內置廢鍋水冷壁晉華爐運行總結

韓喜民，原中秋，趙冬興，裴東清

(陽煤豐喜肥業〔集團〕有限責任公司，山西臨猗 044000)

目前，水煤漿氣化裝置普遍存在灰水系統產生較多0.5 MPa低壓蒸汽的現象，為了回收氣化裝置高溫合成氣的熱量，同時生產高溫、高壓蒸汽，開發具有國內自主知識產權的氣化裝置高溫合成氣熱量回收技術，清華大學山西清潔能源研究院、山西陽煤化工機械(集團)有限公司和陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司依托陽煤豐喜肥業(集團)臨猗分公司原有的水煤漿水冷壁氣化裝置進行工業化實踐，經過數年的系統研究，成功開發出了內置廢鍋水冷壁水煤漿氣化爐，即晉華爐，能夠進一步回收高溫合成氣熱量，副產5.4 MPa高品位蒸汽，獲得顯著的經濟效益。

1 項目概況

清華大學、山西陽煤化工機械(集團)有限公司和陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司2005年在臨猗分公司建設有(1#，2#，3#)3臺耐火磚的水煤漿清華爐，單爐日處理原煤600 t，氣化爐運行壓力4.0 MPa；2011年，為了降低氣化裝置的投資并能連續穩定運行，共同開發了水冷壁水煤漿氣化爐(臨猗4#爐)；2015年，為了回收高溫合成氣熱量，副產高品位蒸汽，降低消耗，又決定開發更簡潔的內置廢鍋水冷壁水煤漿氣化爐，即晉華爐。為了節省時間和工程費用，決定對原3#爐進行改造，具體改造內容：原有的氣化框架加高10 m，拆掉原耐火磚水煤漿清華爐，重新安裝上先進的內置廢鍋水冷壁晉華爐，調整相應的泵、管線、閥門、儀表等控制系統。

2015年10月20日，晉華爐裝置破土動工，建設工期6個月；2016年4月1日，化工投料一次成功；至2017年3月31日，氣化爐累計運行345 d。

晉華爐采用神木煤為氣化原料煤，神木煤煤質分析數據見表1。

表1 神木煤煤質分析數據

注：發熱量Qnet,v,ar為24.86 MJ/kJ

2 工藝流程

從原煤儲運系統來的原料煤和添加劑經計量進入煤磨機，與一定量的水混合，在煤磨機中形成粒度分布均勻、質量分數61%的水煤漿，并送入大煤漿槽，大煤漿槽內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內，在氣化爐燃燒室內溫度1 400 ℃、壓力4.0 MPa(表壓)的條件下，煤中的碳和氧氣、水及CO2等發生復雜的氧化還原反應，生成以CO和H2為主的粗合成氣。煤中的不可燃灰分及部分沒有完全反應的碳顆粒形成灰渣。氣化爐耐壓鋼殼內有水冷壁、輻射廢鍋，水冷壁內鍋爐水出口壓力4.5 MPa，氣化爐耐壓鋼殼的外壁溫度保持在200 ℃以下。

氣化反應后生成的粗合成氣、熔渣等經氣化爐下部的輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱量，產生高溫、高壓水蒸氣，并完成冷卻、洗滌過程，降溫后的合成氣經碳洗塔進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，攜帶細渣的黑水進入渣水處理系統，經處理后返回洗滌系統循環利用。晉華爐氣化系統工藝流程見圖1。晉華爐運行數據見表2。

表2 晉華爐運行數據

注：表中數據的原料煤為神木煤∶白煤=1∶1

圖1 晉華爐氣化系統工藝流程

從表2運行數據可以看出，有效氣(CO+H2)的消耗指標、冷煤氣效率和熱效率均優于設計值。增加輻射廢鍋流程后，氣化爐高溫合成氣熱量得到回收，提高了能源轉化效率。

3 晉華爐主要結構特點及關鍵技術

(1)工藝燒嘴采用特殊結構的點火和運行組合燒嘴，簡化了點火升溫過程，縮短了點火升溫的時間，不需要更換燒嘴，點火、投料程序一體化；氣化爐啟動速度較快，從冷態開車到滿負荷運行僅需3～5 h(不包括蒸汽暖管時間)，節省開車成本。

(2)水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結構，布水均勻，無氣液分層；同時不用備爐。

(3)獨特的環腔絕熱結構，使環腔密封氣用量達到最小，比耐火磚爐壁溫降低了100 ℃，極大地保護了氣化爐的設備安全，同時減少熱量損失。

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

(5)采用倒錐形排渣結構，1 400～1 500 ℃下排渣更加通暢，減少了熔融狀態下渣對設備的磨蝕破壞。

(6)輻射廢熱鍋爐采用獨特的環形單筒體和徑向雙面水冷壁結構，能夠縮小其體積、提高熱效率。

(7)輻射廢熱鍋爐采用內置型式，解決了高溫高壓下復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連接和密封難題。

(8)核心部件出氣管為特殊的多相流結構設計，能夠有效避免堵渣、積灰及磨損問題。

(9)獨特的結構設計減少了雙面受熱面的布置比例，縮小設備體積和降低投資。

(10)同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚結構的氣化爐相比，燃燒室容積擴大3倍。

4 研究成果

設計并完成了輻射廢鍋膜式水冷壁熱態實驗，完成示范工程所用煤種的熱態實驗；完成了適合山西高灰熔點和低質煤750 t/d和1 500 t/d水冷壁氣化爐的輻射廢鍋工藝包；建立了輻射廢鍋內灰顆粒渣流動、滯止和凝固模型，建立包括熔渣相變的灰顆粒傳熱模型；采用膜式水冷壁與殼體的連接技術，解決了水冷壁的密封問題；掌握了高強度、高厚度合金鋼的焊接工藝；掌握了控制重型容器裝配精度的方法；已獲得授權ZL201620667389.X《一種合成氣/蒸汽聯產氣化爐》等多項專利。

5 晉華爐的優點總結

(1)環保

采用水煤漿進料，可處理低鹽、高有機物的廢水；爐溫高，灰渣中殘碳量低，排渣成顆粒狀，易于收集處理；所產的廢水污染物易于處理，并可同化工生產各種工藝廢水濃縮后用作水煤漿制漿原料水，實現水的循環利用。

(2)節能

輻射廢熱鍋爐1 000 m3(標態)合成氣產飽和蒸汽量0.5～1.0 t(煤種不同產氣量也相對有所變化)；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，則年經濟效益3 000萬元。

(3)經濟

爐殼采用國產14Cr1MoR，不需要采用進口的SA387，主體投資費用可降低40%；采用水冷壁技術，不需使用耐火磚，減少了耐火磚的采購、筑爐及維修成本；不需備爐，減少固定投資5 000萬元以上。

晉華爐的成功運行，首次將水煤漿+耐火磚+激冷流程通過改造直接升級為更高效、可靠的晉華爐(水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發生器+激冷流程)，提高了能源轉換效率，實現了煤氣化技術裝備領域的重大突破，為煤化工企業帶來了良好的經濟和社會效益。