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清华大学山西清洁能源研究院清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心晋华炉煤气化技术介绍主要内容晋华炉概况晋华炉的主要流程晋华炉煤气化技术的主要特点晋华炉是由清华大学山西清洁能源研究院牵头，山西阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司和山西阳煤化工机械（集团）有限公司联合研发的一种先进的、可靠的水煤浆煤气化技术；晋华炉示范装置于2016年4月1日在山西阳煤丰喜投入运行，首次投料即进入稳定运行状态。2晋华炉概况晋华炉采用水煤浆进料，气化炉分三部分，上部为气化室，采用水冷壁结构，从气化室出来的高温煤气进入废锅段回收热量，并产生高压蒸汽，然后再进行激冷。和激冷型气化炉相比，晋华炉可以回收高压蒸汽，更适合和高灰熔点煤和低浓度水煤浆气化。比如气化温度1300℃1000Nm3（CO+H2)通过废锅回收热量后，降至700℃可以回收10.OMPa饱和蒸汽0.7~0.8吨；3晋华炉概况晋华炉制造现场4清华大学校长、中国科学院院士邱勇（右二）一行25人，到山西阳煤化工机械（集团）有限公司考察调研。邱勇表示，清华大学将携手山西阳煤集团推动晋华炉研制迈入3.0时代5晋华炉整体模型晋华炉现场照片67晋华炉的主要流程810晋华炉流程11晋华炉的主要技术优势12一.煤种适应性广二.点火系统的安全性三.外壳温度低，运行安全四.投资优势明显五.烧嘴寿命长六.运行成本低七.节水八.对环境友好晋华炉的主要技术优势一.煤种适用性广：选择何种气化技术首先要考虑的是当地煤种适合那种气化技术，在条件允许的情况下选择何种气化工艺首先应该确保该种气化技术能够使用本地煤或来源稳定的煤。晋华炉可以使用的煤种主要有以下几种：1.低灰熔点煤低灰熔点煤是水煤浆最常用的原料，主要以神府煤田和鄂尔多斯一带的煤为主，水煤浆水冷壁气化炉使用的煤灰熔点最低1180℃，灰分最低5%，最高28%13一.煤种适用性广：2.高灰熔点煤2012年，水煤浆水冷壁激冷气化炉进行考核验收，按照石化联合会的要求，在山西阳煤丰喜采用阳泉白煤和神木煤的混煤，最高掺混比例60%左右，经过在煤浆槽连续取样，在连续三天的考核中，灰熔点均大于1520℃。2015年，阳煤集团朔州公司在阳煤丰喜临猗公司对朔州煤进行试烧经济性评价，朔州煤灰熔点＞1550℃，阳煤朔州公司用5000吨煤，经过60%、80%、100%朔州煤运行，证明水煤浆水冷壁气化炉可以使用100%朔州煤进行气化。目前使用水煤浆水冷壁气化炉的山西阳煤平定乙二醇项目，山西阳煤寿阳乙二醇项目，山西南耀20万吨甲醇项目均使用当地高灰熔点煤作为原料。14一.煤种适用性广：3.半焦气化目前煤炭提质利用过后，大量半焦如何使用成为一个问题，神华集团北京低碳研究所承担的国家863项目，“低阶煤热解半焦制浆及气流床半焦气化研究”2015年在山西阳煤丰喜临猗公司的水煤浆水冷壁激冷气化炉进行半焦试烧，经过中国煤炭工业协会组织专家现场考核，证明水煤浆水冷壁气化炉可以利用半焦进行气化且运行数据良好。15一.煤种适用性广：4.焦炭气化焦炭和半焦气化一直是水煤浆气化的一个禁区，因为原来的水煤浆气化多采用耐火砖形式，耐火砖气化炉采用蓄热式点火，气化炉必须先用预热烧嘴将炉温升至800℃以上，然后更换为工艺烧嘴投煤浆，水煤浆进入气化炉后，首先脱水分和挥发分，利用耐火砖的蓄热将挥发分点燃，然后将煤点燃，所以耐火砖型气化炉要求煤的挥发分＞20%。水煤浆水冷壁气化炉采用一个组合烧嘴进行点火，先用燃料气将气化炉炉温升至800℃，然后在常压下直接投煤浆，燃料气和煤浆、氧气一起从烧嘴口喷出，利用燃料气放出的热量实现水分的蒸发和挥发分析出，直接将煤点燃，所以可以使用焦炭气化。新疆天业将电石剩余的焦末直接制浆然后和煤混合进行气化，装置运行稳定。16一.煤种适用性广：5.褐煤褐煤因为其内水含量较高，成浆性较差，一直是水煤浆气化的禁区，2009年，清华大学承担了大唐呼伦贝尔化肥项目的低浓度水煤浆气化项目，煤浆浓度46~50%，目前运行稳定，这是世界上唯一的低浓度水煤浆气化装置，由于水煤浆浓度较低，煤耗和氧耗较高，但由于煤价也较低，单位尿素的成本也较低。17一.煤种适用性广：6.高碱性渣煤在我国新疆及其他一下地方，煤的灰组分中Na2O和K2O的含量较高，有的煤灰分中，Na2O+K2O＞4%，在新疆广汇、新疆庆华和大唐克旗项目中均出现了碱渣的腐蚀，水煤浆耐火砖气化炉使用高碱渣煤也造成耐火材料大量侵蚀的问题。水煤浆水冷壁气化炉在新疆天业的项目中使用当地的高碱渣煤，可以稳定运行，没有发生任何腐蚀现象。18二.点火投料系统的安全：耐火砖气化炉点火方式水煤浆耐火砖气化炉采用蓄热式点火，气化炉先采用预热烧嘴将气化炉温度烘至800℃以上，并保持两小时，然后换工艺烧嘴进行投料，一般要求更换烧嘴速度要快，以免气化炉温度降低；水煤浆进入气化炉后，首先是水分的蒸发和挥发分的析出，然后是挥发分的燃烧和煤粉的燃烧，气化炉炉温是先降后升，在国内水煤浆气化的投料过程中，由于炉温较低发生爆炸的事故比较多见。19其他水冷壁的启动●Shell点火过程较复杂，首先将燃气烧嘴点燃，然后将燃油烧嘴点燃，燃油烧嘴点燃后，迅速将燃气烧嘴抽出，利用燃油烧嘴将气化炉温度升起来，并将气化炉压力升至1.0MPa然后投煤粉烧嘴，煤粉烧嘴投进来后，迅速将燃油烧嘴抽出；●GSP、航天炉烧嘴结构复杂，直接用燃气升温、升压，然后再1.0MPa下投煤粉喷嘴。20二.点火投料系统的安全：二.点火投料系统的安全：不同流道流体示意图•晋华炉是在三流道烧嘴的煤浆通道增加燃料气通道，点火时送入燃料气，用燃料气将气化炉温度升至800℃，在常压下投水煤浆，燃料气与水煤浆同轴伴燃，稳燃后切断燃料气，由于有燃料气的伴燃，投料后气化炉温度温度马上上升，不会发生爆燃。在一个烧嘴，常压下完成气化炉点火、升温、投煤全过程，不需切换烧嘴。21三.外壳温度低，运行安全：晋华炉结构设计科学合理，气化室炉内壁挂渣状况良好，渣后的水冷管吸热量较小，副产蒸汽不到2吨/小时。在使用同样煤种情况下，水冷壁气化炉的氧耗、煤耗、合成气组成和耐火砖气化炉几乎完全一样。气化炉外壁温度100℃左右，比耐火砖炉壁温度低110℃不会发生气化炉外壳超温、鼓包、爆炸的事故。22三.外壳温度低，运行安全：23和水煤浆耐火砖激冷气化炉相比单台晋华炉和水煤浆耐火砖激冷气化炉相比，晋华炉将气化框架和灰水处理框架联合布置，土建投资和工艺管线投资减小，气化炉投资增加，综合计算单台气化炉投资增加1000万元左右。从整个气化系统的投资来看，由于气化室采用水冷壁不用换砖，因此不用设置备用炉，整个气化装置的投资相对于耐火砖激冷气化炉投资低。24四.投资优势明显：和干粉激冷气化炉相比晋华炉和干粉激冷气化炉相比，由于没有复杂的煤粉制备和输送系统，单台晋华炉的投资比干粉激冷气化炉投资要低，比如对于单套20万吨合成氨能力的气化炉，干粉激冷气化炉投资约2亿，合成气蒸汽联产气化炉约1.2亿；如果对于煤制氢、煤制甲醇等需要气化压力较高的系统，由于晋华炉可以采用比干粉更高的气化压力，后系统投资更低；晋华炉配套的空分比干粉要大，但不需要配套输送气压缩机，如果干粉气化的空分加上输送气压缩机，投资相差不多。25四.投资优势明显：五.烧嘴寿命长：晋华炉没有单设独立的烧嘴冷却水系统，而是采用锅炉水进行冷却，烧嘴冷却采用夹套结构，烧嘴的运行的工艺条件得到优化，耐火砖气化炉烧嘴存在的露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀等造成烧嘴寿命较短的问题基本得到解决。在丰喜第一次运行过程中，就连续运行了140天，在新疆天业和山西泉稷运行中，一个烧嘴多次连续投料，对烧嘴的寿命也没有影响，烧嘴一次运行周期可以保证100天以上。26五.烧嘴寿命长：27六.运行成本低：和水煤浆耐火砖激冷气化炉相比与传统耐火砖气化技术相比，单位有效气能耗、物耗基本不变，成本节省主要体现在四个方面：①减少了昂贵的耐火砖采购、筑炉费用，不需要每年数次更换锥底砖，每年更换向火面砖，节约了维修成本；②耐火砖每次开车前需要按照升温曲线进行升温，每次升温至少需要72小时，采用晋华炉升温只需一小时，节约了燃料气的消耗；③煤种适应性更宽，节约原料成本；④1000Nm3（CO+H2）可以副产0.7~0.8吨高压蒸汽。28和干粉激冷气化炉相比与干粉气化技术相比，水煤浆气化的氧耗和煤耗较高，煤耗和干粉气化相比约高5~6%，氧耗约高8~10%，但如果从整个装置的能耗来看，晋华炉的能耗比干粉略低，成本节省主要体现在四个方面：29六.运行成本低：①干粉气化的煤的烘干和输送能耗很高，水煤浆很低；②干粉气化需要在气化炉加过热蒸汽，同时煤粉管线需要大量的保温蒸汽；③水煤浆气化耗能比较集中，较好回收，多耗的能量以蒸汽的形式在气化炉废锅提供出来；④如果采用6.5MPa气化，低温甲醇洗的能耗和后续的压缩功将降低。⑤如果用废锅副产的蒸汽经过变换过热后进行发电，吨氨可以发电400~500KWh。30六.运行成本低：七.节水：水的消耗量主要指外排的水量和加入的水量。水煤浆和干粉两种气化工艺外排水量的控制均是按照煤种氯离子等有害组分累计程度来排放的，在相同投煤量的情况下，干粉气化因为含灰量大，外排水量大于清华炉。干粉气化比水煤浆气化多排放的水是在烘煤过程中，将煤中的水分烘干至2%左右，此部分水分也可视为排放水。所以水煤浆气化比干粉气化炉外排水量小。31水煤浆气化补充水主要在磨煤工段和灰水处理工段补充水，磨煤工段补充水可以补充难处理的有机废水，灰水处理工段主要补充变换冷凝液，变换工段不需补充水或蒸汽。干粉气化在制粉工段将水分去掉，在气化工段以过热蒸汽的形式加入水，在灰水处理工段补充变换冷凝液和脱盐水，在变换工段喷脱盐水或加过热蒸汽。32七.节水：▲干粉气化－水：制粉工段－水；气化工段＋过热蒸汽；灰水处理工段＋变换冷凝液和脱盐水；变换工段＋脱盐水或加过热蒸汽。▲水煤浆气化－水：磨煤工段＋难处理的有机废水；灰水处理＋变换冷凝液，变换工段＋0（水或蒸汽）。水煤浆气化加入的水量小；加入水的品质要求低。七.节水：八.对环境友好：和耐火砖气化炉相比废水：因为没有耐火砖，排放废水中不含六价铬；废渣：没有含铬废渣的污染；废气：水冷壁清华炉减少了烘炉时间，不需要气化炉的热备，减少了烘炉废气的排放。和干粉气化炉相比废水：干粉灰水含灰量大，排放废水量大；废渣：对于相同灰含量的煤种，干粉气化排放的灰量大；废气：干粉气化在煤烘干过程中，需要排放大量废气；辐射：干粉气化的料位、密度等仪表需要采用射线。3435晋华炉的主要业绩和运行情况1.山西阳煤丰喜临猗公司晋华炉项目介绍：36山西阳煤丰喜临猗分公司有四台水煤浆气化炉，其中三台为耐火砖激冷气化炉，一台为水冷壁激冷气化炉，2015年，阳煤丰喜决定将其中的一台耐火砖气化炉改造为晋华炉。2015年10月进入现场进行耐火砖气化炉的拆除，2015年12月安装完工，2016年4月1日一次开车成功。由于晋华炉是在原有气化炉的基础上进行改造，时候煤浆泵的限制，改造后的晋华炉单炉投煤量为500吨/天，每小时副产5.4MPa饱和蒸汽26吨。2.山西南耀化工项目介绍：37山西南耀化工项目采用晋华炉一开不备，气化压力6.5MPa，产气量71000Nm3/h（CO+H2），气化温度1580℃，原设计为清华大学的水冷壁激冷气化炉，2016年4月决定，将水冷壁激冷气化炉改为晋华炉，目前设备正在制作，预计2016年8月底交货。由于变换系统和土建框架的限制，南耀项目的废锅相对较小，出气化室的粗煤气通过废锅将温度降至1100℃然后激冷，可产生10.0MPa饱和蒸汽40t/h。3.山西南耀化工项目介绍：38山西南耀集团选用清华大学山西研究院合成气/蒸汽联产气化炉设备制造签约仪式4.河南金山化工集团项目介绍：39金山金大地公司采用合成气蒸汽联产气化炉，两开不备，气化压力6.5MPa，单台气化炉产气量80000Nm3/h（CO+H2），通过废锅将粗煤气温度降至700℃然后激冷，两台气化炉可产生10.0MPa饱和蒸汽117t/h。变换采用两级控温变换