淺議航天爐粉煤氣化在行業中的優勢

郭興建，童維風

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400）

我國能源特點是缺油少氣，煤炭資源相對豐富，因此煤在國內合成氨和甲醇工業原料中仍占據主導地位。我國也成為世界上最大的煤氣化爐市場，到2020年我國對煤氣化爐有巨大的需求，需求量將達到2250套。那么，目前，在我國煤化工建設中到底有多少種類煤氣化技術在應用？存在哪些問題？從目前調查的情況看，包括正要準備中試和已經工業化應用的國內外煤氣化技術有13種，國外技術有4種、國內技術9種。我國已成為世界上應用種類最多的國家，國外技術美國GE公司的水煤漿氣化工藝（原德士古水煤漿氣化工藝）進入中國推廣較早，應用業績最多，荷蘭殼牌、德國GSP煤氣化技術也有不錯的業績。與此同時，我國自主煤氣化技術也發展迅速，以干煤粉氣化技術為代表的國產煤氣化技術已達到世界先進水平。北京航天煤化工工程有限公司研制的 HT－L氣化技術，其示范裝置自2008年10月在安徽臨泉化工股份有限公司一次開車成功以來，展示了優良的工藝技術性能，三年的時間，被迅速推廣到10多家企業，參與中國這個世界最大的煤氣化技術市場的競爭。

1 HT－L煤氣化工藝簡介

航天爐是潔凈粉煤氣化工藝的一種，是航天十一所借鑒荷蘭Shell、德國GSP、美國Texaco煤氣化工藝中的先進技術，配置自己研發的盤管式水冷壁氣化爐而形成的一套結構簡單、有效實用的煤氣化工藝。該工藝煤種適應性廣，從煙煤、無煙煤到褐煤均可氣化，對于高灰分、高水分、高硫的煤種同樣適用。技術先進，熱效率高（可達95%），碳轉化率高（99%），是具有自主知識產權的一種國產化氣流床氣化工藝。

航天爐粉煤氣化裝置分為4個單元，即磨煤和干燥單元、加壓和輸送單元、粉煤氣化及合成氣洗滌單元、渣與灰水處理單元。

（1）磨煤和干燥單元 干燥系統的工藝流程、運行原理、控制參數都與Shell工藝相同，兩套系統一開一備，單套能力35t／h，目的是制造出80%以上粒度小于90μm、水含量小于2%的煤粉。沒有單獨的石灰石加入系統，只是利用皮帶秤通過比值調節將粒狀石灰石加到輸煤皮帶上，一塊進入磨煤機研磨。

（2）加壓和輸送單元 經研磨分離合格的粉煤儲存在常壓粉煤倉內，通過粉煤鎖斗連通粉煤給料罐；粉煤鎖斗常壓進料，加壓向粉煤給料罐放料，循環運行。粉煤給料罐連續向氣化爐燒嘴供料，并與氣化爐之間保持恒定的壓差。

（3）粉煤氣化及合成氣洗滌單元 采用單燒嘴頂燒式氣化，激冷工藝，煤粉經3條煤粉管線進入氣化爐燒嘴，氧氣經預熱器加熱后在氧蒸混合器內與蒸汽混合，按一定的比例進入氣化燒嘴。粉煤在氣化爐內燃燒并發生反應，生成的合成氣主要成分是H2和CO。合成氣經激冷環進入激冷室，在激冷室內合成氣經過降溫、增濕、除塵和洗滌，被水飽和，熔渣迅速固化。合成氣出氣化爐后，經文丘里洗滌器，合成氣洗滌塔進一步增濕，除塵、洗滌。除塵后的合成氣進入變換工序。粉煤燃燒后形成的灰渣沉積在激冷室水中，絕大部分灰渣迅速沉淀并通過渣鎖斗系統定期排出。

（4）渣及灰水處理單元 從氣化爐激冷室排出的渣經破渣機、鎖斗，排到撈渣機，進行渣水分離，水回收處理利用；氣化爐及合成氣洗滌塔底部排出的黑水，經兩級閃蒸去除不凝性氣體并回收熱量，固體顆粒經絮凝、沉淀、過濾后收集，灰水循環利用。

2 航天爐技術特點

（1）干煤粉進料，惰性氣體輸送，加壓氣化

干煤粉進料，煤被磨制成20～100μm煤粉顆粒，并以過熱空氣干燥；惰性氣體輸送，介質為二氧化碳或氮氣；加壓氣化，強化燃燒，提高單位體積產氣率。與常壓爐相比，在同樣生產能力下，航天爐氣化強度高，設備尺寸小，結構緊湊，占地面積小，燃燒效率高。

（2）單燒嘴頂燒組合燃燒器

燃燒火焰、爐內物料流場與爐膛結構匹配較好，爐內煤粉熱解區、火焰燃燒區、煙氣射流區、煙氣回流區以及二次反應區分布合理，煤粉反應完全；火焰形狀、穩定性好；燒嘴采用水冷夾套式冷卻方案，可保證燒嘴長周期運行穩定可靠。設計壽命20年，燒嘴頭部局部維護時間6月一次。

（3）氣化操作溫度高，提高了碳轉化率

一般操作溫度為1400～1750℃，煤種適應范圍廣，對煤的灰熔點要求范圍寬。碳轉化率99%，有效氣體（CO＋H2）體積分率在90%左右，CH4氣體僅有幾十至幾百10－6數量級。

（4）盤管式水冷壁結構

多頭并聯結構可以保證管程流阻分布均勻，強制循環可防止局部傳熱惡化發生“爆管”故障。

（5）冷壁式耐火材料結構

水冷壁與耐火材料組合，水冷壁降低耐火材料的蝕損率，保證耐火材料的使用溫度低于1300℃，水冷壁外形成3～5mm穩定的固渣層，“以渣抗渣”，提高耐火材料使用壽命，降低爐膛散熱損失。

（6）水激冷方案

有成熟的工程業績和分析數據，技術成熟可靠，合成氣中增加的飽和水可直接用于變換工序。

（7）燃燒效率高、環保性能好

碳轉化率、冷煤氣效率、熱效率都高于水煤漿工藝，冷煤氣效率比濕法提高10%，熱效率提高6%，碳轉化率≥99.5%，盤管水冷壁副產中壓蒸汽回收爐內燃燒熱量的3%～5%。高溫煤氣化，廢水有害成分極少，容易處理。合成氣中氮氧化物及硫氧化物含量很低。

3 主要設計參數

（1）物化參數

粉煤水分含量＜2%，粒徑比例如下：

所用煤的化學成分如下：

（2）工藝參數

氣化爐操作壓力 3.7～4.0MPa

氣化爐操作溫度 1400～1700℃

氣化爐燒嘴流量 28810／22515／1204kg／h（粉煤／氧氣／蒸汽）

氧煤比 0.65～0.90

粗合成氣溫度 210℃

氣化爐液位 30%～60%

高壓閃蒸罐壓力 0.5MPa

真空閃蒸罐壓力 －0.06MPa

（3）考核指標

有效氣（CO＋H2）比氧耗 ≤310m3／km3

有效氣（CO＋H2）比煤耗 ≤510kg／km3

碳轉化率 ≥99%

合成氣CO＋H2含量 ≥85%

冷煤氣效率 ≥84%

噸甲醇耗煤 1.300t

噸甲醇耗有效氣 2250m3

4 航天爐煤氣化工藝運行狀況

晉煤中能化工股份公司HT－L航天粉煤加壓氣化裝置于2008年10月31日9：08一次投料開車成功。2009年氣化爐累計運行326d，運行率89.3%。2010年航天粉煤加壓氣化裝置累計運行338d，運行率92.6%。2011年，最長連續運行周期156d。目前，氣化裝置及后部工序運行穩定。晉煤中能化工股份公司200kt／a合成氨原料路線改造工程項目（二期航天爐）2012年1月3日21點30分開始進行點火試驗，經過相關工藝調整后，于1月4日5點13分順利實現氣化爐開工點火；1月4日5時53分，氣化爐投料開車，目前已連續運行170多天。

原料煤種試燒情況

HT－L爐自2008年10月運行以來，試燒了多種原料煤：神木煤，神木與新鄭混煤，新疆煤，新疆與新鄭混煤，與晉城煤的混煤，甘肅煤，新疆保利煤、晉城無煙煤末混燒，神木煤配晉城高硫煤（原煤含硫2.35%）等等，前后運行了五個煤種的單燒、多種配煤的混燒。試燒過的煤種及參數見表1，運行情況見表2。

表1 試燒的煤種參數

表2 氣化運行數據（2012年）

5 航天爐工藝與Shell、德士古各種參數的對比

以150kt／a甲醇裝置為例，航天煤氣化技術與國外兩種先進煤氣化技術的比較見表3。

6 航天爐工藝的前景

HT－L煤氣化工藝是由航天十一所自主研發適合我國國情的一種粉煤加壓氣化技術，各個單元的技術都有成熟的設計基礎和豐富的運行經驗，直接實現了工業化生產，沒有設計缺陷和運行瓶頸。該工藝投資少，安徽臨泉150kt／a甲醇項目總投資6.4億元，其中氣化裝置投資3.1億元，比同規模Shell工藝投資要少三分之一；國產化率高。HT－L煤氣化裝置許多設備，如粉煤鎖斗閥、破渣機、燒嘴、氣化爐、煤粉循環三通閥、渣水循環泵、激冷水泵、鍋爐水循環泵、熱風爐等都是由北京航天十一所設計、制造或委托制造的，設備運行平穩、操作維護方便，也帶動了相關產業的發展，對于促進我國經濟技術的發展有重大意義。

表3 航天爐與國外兩種先進煤氣化技術的比較

煤氣化技術是煤炭潔凈、高效、綜合利用的重要技術和關鍵技術，在煤氣化技術高速發展的今天，德士古、殼牌和GSP氣化技術幾乎占據了我國全部市場，它們共同的特點是，國外技術，專利費用高，投資大，備品備件費用高，一般的國內企業難以承受。擁有我國自主知識產權的HT－L粉煤加壓氣化爐將打破國外氣化爐在世界上的壟斷。實現粉煤加壓氣化裝置的國產化，對國家調整經濟結構，發展新型能源及實施國家能源安全有著重大的戰略意義。