肖廷文，孫雙紅

(1.陽煤集團(tuán)朔州能源有限責(zé)任公司，山西朔州 036800；2.陽煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，山西運城 044000)

近年來，隨著國內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，固定床、氣流床、流化床等各種煤氣化技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，氣流床加壓煤氣化工藝技術(shù)由于具有單爐產(chǎn)氣量大、氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、合成氣質(zhì)量好、煤種適應(yīng)性較寬等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為國內(nèi)煤氣化工藝技術(shù)的主流。

氣流床工藝主要有粉煤氣化和水煤漿氣化，粉煤氣化以殼牌公司的Shell粉煤氣化和國內(nèi)的航天爐為代表，水煤漿氣化技術(shù)主要有GE公司的德士古氣化技術(shù)、華東理工大學(xué)與兗礦集團(tuán)合作開發(fā)的多噴嘴對置式氣化專利技術(shù)以及清華大學(xué)與陽煤豐喜、陽煤化機合作研發(fā)的晉華爐煤氣化專利技術(shù)等[1-5]。這些氣化技術(shù)的共同特點是：煤種適應(yīng)性較寬，可利用粉煤制漿，氣化爐生產(chǎn)能力較大，操作溫度高，排渣形式為液態(tài)排渣，碳轉(zhuǎn)化率較高，煤氣中甲烷含量低，沒有焦油、苯、萘、酚等污染物產(chǎn)生，氣化爐灰渣可以用來制作水泥、陶粒、保溫材料、城市滲水磚、地板磚及家具等，“三廢”處理簡單，易達(dá)到環(huán)保要求，對環(huán)境友好，生產(chǎn)控制水平較高，易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化及計算機控制。其中晉華爐解決了水煤漿氣化爐氧耗煤耗偏高的問題，現(xiàn)就晉華爐氣化技術(shù)運行情況進(jìn)行總結(jié)。

1 晉華爐簡介

晉華爐是陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、山西陽煤化工機械(集團(tuán))有限公司與清華大學(xué)山西清潔能源研究院在原清華Ⅱ代爐(水冷壁水煤漿氣化爐)的基礎(chǔ)上共同開發(fā)的合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)水煤漿水冷壁煤氣化爐，是經(jīng)過多年的實踐和創(chuàng)新，通過產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，完成了專利研究、工藝包、工程設(shè)計和工程建設(shè)的新型、高效、節(jié)能的煤氣化技術(shù)。

2015年10月20日，單爐設(shè)計有效氣產(chǎn)量為35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))、運行壓力為4.0 MPa的晉華爐在陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司開始動工，計劃建設(shè)工期6個月。2016年4月1日，世界首臺晉華爐在陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司一次投料、并氣成功，各項運行指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，達(dá)到了國內(nèi)外以水煤漿為原料的同類裝置運行的先進(jìn)水平[6]。

2 主要工藝流程及工藝參數(shù)

從原煤儲運系統(tǒng)來的原料煤與添加劑，經(jīng)過計量進(jìn)入煤磨機與一定量的水混合，在煤磨機中形成粒度分布均勻、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%的水煤漿，并送入大煤漿槽。大煤漿槽內(nèi)的煤漿依靠重力自流至高壓煤漿泵入口，煤漿由煤漿泵加壓后與來自空分的氧氣同時進(jìn)入工藝燒嘴。工藝燒嘴將水煤漿和氧氣一起送入氣化爐燃燒室，煤中的碳與氧氣、水及CO2等發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO和H2為主的粗合成氣[7]。煤中的不可燃的灰分及部分沒有完全反應(yīng)的炭顆粒形成灰渣。氣化爐耐壓鋼殼內(nèi)有水冷壁、輻射廢鍋，水冷壁內(nèi)的鍋爐水出口壓力為4.5 MPa，氣化爐耐壓鋼殼的外壁溫度保持在100 ℃左右，而耐火磚氣化爐外壁溫度高達(dá)200 ℃以上，溫差大于100 ℃。

氣化反應(yīng)后生成的粗合成氣、熔渣等經(jīng)過氣化爐下部的輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱量，產(chǎn)生高溫、高壓水蒸氣，并完成冷卻、洗滌過程，降溫后的合成氣經(jīng)碳洗塔進(jìn)一步洗滌后送往后工段。冷卻后的熔渣通過鎖斗和排渣管線定期排入渣池，攜帶細(xì)渣的黑水進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后返回洗滌系統(tǒng)循環(huán)使用。晉華爐氣化技術(shù)工藝參數(shù)見表1。

表1 晉華爐氣化技術(shù)工藝參數(shù)

3 工藝特點及關(guān)鍵設(shè)備

(1) 采用特殊結(jié)構(gòu)的點火和運行組合工藝燒嘴，簡化了點火升溫過程，縮短了點火升溫的時間，不需更換燒嘴，點火、投料程序一體化；氣化爐啟動速度快，從冷態(tài)開車到滿負(fù)荷運行僅需3～5 h(不包括蒸汽暖管時間)，節(jié)省開車成本。

(2) 水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)，布水均勻，無氣液分層，同時不用備爐。

(3) 獨特的環(huán)腔絕熱結(jié)構(gòu)，使環(huán)腔密封氣用量達(dá)到最小，比耐火磚爐壁溫度低100 ℃，極大地保護(hù)了氣化爐的設(shè)備安全，同時減少了熱量損失。

(4) 水冷壁與承壓殼體采用可靠的連接技術(shù)，更好地解決了在高達(dá)1 500 ℃工況下的水冷壁的膨脹難題，同時解決了密封問題。

(5) 采用倒錐形排渣結(jié)構(gòu)，解決了1 400～1 500 ℃下的排渣通暢問題，減輕了熔融狀態(tài)下渣對設(shè)備的磨蝕破壞。

(6) 輻射廢鍋采用獨特的環(huán)形單筒體和徑向雙面水冷壁結(jié)構(gòu)，能夠縮小其體積，提高熱效率。

(7) 輻射廢鍋采用內(nèi)置型，解決了高溫高壓下復(fù)雜的熱膨脹處理問題及氣化室與輻射廢熱鍋爐水冷壁接口處的連接和密封難題。

(8) 核心部件出氣管為特殊的多相流結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效避免堵渣、積灰及磨損問題。

(9) 獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計減少了雙面受熱面的布置比例，設(shè)備體積和投資減少。

(10) 同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚結(jié)構(gòu)的氣化爐相比，燃燒室容積增大了3倍。

4 煤種試燒

2012年，二代晉華爐在石化聯(lián)合會現(xiàn)場考核驗收時，采用了陽泉無煙煤和神木煤的混煤，其灰熔點>1 520 ℃，最高摻混比例達(dá)到60%。

記得，上大學(xué)的時候，因為喜歡喬丹，自己也曾那么喜歡過NBA。為了看總決賽，常翹課跑到商場甚至跑到小賣部蹭看電視。有一次，是在小飯館里，為了討得老板的歡心，我們幾個人還煞有介事地要了一碗面。最后，比賽看完了，也把飯館的幾壺開水喝完了。還有一年，乒乓球世錦賽決賽，剛上班的我住集體宿舍，為了看比賽，竟然跑到一個剛結(jié)婚的同事家看到了半宿。兩口子困得東倒西歪的，我卻看得興高采烈。比賽是午夜結(jié)束的，同事送我出來的時候，怏怏不樂。我全然顧不上這些，連連拍著同事的肩膀說，真好，真好，中國隊贏了。

2015年4月，陽煤朔州能源有限責(zé)任公司對朔州煤進(jìn)行試燒經(jīng)濟(jì)性評價，摻混比例最高達(dá)到100%，證明晉華爐完全可以100%使用朔州煤進(jìn)行氣化。

2015年10月，神華集團(tuán)北京低碳研究所承擔(dān)的國家863項目“低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化研究”，在晉華爐上進(jìn)行了試燒，摻混比例達(dá)到55%，利用半焦進(jìn)行氣化，運行數(shù)據(jù)良好。

5 裝置運行情況

5.1 烘爐點火過程

氣化爐采用組合燒嘴，點火、烘爐與投料在一個燒嘴上一體化完成，不需要更換燒嘴，通過燃料氣和點火氧氣的放空和調(diào)節(jié)閥，將燃料氣與點火氧氣的流量調(diào)整至合理的數(shù)值，然后啟動點火程序，自動完成點火過程。

5.2 煤漿投料過程

烘爐溫度達(dá)到800 ℃后，開始煤漿投料，水煤漿水冷壁氣化爐采用燃料氣伴燃下瞬間實現(xiàn)著火，完成煤漿投料過程。在投料成功后，觀火孔的攝像探頭及光敏探頭均有顯示，通過程控閥切換，退出烘爐的燃料氣及烘爐氧氣；中心氧氣管線由烘爐燃料氣切換成氧氣。整個點火及投料過程完全實現(xiàn)自動化，方便快捷，整個運行過程操作簡便，系統(tǒng)十分穩(wěn)定。

高壓煤漿泵通過電機變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)煤漿流量調(diào)節(jié)，加減量十分容易，流量計測量準(zhǔn)確，反饋迅速，有助于對投煤量和氧煤比的精準(zhǔn)控制。從低灰熔點煤到高灰熔點煤，可以實現(xiàn)從氧量到煤量的任意調(diào)整，有利于控制熔渣特性，保證渣口壓差，實現(xiàn)順利排渣。

5.3 生產(chǎn)運行情況

從2016年4月1日晉華爐原始投料成功到2017年11月1日，共停車7次(電力系統(tǒng)春、秋檢3次，空分更換轉(zhuǎn)子1次、年前停車檢修1次，氣化出氣管焊縫漏1次，碳洗塔改造1次)，累計運行520 d，裝置運行良好，有效氣體成分達(dá)到81%以上 。

6 結(jié)語

(1) 環(huán)保

采用水煤漿進(jìn)料，可處理低鹽、高有機物的廢水；爐溫高，灰渣中殘?zhí)剂康?，排渣成顆粒狀，易于收集處理；所產(chǎn)的廢水污染物易于處理，并可同化工生產(chǎn)各種工藝廢水濃縮后用作水煤漿制漿原料水，實現(xiàn)了水的循環(huán)利用。

(2) 節(jié)能

輻射廢鍋1 000 m3(標(biāo)態(tài))合成氣產(chǎn)飽和蒸汽量為0.5～1.0 t(煤種不同，產(chǎn)氣量也有所不同)。按300 kt/a氨醇裝置可多回收飽和蒸汽300 kt/a以上、蒸汽價格100元/t計，則年經(jīng)濟(jì)效益約為3 000萬元。

(3) 經(jīng)濟(jì)

爐殼采用國產(chǎn)的14Cr1MoR，無需采用進(jìn)口的SA387，主體投資費用降低40%；采用水冷壁技術(shù)，無需使用耐火磚，減少了耐火磚采購、筑爐、維修成本；不需要備爐，減少固定投資5 000萬元以上。

晉華爐一爐多供，實現(xiàn)了同時供化工合成氣、供工藝和動力用的高壓及高品質(zhì)蒸汽，可在化工、電力、燃?xì)狻⒐岬阮I(lǐng)域綜合應(yīng)用，為煤炭領(lǐng)域及煤化工清潔、綠色生態(tài)、高效發(fā)展提供了保障，并為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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