“清华炉”煤气化技术分解

“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〔接替北京达立科科技共同开发的具有自主学问产权的煤气化〔集团〕有限责任公司实现了工业化。“清华炉”不仅包括了自主创的气化炉，还包括气化工艺全流程的优化、配套技术臵设计和开车的全过程。调研综合分析的根底上，从牢靠性和运行的经济性角度动身，基于对气化反响过程把握因素深入分析及其热过程深刻理解，清华大学创性地将燃烧领域的分级送风概念和立式旋风炉的构造引入到煤气化中，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与其它气化技术主要是由化工反响器进展而来的不同，清华大学的争论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构造处理上借鉴了锅炉的水冷壁及卫燃带构造和绝热炉膛构造，因此具有鲜亮的动力设备特点。—气化技术特点〔一〕分级给氧如煤粉燃烧器一样，承受分级供氧，可以抑制喷嘴出口火焰温度。像锅炉空气分级一样，沿燃料流淌方向的适宜位臵上再补充氧气，提高温度促进气化反响，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响需氧化学当量脱离约束，削减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，气化室沿流淌方向的温度分布更合理，从喷嘴向下形成低—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，在同样氧煤比的状况下，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，可承受的煤种的灰熔点比传统工艺约高可以承受水煤浆进料，也可以干煤粉进料。反集中火焰，氧气进入了气化室顶部区域。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，该区域气化反响很弱，分级供氧工艺的二次供氧反集中火焰的卷吸，使局部煤颗粒和氧进入气化室顶部区域。这一流场构造，恰到好处又充分地利用了气化室顶部区域，作为反响空间，而又不过度反响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到达160ms-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，只从主气流中卷吸局部煤颗粒参与燃烧和气化，不会产生过度高温致密均匀的渣层。〔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、稳燃同时还有效避开了它们的缺乏之处。壁可以自由向下膨胀，避开了高温下简洁的热膨胀处理问题；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；功能的工艺烧嘴，实现了点火、投料程序一体化完成，气化炉的从冷态到满负荷的启动时间从原来的33一套热水循环系统，系统简洁；承受热水循环冷却，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、制浆工段称重给料机把握以确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，缺乏局部可补充颖水。为了制得稳定的煤浆并降送到磨煤机中。水煤浆的PH值应当把握在7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%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供给。投料前，煤浆经煤浆循环阀等自动阀门循环回煤浆槽。来自界区外的氧气由氧气总管经过流量调整阀和切断阀进入气化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 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，大局部灰渣被分别出来，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、锁的底部沉积。气化炉的粗渣和渣水排至渣池的前仓，开头隔离两仓的溢流阀保持关闭，约渣池泵送至真空闪蒸罐。固体灰渣在淋干水分后外运。3、合成气洗涤塔，合成气首先进入洗涤塔底部的水中洗掉其中的细渣。根本上不含固体颗粒的合成气沿洗涤塔向上流淌，与从塔中部进入的循环灰水和塔上部参与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把握室调整的阀门送出界区。在合成气洗涤塔的出口安装有在线气体，对一氧化碳、氢气、二氧化碳及甲烷进展检测。在合成气洗涤塔底部的水分成两局部排出。一局部是底部上层固体体颗粒，再生后的灰水经过沉淀和加热等处理后送回合成气洗涤塔。4、灰水处理系统低压闪蒸罐中，一局部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，这局部黑水通过液位把握送到真空闪蒸罐进展闪蒸，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，冷却槽中，利用灰水槽的液位作为液封，以保证其真空度。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局部，一局部去灰水除氧器，另外一局部去锁斗冲洗水罐。加快固体在沉降槽中的沉降分别速度，需要向沉降槽中参与絮凝剂。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。体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。用水煤浆进料稳定牢靠,避开了粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、泄漏等难题。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，气化反响速度快，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。系统运转率高。装臵运行连续稳定，特别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，每年不再由于换砖而停炉检修，单炉年运行时间可到达8000保证了水循环的安全性又避开了简洁的热膨胀处理问题。水循环依据自然循环设计，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。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。水煤浆投料点火承受特别设计的点火技术，气化炉从冷态到满负荷仅需3小时。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便利；真空闪蒸的液封设计，使闪蒸罐不再堵塞等。细节上的改进使气化系统能够实现长周期运行。华炉还具有较高的投资性价比，为用户供给了更好的选择。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。二技术特点参数表工程气化技术类型

气流床气化

具体参数气化技术名称气化炉组合方式喷嘴类型和特点耐火衬里合成气洗涤方式气化介质运行周期

“清华炉”煤气化技术由于水煤浆水冷壁连续运行时间长，检修时间荷，保证下游化工装臵负荷不削减水煤浆和氧气通过组合烧嘴一起进入气化炉， 壁可以设臵二次氧气水煤浆和氧气从气化炉顶部下喷，有二次氧气气化炉带点火功能的组合式烧嘴受限空间内的射流流淌，有二次氧气时，二次氧气射流反集中火焰的卷吸，使局部煤颗粒和氧进利用了气化室顶部区域，作为反响空间；同时二次氧气射流区域可以强化气化室内的物料混合耐火砖和水冷壁两种方式高温合成气冷却承受水激冷方式，下降管上有激冷水喷头，实现对高温合成气的初级降温，削减激冷水液位波动和合成气带水；洗涤塔内设臵气体分布器，合成气与洗涤水充分接触，洗涤效果好氧气大规模工业应用最长连续A140天，喷嘴使用寿命＞120天煤的粒度范围煤的粒度范围煤质分析及要求粉煤气化，对原料煤粒度没有要求50%25%，操作压力：常压～8.7MPaG操作条件操作温度：高于原料煤灰熔点约冷壁气化炉的操作温度可达 1600℃或者更高CO：～45%2 2 4工艺指标氧耗～360Nm3O/1000Nm3(CO+H)，与煤质的成浆性、蒸汽消耗煤气产量碳转化率灰熔点、灰分含量有很大关系无～570kg(干煤)/1000Nm3(CO+H)，与煤质的成浆2性、灰熔点、灰分含量有很大关系≥98%2 2适合工业领域制备化工生产用合成气、IGCC瓷工业燃料气、钢铁厂复原气等三市场应用状况工程建设和开车中提出了很多创性的改进，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 2023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到达 到达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，到达了国际领先水平。至 2023年1月9日打算检修，制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记录。专家组对“清华炉”装臵进展了现场考核。考核期间，装臵连续稳定运，考核数据到达了指标要求；气化用煤的灰熔点可以到达1500℃以上，煤种适应性显著增加；同等直径的水冷壁气化炉与原耐火砖构造的气化炉相比，燃烧室容积增大 1.6倍。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学问产权的型煤气化技术。士为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2222比氧耗比煤耗%t/h2kg/1000Nm3(CO+H)278.460.96404.3605.0总体技术处于国际领先水平。主要运行数据表工程单位运行结果日投煤量〔干煤〕t/d581有效气(CO+H)产量Nm3/h40002粗渣含碳量%2.48产气率Nm3干气/kg2.11冷煤气效率%73.2热效率%96.6的性能，已经签订了多套技术转让合同。如下表所示。编号编号用户名称气化炉参数[单炉(CO+H)产量，2压力]最终产品1分公司35000Nm3/h，4.0MPa合成氨2克拉玛依盈德气体35000Nm3/h，4.0MPa3石家庄盈鼎气体90000Nm3/h，6.5MPa4昌邑盈德气体55000Nm3/h，4.0MPa炼油供氢〔中石油〕炼油供氢〔中石化〕丁辛醇5江苏华昌化工股份合成氨、丁辛醇6山东金诚化工科技60000Nm3/h，6.5MPa7江苏德邦化工科技3炼油供氢尿素日，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公司破土开工，建设工期 23个月，工程总投资9000余万元。时间点20231120231202332023820233202392023320234～7

工程进度开头筹划此工程土建开头施工土建框架施工完华安装完华，进展单体试车一次投料成功“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炉有问题或炉砖窜气，有时会发生炉壁超温的现象，严峻时造成气化炉气化炉的外壳温度运行温度最高点仅1101202、稳定性好成分来推断气化炉的炉温，来调整氧煤比，但往往反响比较滞后，如煤浆泵打量不好时不易觉察，等觉察后再处理时，常常造成事故扩大，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3、开停快速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72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、负荷率高与本装臵一样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，必需马上停车。烧嘴冷却水承受 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承受夹套构造，烧嘴冷却水承受汽包的锅炉水，温度嘴存在的露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀等难题都得到解决。烧嘴冷却采用夹套构造，没有突出部件，不易损坏，烧嘴冷却水压力比气化炉高，即使烧嘴冷却水泄漏，也不必马上停车。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 32023Nm3燃料气。7、运行维护费用低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800～1500kg的蒸汽，每年可生产高压饱和蒸汽 以产生经济效益76～144万元〔吨蒸汽依据120元计〕。耐火砖气化炉一般运行4000～5000小时需要更换一次渣口砖；8000～12023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，每年可以削减耐火砖维护费用 300万元。8、煤种适用性广熔点煤，实现原料煤本地化，降低原料本钱。承受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，假设高灰熔点煤比现有原料煤价格低150元/吨，则每台炉每年削减原料煤本钱可达 2