晉華爐氣化技術裝置的應用

肖廷文，孫雙紅

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

近年來，隨著國內煤化工產業的迅猛發展，固定床、氣流床、流化床等各種煤氣化技術如雨后春筍般蓬勃發展，氣流床加壓煤氣化工藝技術由于具有單爐產氣量大、氣化爐結構簡單、合成氣質量好、煤種適應性較寬等優勢，得到了廣泛的應用，逐漸成為國內煤氣化工藝技術的主流。

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粉煤氣化和國內的航天爐為代表，水煤漿氣化技術主要有GE公司的德士古氣化技術、華東理工大學與兗礦集團合作開發的多噴嘴對置式氣化專利技術以及清華大學與陽煤豐喜、陽煤化機合作研發的晉華爐煤氣化專利技術等[1-5]。這些氣化技術的共同特點是：煤種適應性較寬，可利用粉煤制漿，氣化爐生產能力較大，操作溫度高，排渣形式為液態排渣，碳轉化率較高，煤氣中甲烷含量低，沒有焦油、苯、萘、酚等污染物產生，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，易達到環保要求，對環境友好，生產控制水平較高，易于實現生產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，現就晉華爐氣化技術運行情況進行總結。

1 晉華爐簡介

晉華爐是陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司、山西陽煤化工機械(集團)有限公司與清華大學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)的基礎上共同開發的合成氣/蒸汽聯產水煤漿水冷壁煤氣化爐，是經過多年的實踐和創新，通過產、學、研相結合，完成了專利研究、工藝包、工程設計和工程建設的新型、高效、節能的煤氣化技術。

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

2 主要工藝流程及工藝參數

從原煤儲運系統來的原料煤與添加劑，經過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、質量分數為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，煤中的碳與氧氣、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[7]。煤中的不可燃的灰分及部分沒有完全反應的炭顆粒形成灰渣。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200 ℃以上，溫差大于100 ℃。

氣化反應后生成的粗合成氣、熔渣等經過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使用。晉華爐氣化技術工藝參數見表1。

表1 晉華爐氣化技術工藝參數

3 工藝特點及關鍵設備

(1) 采用特殊結構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，比耐火磚爐壁溫度低100 ℃，極大地保護了氣化爐的設備安全，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，更好地解決了在高達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，解決了1 400～1 500 ℃下的排渣通暢問題，減輕了熔融狀態下渣對設備的磨蝕破壞。

(6) 輻射廢鍋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) 輻射廢鍋采用內置型，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的連接和密封難題。

(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，設備體積和投資減少。

(10) 同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚結構的氣化爐相比，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合會現場考核驗收時，采用了陽泉無煙煤和神木煤的混煤，其灰熔點>1 520 ℃，最高摻混比例達到60%。

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2015年4月，陽煤朔州能源有限責任公司對朔州煤進行試燒經濟性評價，摻混比例最高達到100%，證明晉華爐完全可以100%使用朔州煤進行氣化。

2015年10月，神華集團北京低碳研究所承擔的國家863項目“低階煤熱解半焦制漿及氣流床半焦氣化研究”，在晉華爐上進行了試燒，摻混比例達到55%，利用半焦進行氣化，運行數據良好。

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節閥，將燃料氣與點火氧氣的流量調整至合理的數值，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自動化，方便快捷，整個運行過程操作簡便，系統十分穩定。

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

5.3 生產運行情況

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(電力系統春、秋檢3次，空分更換轉子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，有效氣體成分達到81%以上 。

6 結語

(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，實現了水的循環利用。

(2) 節能

輻射廢鍋1 000 m3(標態)合成氣產飽和蒸汽量為0.5～1.0 t(煤種不同，產氣量也有所不同)。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，則年經濟效益約為3 000萬元。

(3) 經濟

爐殼采用國產的14Cr1MoR，無需采用進口的SA387，主體投資費用降低40%；采用水冷壁技術，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，實現了同時供化工合成氣、供工藝和動力用的高壓及高品質蒸汽，可在化工、電力、燃氣、供熱等領域綜合應用，為煤炭領域及煤化工清潔、綠色生態、高效發展提供了保障，并為企業帶來了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 孫永才，劉偉.航天爐粉煤加壓氣化技術淺析[J].化肥工業，2010，37(1)：18- 20.

[2] 朱玉營，趙靜一，彭書，等.航天粉煤加壓氣化爐運行總結[J].化肥工業，2012，39(4)：19- 21.

[3] 于廣鎖，牛苗任，梁欽鋒，等.氣流床水煤漿氣化技術的應用現狀及開發進展[J].煤化工，2004，32(3)：1- 5.

[4] 呂運江，潘榮，呂傳磊，等.德士古煤氣化工藝運行方式總結[J].化肥工業，2008，35(1)：42- 45.

[5] 李福文，孫化祥，豐中田.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術應用總結[J].化肥工業，2012，39(6)：35- 37.

[6] 山西陽煤豐喜肥業有限責任公司.晉華爐氣化技術工業裝置運行總結[J].氮肥技術，2016，37(6)：11- 13.

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