孫雙紅

(陽煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 044000)

1 晉華爐簡介

晉華爐煤氣化技術(shù)是由清華大學(xué)山西清潔能源研究院、北京清創(chuàng)晉華科技有限公司、山西陽煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司和陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司共同開發(fā)的新型合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)水煤漿水冷壁(帶輻射廢鍋)煤氣化技術(shù)，是經(jīng)過多年的實踐和創(chuàng)新，通過產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(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)[1-2]。

該裝置于2015年10月在陽煤豐喜集團(tuán)(肥業(yè))有限責(zé)任公司臨猗分公司(以下簡稱臨猗分公司)開始組建，設(shè)計有效氣產(chǎn)量為 35 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，設(shè)計壓力為4.0 MPa，建設(shè)工期6個月。裝置于2016年4月1日一次投料成功，并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；至2017年12月1日，累計運(yùn)行550 d(因電力系統(tǒng)春檢、秋檢、空分更換轉(zhuǎn)子、年前停車檢修、合出氣管焊縫漏、碳洗塔改造等原因停車7次)，運(yùn)行狀況良好，有效氣成分達(dá)到81%以上。

2 工藝原理

晉華爐水煤漿氣化技術(shù)是目前先進(jìn)的氣流床氣化技術(shù)。氣化原料(水煤漿)和氧化劑(一般為純氧)通過組合式工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐，在氣化爐內(nèi)，煤粉顆粒、氧氣、水等在高溫高壓條件下發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO、H2、CO2、CH4、H2S為主的合成氣，高溫合成氣通過氣化室下部的輻射廢鍋回收熱量，然后經(jīng)激冷、洗滌后送后工段使用，可以作為煤基化工產(chǎn)品、煤基液體燃料、合成天然氣、IGCC發(fā)電、制氫、直接還原煉鐵等過程的原料氣及燃料氣使用。

3 工藝流程

晉華爐煤氣化裝置分為3個工段：水煤漿制備工段、氣化工段、灰水處理工段。

3.1 水煤漿制備工段

由煤貯運(yùn)系統(tǒng)來的原料煤，經(jīng)皮帶機(jī)輸送入煤斗，經(jīng)煤稱重給料機(jī)計量進(jìn)入磨煤機(jī)。制漿用水采用工廠難以處理的廢水等。添加劑在地下池中配制成一定濃度后，由添加劑槽給料泵送入添加劑槽，再經(jīng)添加劑計量給料泵按一定比例與水、原料煤同時進(jìn)入磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)中磨成一定粒度分布、高濃度的煤漿，出磨煤機(jī)的煤漿經(jīng)滾筒篩過濾后流至磨機(jī)出料槽，由低壓煤漿泵送至煤漿槽。磨機(jī)出料槽和煤漿槽均設(shè)有攪拌器，使煤漿始終處于均勻懸浮狀態(tài)。

3.2 氣化工段

來自煤漿槽的煤漿由高壓煤漿泵加壓后送至氣化爐，來自空分裝置的氧氣由燒嘴的中心管和環(huán)管進(jìn)入氣化爐，煤漿和氧氣在高溫條件下瞬間完成部分氧化反應(yīng)生成粗煤氣。反應(yīng)后的粗煤氣和熔渣一起出燃燒室后，進(jìn)入輻射廢鍋進(jìn)行熱量回收，輻射廢鍋產(chǎn)生高壓飽和蒸汽。經(jīng)輻射廢鍋，粗煤氣降溫后與廢鍋底部的激冷水混合去往洗氣塔，經(jīng)洗氣塔洗滌降溫除塵后送至用戶。

為了保護(hù)工藝燒嘴，在工藝燒嘴的端部設(shè)有水夾套，通過工藝燒嘴冷卻水的循環(huán)流動來冷卻燒嘴。氣化爐水冷壁系統(tǒng)和燒嘴冷卻水系統(tǒng)共用1套鍋爐給水系統(tǒng)。來自鍋爐母管的鍋爐水通過液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)送入汽包，汽包中的鍋爐水通過鍋爐水循環(huán)泵分別送入氣化爐的水冷壁系統(tǒng)和燒嘴冷卻水系統(tǒng)。

氣化爐反應(yīng)中產(chǎn)生的熔渣出燃燒室后隨粗煤氣進(jìn)入廢鍋回收熱量，出廢鍋經(jīng)水浴冷卻后由鎖斗系統(tǒng)排入渣池，由撈渣機(jī)撈出后用貨車外運(yùn)。渣池黑水送至灰水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

3.3 灰水處理工段

從洗氣塔底部來的黑水進(jìn)入高壓閃蒸罐，在高壓閃蒸罐中，一部分水經(jīng)減壓閃蒸變成蒸汽，高壓閃蒸汽送去熱水塔回收熱量。

從高壓閃蒸罐底部排出的水含有較多的固體顆粒，這部分黑水通過液位控制閥送到低壓閃蒸罐繼續(xù)閃蒸，閃蒸后的氣體送往除氧器，閃蒸后的黑水送到真空閃蒸罐，來自渣池的黑水也送到真空閃蒸罐。經(jīng)過真空閃蒸罐中的閃蒸，黑水中溶解的氣體釋放出來。從真空閃蒸罐出來的閃蒸汽首先進(jìn)入真空閃蒸冷凝器進(jìn)行冷凝分離，下液直接插入灰水槽中，利用灰水槽的液位作為液封，以保證其真空度。真空閃蒸罐的真空度由真空泵來實現(xiàn)。真空泵將真空閃蒸冷凝器出來的氣體抽引出，然后直接排入大氣，液體去灰水槽。真空閃蒸罐不控制液位，真空閃蒸罐下液管線直接插入沉降槽中心桶，利用沉降槽的液位作為液封，以保證其真空度。

4 技術(shù)優(yōu)勢及優(yōu)點(diǎn)

4.1 煤種適應(yīng)性廣

由于氣化室采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，對氣化爐燃燒室進(jìn)行保護(hù)，擺脫了耐火磚氣化爐對爐溫的限制，煤種適應(yīng)性大大增強(qiáng)。

4.1.1 低灰熔點(diǎn)煤

低灰熔點(diǎn)煤是水煤漿最常用的原料，主要以神府煤田和鄂爾多斯一帶的煤為主，水煤漿水冷壁氣化爐使用的煤灰熔點(diǎn)最低1 180 ℃，灰分最低5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，最高28%。

4.1.2 高灰熔點(diǎn)煤

2012年，水煤漿水冷壁激冷氣化爐進(jìn)行考核驗收，按照石化聯(lián)合會的要求，在陽煤豐喜采用陽泉白煤和神木煤的混煤，最高摻混比例為60%左右，在煤漿槽連續(xù)取樣3 d進(jìn)行考核，灰熔點(diǎn)均>1 520 ℃。

2015年，陽煤集團(tuán)朔州公司在臨猗分公司對朔州煤進(jìn)行試燒經(jīng)濟(jì)性評價，朔州煤的灰熔點(diǎn)>1 550 ℃，陽煤朔州公司用煤5 000 t，經(jīng)過60%、80%、100%朔州煤運(yùn)行，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以使用100%朔州煤進(jìn)行氣化。

4.1.3 半焦氣化

目前，煤炭提質(zhì)利用后，大量半焦的使用成為一個問題。2015年，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”在臨猗分公司的水煤漿水冷壁激冷氣化爐上進(jìn)行半焦試燒，經(jīng)中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織專家現(xiàn)場考核，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以利用半焦進(jìn)行氣化，且運(yùn)行數(shù)據(jù)良好。

4.1.4 褐煤

褐煤因為其內(nèi)水含量較高，成漿性較差，一直是水煤漿氣化的禁區(qū)。2009年，大唐呼倫貝爾化肥褐煤低濃度水煤漿氣化項目采用該技術(shù)，煤漿濃度為46%～50%，目前運(yùn)行穩(wěn)定，這是世界上唯一的低濃度水煤漿氣化裝置。由于水煤漿濃度較低，其煤耗和氧耗較高，但由于煤價也較低，單位尿素的成本也較低。

4.1.5 高堿性渣煤

在我國新疆及其他一些地方，煤的灰組分中Na2O和K2O含量較高，有的煤灰分中w(Na2O+K2O)>4%。在新疆廣匯、新疆慶華和大唐克旗項目中均出現(xiàn)了堿渣的腐蝕，水煤漿耐火磚氣化爐使用高堿渣煤也存在耐火材料大量被侵蝕的問題。

水煤漿水冷壁氣化爐在新疆天業(yè)項目中使用當(dāng)?shù)馗邏A渣煤沒有發(fā)生任何腐蝕現(xiàn)象，穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 點(diǎn)火投料系統(tǒng)更安全

晉華爐采用三流道的組合式燒嘴，點(diǎn)火時送入燃料氣，用燃料氣將氣化爐溫度升至800 ℃，在常壓下投水煤漿，燃料氣與水煤漿同軸伴燃，穩(wěn)燃后切斷燃料氣。由于有燃料氣的伴燃，投料后氣化爐溫度馬上上升，不會發(fā)生爆燃，實現(xiàn)了一個燒嘴點(diǎn)火、烘爐、投料全過程，在開車過程中不再需要更換燒嘴，開車更簡潔、穩(wěn)定。

4.3 本質(zhì)安全性好

耐火磚氣化爐在開車和運(yùn)行過程中，爐殼溫度在200 ℃以上。如果筑爐有問題或者爐磚竄氣，有時會發(fā)生爐壁超溫的現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓺饣癄t爐殼鼓包、爆炸事故。

膜式水冷壁采用垂直懸掛結(jié)構(gòu)，布水均勻，無氣液分層，水力循環(huán)系統(tǒng)采用本質(zhì)安全的自然循環(huán)設(shè)計，氣化室爐內(nèi)壁掛渣狀況良好，渣后的水冷管吸熱量較小，副產(chǎn)蒸汽量≤1 t/h，既保證了水冷壁的安全，又解決了高溫環(huán)境中水冷壁的膨脹問題。水冷壁和氣化爐殼體之間充保護(hù)氣，并且高溫合成氣與氣化爐承壓鋼殼之間有輻射廢鍋隔離保護(hù)，因此不存在爐壁超溫的問題。

目前，運(yùn)行過程中晉華爐的外殼運(yùn)行溫度最高僅為125 ℃左右，比耐火磚氣化爐溫度要低 100 ℃ 左右。

4.4 穩(wěn)定性好

耐火磚氣化爐正常運(yùn)行時，主要根據(jù)渣口壓差、洗氣塔出口氣體成分判斷氣化爐的爐溫，以調(diào)整氧煤比，但往往反應(yīng)比較滯后，如煤漿泵打量差時不易察覺，等發(fā)現(xiàn)后再處理時，經(jīng)常造成事故擴(kuò)大而難以處理。

晉華爐正常運(yùn)行時，除了看渣口壓差、洗氣塔出口氣體成分外，水冷壁的蒸汽產(chǎn)量更能直接反映出氣化爐的爐溫，如煤漿泵打量差，蒸汽產(chǎn)量會瞬間增大，操作工可及時處理，避免事故擴(kuò)大。

4.5 熱量回收好

耐火磚氣化爐是通過激冷水將高溫粗煤氣進(jìn)行降溫冷卻，激冷水循環(huán)量大，激冷后送往閃蒸系統(tǒng)的水流量大，閃蒸系統(tǒng)熱損耗高。

晉華爐從氣化室出來的高溫合成氣進(jìn)入輻射式蒸汽發(fā)生器，副產(chǎn)高品質(zhì)的高壓蒸汽，有效回收了熱量，提高了熱量利用率，降低了能耗。廢鍋大小可根據(jù)后系統(tǒng)需要的汽氣比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證后系統(tǒng)不用再補(bǔ)加蒸汽，合成氣通過廢鍋回收熱量后降至700 ℃左右。

4.6 燒嘴運(yùn)行周期長

晉華爐沒有設(shè)獨(dú)立的燒嘴冷卻水系統(tǒng)，而是采用鍋爐水進(jìn)行冷卻，燒嘴冷卻采用夾套結(jié)構(gòu)，燒嘴運(yùn)行的工藝條件得到優(yōu)化，減少了造成燒嘴使用壽命縮短的因素如露點(diǎn)腐蝕、硫腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，與耐火磚氣化爐相比大大延長了燒嘴的使用壽命。

燒嘴冷卻水壓力高于氣化爐壓力，因而不會發(fā)生燒嘴泄漏及合成氣外竄的情況，更加安全可靠。燒嘴一次連續(xù)運(yùn)行周期超過120 d。

4.7 開、停車迅速

由于水冷壁碳化硅涂層對升溫速率的要求遠(yuǎn)低于耐火磚氣化爐內(nèi)耐火磚對升溫速率的要求，因此晉華爐開車進(jìn)度快，從升溫到投煤漿一般只需1 h就可完成，而耐火磚一般需要72 h的升溫時間；而且晉華爐由于蓄熱很少，一般在停爐后很快就可具備開車條件，不需要備爐。

4.8 輸送安全穩(wěn)定

由于采用水煤漿進(jìn)料，進(jìn)料系統(tǒng)的物料測量和調(diào)節(jié)相對于干粉進(jìn)料有著不可比擬的優(yōu)勢，單從磨煤系統(tǒng)比較，水煤漿具有流程短、投資省、能耗低、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4.9 負(fù)荷率高

與臨猗分公司晉華爐相同直徑的耐火磚爐氣化爐容積為12.5 m3，晉華爐燃燒室容積增加至20.0 m3左右，燃燒室容量增加后，為系統(tǒng)擴(kuò)產(chǎn)創(chuàng)造了條件。在相同煤種的負(fù)荷下，由于氣化爐燃燒室的容積增加，水煤漿在爐內(nèi)的停留時間將比目前的耐火磚爐子長，有效氣的含量也提高不少，煤的碳轉(zhuǎn)化率也得到提高。

4.10 運(yùn)行費(fèi)用低

耐火磚氣化爐一般運(yùn)行200 d就需更換1次渣口磚，400 d需要更換1次向火面磚，而本裝置水冷壁的使用周期為10年，徹底擺脫了德士古氣化爐磚磨損的更換問題，每年可減少耐火磚維護(hù)費(fèi)用約300萬元。

在輻射廢鍋中1 000 m3(標(biāo)態(tài))有效氣可以副產(chǎn)3.9～10.0 MPa高品位飽和蒸汽0.5～0.9 t(煤種不同，產(chǎn)氣量相應(yīng)有所變化)。按300 kt/a氨醇裝置多回收飽和蒸汽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。

采用水煤漿進(jìn)料可處理低鹽、高有機(jī)物廢水，所產(chǎn)的廢水污染物易處理，并可同化工生產(chǎn)的各種工藝廢水濃縮后用作水煤漿制漿原料水，實現(xiàn)水的循環(huán)利用，節(jié)約了廢水處理費(fèi)用，降低了運(yùn)行成本。晉華爐取消了燒嘴冷卻水給料泵，降低了電耗和運(yùn)行成本。

4.11 投資少

水冷壁承壓鋼殼溫度比耐火磚低100 ℃左右，爐殼采用國產(chǎn)的14Cr1MoR，無需采用進(jìn)口的SA387，主體投資費(fèi)用可降低40%；無需備爐，可減少固定投資約5 000萬元。

4.12 “三廢”排放情況

晉華爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)形式，沒有耐火磚，排放廢水中不含六價鉻。晉華爐在開車時比原耐火磚氣化爐減少了烘爐時間，不需要?dú)饣癄t的熱備，減少了烘爐廢氣的排放。晉華爐采用水冷壁形式，不用耐火磚，沒有含鉻廢渣的污染。

5 裝置72 h技術(shù)考核

該晉華爐從2016年4月裝置開車到2017年11月，穩(wěn)定運(yùn)行19個月，達(dá)到設(shè)計負(fù)荷，具備了現(xiàn)場考核條件。中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會為促進(jìn)國內(nèi)自主煤氣化技術(shù)的推廣和發(fā)展，組織專家組于2017年11月11-14日對合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)氣化爐煤氣化技術(shù)工業(yè)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場72 h考核。考核期間專家組詳細(xì)考察了煤場、磨煤制漿、煤氣化、粗合成氣凈化及渣水處理等各工序現(xiàn)場運(yùn)行情況，對控制室、分析室、現(xiàn)場取樣等崗位進(jìn)行了全程監(jiān)控。

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)分析，考核專家組認(rèn)為：①本次考核采用的煤種與設(shè)計煤種基本符合；②連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行72 h，平均負(fù)荷率為104.9%，各項指標(biāo)平穩(wěn)，考核數(shù)據(jù)達(dá)到了考核指標(biāo)要求；③裝置自動化水平高，安全可靠，操控性能良好；④采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，國產(chǎn)化率達(dá)到100%；⑤運(yùn)行數(shù)據(jù)與計算結(jié)果真實可靠，裝置穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計指標(biāo)的對比如表1所示(本次考核煤種為神木煤)。

根據(jù)現(xiàn)場考核結(jié)果，專家組意見為：晉華爐技術(shù)裝置為國內(nèi)外首套水煤漿水冷壁直連輻射廢鍋的氣化工業(yè)裝置，副產(chǎn)的高品質(zhì)蒸汽可作為工藝和動力用汽，灰水循環(huán)量大幅度減少，節(jié)能降耗和環(huán)保綜合性能優(yōu)異。

表1 晉華爐72 h考核技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

2017年12月25日，石化聯(lián)合會在北京組織有關(guān)專家對“水煤漿水冷壁廢鍋氣化爐”(合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)水煤漿水冷壁煤氣化爐)進(jìn)行了科技成果鑒定，專家組認(rèn)為：該氣化爐技術(shù)具有顯著的創(chuàng)新性，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，提高系統(tǒng)熱效率的同時可以擴(kuò)大煤種適應(yīng)性，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，綜合性能優(yōu)異，總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。

6 結(jié)語

(1) 為徹底解決“三高煤”的氣化問題，進(jìn)一步提高氣化系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，陽煤集團(tuán)和清華大學(xué)在現(xiàn)有晉華爐基礎(chǔ)上，擬在陽煤豐喜集團(tuán)泉稷分公司新上1臺2 000 t/d氣化爐，增加對流式蒸汽發(fā)生器，完成第4代晉華爐的研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，以實現(xiàn)氣化熱量的“全熱回收”，蒸汽產(chǎn)量可再增加40%～50%。

(2) 陽煤化機(jī)、清華山西研究院聯(lián)合神華低碳能源研究所投資2 000萬元，在陽煤化機(jī)建設(shè)煤氣化技術(shù)研發(fā)中試基地，研究“三高”煤和低質(zhì)煤的氣化、分級提質(zhì)和綜合利用問題，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的煤氣化關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)能力，為煤的高效、清潔利用做技術(shù)支撐，建成國家級煤氣化工程技術(shù)中心。

(3) 進(jìn)一步研發(fā)氣化壓力4.0 MPa、6.5 MPa、8.75 MPa的日投煤量為2 500噸級、3 000噸級及以上的新爐型。

(4) 在晉華爐制造中推進(jìn)全流程(包括殼體、膜式壁、輻射式蒸汽發(fā)生器、對流式蒸汽發(fā)生器、汽包等)智能化升級改造，實現(xiàn)全國首家氣化

爐機(jī)械化、自動化、數(shù)字化、智能化生產(chǎn)。同時，率先在全國建立晉華爐所有客戶運(yùn)行、使用、維護(hù)等遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制和檢測系統(tǒng)，為客戶提供一站式、保姆式、全生命周期服務(wù)。

(5) 陽煤化機(jī)、清華大學(xué)、陽煤豐喜將在煤化工領(lǐng)域形成新的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”合作聯(lián)盟，將按照設(shè)計、制造、安裝、運(yùn)營的“4S”模式，加快科研成果轉(zhuǎn)化，從單純氣化爐制造商向煤氣化全產(chǎn)業(yè)鏈延伸，并向合成氣提供商轉(zhuǎn)變，從技術(shù)、設(shè)備出售商逐步拓展為大型園區(qū)氣化島服務(wù)商，并將這一系列全球領(lǐng)先的技術(shù)、模式推向全國。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓喜民，原中秋，趙冬興，等.內(nèi)置廢鍋水冷壁晉華爐運(yùn)行總結(jié)[J].氮肥與合成氣，2017，45(7)：27- 29.

[2] 陳芃娜.晉華爐的研發(fā)與運(yùn)行[J].氮肥技術(shù)，2017，38(5)：4- 5.