内置废锅水冷壁晋华炉运行总结

韩喜民，原中秋，赵冬兴，裴东清

(阳煤丰喜肥业〔集团〕有限责任公司，山西临猗 044000)

目前，水煤浆气化装置普遍存在灰水系统产生较多0.5 MPa低压蒸汽的现象，为了回收气化装置高温合成气的热量，同时生产高温、高压蒸汽，开发具有国内自主知识产权的气化装置高温合成气热量回收技术，清华大学山西清洁能源研究院、山西阳煤化工机械(集团)有限公司和阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司依托阳煤丰喜肥业(集团)临猗分公司原有的水煤浆水冷壁气化装置进行工业化实践，经过数年的系统研究，成功开发出了内置废锅水冷壁水煤浆气化炉，即晋华炉，能够进一步回收高温合成气热量，副产5.4 MPa高品位蒸汽，获得显著的经济效益。

1 项目概况

清华大学、山西阳煤化工机械(集团)有限公司和阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司2005年在临猗分公司建设有(1#，2#，3#)3台耐火砖的水煤浆清华炉，单炉日处理原煤600 t，气化炉运行压力4.0 MPa；2011年，为了降低气化装置的投资并能连续稳定运行，共同开发了水冷壁水煤浆气化炉(临猗4#炉)；2015年，为了回收高温合成气热量，副产高品位蒸汽，降低消耗，又决定开发更简洁的内置废锅水冷壁水煤浆气化炉，即晋华炉。为了节省时间和工程费用，决定对原3#炉进行改造，具体改造内容：原有的气化框架加高10 m，拆掉原耐火砖水煤浆清华炉，重新安装上先进的内置废锅水冷壁晋华炉，调整相应的泵、管线、阀门、仪表等控制系统。

2015年10月20日，晋华炉装置破土动工，建设工期6个月；2016年4月1日，化工投料一次成功；至2017年3月31日，气化炉累计运行345 d。

晋华炉采用神木煤为气化原料煤，神木煤煤质分析数据见表1。

表1 神木煤煤质分析数据

注：发热量Qnet,v,ar为24.86 MJ/kJ

2 工艺流程

从原煤储运系统来的原料煤和添加剂经计量进入煤磨机，与一定量的水混合，在煤磨机中形成粒度分布均匀、质量分数61%的水煤浆，并送入大煤浆槽，大煤浆槽内的煤浆依靠重力自流至高压煤浆泵入口，煤浆由煤浆泵加压后与来自空分的氧气同时进入工艺烧嘴。工艺烧嘴将水煤浆和氧气一起送入气化炉燃烧室内，在气化炉燃烧室内温度1 400 ℃、压力4.0 MPa(表压)的条件下，煤中的碳和氧气、水及CO2等发生复杂的氧化还原反应，生成以CO和H2为主的粗合成气。煤中的不可燃灰分及部分没有完全反应的碳颗粒形成灰渣。气化炉耐压钢壳内有水冷壁、辐射废锅，水冷壁内锅炉水出口压力4.5 MPa，气化炉耐压钢壳的外壁温度保持在200 ℃以下。

气化反应后生成的粗合成气、熔渣等经气化炉下部的辐射废锅回收高温合成气的热量，产生高温、高压水蒸气，并完成冷却、洗涤过程，降温后的合成气经碳洗塔进一步洗涤后送往后工段。冷却后的熔渣通过锁斗和排渣管线定期排入渣池，携带细渣的黑水进入渣水处理系统，经处理后返回洗涤系统循环利用。晋华炉气化系统工艺流程见图1。晋华炉运行数据见表2。

表2 晋华炉运行数据

注：表中数据的原料煤为神木煤∶白煤=1∶1

图1 晋华炉气化系统工艺流程

从表2运行数据可以看出，有效气(CO+H2)的消耗指标、冷煤气效率和热效率均优于设计值。增加辐射废锅流程后，气化炉高温合成气热量得到回收，提高了能源转化效率。

3 晋华炉主要结构特点及关键技术

(1)工艺烧嘴采用特殊结构的点火和运行组合烧嘴，简化了点火升温过程，缩短了点火升温的时间，不需要更换烧嘴，点火、投料程序一体化；气化炉启动速度较快，从冷态开车到满负荷运行仅需3～5 h(不包括蒸汽暖管时间)，节省开车成本。

(2)水冷壁采用垂直悬挂膜式壁结构，布水均匀，无气液分层；同时不用备炉。

(3)独特的环腔绝热结构，使环腔密封气用量达到最小，比耐火砖炉壁温降低了100 ℃，极大地保护了气化炉的设备安全，同时减少热量损失。

(4)水冷壁与承压壳体采用可靠的连接技术，更好地解决了在1 500 ℃工况下的水冷壁的膨胀难题，同时解决了密封问题。

(5)采用倒锥形排渣结构，1 400～1 500 ℃下排渣更加通畅，减少了熔融状态下渣对设备的磨蚀破坏。

(6)辐射废热锅炉采用独特的环形单筒体和径向双面水冷壁结构，能够缩小其体积、提高热效率。

(7)辐射废热锅炉采用内置型式，解决了高温高压下复杂的热膨胀处理问题及气化室与辐射废热锅炉水冷壁接口处连接和密封难题。

(8)核心部件出气管为特殊的多相流结构设计，能够有效避免堵渣、积灰及磨损问题。

(9)独特的结构设计减少了双面受热面的布置比例，缩小设备体积和降低投资。

(10)同等直径的水冷壁气化炉与原耐火砖结构的气化炉相比，燃烧室容积扩大3倍。

4 研究成果

设计并完成了辐射废锅膜式水冷壁热态实验，完成示范工程所用煤种的热态实验；完成了适合山西高灰熔点和低质煤750 t/d和1 500 t/d水冷壁气化炉的辐射废锅工艺包；建立了辐射废锅内灰颗粒渣流动、滞止和凝固模型，建立包括熔渣相变的灰颗粒传热模型；采用膜式水冷壁与壳体的连接技术，解决了水冷壁的密封问题；掌握了高强度、高厚度合金钢的焊接工艺；掌握了控制重型容器装配精度的方法；已获得授权ZL201620667389.X《一种合成气/蒸汽联产气化炉》等多项专利。

5 晋华炉的优点总结

(1)环保

采用水煤浆进料，可处理低盐、高有机物的废水；炉温高，灰渣中残碳量低，排渣成颗粒状，易于收集处理；所产的废水污染物易于处理，并可同化工生产各种工艺废水浓缩后用作水煤浆制浆原料水，实现水的循环利用。

(2)节能

辐射废热锅炉1 000 m3(标态)合成气产饱和蒸汽量0.5～1.0 t(煤种不同产气量也相对有所变化)；按300 kt/a氨醇装置多回收饱和蒸汽300 kt/a以上、蒸汽价格100元/t计，则年经济效益3 000万元。

(3)经济

炉壳采用国产14Cr1MoR，不需要采用进口的SA387，主体投资费用可降低40%；采用水冷壁技术，不需使用耐火砖，减少了耐火砖的采购、筑炉及维修成本；不需备炉，减少固定投资5 000万元以上。

晋华炉的成功运行，首次将水煤浆+耐火砖+激冷流程通过改造直接升级为更高效、可靠的晋华炉(水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器+激冷流程)，提高了能源转换效率，实现了煤气化技术装备领域的重大突破，为煤化工企业带来了良好的经济和社会效益。