3“清华炉”煤气化技术

1、3“清华炉”煤气化技术主流煤气化技术及市场情况系列展示（之三）“清华炉”煤气化技术技术拥有单位：清华大学、北京盈德清大科技有限责任公司“清华炉”煤气化技术是清华大学研究开发，联合北京盈德清大科技有限责任公司（接替北京达立科科技有限公司）共同开发的具有自主知识产权的煤气化工艺，并在山西阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司实现了工业化。“清华炉”不仅包括了自主创新的气化炉，还包括气化工艺全流程的优化、配套技术的创新，因而改善了气化炉的煤种适应性，提高了气化系统的稳定性和可靠性，降低了气化岛的能耗，综合形成了以“清华炉”为核心的经济型气流床气化技术体系。“清华炉”产学研三方合作，顺利完成了专利研究、数学

2、模型研究、实验室冷热态研究、小试、工艺包开发和工业装臵设计和开车的全过程。从2001年开始，针对大规模气化技术用于发电和化工等领域，在仔细调研综合分析的基础上，从可靠性和运行的经济性角度出发，基于对气化反应过程控制因素深入分析及其热过程深刻理解，清华大学创新性地将燃烧领域的分级送风概念和立式旋风炉的结构引入到煤气化中，将热能工程领域的自然循环和膜式水冷壁凝渣保护原理扩展到煤气化领域，提出了分级供氧水煤浆气化技术和水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术。与其它气化技术主要是由化工反应器发展而来的不同，清华大学的研究是从锅炉燃烧演化而来的。清华炉煤气化技术的核心思想是来源于煤粉锅炉当中的空气分级供给、自然循

3、环原理、膜式水冷壁凝渣保护原理等，结构处理上借鉴了锅炉的水冷壁及卫燃带结构和绝热炉膛结构，因此具有鲜明的动力设备特点。一气化技术特点（一）分级给氧气化炉喷嘴附近温度是由燃料量和氧气量及其混合效果决定的。正如煤粉燃烧器一样，采用分级供氧，可以抑制喷嘴出口火焰温度。像锅炉空气分级一样，沿燃料流动方向的合适位臵上再补充氧气，提高温度促进气化反应，形成熔渣，以此改善喷嘴的寿命。由于氧气分级供给，气化炉主喷嘴供氧量与反应需氧化学当量脱离约束，减少了主喷嘴的氧气负荷，改善了主喷嘴的工作环境，延长了其运行周期。在此过程中，燃料的热量释放和氧气的供给时间相匹配，气化室沿流动方向的温度分布更合理，从喷嘴向下形成

4、低高低温度曲线，见图一，高温区从喷嘴端部下移，喷嘴处于相对低的温度区域，并提高了出渣口区域的温度，同时提高了气化室内平均温度，使气化的效果得到改善。由于氧气分级供给，比不分级气化炉轴向温度均衡，长径比可加大，突破了国内外关于水煤浆气化室的截面出力的限制。从图一还可以看出，在同样氧煤比的情况下，分级供氧气化室排渣口的温度比只有主喷嘴供氧时要高，因而可以放宽对煤种灰熔点的要求，煤种适应性宽，可采用的煤种的灰熔点比传统工艺约高100K，扩大了气化炉煤种的适应性。事实上，该技术可以采用水煤浆进料，也可以干煤粉进料。分级给氧气化炉的流场更为合理。由于二次供氧在氧气入口处形成反扩散火焰，氧气进入了气化室顶

5、部区域。传统的气化炉没有水平方向的供氧，在气化室顶部形成了缺氧区，该区域气化反应很弱，分级供氧工艺的二次供氧反扩散火焰的卷吸，使部分煤颗粒和氧进入气化室顶部区域。这一流场结构，恰到好处又充分地利用了气化室顶部区域，作为反应空间，而又不过度反应而影响气化室顶部砖的寿命。由于水平方向只有质量很小的氧气射流，在向下主气流作用下，即使水平方向氧气流速达到160m s-1也不会射到对面炉壁；水平方向射流中没有固体煤颗粒射入，只从主气流中卷吸部分煤颗粒参与燃烧和气化，不会产生过度高温威胁气化室顶部砖。以上两方面使分级供氧工艺具有固有安全性。这一点也在工业生产中得到验证：不投入二次供氧时，气化室顶部砖上附有

6、厚厚的高低不平蜂窝状渣层，投入二次供氧以后，气化室顶部砖上附有致密均匀的渣层。（二）水煤浆水冷壁水煤浆水冷壁气流床煤气化技术，成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题，充分发挥出了水煤浆耐火砖和干粉水冷壁技术的全部优点，同时还有效避开了它们的不足之处。1.膜式水冷壁采用热能工程领域成熟的垂直悬挂膜式壁结构，水冷壁可以自由向下膨胀，避免了高温下复杂的热膨胀处理问题；2.水冷壁管的水循环按照自然循环设计，是本质安全的循环系统，即使在紧急状态下，也能够最大限度保证水冷壁的安全运行；3.将原耐火砖结构气化的预热烧嘴和工艺烧嘴组合成为一个带点火功能的工艺烧嘴，实现了点火、投料程序一体化完成，气化炉的从冷态

7、到满负荷的启动时间从原来的3天缩短到3个小时；4.工艺烧嘴的水冷却结构采用整体夹套式，烧嘴冷却与水冷壁共用一套热水循环系统，系统简单；采用热水循环冷却，降低了工艺烧嘴的热应力，烧嘴使用寿命长。（三）气化工艺流程1、制浆工段从界区外的运输系统送来的原料煤首先进入煤斗，煤斗中的煤由煤称重给料机控制以一定的质量流率进入棒式磨煤机。制浆用的水包括磨煤单元的冲洗水、排放、泄露、灰/黑水处理单元的滤液和工厂内其他装臵的难以处理废水，不足部分可补充新鲜水。为了制得稳定的煤浆并降低煤浆粘度，在磨煤机中还需加入水煤浆添加剂。在添加剂配制池中配制的水煤浆添加剂经过添加剂配制池泵送到添加剂槽，再经过添加剂泵送到磨煤

8、机中。水煤浆的PH值应该控制在7以上，煤、水、各种添加剂在磨煤机中研磨到所需要的粒度分布，制得重量百分比约为60%的水煤浆。从磨煤机初步制得的水煤浆通过磨煤机出口的滚筒筛流出，滚筒筛可以筛除煤浆中的大颗粒。水煤浆在重力的作用下流到磨煤机出料槽。磨煤机出料槽泵将水煤浆从磨煤机出料槽输送到煤浆槽中。为防止煤浆沉淀，在磨煤机出料槽和煤浆槽中分别设臵有磨煤机出料槽搅拌器和煤浆槽搅拌器，在搅拌器的作用下水煤浆保持悬浮状态。2、气化工段来自煤浆槽的煤浆依靠重力自流到高压煤浆泵的入口，煤浆由煤浆泵加压后，经煤浆切断阀进入工艺烧嘴。煤浆泵所需的入口压头由煤浆槽提供。投料前，煤浆经煤浆循环阀等自动阀门循环回煤浆

9、槽。来自界区外的氧气由氧气总管经过流量调节阀和切断阀进入气化炉，氧气的流量测量需要进行温度和压力补偿。根据安全系统要求，在启动阶段氧气通过氧气放空消音器排放到大气中并建立氧气流量。工艺烧嘴把水煤浆和氧气一起送入气化炉中。离开气化炉燃烧室的粗合成气与灰渣一起向下流过激冷环，经过激冷环时，激冷环内喷出的雾化水将粗合成气和灰渣激冷至1050（煤的变形温度以下），然后进入气化炉下部的水浴。下部水浴的灰水来自合成气洗涤塔，在气化炉下部，大部分灰渣被分离出来，大块渣靠重力作用沉入气化炉底部，悬浮在水中的灰随气化炉灰水外排至低压闪蒸罐。进入气化炉下部水浴的灰渣在循环水流的作用下经锁斗安全阀、锁斗进口阀进入锁

10、斗。为防止系统堵塞，在气化炉和锁斗安全阀之间装有破渣机，大块的渣由破渣机破碎。循环水流由锁斗循环泵建立。锁斗循环水是从锁斗顶部溢流的含固量相对较少的灰水，循环水流回到气化炉激冷室底部，并携带粗渣进入锁斗。大部分从气化炉来的固体都在锁斗的底部沉积。气化炉的粗渣和渣水排至渣池的前仓，开始隔离两仓的溢流阀保持关闭，约5分钟后，溢流阀打开，较澄清的上部黑水送入渣池后仓，用渣池泵送至真空闪蒸罐。固体灰渣在淋干水分后外运。3、合成气洗涤从气化炉激冷室出来的粗合成气通过文丘里洗涤器进入合成气洗涤塔，合成气首先进入洗涤塔底部的水中洗掉其中的细渣。基本上不含固体颗粒的合成气沿洗涤塔向上流动，与从塔中部进入的循环

11、灰水和塔上部加入的来自界区外的冷凝液逆流直接接触，洗涤剩余的固体颗粒，离开洗涤塔的合成气中含尘量小于1mg/Nm3。在洗涤塔顶部安装有旋流板除沫器，合成气在离开洗涤塔时除去其中夹带的水雾，干净的合成气出洗涤塔后经过可从控制室调节的阀门送出界区。在合成气洗涤塔的出口安装有在线气体分析仪，对一氧化碳、氢气、二氧化碳及甲烷进行检测。在合成气洗涤塔底部的水分成两部分排出。一部分是底部上层固体含量较少的灰水，灰水经过激冷水泵加压后，经过激冷水过滤器进入气化炉激冷环和文丘里洗涤器。从洗涤塔底部出来的另外一部分含固量较多的黑水通过流量控制进入黑水闪蒸系统进行黑水处理以除去其中的固体颗粒，再生后的灰水经过沉淀

12、和加热等处理后送回合成气洗涤塔。4、灰水处理系统从气化炉激冷室和合成气洗涤塔底部来的黑水进入低压闪蒸罐。在低压闪蒸罐中，一部分的水经减压闪蒸变成蒸汽，蒸汽送到灰水除氧器作为加热蒸汽。从低压闪蒸罐底部排出的水含有较多的固体颗粒，这部分黑水通过液位控制送到真空闪蒸罐进行闪蒸，来自渣池的黑水也送到真空闪蒸罐。经过真空闪蒸罐的闪蒸，黑水中大量溶解的气体释放出来。从真空闪蒸罐出来的蒸汽首先进入真空闪蒸冷凝器由循环水冷却，冷却后的气体进入真空闪蒸分离器。闪蒸真空泵将真空闪蒸分离器出来的气体抽引出后直接排大气，液体去灰水槽。真空闪蒸罐不控制液位，其下液直接插入沉降槽中心筒，利用沉降槽的液位作为液封，以保证其

13、真空度。真空闪蒸分离器也不控制液位，真空闪蒸分离器下液直接插入灰水槽中，利用灰水槽的液位作为液封，以保证其真空度。从真空闪蒸罐来的含固量较高的黑水进入沉降槽中，进入沉降槽的黑水经过絮凝沉淀后，沉降槽上部的澄清水溢流，依靠重力作用进入灰水槽。灰水槽中储存的灰水经过低压灰水泵加压后分成两部分，一部分去灰水除氧器，另外一部分去锁斗冲洗水罐。沉降槽的作用是使黑水中的固体颗粒在重力作用下沉降分离。为了加快固体在沉降槽中的沉降分离速度，需要向沉降槽中加入絮凝剂。在沉降槽中安装了一个缓慢移动的沉降槽耙灰器，用来把沉降下来的固体送到沉降槽底部的出口。在沉降槽底部的固体和水通过沉降槽底泵送到过滤机。黑水中的固体

14、留在过滤机上部形成细渣滤饼，然后用卡车或者皮带送出界区，滤液进入滤液槽。滤液经滤液泵加压后送往沉降槽，也可直接送往研磨水槽作为制浆用水。（四）技术优势1.稳定性好。水煤浆气化工艺成熟，水冷壁挂渣稳定。用水煤浆进料稳定可靠,避免了粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、泄漏等难题。2.煤种适应性强。水煤浆水冷壁清华炉的气化温度不受耐火材料限制，可达1600或更高，气化反应速度快，碳转化率高，煤种适应性好,能够消化高灰分、高灰熔点、高硫煤。3.系统运转率高。装臵运行连续稳定，特殊设计的工艺烧嘴冷却系统有效延长了烧嘴的使用寿命，一次连续运行周期可以保证120天以上，每年不再因为换砖而停炉检修，单炉年运行

15、时间可达到8000小时。4.安全性强。水冷壁采用热能工程领域成熟的悬挂垂直管结构，既保证了水循环的安全性又避免了复杂的热膨胀处理问题。水循环按照自然循环设计，强制循环运行，紧急状态下能实现自然循环，最大限度保证水冷壁的安全运行。5.启动快。组合式点火升温过程简化，点火、投料程序一体化完成。水煤浆投料点火采用特殊设计的点火技术，气化炉从冷态到满负荷仅需3小时。6.技术细节处理好。清华炉气化技术在工业化过程，在细节的设计上有很多创新，如碳洗塔底部的气体分布器，使灰水和煤气的充分混合，保证了煤气的洗涤效果；闪蒸罐中的环槽分布器设计，使闪蒸系统的检修更方便；真空闪蒸的液封设计，使闪蒸罐不再堵塞等。细节

16、上的改进使气化系统能够实现长周期运行。此外，清华炉还具有较高的投资性价比，为用户提供了更好的选择。由于核心技术的突破，流程的优化，科学的设备国产化选择，使得清华炉与国内外同类装臵相比，同样规模可节约投资20%以上。三市场应用情况“清华炉”煤气化技术不仅具有自主知识产权的核心专利，而且在工程建设和开车中提出了很多创新性的改进，形成了数十项外围专利。水煤浆水冷壁“清华炉”第一套工业装臵于2011年8月22日在山西阳煤丰喜投入运行，第一年投运即实现了年运转率达到94%、年负荷率达到120%的好成绩，全面实现了研发和设计意图，主要技术指标优于设计值，达到了国际领先水平。至2012年1月9日计划检修，创

17、造了首次投料并安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业气化技术开车的新记录。2012年8月1日4日，中国石油和化学工业联合会组织现场考核专家组对“清华炉”装臵进行了现场考核。考核期间，装臵连续稳定运行72小时，平均负荷率为103.1%，考核数据达到了指标要求；气化用煤的灰熔点可以达到1500以上，煤种适应性显著增强；同等直径的水冷壁气化炉与原耐火砖结构的气化炉相比，燃烧室容积增大 1.6倍。根据现场考核结果，专家组确认，该装臵为世界首套水煤浆水冷壁气化工业装臵，综合性能优异，是具有国际领先水平的拥有自主知识产权的新型煤气化技术。2012年9月3日，该技术成果通过了以中国工程院副院长谢克昌院士为

18、鉴定委员会主任的科技成果鉴定。鉴定委员会认为：该气化炉技术具有显著的创新性，拥有自主知识产权，同时具有水煤浆耐火砖和干粉水冷壁气化炉的优点，综合性能优异，具有明显的经济效益和社会效益，总体技术处于国际领先水平。截至目前，“清华炉”进入市场还不到一年的时间，但由于其优异的性能，已经签订了多套技术转让合同。如下表所示。四最佳运行案例2009年8月1日，日处理煤量600吨，运行压力 4.0MPa的全球第一台水煤浆水冷壁气化炉在山西阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司临猗分“清华炉”气化技术在该运行方案中表现出以下几个特点：1、安全性好耐火砖气化炉在开车和运行过程中，炉壳温度在200以上，如果筑炉有问题或

19、炉砖窜气，有时会发生炉壁超温的现象，严重时造成气化炉炉壳鼓包、爆炸。而水冷壁气化炉采用全密封垂直管结构，水冷壁和气化炉壳体之间充保护气，并且高温气与气化炉承压钢壳之间还有激冷水隔离保护，因此不存在炉壁超温的问题。目前运行过程中水冷壁水煤浆气化炉的外壳温度运行温度最高点仅110左右，比耐火砖气化炉温度低120左右。2、稳定性好耐火砖气化炉正常运行时，主要依靠看渣口压差、洗涤塔出口气体成分来判断气化炉的炉温，来调整氧煤比，但往往反应比较滞后，如煤浆泵打量不好时不易发现，等发现后再处理时，经常造成事故扩大，难以处理。而水冷壁气化炉正常运行时，除了看渣口压差、洗涤塔出口气体成分外，水冷壁的蒸汽产量更能

20、直接反应气化炉的炉温，如煤浆泵打量不好，蒸汽产量会瞬间增大，操作工可以及时处理，避免事故扩大。3、开停迅速由于水冷壁保护涂层对升温速率的要求远远低于耐火砖气化炉内耐火砖对升温速率的要求，因此水冷壁气化炉开车速度快，从升温到投煤浆一般只需要1小时就可以完成，而耐火砖一般需要72小时的升温时间。而且水冷壁气化炉由于蓄热很少，一般停炉后很快就可以具备开车条件，不需要备炉。4、负荷率高与本装臵相同直径的耐火砖气化炉燃烧室容积约为12.5m3,水冷壁气化炉燃烧室的容积增加到20m3左右，燃烧室容积增加后，为系统的扩产创造了条件。在相同煤种相同负荷下，由于气化炉燃烧室的容积增加，水煤浆在炉内的停留时间比目

21、前的耐火砖炉子长，有效气的含量相对于目前也有所提高，煤的碳转化率也得到了提高。5、工艺烧嘴运行时间长耐火砖气化炉烧嘴冷却采用盘管，压力也比气化炉压力低，水冷盘管极易损坏，水冷盘管损坏后，高温、高压煤气将会直接进入烧嘴冷却水系统，必须立即停车。烧嘴冷却水采用40左右的低温水，烧嘴内外温差大，承受的热应力也大；同时低温冷却水会产生露点腐蚀、硫腐蚀等。而水冷壁气化炉烧嘴冷却采用夹套结构，烧嘴冷却水采用汽包的锅炉水，温度250以上，烧嘴运行的工艺条件得到优化，耐火砖气化炉烧嘴存在的露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀等难题都得到解决。烧嘴冷却采用夹套结构，没有突出部件，不易损坏，烧嘴冷却水压力比气化炉高，即使烧

22、嘴冷却水泄漏，也不必立即停车。水冷壁气化炉的烧嘴运行时间比耐火砖气化炉烧嘴的连续运行时间长。6、开工费用低单台耐火砖气化炉每次烘炉大致需要消耗热值为2300大卡的燃料气36000Nm3左右，而水冷壁炉子每次烘炉仅需要消耗同等热值燃料气约4000Nm3。水冷壁气化炉每次烘炉比耐火砖炉节约32000Nm3燃料气。7、运行维护费用低水冷壁气化炉与耐火砖气化炉相比，在相同煤质相同负荷条件下，由于气化炉燃烧室容积增大，有效气含量有所提高，而且每小时可副产8001500kg的蒸汽，每年可生产高压饱和蒸汽640012000吨蒸汽，可以产生经济效益76144万元（吨蒸汽按照120元计）。耐火砖气化炉一般运行4

23、0005000小时需要更换一次渣口砖；800012000小时需要更换一次向火面砖。水冷壁气化炉彻底摆脱了耐火砖气化炉砖磨损的更换问题，每年可以减少耐火砖维护费用300万元。8、煤种适用性广水冷壁气化炉燃烧室的运行温度不受耐火砖的限制，可以使用高灰熔点煤，实现原料煤本地化，降低原料成本。采用水煤浆水冷壁气化炉后，可使用高灰熔点煤。单炉日投煤量以600吨计，如果高灰熔点煤比现有原料煤价格低150元/吨，则每台炉每年减少原料煤成本可达2700万元。9、环境友好耐火砖气化炉炉砖采用高铬砖，在运行过程中，耐火砖会被炉渣侵蚀、剥落，含铬炉渣会对环境造成影响；在气化炉换砖过程中，拆下来的含铬的炉砖也不易处理；耐火砖气化炉的烘炉过程很长，原始烘炉需20天左右，正常烘炉需3天以上，排放的废气量多。而水冷壁气化炉内部仅有30mm厚的SiC涂层，在运行时也不需再进行更换，在运行时不会脱落，对环境无害；水冷壁气化炉的耐火材料烘炉时间很短，一般一个小时即