本帖最后由 互联网世界关 于 2016-3-7 14:14 编辑
水煤浆水冷壁（清华炉）气化技术一、概述
第一代清华炉耐火砖气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术）大型工业装置已分别在大唐呼伦贝尔（18/30项目）、鄂尔多斯市金诚泰化工有限责任公司（一期60万吨甲醇装置）、山西阳煤丰喜肥业（集团）临猗分公司投入运行，运行至目前三套装置均运行稳定，专家鉴定认为“该技术优于国外同类技术，具有国际先进水平”。
第二代清华炉水煤浆水冷壁技术是气化炉的燃烧室采用水冷壁型，气化炉内件本身是一台膜式水冷壁，安装在整个气化炉承压外壳中。气化炉运行时，气化反应段膜式壁固化的灰渣层，能够对水冷壁起保护作用，防止水冷壁管受到熔渣的侵蚀，达到“以渣抗渣”的效果。水冷壁清华炉煤气化技术对煤种适应性强，能够消化高灰份、高灰熔点、高硫煤，易于实现气化煤本地化。清华炉煤气化技术残炭含量低，废渣易于收集处理，废水无难处理污染物，正常生产过程中无废气排放；制浆用水可以使用工厂难以处理的有机废水，对环境友好。
第二代水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术的工业装置于2011年8月在山西丰喜投入运行，首次投料即进入稳定运行状态，并全面实现了研发和设计意图。至2012年1月9日计划检修，创造了首次投料并安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业奇迹。水冷壁清华炉气体成份与水煤浆耐火砖炉气体成份相当，且不必每年数次更换锥底砖，定期更换全炉向火面砖，节约运行费用并提高单台气化炉的年运转率，为煤气化生产装置的“安稳长满优”运行创造了条件。
清华炉煤气化技术可应用于国家重点新能源领域，煤炭的清洁利用和石油、天然气替代项目。适用于合成氨、甲醇、煤制氢、煤制乙二醇、煤制烯烃、煤制油、煤制天然气、煤制芳烃、冶金、石化、陶瓷、玻璃、液体燃料及电力等行业。
清华炉煤气化技术为煤炭洁净化开发，利用丰富的“三高”煤资源走出了一条创新之路，第一代清华炉已有山西丰喜、山西焦化、内蒙金诚泰、大唐呼伦贝尔、惠生内蒙、江苏永鹏等多个生产厂家20余台气化炉建成运行或即将投运；第二代水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术除山西丰喜运行外，已与石家庄盈鼎、潍坊盈德公司、克拉玛依盈德公司、中海石油天野化工有限公司、江苏德邦兴华化工科技有限公司、山东金诚化工科技有限公司、新疆天智辰业化工有限公司、河北正元化工集团公司、阳泉煤业（集团）有限责任公司、兴安盟乌兰泰安能源化工有限责任公司等十几家公司签约。目前，正在对在贵州水城矿业集团鑫晟煤化工有限公司和黑龙江北大荒农业股份有限公司浩良河分公司的水煤浆耐火砖炉进行水冷壁技术改造。这将为水煤浆水冷壁清华炉技术的推广、应用提供了更加广阔的发展前景。
二、技术特点稳定性好：水煤浆气化工艺成熟。用水煤浆进料稳定可靠，水冷壁挂渣稳定。水煤浆运行安全可靠，避免了干粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、泄漏等难题；
煤种适应性强：气化温度不受耐火材料限制，工业实际运行温度已达1520℃（或更高），气化反应速度快，碳转化率高，煤种适应性好，能够消化高灰份、高灰熔点、高硫煤，易于实现气化煤本地化。
系统运转率高：装置运行连续稳定，烧嘴头部采用特殊处理，一次连续运行周期保证100天以上，每年不再因为更换耐火砖而停炉检修，年运行时间可达到8000h。
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，事故状态下能实现自然循环，最大限度保证水冷壁的安全运行。
环境友好，环保高效： 炉温高，残炭含量低，易于收集处理，废水无难处理污染物；制浆可以使用各种难以处理的废水。
系统启动快：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独特的“火点火”技术，气化炉从冷态到满负荷仅需五小时。
气化压力高：气化压力不受原料输送系统影响，可根据后续工段要求进行更加合理的选择，能实现与甲醇合成等压，降低能耗。
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，如洗涤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，细节上的改进使气化系统能够实现长周期稳定运行。
三、流程特点1.1 流程简图 （1）采用清华水煤浆水冷壁加压气化工艺，具有单炉处理煤能力大、运行安全稳定可靠、碳转化率高、合成气中有效气成份即CO+H2高、冷煤气效率高、工艺流程简洁、同等规模设备投资低、开停车快捷、年运转率高、节能环保的优势。 （2）化工装置工艺技术先进，热量利用合理，能量实现分级利用，从而使得热电站规模可以大幅的减小，从而大大节约了投资。 （3）本项目自动控制系统采用DCS集散控制, 使得整个装置操作控制稳定，便利迅捷。同时对关键的工序和关键设备采用安全仪表系统（SIS），SIS 采用三重化的冗余、容错系统。为全装置关键的设备和系统提供安全保证。 （4）装置正常生产过程中，废气、废固排放达到国家环保要求，废水实现零排放，实现清洁生产。
四、水煤浆水冷壁气化技术与其他同类煤气技术的对比1气化炉燃烧室结构的比较耐火砖气化炉燃烧室 耐火砖气化炉燃烧室（见下图1）由外壳和耐火砖组成，在气化炉的耐火砖失效时，为了及时发现气化炉外壁超温情况，气化炉外壳还安装有表面温度报警系统。 气化炉反应室的内部形状是通过耐火砖的砌筑来实现的，一般耐火砖分为三层，在相同外壳直径条件下炉膛内径较小。 向火面砖：向火面包括工艺烧嘴入口、气化炉拱顶、气化炉侧墙、气化炉锥底和出口。在需要的地方必须使用特殊形状的耐火砖，以使这些层能够紧密结合并保证高的抵抗力。向火面砖要求能自由膨胀，自立于托砖板上，砖与砖之间不能用凹凸台配合。本项目如果采用四喷嘴气化炉，需要在气化炉中部增加耐火砖托专板。通常采用含Cr2O3≥86%的耐火砖。 背衬砖：向火面砖的底层炉衬，紧靠向火面砖的后面，用于支撑拱顶砖的重量，自立于托砖架上。通常采用含Cr2O3≥12%的耐火砖。 隔热砖：超级耐用的绝热耐火砖组成的绝热层，用于降低气化炉金属外壳的温度。通常采用含Al2O3≥98%的耐火砖。 气化炉锥底砖一般运行4000～5000小时左右更换一次，换砖连同气化炉升降温的时 图1多元料浆耐火砖气化炉
图2 水煤浆水冷壁气化炉
图3 四喷嘴气化炉 间周期一般为20天；气化炉向火面砖一般运行10000小时左右更换一次，换砖时间连同气化炉升降温的时间周期一般为60天。 目前，耐火砖气化炉烧嘴一般运行时间为50～80天左右需更换一次。 水冷壁气化炉燃烧室 水冷壁气化炉燃烧室（见上图2）由外壳和水冷壁内件两部分组成，气化炉外壳设置有炉壁测温点。 气化炉水冷壁分为三部分，分别为主水冷壁、上部盘管和渣口盘管。水冷壁内衬20～30mm的耐火材料，主要成分为SiC。 气化炉烧嘴一般运行时间为120天左右需更换一次。
2水冷壁型清华炉和多元料浆气化炉、四喷嘴的主要对比3工艺系统的比较3.1气化炉的点火、投料| 项目 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
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| | | | | 采用15CrMoR/14Cr1MoR（炉壳设计温度300℃） | | | | | | | | | | | | | |
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| 耐火砖炉子壁温一般比水冷壁高110℃左右，水冷壁将原耐火砖炉子的散热变成了蒸汽，效率较高。 | | 气化炉4000～5000小时更换一次锥底砖，10000小时左右更换一次向火面砖 | 气化炉4000～5000小时更换一次锥底砖，10000小时左右更换一次向火面砖 | 气化炉水冷壁寿命约10年，每年平均可节约费用144万元 | | | | | | | | | | | | | | | | | | 烧嘴冷却水温度43℃左右，存在露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀 | 烧嘴冷却水温度43℃左右，存在露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀 | 烧嘴冷却水温度250℃左右，烧嘴运行工艺改善，不存在露点腐蚀、硫腐蚀，应力腐蚀减小 | | | | 烧嘴冷却水压力低于气化炉压力，轻微泄漏必须马上停车 | 烧嘴冷却水压力低于气化炉压力，轻微泄漏必须马上停车 | 烧嘴冷却水压力高于气化炉压力，轻微泄漏不必马上停车 | | | | 除渣口压差、气体成分外还可通过蒸汽产量、水冷壁出口温度等判断炉温，便于操作 | | | | 工业装置灰熔点≤1520℃煤种，适应性强，可降低原料煤采购成本。 |
多元料浆耐火砖气化炉点火和投料采用两个不同的烧嘴，预热烧嘴主要作用是将气化炉温升至800～1000℃，然后再更换工艺烧嘴投料。煤浆的燃烧主要依靠耐火砖的蓄热，投料后，反应历程为脱水分和挥发份→燃烧→气化，所以气化炉温度先降后升，经常发生炉内燃爆。
四喷嘴耐火砖气化炉点火和投料采用两个不同的烧嘴，预热烧嘴主要作用是将气化炉温升至800～1000℃，然后再更换工艺烧嘴投料。煤浆的燃烧主要依靠耐火砖的蓄热，首先投用一对烧嘴，反应历程为脱水分和挥发份→燃烧→气化，所以气化炉温度先降后升，经常发生炉内燃爆，运行稳定后投用另外一对烧嘴。
水冷壁气化炉点火和投料采用一个组合烧嘴完成，不需设置开工升温烧嘴，直接用工艺烧嘴将气化炉温度升至800℃后投料。投料时由于炉内有燃料气、氧气在进行燃烧，燃料气、氧气和煤浆混合后从喷嘴喷出，煤浆直接燃烧，气化炉温度立刻上升，不会发生炉内燃爆。
3.2燃料气系统 多元料浆与四喷嘴气化炉在烘炉时，炉内为负压，燃料气压力一般在0.5MPaG左右即可。水冷壁气化炉采用特殊的组合烧嘴升温点火形式，炉内压力为正压，投料时煤浆和氧气压力均在1.0MPaG左右，所以燃料气压力也应保证在1.2MPaG以上。 燃料气可选用天然气、液化气、驰放气等，可根据具体情况选择合适的燃料气。
3.3氮气系统水冷壁气化炉和多元料浆与四喷嘴气化炉对氮气系统的要求相同。
3.4锅炉水系统水冷壁气化炉需增加和水冷壁相配套的设备，包括汽包和锅炉水循环泵，气化炉水冷壁系统和烧嘴冷却水系统共用一套锅炉给水系统。汽包中的锅炉水，通过锅炉水循环泵分别送入气化炉的水冷壁系统和烧嘴冷却水系统。 水冷壁气化炉正常开车期间，产生约≤3 t/h蒸汽，需要补充～3 t/h左右的锅炉水，锅炉水压力≥5.0MPaG，温度≥104℃。
3.5蒸汽多元料浆与四喷嘴气化炉在开车阶段开工抽引器需要消耗低压蒸汽，消耗量一般为5～10t/h，水冷壁气化炉由于不再更换烧嘴，不需使用开工抽引器。 水冷壁气化炉在开车阶段需要使用低压蒸汽对汽包和水冷壁进行升温，温度一般升至180℃左右，蒸汽消耗量一般为0.5～1t/h。 水冷壁气化炉正常开车期间，产生高于气化压力0.5MPaG的饱和蒸汽，流量约3 t/h（蒸汽产量主要和炉温有关），此部分蒸汽可直接并入工厂蒸汽管网。
3.6保护氮气水冷壁环隙需要充保护气体，可以充氮气、二氧化碳或驰放气等干燥气体，压力高于气化压力0.5MPaG，流量约200Nm3/h。
3.7公用工程消耗对比3.8水煤浆水冷壁（清华炉）气化技术的主要优势安全性好 多元料浆与四喷嘴耐火砖气化炉存在的主要风险为气化炉炉壳超温，耐火砖气化炉在开车和运行过程中，气化炉承压钢壳的温度在200℃以上，如果筑炉有问题或炉砖串气，就会发生炉壁超温的现象，严重时造成气化炉炉壳鼓包、爆 zha。国内同类厂家曾出现过气化炉壳体鼓包、爆 zha等事故。如鲁南化肥厂（德士古）、淮南化肥厂（德士古）、南京惠生（德士古）、滕州凤凰（四喷嘴）、华鲁恒升（多元料浆）等厂家。耐火砖气化炉发生的事故主要是由于耐火砖固有特征决定的。 水冷壁气化炉因其环腔保护结构，炉壁温度不会高于水冷壁温度，不存在炉壁超温的问题一般。比耐火砖炉的炉壁温度降低约100℃左右，且不存在串气想象，气化炉不会发生鼓包、爆 zha等事故。 在设备安全方面，水冷壁气化炉比耐火砖气化炉有更好的安全性。水冷壁气化炉安全问题可控。 稳定性好多元料浆和四喷嘴炉耐火砖气化炉正常运行时，主要依靠看渣口压差、洗气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。 清华水冷壁炉正常运行时，除了看渣口压差、洗气塔出口气体成分外，水冷壁的蒸汽产量更能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。 煤种适应性强多元料浆和四喷嘴炉由于受到耐火砖的限制，对煤种的灰熔点要求很高，一般要求煤的灰熔点不能超过1350℃。 清华炉对煤的灰熔点可以适当放宽，在清华炉的工业示范装置上试烧灰熔点为1520℃的原料煤，系统运行正常、稳定。清华炉合理的流场和进料方式决定了高灰熔点的煤也可气化并顺利排渣。 对环境友好多元料浆和四喷嘴炉炉砖采用高铬砖，向火面砖的Cr2O3含量要求不低于85%，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；且烘炉过程很长，原始烘炉需20天左右，正常烘炉需3天以上，放空的废气较多。 清华炉内部仅有30mm厚的SiC涂层，在运行时也不需再进行更换，运行时对环境无害；清华炉的耐火材料烘炉时间很短，两个小时即可直接投料，放空的废气少。 烧嘴运行时间长多元料浆和四喷嘴炉烧嘴一般运行时间为50～80天，如煤质好，烧嘴头部进行特殊处理，有时也可达到100天。烧嘴冷却采用盘管，压力也比气化炉压力低，在烧嘴拆装过程中，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。 清华水冷壁炉的烧嘴和水冷壁共用一套循环水系统，循环水温度高，运行条件比较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，即使烧嘴冷却水泄漏，也不必立即停车。 单炉运转时间长多元料浆和四喷嘴气化炉耐火砖一般运行4000～6000小时后需要更换锥底砖，换砖需要20天左右；运行10000小时左右，需要更换向火面砖，时间需要60天左右。年运转时间最长6500小时，对于化工生产来讲，需要设置备用炉。 清华炉无需换砖，仅需定期停炉更换烧嘴进行系统清理，单炉年运转可以达到8000小时以上，可以不设置备用炉。 投资低多元料浆和四喷嘴炉由于炉璧温度较高，炉壳需要选用进口SA387材料制作，炉内还需砌筑耐火砖，单炉造价高，制作工期长；由于需要开工蒸汽，有些新建厂还需为气化烘炉单独建设开工锅炉。 清华水冷壁炉炉壁温度较低，选用国产的14Cr1MoR即可，单炉造价低，制作工期短。初步测算，对于创源煤项目而言，单套气化装置在同等配置情况下比多元料浆气化炉投资节省1000万元；比四喷嘴气化炉投资节省更多。气化炉烘炉也不需开工锅炉。 耐火砖减少的费用多元料浆和四喷嘴气化炉耐火砖一般运行5000小时后需要更换锥底砖，时间需要20天左右；运行13000小时左右，需要更换向火面砖。以本项目直径3200mm的气化炉为例，向火面砖及拱顶砖更换一次的费用大致在400万元左右，气化炉一开一备，单台气化炉年均运行时间4000h，十年时间单台气化炉需要更换向火面砖及拱顶砖3次（最少），需要费用1200万元，锥底砖的更换费用为30万元左右，十年时间需要更换8次左右，需要费用240万元。综合考虑十年时间单台气化炉仅更换耐火砖就需要支付将近1440万元，对于本项目而言年均单台耐火砖更换费用为144万元（最低）。 烘炉费用的减少多元料浆和四喷嘴耐火砖气化炉每次开车前需要烘炉，每次烘炉需要消耗燃料气、蒸汽和激冷水，水冷壁气化炉不需提前烘炉，仅需在开车前1～2小时对气化炉开始点火，可节约大量烘炉费用。 多元料浆和四喷嘴耐火砖气化炉单炉连续运行时间按照80天计算，年运行时间8000小时，系统每年平均烘炉4.16次，每次烘炉时间平均72小时，天然气消耗量平均500Nm3/h，年消耗天然气72×500×4.15=149400Nm3。 清华水冷壁炉单炉连续运行时间按照120天计算，年运行时间8000小时，系统每年平均烘炉2.7次，每次烘炉时间平均2小时，天然气消耗量平均1000Nm3/h，年消耗天然气2×1000×2.7=5400Nm3。 如果考虑多元料浆/四喷嘴等耐火砖炉的热备状态，则燃料气消耗更为巨大；而清华水冷壁炉不需热备。 蒸汽多元料浆和四喷嘴耐火砖气化炉在烘炉过程中需要开工抽引器保持炉内为负压，在开车阶段工作时间比烘炉时间长半小时左右（换烧嘴），在停车阶段还需运行，假定工作时间和燃料气运行时间相同，蒸汽消耗量平均5t/h，年消耗蒸汽72×5×4.15=1494t。 清华炉在开车前需要用蒸汽对汽包进行升温，时间最长2小时，蒸汽消耗量平均1t/h，年消耗蒸汽2×1×2.7=5.4t。同时，单炉年副产蒸汽3×8000=24000t。 五、科学技术成果鉴定备注：鉴定报告中考核数据指标是以阳泉无烟末煤和陕北烟煤按1:1配煤并制浆气化的考核数据，其灰熔点为1520℃。 六、清华大学煤气化相关专利对外许可说明七、技术推广情况2014年底清华炉煤气化技术推广应用情况表 | 序号 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 第一代清华炉煤气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术） | | | | | | | 第一代清华炉煤气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术） | | | | | | | 第一代清华炉煤气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术） | | | | | | | 第一代清华炉煤气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术） | | | | | | | 第一代清华炉煤气化技术（非熔渣—熔渣分级气化技术） | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
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发表于 2016-3-7 14:13:09
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