晋华炉气化技术装置的应用

肖廷文，孙双红

(1.阳煤集团朔州能源有限责任公司，山西朔州 036800；2.阳煤丰喜肥业〔集团〕有限责任公司，山西运城 044000)

近年来，随着国内煤化工产业的迅猛发展，固定床、气流床、流化床等各种煤气化技术如雨后春笋般蓬勃发展，气流床加压煤气化工艺技术由于具有单炉产气量大、气化炉结构简单、合成气质量好、煤种适应性较宽等优势，得到了广泛的应用，逐渐成为国内煤气化工艺技术的主流。

气流床工艺主要有粉煤气化和水煤浆气化，粉煤气化以壳牌公司的Shell粉煤气化和国内的航天炉为代表，水煤浆气化技术主要有GE公司的德士古气化技术、华东理工大学与兖矿集团合作开发的多喷嘴对置式气化专利技术以及清华大学与阳煤丰喜、阳煤化机合作研发的晋华炉煤气化专利技术等[1-5]。这些气化技术的共同特点是：煤种适应性较宽，可利用粉煤制浆，气化炉生产能力较大，操作温度高，排渣形式为液态排渣，碳转化率较高，煤气中甲烷含量低，没有焦油、苯、萘、酚等污染物产生，气化炉灰渣可以用来制作水泥、陶粒、保温材料、城市渗水砖、地板砖及家具等，“三废”处理简单，易达到环保要求，对环境友好，生产控制水平较高，易于实现生产过程自动化及计算机控制。其中晋华炉解决了水煤浆气化炉氧耗煤耗偏高的问题，现就晋华炉气化技术运行情况进行总结。

1 晋华炉简介

晋华炉是阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司、山西阳煤化工机械(集团)有限公司与清华大学山西清洁能源研究院在原清华Ⅱ代炉(水冷壁水煤浆气化炉)的基础上共同开发的合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁煤气化炉，是经过多年的实践和创新，通过产、学、研相结合，完成了专利研究、工艺包、工程设计和工程建设的新型、高效、节能的煤气化技术。

2015年10月20日，单炉设计有效气产量为35 000 m3/h(标态)、运行压力为4.0 MPa的晋华炉在阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司临猗分公司开始动工，计划建设工期6个月。2016年4月1日，世界首台晋华炉在阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司一次投料、并气成功，各项运行指标均达到设计要求，达到了国内外以水煤浆为原料的同类装置运行的先进水平[6]。

2 主要工艺流程及工艺参数

从原煤储运系统来的原料煤与添加剂，经过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、质量分数为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，煤中的碳与氧气、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[7]。煤中的不可燃的灰分及部分没有完全反应的炭颗粒形成灰渣。气化炉耐压钢壳内有水冷壁、辐射废锅，水冷壁内的锅炉水出口压力为4.5 MPa，气化炉耐压钢壳的外壁温度保持在100 ℃左右，而耐火砖气化炉外壁温度高达200 ℃以上，温差大于100 ℃。

气化反应后生成的粗合成气、熔渣等经过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使用。晋华炉气化技术工艺参数见表1。

表1 晋华炉气化技术工艺参数

3 工艺特点及关键设备

(1) 采用特殊结构的点火和运行组合工艺烧嘴，简化了点火升温过程，缩短了点火升温的时间，不需更换烧嘴，点火、投料程序一体化；气化炉启动速度快，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，比耐火砖炉壁温度低100 ℃，极大地保护了气化炉的设备安全，同时减少了热量损失。

(4) 水冷壁与承压壳体采用可靠的连接技术，更好地解决了在高达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，解决了1 400～1 500 ℃下的排渣通畅问题，减轻了熔融状态下渣对设备的磨蚀破坏。

(6) 辐射废锅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) 辐射废锅采用内置型，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的连接和密封难题。

(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，设备体积和投资减少。

(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，燃烧室容积增大了3倍。

4 煤种试烧

2012年，二代晋华炉在石化联合会现场考核验收时，采用了阳泉无烟煤和神木煤的混煤，其灰熔点>1 520 ℃，最高掺混比例达到60%。

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2015年4月，阳煤朔州能源有限责任公司对朔州煤进行试烧经济性评价，掺混比例最高达到100%，证明晋华炉完全可以100%使用朔州煤进行气化。

2015年10月，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”，在晋华炉上进行了试烧，掺混比例达到55%，利用半焦进行气化，运行数据良好。

5 装置运行情况

5.1 烘炉点火过程

气化炉采用组合烧嘴，点火、烘炉与投料在一个烧嘴上一体化完成，不需要更换烧嘴，通过燃料气和点火氧气的放空和调节阀，将燃料气与点火氧气的流量调整至合理的数值，然后启动点火程序，自动完成点火过程。

5.2 煤浆投料过程

烘炉温度达到800 ℃后，开始煤浆投料，水煤浆水冷壁气化炉采用燃料气伴燃下瞬间实现着火，完成煤浆投料过程。在投料成功后，观火孔的摄像探头及光敏探头均有显示，通过程控阀切换，退出烘炉的燃料气及烘炉氧气；中心氧气管线由烘炉燃料气切换成氧气。整个点火及投料过程完全实现自动化，方便快捷，整个运行过程操作简便，系统十分稳定。

高压煤浆泵通过电机变频器调整转速，以实现煤浆流量调节，加减量十分容易，流量计测量准确，反馈迅速，有助于对投煤量和氧煤比的精准控制。从低灰熔点煤到高灰熔点煤，可以实现从氧量到煤量的任意调整，有利于控制熔渣特性，保证渣口压差，实现顺利排渣。

5.3 生产运行情况

从2016年4月1日晋华炉原始投料成功到2017年11月1日，共停车7次(电力系统春、秋检3次，空分更换转子1次、年前停车检修1次，气化出气管焊缝漏1次，碳洗塔改造1次)，累计运行520 d，装置运行良好，有效气体成分达到81%以上 。

6 结语

(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，实现了水的循环利用。

(2) 节能

辐射废锅1 000 m3(标态)合成气产饱和蒸汽量为0.5～1.0 t(煤种不同，产气量也有所不同)。按300 kt/a氨醇装置可多回收饱和蒸汽300 kt/a以上、蒸汽价格100元/t计，则年经济效益约为3 000万元。

(3) 经济

炉壳采用国产的14Cr1MoR，无需采用进口的SA387，主体投资费用降低40%；采用水冷壁技术，无需使用耐火砖，减少了耐火砖采购、筑炉、维修成本；不需要备炉，减少固定投资5 000万元以上。

晋华炉一炉多供，实现了同时供化工合成气、供工艺和动力用的高压及高品质蒸汽，可在化工、电力、燃气、供热等领域综合应用，为煤炭领域及煤化工清洁、绿色生态、高效发展提供了保障，并为企业带来了良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 孙永才，刘伟.航天炉粉煤加压气化技术浅析[J].化肥工业，2010，37(1)：18- 20.

[2] 朱玉营，赵静一，彭书，等.航天粉煤加压气化炉运行总结[J].化肥工业，2012，39(4)：19- 21.

[3] 于广锁，牛苗任，梁钦锋，等.气流床水煤浆气化技术的应用现状及开发进展[J].煤化工，2004，32(3)：1- 5.

[4] 吕运江，潘荣，吕传磊，等.德士古煤气化工艺运行方式总结[J].化肥工业，2008，35(1)：42- 45.

[5] 李福文，孙化祥，丰中田.多喷嘴对置式水煤浆气化技术应用总结[J].化肥工业，2012，39(6)：35- 37.

[6] 山西阳煤丰喜肥业有限责任公司.晋华炉气化技术工业装置运行总结[J].氮肥技术，2016，37(6)：11- 13.

[7] 韩喜民，原中秋，赵冬兴，等.内置废锅水冷壁晋华炉运行总结[J].氮肥与合成气，2017，45(7)：27- 29.