廢鍋流程的合成氣/蒸汽聯產水煤漿水冷壁晉華爐煤氣化技術應用

孫雙紅

(陽煤豐喜肥業〔集團〕有限責任公司，山西運城 044000)

1 晉華爐簡介

晉華爐煤氣化技術是由清華大學山西清潔能源研究院、北京清創晉華科技有限公司、山西陽煤化工機械(集團)有限公司和陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司共同開發的新型合成氣/蒸汽聯產水煤漿水冷壁(帶輻射廢鍋)煤氣化技術，是經過多年的實踐和創新，通過產、學、研、用相結合，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[1-2]。

該裝置于2015年10月在陽煤豐喜集團(肥業)有限責任公司臨猗分公司(以下簡稱臨猗分公司)開始組建，設計有效氣產量為 35 000 m3/h(標態)，設計壓力為4.0 MPa，建設工期6個月。裝置于2016年4月1日一次投料成功，并連續穩定運行；至2017年12月1日，累計運行550 d(因電力系統春檢、秋檢、空分更換轉子、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)，運行狀況良好，有效氣成分達到81%以上。

2 工藝原理

晉華爐水煤漿氣化技術是目前先進的氣流床氣化技術。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入氣化爐，在氣化爐內，煤粉顆粒、氧氣、水等在高溫高壓條件下發生復雜的氧化還原反應，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，然后經激冷、洗滌后送后工段使用，可以作為煤基化工產品、煤基液體燃料、合成天然氣、IGCC發電、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

由煤貯運系統來的原料煤，經皮帶機輸送入煤斗，經煤稱重給料機計量進入磨煤機。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，再經添加劑計量給料泵按一定比例與水、原料煤同時進入磨煤機，在磨煤機中磨成一定粒度分布、高濃度的煤漿，出磨煤機的煤漿經滾筒篩過濾后流至磨機出料槽，由低壓煤漿泵送至煤漿槽。磨機出料槽和煤漿槽均設有攪拌器，使煤漿始終處于均勻懸浮狀態。

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管進入氣化爐，煤漿和氧氣在高溫條件下瞬間完成部分氧化反應生成粗煤氣。反應后的粗煤氣和熔渣一起出燃燒室后，進入輻射廢鍋進行熱量回收，輻射廢鍋產生高壓飽和蒸汽。經輻射廢鍋，粗煤氣降溫后與廢鍋底部的激冷水混合去往洗氣塔，經洗氣塔洗滌降溫除塵后送至用戶。

為了保護工藝燒嘴，在工藝燒嘴的端部設有水夾套，通過工藝燒嘴冷卻水的循環流動來冷卻燒嘴。氣化爐水冷壁系統和燒嘴冷卻水系統共用1套鍋爐給水系統。來自鍋爐母管的鍋爐水通過液位調節系統送入汽包，汽包中的鍋爐水通過鍋爐水循環泵分別送入氣化爐的水冷壁系統和燒嘴冷卻水系統。

氣化爐反應中產生的熔渣出燃燒室后隨粗煤氣進入廢鍋回收熱量，出廢鍋經水浴冷卻后由鎖斗系統排入渣池，由撈渣機撈出后用貨車外運。渣池黑水送至灰水處理系統進行處理。

3.3 灰水處理工段

從洗氣塔底部來的黑水進入高壓閃蒸罐，在高壓閃蒸罐中，一部分水經減壓閃蒸變成蒸汽，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入真空閃蒸冷凝器進行冷凝分離，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。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 技術優勢及優點

4.1 煤種適應性廣

由于氣化室采用膜式水冷壁結構，對氣化爐燃燒室進行保護，擺脫了耐火磚氣化爐對爐溫的限制，煤種適應性大大增強。

4.1.1 低灰熔點煤

低灰熔點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最低1 180 ℃，灰分最低5%(質量分數，下同)，最高28%。

4.1.2 高灰熔點煤

2012年，水煤漿水冷壁激冷氣化爐進行考核驗收，按照石化聯合會的要求，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，在煤漿槽連續取樣3 d進行考核，灰熔點均>1 520 ℃。

2015年，陽煤集團朔州公司在臨猗分公司對朔州煤進行試燒經濟性評價，朔州煤的灰熔點>1 550 ℃，陽煤朔州公司用煤5 000 t，經過60%、80%、100%朔州煤運行，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以使用100%朔州煤進行氣化。

4.1.3 半焦氣化

目前，煤炭提質利用后，大量半焦的使用成為一個問題。2015年，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”在臨猗分公司的水煤漿水冷壁激冷氣化爐上進行半焦試燒，經中國煤炭工業協會組織專家現場考核，證明水煤漿水冷壁氣化爐可以利用半焦進行氣化，且運行數據良好。

4.1.4 褐煤

褐煤因為其內水含量較高，成漿性較差，一直是水煤漿氣化的禁區。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，煤漿濃度為46%～50%，目前運行穩定，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項目中使用當地高堿渣煤沒有發生任何腐蝕現象，穩定運行。

4.2 點火投料系統更安全

晉華爐采用三流道的組合式燒嘴，點火時送入燃料氣，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，不會發生爆燃，實現了一個燒嘴點火、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、穩定。

4.3 本質安全性好

耐火磚氣化爐在開車和運行過程中，爐殼溫度在200 ℃以上。如果筑爐有問題或者爐磚竄氣，有時會發生爐壁超溫的現象，嚴重時甚至會造成氣化爐爐殼鼓包、爆炸事故。

膜式水冷壁采用垂直懸掛結構，布水均勻，無氣液分層，水力循環系統采用本質安全的自然循環設計，氣化室爐內壁掛渣狀況良好，渣后的水冷管吸熱量較小，副產蒸汽量≤1 t/h，既保證了水冷壁的安全，又解決了高溫環境中水冷壁的膨脹問題。水冷壁和氣化爐殼體之間充保護氣，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，因此不存在爐壁超溫的問題。

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

4.4 穩定性好

耐火磚氣化爐正常運行時，主要根據渣口壓差、洗氣塔出口氣體成分判斷氣化爐的爐溫，以調整氧煤比，但往往反應比較滯后，如煤漿泵打量差時不易察覺，等發現后再處理時，經常造成事故擴大而難以處理。

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

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行降溫冷卻，激冷水循環量大，激冷后送往閃蒸系統的水流量大，閃蒸系統熱損耗高。

晉華爐從氣化室出來的高溫合成氣進入輻射式蒸汽發生器，副產高品質的高壓蒸汽，有效回收了熱量，提高了熱量利用率，降低了能耗。廢鍋大小可根據后系統需要的汽氣比進行調節，從而保證后系統不用再補加蒸汽，合成氣通過廢鍋回收熱量后降至700 ℃左右。

4.6 燒嘴運行周期長

晉華爐沒有設獨立的燒嘴冷卻水系統，而是采用鍋爐水進行冷卻，燒嘴冷卻采用夾套結構，燒嘴運行的工藝條件得到優化，減少了造成燒嘴使用壽命縮短的因素如露點腐蝕、硫腐蝕、應力腐蝕等，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。燒嘴一次連續運行周期超過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低于耐火磚氣化爐內耐火磚對升溫速率的要求，因此晉華爐開車進度快，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 輸送安全穩定

由于采用水煤漿進料，進料系統的物料測量和調節相對于干粉進料有著不可比擬的優勢，單從磨煤系統比較，水煤漿具有流程短、投資省、能耗低、運行安全可靠等優點。

4.9 負荷率高

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，為系統擴產創造了條件。在相同煤種的負荷下，由于氣化爐燃燒室的容積增加，水煤漿在爐內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，煤的碳轉化率也得到提高。

4.10 運行費用低

耐火磚氣化爐一般運行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費用約300萬元。

在輻射廢鍋中1 000 m3(標態)有效氣可以副產3.9～10.0 MPa高品位飽和蒸汽0.5～0.9 t(煤種不同，產氣量相應有所變化)。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，則年經濟效益約為3 000萬元。

采用水煤漿進料可處理低鹽、高有機物廢水，所產的廢水污染物易處理，并可同化工生產的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，節約了廢水處理費用，降低了運行成本。晉華爐取消了燒嘴冷卻水給料泵，降低了電耗和運行成本。

4.11 投資少

水冷壁承壓鋼殼溫度比耐火磚低100 ℃左右，爐殼采用國產的14Cr1MoR，無需采用進口的SA387，主體投資費用可降低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構形式，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，不需要氣化爐的熱備，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技術考核

該晉華爐從2016年4月裝置開車到2017年11月，穩定運行19個月，達到設計負荷，具備了現場考核條件。中國石油和化學工業聯合會為促進國內自主煤氣化技術的推廣和發展，組織專家組于2017年11月11-14日對合成氣/蒸汽聯產氣化爐煤氣化技術工業裝置進行了現場72 h考核。考核期間專家組詳細考察了煤場、磨煤制漿、煤氣化、粗合成氣凈化及渣水處理等各工序現場運行情況，對控制室、分析室、現場取樣等崗位進行了全程監控。

根據現場運行情況和數據分析，考核專家組認為：①本次考核采用的煤種與設計煤種基本符合；②連續穩定運行72 h，平均負荷率為104.9%，各項指標平穩，考核數據達到了考核指標要求；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權的專利技術，國產化率達到100%；⑤運行數據與計算結果真實可靠，裝置穩定運行的技術數據與設計指標的對比如表1所示(本次考核煤種為神木煤)。

根據現場考核結果，專家組意見為：晉華爐技術裝置為國內外首套水煤漿水冷壁直連輻射廢鍋的氣化工業裝置，副產的高品質蒸汽可作為工藝和動力用汽，灰水循環量大幅度減少，節能降耗和環保綜合性能優異。

表1 晉華爐72 h考核技術經濟數據

2017年12月25日，石化聯合會在北京組織有關專家對“水煤漿水冷壁廢鍋氣化爐”(合成氣/蒸汽聯產水煤漿水冷壁煤氣化爐)進行了科技成果鑒定，專家組認為：該氣化爐技術具有顯著的創新性，擁有自主知識產權，提高系統熱效率的同時可以擴大煤種適應性，節能環保，經濟效益和社會效益明顯，綜合性能優異，總體技術處于國際領先水平。

6 結語

(1) 為徹底解決“三高煤”的氣化問題，進一步提高氣化系統的能量轉換效率，陽煤集團和清華大學在現有晉華爐基礎上，擬在陽煤豐喜集團泉稷分公司新上1臺2 000 t/d氣化爐，增加對流式蒸汽發生器，完成第4代晉華爐的研發和工業化應用，以實現氣化熱量的“全熱回收”，蒸汽產量可再增加40%～50%。

(2) 陽煤化機、清華山西研究院聯合神華低碳能源研究所投資2 000萬元，在陽煤化機建設煤氣化技術研發中試基地，研究“三高”煤和低質煤的氣化、分級提質和綜合利用問題，形成自主知識產權的煤氣化關鍵技術與設備研發能力，為煤的高效、清潔利用做技術支撐，建成國家級煤氣化工程技術中心。

(3) 進一步研發氣化壓力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全流程(包括殼體、膜式壁、輻射式蒸汽發生器、對流式蒸汽發生器、汽包等)智能化升級改造，實現全國首家氣化

爐機械化、自動化、數字化、智能化生產。同時，率先在全國建立晉華爐所有客戶運行、使用、維護等遠程網絡控制和檢測系統，為客戶提供一站式、保姆式、全生命周期服務。

(5) 陽煤化機、清華大學、陽煤豐喜將在煤化工領域形成新的“產、學、研、用”合作聯盟，將按照設計、制造、安裝、運營的“4S”模式，加快科研成果轉化，從單純氣化爐制造商向煤氣化全產業鏈延伸，并向合成氣提供商轉變，從技術、設備出售商逐步拓展為大型園區氣化島服務商，并將這一系列全球領先的技術、模式推向全國。

參考文獻

[1] 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.

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