“清華爐”煤氣化技術分解

“清華爐”煤氣化技術技術擁有單位：清華大學、北京盈德清大科技有限責任公司〔接替北京達立科科技共同開發(fā)的具有自主學問產(chǎn)權的煤氣化〔集團〕有限責任公司實現(xiàn)了工業(yè)化?！扒迦A爐”不僅包括了自主創(chuàng)的氣化爐，還包括氣化工藝全流程的優(yōu)化、配套技術臵設計和開車的全過程。調研綜合分析的根底上，從牢靠性和運行的經(jīng)濟性角度動身，基于對氣化反響過程把握因素深入分析及其熱過程深刻理解，清華大學創(chuàng)性地將燃燒領域的分級送風概念和立式旋風爐的構造引入到煤氣化中，將熱能工程領域的自然循環(huán)和膜式水冷壁凝渣保護原理擴展到煤氣化領與其它氣化技術主要是由化工反響器進展而來的不同，清華大學的爭論是從鍋爐燃燒演化而來的。清華爐煤氣化技術的核心思想是來源于煤粉構造處理上借鑒了鍋爐的水冷壁及衛(wèi)燃帶構造和絕熱爐膛構造，因此具有鮮亮的動力設備特點?！獨饣夹g特點〔一〕分級給氧如煤粉燃燒器一樣，承受分級供氧，可以抑制噴嘴出口火焰溫度。像鍋爐空氣分級一樣，沿燃料流淌方向的適宜位臵上再補充氧氣，提高溫度促進氣化反響，形成熔渣，以此改善噴嘴的壽命。由于氧氣分級供給，氣化爐主噴嘴供氧量與反響需氧化學當量脫離約束，削減了主噴嘴的氧氣負荷，改善了主噴嘴的工作環(huán)境，延長了其運行周期。在此過程中，燃料的熱量釋放和氧氣的供給時間相匹配，氣化室沿流淌方向的溫度分布更合理，從噴嘴向下形成低—高—低溫度曲線，見圖一，高溫區(qū)從噴嘴端部下移，噴嘴處于相對低的溫度區(qū)域，并提高了出渣口區(qū)域的溫度，同時提高了氣化室內平均溫度，使氣化的效果得到改善。由于氧氣分級供給，比不分級氣化爐軸向溫度均衡，長徑比可加大，突破了國內外關于水煤漿氣化室的截面出力的限制。從圖一還可以看出，在同樣氧煤比的狀況下，分級供氧氣化室排渣口的溫度比只有主噴嘴供氧時要高，因而可以放寬對煤種灰熔點的要求，煤種適應性寬，可承受的煤種的灰熔點比傳統(tǒng)工藝約高可以承受水煤漿進料，也可以干煤粉進料。反集中火焰，氧氣進入了氣化室頂部區(qū)域。傳統(tǒng)的氣化爐沒有水平方向的供氧，在氣化室頂部形成了缺氧區(qū)，該區(qū)域氣化反響很弱，分級供氧工藝的二次供氧反集中火焰的卷吸，使局部煤顆粒和氧進入氣化室頂部區(qū)域。這一流場構造，恰到好處又充分地利用了氣化室頂部區(qū)域，作為反響空間，而又不過度反響而影響氣化室頂部磚的壽命。由于水平方向只有質量很小的氧氣射流，在向下主氣流作用下，即使水平方向氧氣流速到達160ms-1也不會射到對面爐壁；水平方向射流中沒有固體煤顆粒射入，只從主氣流中卷吸局部煤顆粒參與燃燒和氣化，不會產(chǎn)生過度高溫致密均勻的渣層?！捕乘簼{水冷壁水煤漿水冷壁氣流床煤氣化技術，成功解決了水煤漿的點火、穩(wěn)燃同時還有效避開了它們的缺乏之處。壁可以自由向下膨脹，避開了高溫下簡潔的熱膨脹處理問題；即使在緊急狀態(tài)下，也能夠最大限度保證水冷壁的安全運行；功能的工藝燒嘴，實現(xiàn)了點火、投料程序一體化完成，氣化爐的從冷態(tài)到滿負荷的啟動時間從原來的33一套熱水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)簡潔；承受熱水循環(huán)冷卻，降低了工藝燒嘴的熱應力，燒嘴使用壽命長?！踩硽饣に嚵鞒?、制漿工段稱重給料機把握以確定的質量流率進入棒式磨煤機。制漿用的水包括磨煤單元的沖洗水、排放、泄露、灰 /黑水處理單元的濾液和工廠內其他裝臵的難以處理廢水，缺乏局部可補充穎水。為了制得穩(wěn)定的煤漿并降送到磨煤機中。水煤漿的PH值應當把握在7在磨煤機中研磨到所需要的粒度分布，制得重量百分比約為60%漿。從磨煤機初步制得的水煤漿通過磨煤機出口的滾筒篩流出，滾筒篩漿槽攪拌器，在攪拌器的作用下水煤漿保持懸浮狀態(tài)。2、氣化工段泵加壓后，經(jīng)煤漿切斷閥進入工藝燒嘴。煤漿泵所需的入口壓頭由煤漿槽供給。投料前，煤漿經(jīng)煤漿循環(huán)閥等自動閥門循環(huán)回煤漿槽。來自界區(qū)外的氧氣由氧氣總管經(jīng)過流量調整閥和切斷閥進入氣化燒嘴把水煤漿和氧氣一起送入氣化爐中。離開氣化爐燃燒室的粗合成氣與灰渣一起向下流過激冷環(huán)，經(jīng)過激冷環(huán)時，激冷環(huán)內噴出的霧化水將粗合成氣和灰渣激冷至 變形溫度以下〕，然后進入氣化爐下部的水浴。下部水浴的灰水來自合成氣洗滌塔，在氣化爐下部，大局部灰渣被分別出來，大塊渣靠重力作用沉入氣化爐底部，懸浮在水中的灰隨氣化爐灰水外排至低壓閃蒸罐。進入氣化爐下部水浴的灰渣在循環(huán)水流的作用下經(jīng)鎖斗安全閥、鎖的底部沉積。氣化爐的粗渣和渣水排至渣池的前倉，開頭隔離兩倉的溢流閥保持關閉，約渣池泵送至真空閃蒸罐。固體灰渣在淋干水分后外運。3、合成氣洗滌塔，合成氣首先進入洗滌塔底部的水中洗掉其中的細渣。根本上不含固體顆粒的合成氣沿洗滌塔向上流淌，與從塔中部進入的循環(huán)灰水和塔上部參與的來自界區(qū)外的冷凝液逆流直接接觸，洗滌剩余的固體顆粒，離開洗滌塔的合成氣中含塵量小于沫器，合成氣在離開洗滌塔時除去其中夾帶的水霧，干凈的合成氣出洗滌塔后經(jīng)過可從把握室調整的閥門送出界區(qū)。在合成氣洗滌塔的出口安裝有在線氣體，對一氧化碳、氫氣、二氧化碳及甲烷進展檢測。在合成氣洗滌塔底部的水分成兩局部排出。一局部是底部上層固體體顆粒，再生后的灰水經(jīng)過沉淀和加熱等處理后送回合成氣洗滌塔。4、灰水處理系統(tǒng)低壓閃蒸罐中，一局部的水經(jīng)減壓閃蒸變成蒸汽，蒸汽送到灰水除氧器作為加熱蒸汽。從低壓閃蒸罐底部排出的水含有較多的固體顆粒，這局部黑水通過液位把握送到真空閃蒸罐進展閃蒸，來自渣池的黑水也送到真空閃蒸罐。經(jīng)過真空閃蒸罐的閃蒸，黑水中大量溶解的氣體釋放出來。從真空閃蒸罐出來的蒸汽首先進入真空閃蒸冷凝器由循環(huán)水冷卻，冷卻槽中，利用灰水槽的液位作為液封，以保證其真空度。黑水經(jīng)過絮凝沉淀后，沉降槽上部的澄清水溢流，依靠重力作用進入灰水槽?；宜壑袃Υ娴幕宜?jīng)過低壓灰水泵加壓后分成兩局部，一局部去灰水除氧器，另外一局部去鎖斗沖洗水罐。加快固體在沉降槽中的沉降分別速度，需要向沉降槽中參與絮凝劑。在沉降槽中安裝了一個緩慢移動的沉降槽耙灰器，用來把沉降下來的固體送到沉降槽底部的出口。體留在過濾機上部形成細渣濾餅，然后用卡車或者皮帶送出界區(qū)，濾液進入濾液槽。濾液經(jīng)濾液泵加壓后送往沉降槽，也可直接送往研磨水槽作為制漿用水。〔四〕技術優(yōu)勢穩(wěn)定性好。水煤漿氣化工藝成熟，水冷壁掛渣穩(wěn)定。用水煤漿進料穩(wěn)定牢靠,避開了粉煤進料不穩(wěn)定、易燃、易爆、易磨損、泄漏等難題。煤種適應性強。水煤漿水冷壁清華爐的氣化溫度不受耐火材料限制，可達1600℃或更高，氣化反響速度快，碳轉化率高，煤種適應性好 ,能夠消化高灰分、高灰熔點、高硫煤。系統(tǒng)運轉率高。裝臵運行連續(xù)穩(wěn)定，特別設計的工藝燒嘴冷卻系統(tǒng)有效延長了燒嘴的使用壽命，一次連續(xù)運行周期可以保證 120天以上，每年不再由于換磚而停爐檢修，單爐年運行時間可到達8000保證了水循環(huán)的安全性又避開了簡潔的熱膨脹處理問題。水循環(huán)依據(jù)自然循環(huán)設計，強制循環(huán)運行，緊急狀態(tài)下能實現(xiàn)自然循環(huán)，最大限度保證水冷壁的安全運行。啟動快。組合式點火升溫過程簡化，點火、投料程序一體化完成。水煤漿投料點火承受特別設計的點火技術，氣化爐從冷態(tài)到滿負荷僅需3小時。技術細節(jié)處理好。清華爐氣化技術在工業(yè)化過程，在細節(jié)的設計保證了煤氣的洗滌效果；閃蒸罐中的環(huán)槽分布器設計，使閃蒸系統(tǒng)的檢修更便利；真空閃蒸的液封設計，使閃蒸罐不再堵塞等。細節(jié)上的改進使氣化系統(tǒng)能夠實現(xiàn)長周期運行。華爐還具有較高的投資性價比，為用戶供給了更好的選擇。由于核心技術的突破，流程的優(yōu)化，科學的設備國產(chǎn)化選擇，使得清華爐與國內外同類裝臵相比，同樣規(guī)模可節(jié)約投資 20%以上。二技術特點參數(shù)表工程氣化技術類型

氣流床氣化

具體參數(shù)氣化技術名稱氣化爐組合方式噴嘴類型和特點耐火襯里合成氣洗滌方式氣化介質運行周期

“清華爐”煤氣化技術由于水煤漿水冷壁連續(xù)運行時間長，檢修時間荷，保證下游化工裝臵負荷不削減水煤漿和氧氣通過組合燒嘴一起進入氣化爐， 壁可以設臵二次氧氣水煤漿和氧氣從氣化爐頂部下噴，有二次氧氣氣化爐帶點火功能的組合式燒嘴受限空間內的射流流淌，有二次氧氣時，二次氧氣射流反集中火焰的卷吸，使局部煤顆粒和氧進利用了氣化室頂部區(qū)域，作為反響空間；同時二次氧氣射流區(qū)域可以強化氣化室內的物料混合耐火磚和水冷壁兩種方式高溫合成氣冷卻承受水激冷方式，下降管上有激冷水噴頭，實現(xiàn)對高溫合成氣的初級降溫，削減激冷水液位波動和合成氣帶水；洗滌塔內設臵氣體分布器，合成氣與洗滌水充分接觸，洗滌效果好氧氣大規(guī)模工業(yè)應用最長連續(xù)A140天，噴嘴使用壽命＞120天煤的粒度范圍煤的粒度范圍煤質分析及要求粉煤氣化，對原料煤粒度沒有要求50%25%，操作壓力：常壓～8.7MPaG操作條件操作溫度：高于原料煤灰熔點約冷壁氣化爐的操作溫度可達 1600℃或者更高CO：～45%2 2 4工藝指標氧耗～360Nm3O/1000Nm3(CO+H)，與煤質的成漿性、蒸汽消耗煤氣產(chǎn)量碳轉化率灰熔點、灰分含量有很大關系無～570kg(干煤)/1000Nm3(CO+H)，與煤質的成漿2性、灰熔點、灰分含量有很大關系≥98%2 2適合工業(yè)領域制備化工生產(chǎn)用合成氣、IGCC瓷工業(yè)燃料氣、鋼鐵廠復原氣等三市場應用狀況工程建設和開車中提出了很多創(chuàng)性的改進，形成了數(shù)十項外圍專利。水煤漿水冷壁“清華爐”第一套工業(yè)裝臵于 2023年8月22日在山西陽煤豐喜投入運行，第一年投運即實現(xiàn)了年運轉率到達 到達120%的好成績，全面實現(xiàn)了研發(fā)和設計意圖，主要技術指標優(yōu)于設計值，到達了國際領先水平。至 2023年1月9日打算檢修，制造了首次投料并安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行 140天的煤化工行業(yè)氣化技術開車的記錄。專家組對“清華爐”裝臵進展了現(xiàn)場考核?？己似陂g，裝臵連續(xù)穩(wěn)定運，考核數(shù)據(jù)到達了指標要求；氣化用煤的灰熔點可以到達1500℃以上，煤種適應性顯著增加；同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚構造的氣化爐相比，燃燒室容積增大 1.6倍。氣化工業(yè)裝臵，綜合性能優(yōu)異，是具有國際領先水平的擁有自主學問產(chǎn)權的型煤氣化技術。士為鑒定委員會主任的科技成果鑒定。鑒定委員會認為：該氣化爐技術2222比氧耗比煤耗%t/h2kg/1000Nm3(CO+H)278.460.96404.3605.0總體技術處于國際領先水平。主要運行數(shù)據(jù)表工程單位運行結果日投煤量〔干煤〕t/d581有效氣(CO+H)產(chǎn)量Nm3/h40002粗渣含碳量%2.48產(chǎn)氣率Nm3干氣/kg2.11冷煤氣效率%73.2熱效率%96.6的性能，已經(jīng)簽訂了多套技術轉讓合同。如下表所示。編號編號用戶名稱氣化爐參數(shù)[單爐(CO+H)產(chǎn)量，2壓力]最終產(chǎn)品1分公司35000Nm3/h，4.0MPa合成氨2克拉瑪依盈德氣體35000Nm3/h，4.0MPa3石家莊盈鼎氣體90000Nm3/h，6.5MPa4昌邑盈德氣體55000Nm3/h，4.0MPa煉油供氫〔中石油〕煉油供氫〔中石化〕丁辛醇5江蘇華昌化工股份合成氨、丁辛醇6山東金誠化工科技60000Nm3/h，6.5MPa7江蘇德邦化工科技3煉油供氫尿素日，日處理煤量600噸，運行壓力4.0MPa的全球第一臺水煤漿水冷壁氣化爐在山西陽煤豐喜肥業(yè)〔集團〕有限責任公司臨猗分公司破土開工，建設工期 23個月，工程總投資9000余萬元。時間點20231120231202332023820233202392023320234～7

工程進度開頭籌劃此工程土建開頭施工土建框架施工完華安裝完華，進展單體試車一次投料成功“清華爐”氣化技術在該運行方案中表現(xiàn)出以下幾個特點：1、安全性好耐火磚氣化爐在開車和運行過程中，爐殼溫度在200爐有問題或爐磚竄氣，有時會發(fā)生爐壁超溫的現(xiàn)象，嚴峻時造成氣化爐氣化爐的外殼溫度運行溫度最高點僅1101202、穩(wěn)定性好成分來推斷氣化爐的爐溫，來調整氧煤比，但往往反響比較滯后，如煤漿泵打量不好時不易覺察，等覺察后再處理時，常常造成事故擴大，難以處理。而水冷壁氣化爐正常運行時，除了看渣口壓差、洗滌塔出口氣3、開停快速火磚對升溫速率的要求，因此水冷壁氣化爐開車速度快，從升溫到投煤漿一般只需要72而且水冷壁氣化爐由于蓄熱很少，一般停爐后很快就可以具備開車條件，不需要備爐。4、負荷率高與本裝臵一樣直徑的耐火磚氣化爐燃燒室容積約為12.5m3,水冷壁氣化爐燃燒室的容積增加到20m3左右，燃燒室容積增加后，為系統(tǒng)的擴產(chǎn)目前也有所提高，煤的碳轉化率也得到了提高。5、工藝燒嘴運行時間長管極易損壞，水冷盤管損壞后，高溫、高壓煤氣將會直接進入燒嘴冷卻水系統(tǒng)，必需馬上停車。燒嘴冷卻水承受 溫差大，承受的熱應力也大；同時低溫冷卻水會產(chǎn)生露點腐蝕、硫腐蝕等。而水冷壁氣化爐燒嘴冷卻承受夾套構造，燒嘴冷卻水承受汽包的鍋爐水，溫度嘴存在的露點腐蝕、硫腐蝕和應力腐蝕等難題都得到解決。燒嘴冷卻采用夾套構造，沒有突出部件，不易損壞，燒嘴冷卻水壓力比氣化爐高，即使燒嘴冷卻水泄漏，也不必馬上停車。水冷壁氣化爐的燒嘴運行時間比耐火磚氣化爐燒嘴的連續(xù)運行時間長。6、開工費用低單臺耐火磚氣化爐每次烘爐大致需要消耗熱值為 2300大卡的燃料氣36000Nm3左右，而水冷壁爐子每次烘爐僅需要消耗同等熱值燃料氣約4000Nm3。水冷壁氣化爐每次烘爐比耐火磚爐節(jié)約 32023Nm3燃料氣。7、運行維護費用低由于氣化爐燃燒室容積增大，有效氣含量有所提高，而且每小時可副產(chǎn)800～1500kg的蒸汽，每年可生產(chǎn)高壓飽和蒸汽 以產(chǎn)生經(jīng)濟效益76～144萬元〔噸蒸汽依據(jù)120元計〕。耐火磚氣化爐一般運行4000～5000小時需要更換一次渣口磚；8000～12023小時需要更換一次向火面磚。水冷壁氣化爐徹底擺脫了耐火磚氣化爐磚磨損的更換問題，每年可以削減耐火磚維護費用 300萬元。8、煤種適用性廣熔點煤，實現(xiàn)原料煤本地化，降低原料本錢。承受水煤漿水冷壁氣化爐后，可使用高灰熔點煤。單爐日投煤量以 600噸計，假設高灰熔點煤比現(xiàn)有原料煤價格低150元/噸，則每臺爐每年削減原料煤本錢可達 2