废锅流程的合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁晋华炉煤气化技术应用

孙双红

(阳煤丰喜肥业〔集团〕有限责任公司，山西运城 044000)

1 晋华炉简介

晋华炉煤气化技术是由清华大学山西清洁能源研究院、北京清创晋华科技有限公司、山西阳煤化工机械(集团)有限公司和阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司共同开发的新型合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁(带辐射废锅)煤气化技术，是经过多年的实践和创新，通过产、学、研、用相结合，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[1-2]。

该装置于2015年10月在阳煤丰喜集团(肥业)有限责任公司临猗分公司(以下简称临猗分公司)开始组建，设计有效气产量为 35 000 m3/h(标态)，设计压力为4.0 MPa，建设工期6个月。装置于2016年4月1日一次投料成功，并连续稳定运行；至2017年12月1日，累计运行550 d(因电力系统春检、秋检、空分更换转子、年前停车检修、合出气管焊缝漏、碳洗塔改造等原因停车7次)，运行状况良好，有效气成分达到81%以上。

2 工艺原理

晋华炉水煤浆气化技术是目前先进的气流床气化技术。气化原料(水煤浆)和氧化剂(一般为纯氧)通过组合式工艺烧嘴进入气化炉，在气化炉内，煤粉颗粒、氧气、水等在高温高压条件下发生复杂的氧化还原反应，生成以CO、H2、CO2、CH4、H2S为主的合成气，高温合成气通过气化室下部的辐射废锅回收热量，然后经激冷、洗涤后送后工段使用，可以作为煤基化工产品、煤基液体燃料、合成天然气、IGCC发电、制氢、直接还原炼铁等过程的原料气及燃料气使用。

3 工艺流程

晋华炉煤气化装置分为3个工段：水煤浆制备工段、气化工段、灰水处理工段。

3.1 水煤浆制备工段

由煤贮运系统来的原料煤，经皮带机输送入煤斗，经煤称重给料机计量进入磨煤机。制浆用水采用工厂难以处理的废水等。添加剂在地下池中配制成一定浓度后，由添加剂槽给料泵送入添加剂槽，再经添加剂计量给料泵按一定比例与水、原料煤同时进入磨煤机，在磨煤机中磨成一定粒度分布、高浓度的煤浆，出磨煤机的煤浆经滚筒筛过滤后流至磨机出料槽，由低压煤浆泵送至煤浆槽。磨机出料槽和煤浆槽均设有搅拌器，使煤浆始终处于均匀悬浮状态。

3.2 气化工段

来自煤浆槽的煤浆由高压煤浆泵加压后送至气化炉，来自空分装置的氧气由烧嘴的中心管和环管进入气化炉，煤浆和氧气在高温条件下瞬间完成部分氧化反应生成粗煤气。反应后的粗煤气和熔渣一起出燃烧室后，进入辐射废锅进行热量回收，辐射废锅产生高压饱和蒸汽。经辐射废锅，粗煤气降温后与废锅底部的激冷水混合去往洗气塔，经洗气塔洗涤降温除尘后送至用户。

为了保护工艺烧嘴，在工艺烧嘴的端部设有水夹套，通过工艺烧嘴冷却水的循环流动来冷却烧嘴。气化炉水冷壁系统和烧嘴冷却水系统共用1套锅炉给水系统。来自锅炉母管的锅炉水通过液位调节系统送入汽包，汽包中的锅炉水通过锅炉水循环泵分别送入气化炉的水冷壁系统和烧嘴冷却水系统。

气化炉反应中产生的熔渣出燃烧室后随粗煤气进入废锅回收热量，出废锅经水浴冷却后由锁斗系统排入渣池，由捞渣机捞出后用货车外运。渣池黑水送至灰水处理系统进行处理。

3.3 灰水处理工段

从洗气塔底部来的黑水进入高压闪蒸罐，在高压闪蒸罐中，一部分水经减压闪蒸变成蒸汽，高压闪蒸汽送去热水塔回收热量。

从高压闪蒸罐底部排出的水含有较多的固体颗粒，这部分黑水通过液位控制阀送到低压闪蒸罐继续闪蒸，闪蒸后的气体送往除氧器，闪蒸后的黑水送到真空闪蒸罐，来自渣池的黑水也送到真空闪蒸罐。经过真空闪蒸罐中的闪蒸，黑水中溶解的气体释放出来。从真空闪蒸罐出来的闪蒸汽首先进入真空闪蒸冷凝器进行冷凝分离，下液直接插入灰水槽中，利用灰水槽的液位作为液封，以保证其真空度。真空闪蒸罐的真空度由真空泵来实现。真空泵将真空闪蒸冷凝器出来的气体抽引出，然后直接排入大气，液体去灰水槽。真空闪蒸罐不控制液位，真空闪蒸罐下液管线直接插入沉降槽中心桶，利用沉降槽的液位作为液封，以保证其真空度。

4 技术优势及优点

4.1 煤种适应性广

由于气化室采用膜式水冷壁结构，对气化炉燃烧室进行保护，摆脱了耐火砖气化炉对炉温的限制，煤种适应性大大增强。

4.1.1 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1 180 ℃，灰分最低5%(质量分数，下同)，最高28%。

4.1.2 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，在阳煤丰喜采用阳泉白煤和神木煤的混煤，最高掺混比例为60%左右，在煤浆槽连续取样3 d进行考核，灰熔点均>1 520 ℃。

2015年，阳煤集团朔州公司在临猗分公司对朔州煤进行试烧经济性评价，朔州煤的灰熔点>1 550 ℃，阳煤朔州公司用煤5 000 t，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。

4.1.3 半焦气化

目前，煤炭提质利用后，大量半焦的使用成为一个问题。2015年，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”在临猗分公司的水煤浆水冷壁激冷气化炉上进行半焦试烧，经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。

4.1.4 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，大唐呼伦贝尔化肥褐煤低浓度水煤浆气化项目采用该技术，煤浆浓度为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，其煤耗和氧耗较高，但由于煤价也较低，单位尿素的成本也较低。

4.1.5 高碱性渣煤

在我国新疆及其他一些地方，煤的灰组分中Na2O和K2O含量较高，有的煤灰分中w(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存在耐火材料大量被侵蚀的问题。

水煤浆水冷壁气化炉在新疆天业项目中使用当地高碱渣煤没有发生任何腐蚀现象，稳定运行。

4.2 点火投料系统更安全

晋华炉采用三流道的组合式烧嘴，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，投料后气化炉温度马上上升，不会发生爆燃，实现了一个烧嘴点火、烘炉、投料全过程，在开车过程中不再需要更换烧嘴，开车更简洁、稳定。

4.3 本质安全性好

耐火砖气化炉在开车和运行过程中，炉壳温度在200 ℃以上。如果筑炉有问题或者炉砖窜气，有时会发生炉壁超温的现象，严重时甚至会造成气化炉炉壳鼓包、爆炸事故。

膜式水冷壁采用垂直悬挂结构，布水均匀，无气液分层，水力循环系统采用本质安全的自然循环设计，气化室炉内壁挂渣状况良好，渣后的水冷管吸热量较小，副产蒸汽量≤1 t/h，既保证了水冷壁的安全，又解决了高温环境中水冷壁的膨胀问题。水冷壁和气化炉壳体之间充保护气，并且高温合成气与气化炉承压钢壳之间有辐射废锅隔离保护，因此不存在炉壁超温的问题。

目前，运行过程中晋华炉的外壳运行温度最高仅为125 ℃左右，比耐火砖气化炉温度要低 100 ℃ 左右。

4.4 稳定性好

耐火砖气化炉正常运行时，主要根据渣口压差、洗气塔出口气体成分判断气化炉的炉温，以调整氧煤比，但往往反应比较滞后，如煤浆泵打量差时不易察觉，等发现后再处理时，经常造成事故扩大而难以处理。

晋华炉正常运行时，除了看渣口压差、洗气塔出口气体成分外，水冷壁的蒸汽产量更能直接反映出气化炉的炉温，如煤浆泵打量差，蒸汽产量会瞬间增大，操作工可及时处理，避免事故扩大。

4.5 热量回收好

耐火砖气化炉是通过激冷水将高温粗煤气进行降温冷却，激冷水循环量大，激冷后送往闪蒸系统的水流量大，闪蒸系统热损耗高。

晋华炉从气化室出来的高温合成气进入辐射式蒸汽发生器，副产高品质的高压蒸汽，有效回收了热量，提高了热量利用率，降低了能耗。废锅大小可根据后系统需要的汽气比进行调节，从而保证后系统不用再补加蒸汽，合成气通过废锅回收热量后降至700 ℃左右。

4.6 烧嘴运行周期长

晋华炉没有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，烧嘴运行的工艺条件得到优化，减少了造成烧嘴使用寿命缩短的因素如露点腐蚀、硫腐蚀、应力腐蚀等，与耐火砖气化炉相比大大延长了烧嘴的使用寿命。

烧嘴冷却水压力高于气化炉压力，因而不会发生烧嘴泄漏及合成气外窜的情况，更加安全可靠。烧嘴一次连续运行周期超过120 d。

4.7 开、停车迅速

由于水冷壁碳化硅涂层对升温速率的要求远低于耐火砖气化炉内耐火砖对升温速率的要求，因此晋华炉开车进度快，从升温到投煤浆一般只需1 h就可完成，而耐火砖一般需要72 h的升温时间；而且晋华炉由于蓄热很少，一般在停炉后很快就可具备开车条件，不需要备炉。

4.8 输送安全稳定

由于采用水煤浆进料，进料系统的物料测量和调节相对于干粉进料有着不可比拟的优势，单从磨煤系统比较，水煤浆具有流程短、投资省、能耗低、运行安全可靠等优点。

4.9 负荷率高

与临猗分公司晋华炉相同直径的耐火砖炉气化炉容积为12.5 m3，晋华炉燃烧室容积增加至20.0 m3左右，燃烧室容量增加后，为系统扩产创造了条件。在相同煤种的负荷下，由于气化炉燃烧室的容积增加，水煤浆在炉内的停留时间将比目前的耐火砖炉子长，有效气的含量也提高不少，煤的碳转化率也得到提高。

4.10 运行费用低

耐火砖气化炉一般运行200 d就需更换1次渣口砖，400 d需要更换1次向火面砖，而本装置水冷壁的使用周期为10年，彻底摆脱了德士古气化炉砖磨损的更换问题，每年可减少耐火砖维护费用约300万元。

在辐射废锅中1 000 m3(标态)有效气可以副产3.9～10.0 MPa高品位饱和蒸汽0.5～0.9 t(煤种不同，产气量相应有所变化)。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，则年经济效益约为3 000万元。

采用水煤浆进料可处理低盐、高有机物废水，所产的废水污染物易处理，并可同化工生产的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，节约了废水处理费用，降低了运行成本。晋华炉取消了烧嘴冷却水给料泵，降低了电耗和运行成本。

4.11 投资少

水冷壁承压钢壳温度比耐火砖低100 ℃左右，炉壳采用国产的14Cr1MoR，无需采用进口的SA387，主体投资费用可降低40%；无需备炉，可减少固定投资约5 000万元。

4.12 “三废”排放情况

晋华炉采用水冷壁结构形式，没有耐火砖，排放废水中不含六价铬。晋华炉在开车时比原耐火砖气化炉减少了烘炉时间，不需要气化炉的热备，减少了烘炉废气的排放。晋华炉采用水冷壁形式，不用耐火砖，没有含铬废渣的污染。

5 装置72 h技术考核

该晋华炉从2016年4月装置开车到2017年11月，稳定运行19个月，达到设计负荷，具备了现场考核条件。中国石油和化学工业联合会为促进国内自主煤气化技术的推广和发展，组织专家组于2017年11月11-14日对合成气/蒸汽联产气化炉煤气化技术工业装置进行了现场72 h考核。考核期间专家组详细考察了煤场、磨煤制浆、煤气化、粗合成气净化及渣水处理等各工序现场运行情况，对控制室、分析室、现场取样等岗位进行了全程监控。

根据现场运行情况和数据分析，考核专家组认为：①本次考核采用的煤种与设计煤种基本符合；②连续稳定运行72 h，平均负荷率为104.9%，各项指标平稳，考核数据达到了考核指标要求；③装置自动化水平高，安全可靠，操控性能良好；④采用具有自主知识产权的专利技术，国产化率达到100%；⑤运行数据与计算结果真实可靠，装置稳定运行的技术数据与设计指标的对比如表1所示(本次考核煤种为神木煤)。

根据现场考核结果，专家组意见为：晋华炉技术装置为国内外首套水煤浆水冷壁直连辐射废锅的气化工业装置，副产的高品质蒸汽可作为工艺和动力用汽，灰水循环量大幅度减少，节能降耗和环保综合性能优异。

表1 晋华炉72 h考核技术经济数据

2017年12月25日，石化联合会在北京组织有关专家对“水煤浆水冷壁废锅气化炉”(合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁煤气化炉)进行了科技成果鉴定，专家组认为：该气化炉技术具有显著的创新性，拥有自主知识产权，提高系统热效率的同时可以扩大煤种适应性，节能环保，经济效益和社会效益明显，综合性能优异，总体技术处于国际领先水平。

6 结语

(1) 为彻底解决“三高煤”的气化问题，进一步提高气化系统的能量转换效率，阳煤集团和清华大学在现有晋华炉基础上，拟在阳煤丰喜集团泉稷分公司新上1台2 000 t/d气化炉，增加对流式蒸汽发生器，完成第4代晋华炉的研发和工业化应用，以实现气化热量的“全热回收”，蒸汽产量可再增加40%～50%。

(2) 阳煤化机、清华山西研究院联合神华低碳能源研究所投资2 000万元，在阳煤化机建设煤气化技术研发中试基地，研究“三高”煤和低质煤的气化、分级提质和综合利用问题，形成自主知识产权的煤气化关键技术与设备研发能力，为煤的高效、清洁利用做技术支撑，建成国家级煤气化工程技术中心。

(3) 进一步研发气化压力4.0 MPa、6.5 MPa、8.75 MPa的日投煤量为2 500吨级、3 000吨级及以上的新炉型。

(4) 在晋华炉制造中推进全流程(包括壳体、膜式壁、辐射式蒸汽发生器、对流式蒸汽发生器、汽包等)智能化升级改造，实现全国首家气化

炉机械化、自动化、数字化、智能化生产。同时，率先在全国建立晋华炉所有客户运行、使用、维护等远程网络控制和检测系统，为客户提供一站式、保姆式、全生命周期服务。

(5) 阳煤化机、清华大学、阳煤丰喜将在煤化工领域形成新的“产、学、研、用”合作联盟，将按照设计、制造、安装、运营的“4S”模式，加快科研成果转化，从单纯气化炉制造商向煤气化全产业链延伸，并向合成气提供商转变，从技术、设备出售商逐步拓展为大型园区气化岛服务商，并将这一系列全球领先的技术、模式推向全国。

参考文献

[1] 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.

[2] 陈芃娜.晋华炉的研发与运行[J].氮肥技术，2017，38(5)：4- 5.