晋华炉水煤浆气化技术简介

李子正，李相军，李朝勇

(1.河南省濮阳市第一中学 河南濮阳 457000； 2.清华大学 北京 100084；3.北京三聚绿能科技有限公司 北京 100082)

晋华炉水煤浆气化技术采用水煤浆加压气化、辐射式废热锅炉流程，气化室采用水冷壁结构。晋华炉内部结构分为三大部分：上部为气化室，内件是1台膜式水冷壁，安装在气化炉承压外壳中，气化炉运行时，高温熔融的液态渣在水冷壁表面固化形成固态灰渣层，能够对水冷壁起保护作用，防止水冷壁管受到熔渣的侵蚀，达到“以渣抗渣”的效果[1]；中部为辐射废热锅炉段，从气化室出来的高温煤气进入废热锅炉段回收热量，并产生高品位蒸汽；下部为激冷段。

1 晋华炉水煤浆气化技术的发展

2015年，清华大学山西研究院、北京清创晋华科技有限公司合作开发了晋华炉3.0气化技术，即水煤浆进料+膜式水冷壁+辐射式蒸汽发生器+水激冷技术。第1套晋华炉示范装置于2016年4月1日在山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司一次开车成功，目前装置运行正常。该技术成功解决了高灰熔点煤和低浓度水煤浆气化能耗高的难题，充分回收了气化装置高温合成气的显热，在不增加氧耗、煤耗的条件下副产高压蒸汽，提高了能量利用率。

2017年11月，晋华炉3.0气化技术通过了中国石油和化学工业联合会组织的72 h性能考核，专家组一致认为该气化技术为世界首套水煤浆水冷壁直连废热锅炉先进气化装置。废热锅炉副产的高品位蒸汽可作为工艺、动力等用汽，灰水循环量减少60%，节能降耗效果显著，为一种清洁、环保、综合性能优异的气化技术。

2 晋华炉水煤浆气化技术工艺流程

晋华炉水煤浆气化技术工艺流程如图1所示。水煤浆和氧气经工艺烧嘴一起送入气化炉燃烧室内，在温度1 250～1 550 ℃和压力4.0 MPa(表压)或6.5 MPa(表压)的反应条件下，煤粉颗粒、氧气、水发生复杂的氧化还原反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗合成气。离开气化炉燃烧室的高温、高压粗合成气与灰渣一起向下进入辐射式废热锅炉，粗合成气的大部分显热被吸收转化为高压饱和蒸汽，废热锅炉出口的粗合成气温度降至700～800 ℃。出废热锅炉的粗合成气进入激冷段被激冷水激冷、换热、洗涤，粗合成气中含有的较大颗粒灰渣冷却后沉入激冷室底部，经破渣机进入渣锁斗[2- 3]；其余颗粒较小的灰渣随合成气进入合成气洗涤塔，进一步进行洗涤冷却。

图1 晋华炉水煤浆气化技术工艺流程

出气化炉的粗合成气通过文丘里洗涤器增湿、洗涤后进入合成气洗涤塔。粗合成气首先进入洗涤塔底部进行水浴，去除其中大部分细渣；然后粗合成气沿洗涤塔向上流动，经过塔盘与灰水或冷凝液逆流直接接触，洗涤剩余的固体颗粒，离开洗涤塔的合成气含尘质量浓度低于1 mg/m3(标态)。在洗涤塔顶部安装有旋流板除沫器，合成气在离开洗涤塔时除去其中夹带的水雾，洁净的合成气出洗涤塔送出界区。

3 晋华炉水煤浆气化技术的特点

(1) 安全性强：晋华炉燃烧室的水冷壁采用热能工程领域成熟的垂直管结构，水循环按照自然循环设计、强制循环运行，保证水冷壁的安全运行。

(2) 能量利用率高：辐射式废热锅炉回收了煤气化过程中产生的高温高压粗合成气的大部分显热，同时副产高品位蒸汽。

(3) 系统启动快：采用组合式烧嘴，点火升温过程简单，点火、投料程序一体化完成；投料点火采用独特的“火点火”技术，气化炉从冷态至满负荷运行仅需3～5 h。

(4) 稳定性好：水煤浆气化工艺成熟，水煤浆进料稳定可靠，气化室温度波动小，水冷壁挂渣稳定。

(5) 煤种适应性强：晋华炉燃烧室采用水冷壁结构，煤种适应性强，气化反应速度快，碳转化率高，能够气化高灰分、高灰熔点、高硫煤，高氯、高碱煤及低挥发分、低浓度水煤浆的煤，易于实现气化煤本地化。

(6) 系统运转率高：装置运行稳定，烧嘴头部采用特殊处理，连续运行周期可以保证在100 d以上，年运行时间可达到8 000 h。

(7) 流程设计更优化：晋华炉水煤浆气化技术工艺流程可根据后工段产品的不同而采用不同的设计，对于采用变换的流程，可根据具体情况设置不同等级的废热锅炉，将出气化界区的合成气汽气比控制在合适的范围内，以保证变换工段无需添加蒸汽。

(8) 经济效益好：辐射废热锅炉所副产的高品质蒸汽能直接降低生产成本，增加经济效益。

(9) 清洁环保：晋华炉为水煤浆进料、液态排渣，反应温度高，残碳含量低，可采用难以处理的有机废水制浆，实现污水治理。

4 晋华炉水煤浆气化技术的先进性

4.1 设备少，流程简单

如表1所示，以投煤量500 t/d为例，与激冷型水煤浆气化技术相比，晋华炉水煤浆气化技术设备少、流程简单。

表1 主要设备对比

项目耐火砖激冷流程晋华炉废热锅炉流程气化炉壳体进口SA387国产14Cr1MoR气化炉燃烧室耐火砖膜式水冷壁气化炉下段激冷环下降管辐射废热锅炉无工艺烧嘴冷却采用盘管结构冷却采用夹套结构烧嘴冷却水系统烧嘴冷却水泵烧嘴冷却水换热器烧嘴冷却水分离器烧嘴冷却水槽无无无无预热烧嘴有无开工抽引器有无激冷水过滤器有无锅炉水循环泵无有激冷水泵流量220 m3/h60 m3/h

4.2 能耗低

如表2所示，以投煤量500 t/d为例，与激冷型水煤浆气化技术相比，在消耗不增加的情况下，晋华炉水煤浆气化技术可副产高压蒸汽，因此其能耗较低。

表2 主要技术指标对比

技术指标耐火砖激冷流程晋华炉废热锅炉流程氧耗不变不变煤耗不变不变副产蒸汽无27 t/h,5.4 MPa激冷水量220 m3/h,电机功率160 kW60 m3/h,电机功率60 kW有效气体积分数80%81%开工蒸汽消耗10 t/h(开车阶段)无高压闪蒸蒸汽消耗10 t/h3 t/h

4.3 经济效益明显

(1) 以投煤量500 t/d的晋华炉水煤浆气化技术为例，在其他消耗不增加的情况下，可副产5.4 MPa高压蒸汽27 t/h，按蒸汽100元/t、年运行8 000 h计，年可增加经济效益2 160万元。

(2) 晋华炉采用水冷壁结构，不再需要更换耐火砖，年可节省耐火砖更换费用约300万元。

(3) 与耐火砖气化炉相比，晋华炉开车可节省开工蒸汽约700 t/次，按年开车3次计算，可节省费用21万元。

综上所述，与其他耐火砖激冷型气化技术对比，在同等消耗条件下，年可产生约3 160万元的直接经济效益。

5 结语

晋华炉水冷壁水煤浆气化技术具有能量利用率高、煤种适应性好、操作简单、检维修工作量少、运行费用低、绿色环保等优点；系统投资少，设备可全部实现国产化，技术支持方便及时；气化炉开工率高、故障率低，不需要设置备炉。从目前晋华炉水冷壁水煤浆气化装置运行情况来看，气化工艺系统、仪表控制系统以及设备、土建等设计合理，各项运行指标均达到或部分超过国外先进煤气化技术指标。