗、煤耗的條件下副產(chǎn)高壓蒸汽，提高了能量利用率。

2017年11月，晉華爐3.0氣化技術(shù)通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的72 h性能考核，專家組一致認(rèn)為該氣化技術(shù)為世界首套水煤漿水冷壁直連廢熱鍋爐先進氣化裝置。廢熱鍋爐副產(chǎn)的高品位蒸汽可作為工藝、動力等用汽，灰水循環(huán)量減少60%，節(jié)能降耗效果顯著，為一種清潔、環(huán)保、綜合性能優(yōu)異的氣化技術(shù)。

2 晉華爐水煤漿氣化技術(shù)工藝流程

晉華爐水煤漿氣化技術(shù)工藝流程如圖1所示。水煤漿和氧氣經(jīng)工藝燒嘴一起送入氣化爐燃燒室內(nèi)，在溫度1 250～1 550 ℃和壓力4.0 MPa(表壓)或6.5 MPa(表壓)的反應(yīng)條件下，煤粉顆粒、氧氣、水發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2為主要成分的粗合成氣。離開氣化爐燃燒室的高溫、高壓粗合成氣與灰渣一起向下進入輻射式廢熱鍋爐，粗合成氣的大部分顯熱被吸收轉(zhuǎn)化為高壓飽和蒸汽，廢熱鍋爐出口的粗合成氣溫度降至700～800 ℃。出廢熱鍋爐的粗合成氣進入激冷段被激冷水激冷、換熱、洗滌，粗合成氣中含有的較大顆?；以鋮s后沉入激冷室底部，經(jīng)破渣機進入渣鎖斗[2- 3]；其余顆粒較小的灰渣隨合成氣進入合成氣洗滌塔，進一步進行洗滌冷卻。

圖1 晉華爐水煤漿氣化技術(shù)工藝流程

出氣化爐的粗合成氣通過文丘里洗滌器增濕、洗滌后進入合成氣洗滌塔。粗合成氣首先進入洗滌塔底部進行水浴，去除其中大部分細渣；然后粗合成氣沿洗滌塔向上流動，經(jīng)過塔盤與灰水或冷凝液逆流直接接觸，洗滌剩余的固體顆粒，離開洗滌塔的合成氣含塵質(zhì)量濃度低于1 mg/m3(標(biāo)態(tài))。在洗滌塔頂部安裝有旋流板除沫器，合成氣在離開洗滌塔時除去其中夾帶的水霧，潔凈的合成氣出洗滌塔送出界區(qū)。

3 晉華爐水煤漿氣化技術(shù)的特點

(1) 安全性強：晉華爐燃燒室的水冷壁采用熱能工程領(lǐng)域成熟的垂直管結(jié)構(gòu)，水循環(huán)按照自然循環(huán)設(shè)計、強制循環(huán)運行，保證水冷壁的安全運行。

(2) 能量利用率高：輻射式廢熱鍋爐回收了煤氣化過程中產(chǎn)生的高溫高壓粗合成氣的大部分顯熱，同時副產(chǎn)高品位蒸汽。

(3) 系統(tǒng)啟動快：采用組合式燒嘴，點火升溫過程簡單，點火、投料程序一體化完成；投料點火采用獨特的“火點火”技術(shù)，氣化爐從冷態(tài)至滿負荷運行僅需3～5 h。

(4) 穩(wěn)定性好：水煤漿氣化工藝成熟，水煤漿進料穩(wěn)定可靠，氣化室溫度波動小，水冷壁掛渣穩(wěn)定。

(5) 煤種適應(yīng)性強：晉華爐燃燒室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，煤種適應(yīng)性強，氣化反應(yīng)速度快，碳轉(zhuǎn)化率高，能夠氣化高灰分、高灰熔點、高硫煤，高氯、高堿煤及低揮發(fā)分、低濃度水煤漿的煤，易于實現(xiàn)氣化煤本地化。

(6) 系統(tǒng)運轉(zhuǎn)率高：裝置運行穩(wěn)定，燒嘴頭部采用特殊處理，連續(xù)運行周期可以保證在100 d以上，年運行時間可達到8 000 h。

(7) 流程設(shè)計更優(yōu)化：晉華爐水煤漿氣化技術(shù)工藝流程可根據(jù)后工段產(chǎn)品的不同而采用不同的設(shè)計，對于采用變換的流程，可根據(jù)具體情況設(shè)置不同等級的廢熱鍋爐，將出氣化界區(qū)的合成氣汽氣比控制在合適的范圍內(nèi)，以保證變換工段無需添加蒸汽。

(8) 經(jīng)濟效益好：輻射廢熱鍋爐所副產(chǎn)的高品質(zhì)蒸汽能直接降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益。

(9) 清潔環(huán)保：晉華爐為水煤漿進料、液態(tài)排渣，反應(yīng)溫度高，殘?zhí)己康停刹捎秒y以處理的有機廢水制漿，實現(xiàn)污水治理。

4 晉華爐水煤漿氣化技術(shù)的先進性

4.1 設(shè)備少，流程簡單

如表1所示，以投煤量500 t/d為例，與激冷型水煤漿氣化技術(shù)相比，晉華爐水煤漿氣化技術(shù)設(shè)備少、流程簡單。

表1 主要設(shè)備對比

項目耐火磚激冷流程晉華爐廢熱鍋爐流程氣化爐殼體進口SA387國產(chǎn)14Cr1MoR氣化爐燃燒室耐火磚膜式水冷壁氣化爐下段激冷環(huán)下降管輻射廢熱鍋爐無工藝燒嘴冷卻采用盤管結(jié)構(gòu)冷卻采用夾套結(jié)構(gòu)燒嘴冷卻水系統(tǒng)燒嘴冷卻水泵燒嘴冷卻水換熱器燒嘴冷卻水分離器燒嘴冷卻水槽無無無無預(yù)熱燒嘴有無開工抽引器有無激冷水過濾器有無鍋爐水循環(huán)泵無有激冷水泵流量220 m3/h60 m3/h

4.2 能耗低

如表2所示，以投煤量500 t/d為例，與激冷型水煤漿氣化技術(shù)相比，在消耗不增加的情況下，晉華爐水煤漿氣化技術(shù)可副產(chǎn)高壓蒸汽，因此其能耗較低。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)對比

技術(shù)指標(biāo)耐火磚激冷流程晉華爐廢熱鍋爐流程氧耗不變不變煤耗不變不變副產(chǎn)蒸汽無27 t/h,5.4 MPa激冷水量220 m3/h,電機功率160 kW60 m3/h,電機功率60 kW有效氣體積分?jǐn)?shù)80%81%開工蒸汽消耗10 t/h(開車階段)無高壓閃蒸蒸汽消耗10 t/h3 t/h

4.3 經(jīng)濟效益明顯

(1) 以投煤量500 t/d的晉華爐水煤漿氣化技術(shù)為例，在其他消耗不增加的情況下，可副產(chǎn)5.4 MPa高壓蒸汽27 t/h，按蒸汽100元/t、年運行8 000 h計，年可增加經(jīng)濟效益2 160萬元。

(2) 晉華爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，不再需要更換耐火磚，年可節(jié)省耐火磚更換費用約300萬元。

(3) 與耐火磚氣化爐相比，晉華爐開車可節(jié)省開工蒸汽約700 t/次，按年開車3次計算，可節(jié)省費用21萬元。

綜上所述，與其他耐火磚激冷型氣化技術(shù)對比，在同等消耗條件下，年可產(chǎn)生約3 160萬元的直接經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

晉華爐水冷壁水煤漿氣化技術(shù)具有能量利用率高、煤種適應(yīng)性好、操作簡單、檢維修工作量少、運行費用低、綠色環(huán)保等優(yōu)點；系統(tǒng)投資少，設(shè)備可全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，技術(shù)支持方便及時；氣化爐開工率高、故障率低，不需要設(shè)置備爐。從目前晉華爐水冷壁水煤漿氣化裝置運行情況來看，氣化工藝系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)以及設(shè)備、土建等設(shè)計合理，各項運行指標(biāo)均達到或部分超過國外先進煤氣化技術(shù)指標(biāo)。