河南省石油和化学工业协会阳煤晋华炉考察报告
引 言
目前，由清华大学与山西阳煤集团共同开发的“晋华”牌“水煤浆”加压煤气化炉经过七年的设计、中试、改进、再完善，已取得了生产使用的完整性技术验证；2017年4月26、27两日，河南石化协会组织协会部分会员企业专家实地对“晋华”炉进行了技术考察。现就其技术及考察情况总结如下，备协会会员企业参考。
一、“晋华”炉的发展过程
“晋华”炉是由清华大学与阳煤集团从2001年开始合作研发的水煤浆加压气化炉，其目的：一是尽力替代巨资引进的国际加压气化装置，实现装备国产化；二是通过技术进步，改变传统水煤浆加压气化存在的技术缺陷；三是研发适应“三高”煤的新气化炉型，弥补国际引进技术的不足。
七年来，经过两家单位的通力合作，在阳煤集团丰喜公司连续进行了三种炉型（从耐火内衬、到水冷壁、再到辐射回收）、三个压力等级（1.0、4.0、6.5MPA）的逐步工业化实验，目前已经取得了可喜的成果。现场运行的第三代炉运转稳定，指标良好。其中三代压力等级为6.5MPA炉目前已经在山西南耀晋昌焦化有限公司（公司位于山西省高平市）、山西阳煤集团平定40万吨乙二醇项目（项目在山西平定县）分别采用本地煤进行试运行，河南金大地有限公司已经签订合同，河南心连心有限公司正在进行商业谈判。
二、“晋华”炉技术要点
1、“晋华”炉气化技术特点
清华大学研发的晋华炉是一种新型的水煤浆加压煤气化技术，采用水煤浆进料，气化炉分三部分，上部为气化室，采用水冷壁结构，从气化室出来的高温煤气进入废锅段回收热量，并产生高压蒸汽，然后再进行激冷。该技术能更好的回收系统能量，提高能量利用率，能更好的节能增效。
清华大学经过几年的研究和实验，推出晋华炉是新一代煤气化技术，该技术主要是针对三高煤、成浆性差的褐煤研究开发的气化技术，通过辐射废锅回收高温合成气的热能并转化为高压饱和蒸汽，提高煤的利用率，降低生产成本。
2015年11月份，示范装置在阳煤丰喜开始建设，单炉日处理原煤量750t,运行压力4.0MPa，该项目为山西省重点项目，主要针对山西省的三高煤。2016年4月1日投料运行，目前整套装置运行平稳，各项指标达到设计值。
2、装置工艺流程简述
晋华炉气化装置分为三个工段，水煤浆制备工段、气化工段、灰水处理工段。
水煤浆制备：
由煤贮运系统来的原料煤，经皮带机输送进入煤斗，又经煤称重给料机计量进入磨煤机。制浆用水采用工厂难以处理的废水。添加剂在地下池中配制成一定浓度后，由添加剂槽给料泵送入添加剂槽，再由添加剂计量给料泵，按一定比例与水、原料煤同时进入磨煤机，在磨煤机中磨成一定粒度分布、浓度约60%的煤浆。出磨煤机的煤浆经滚筒筛过滤后流至磨机出料槽，由低压煤浆泵送至煤浆槽。磨机出料槽和煤浆槽均设有搅拌器，使煤浆处于均匀的悬浮状态。
气化：
来自煤浆槽的煤浆，由高压煤浆泵加压后送至气化炉。来自空分的的氧气由烧嘴的中心管和环管进入气化炉。煤浆和氧气在高温高压条件下瞬间完成部分氧化反应生成粗煤气。反应后的粗煤气和熔渣一起出燃烧室后，进入辐射废锅进行热量回收，辐射废锅产生4.0MPa~10.0MPa饱和蒸汽(用户根据需求选择压力等级)，经辐射废锅后，粗煤气降温至约700℃，后与废锅底部的激冷水混合去往洗气塔，经洗气塔洗涤降温除尘后送至用户。
为了保护工艺烧嘴，在工艺烧嘴的端部设有水夹套，通过工艺烧嘴冷却水的循环流动来冷却烧嘴。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。来自锅炉母管的锅炉水通过液位调节系统送入汽包，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。
气化炉反应中产生的熔渣出燃烧室后随粗煤气进入废锅回收热量，出废锅后经水浴冷却后由锁斗系统排入渣池，由捞渣机捞出后，用货车外运。渣池黑水送至灰水处理系统进行处理。
灰水处理：
从洗气塔底部来的黑水进入高压闪蒸罐，在高压闪蒸罐中，一部分的水经减压闪蒸变成蒸汽，闪蒸汽一部分送往热回收塔作为加热蒸汽，一部分出界区回收利用。从高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一步闪蒸。来自渣池的黑水也送到真空闪蒸罐。经过真空闪蒸罐中的闪蒸，黑水中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进行冷凝分离，冷凝液通过下液管流入灰水槽，下液管直接插入灰水槽中，利用灰水槽的液位作为液封，以保证其真空度。真空闪蒸罐的真空度由闪蒸真空泵来实现。真空闪蒸罐不控制液位，真空闪蒸罐下液直接插入沉降槽中心桶，利用沉降槽的液位作为液封，以保证其真空度。
3.工艺特点
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，避免了粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、易泄漏等难题。
煤种适应性强：气化室采用水冷壁结构，气化温度不受耐火材料限制，可达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，一次连续运行周期可以保证100天以上，每年不再因为更换耐火砖而长期停炉检修，年运行时间可达到8000h。
安全性强：废锅水冷壁采用热能工程领域成熟的垂直管结构，水循环按照自然循环设计，强制循环运行，最大限度保证水冷壁的安全运行。
能量利用率高：废锅流程能够回收煤气化过程中煤气的显热，产生高品位蒸汽，充分利用了水煤浆气化能量消耗集中便于回收的优势，克服了干粉气化能量消耗分散，不易回收的问题，使能量利用更充分。
系统启动快：组合式点火烧嘴，升温过程简，点火、投料程序一体化完成。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。辐射式蒸汽发生器下部采用特殊结构，合成气与黑水同时并行进入洗气塔，气化炉不再控制液位，操作简单。
流程设计更优化：晋华炉流程可以根据后续工段的产品不同而采用不同的流程设计，对于需要变换的流程，可以根据具体情况设置不同等级的废锅，将出气化界区的合成气汽气比控制在合适的范围，变换工段不需添加蒸汽。
经济效益好：废锅所副产的高品质蒸汽，可以经过过热后利用，也可直接利用。
三、“晋华”炉燃料标准及设备一览
1、 目前丰喜装置的主要原材料、产品规格
成分 | 符号 | 单位 | 神木煤 |
工业分析 | |||
固定碳 | FCad | % | 47.03 |
挥发分 | Vad | % | 32.69 |
水分 | Mad | % | 11.79 |
灰分 | Aad | % | 8.49 |
低位发热量 | Qb.ad | kJ/kg | 25980 |
灰熔点 | T4 | ℃ |
项目 | 单位 | |
水煤浆浓度 | % | 60 |
气化炉操作压力 | MPaG | 4.0 |
气化炉出口温度 | ℃ | 1340 |
干合成气组成 | ||
CO | % | 45.72 |
H2 | % | 33.81 |
CO2 | % | 19.72 |
CH4 | % | 0.22 |
H2S | % | 0.18 |
N2 | % | 0.25 |
注：该装置对阳泉煤、高平煤都进行过成功的试烧；目前阳煤集团内部提供给丰喜集团的混合煤到厂价850元/吨，而神木煤到厂价680元/吨；鉴于对成本的控制，并且神木煤更有利于制浆，所以，丰喜集团现场长期使用神木煤。
2、主要设备清单
序号 | 编号 | 设备名称 | 数量 |
煤浆制备 | |||
1 | W-1201 | 煤称重给料机 | 2 |
2 | H-1201 | 磨煤机 | 2 |
3 | A-1203 | 磨煤机出料槽搅拌器 | 2 |
4 | A-1202 | 添加剂配制池搅拌器 | 1 |
5 | A-1204 | 添加剂槽搅拌器 | 1 |
6 | P-1206 | 磨机出料槽泵 | 4 |
7 | P-1205 | 添加剂计量给料泵 | 2 |
8 | P-1204 | 添加剂配制池泵 | 2 |
9 | P-1207 | 废浆池泵 | 2 |
10 | P-1201 | 研磨水槽泵 | 2 |
11 | V-1201 | 煤斗 | 2 |
12 | V-1208 | 磨机出料槽 | 2 |
13 | V-1206 | 添加剂配制池 | 1 |
14 | V-1207 | 添加剂槽 | 1 |
15 | V-1205 | 废浆池 | 1 |
16 | V-1203 | 研磨水槽 | 1 |
17 | V-1202 | 冲洗水槽 | 1 |
气化 | |||
1 | D-1302 | 高压氮气贮罐 | 1 |
2 | V-1303 | 水冷壁汽包 | 2 |
3 | V-1309 | 废锅汽包 | 2 |
4 | D-1304 | 低压氮气贮罐 | 1 |
5 | A-1301 | 煤浆槽搅拌器 | 1 |
6 | N-1201 | 氧气放空消声器 | 1 |
7 | P-1301 | 高压煤浆泵 | 2 |
8 | P-1306 | 锅炉水循环泵 | 4 |
9 | P-1305 | 激冷水泵 | 4 |
10 | P-1303 | 锁斗循环泵 | 4 |
11 | F-1301 | 气化炉 | 2 |
12 | C-1301 | 洗气塔 | 2 |
13 | V-1301 | 煤浆槽 | 1 |
14 | V-1306 | 锁斗冲洗水罐 | 2 |
15 | Z-1301 | 工艺烧嘴 | 3 |
16 | V-1308 | 渣池 | 2 |
17 | P-1304 | 渣池泵 | 4 |
18 | V-1305 | 锁斗 | 2 |
19 | L-1301 | 捞渣机 | 2 |
灰渣水处理 | |||
1 | V-1401 | 高压闪蒸罐 | 2 |
2 | V-1404 | 真空闪蒸罐 | 2 |
3 | C-1401 | 热水塔 | 1 |
4 | E-1401 | 真空闪蒸冷凝器 | 2 |
5 | E-1402 | 废水冷却器 | 1 |
6 | A-1401 | 沉降槽耙灰器 | 1 |
7 | A-1403 | 絮凝剂配制槽搅拌器 | 1 |
8 | P-1402 | 闪蒸真空泵 | 2 |
9 | P-1403 | 低压灰水泵 | 2 |
10 | P-1408 | 过滤机给料泵 | 2 |
11 | P-1406 | 高压灰水泵 | 3 |
12 | P-1408 | 絮凝剂泵 | 2 |
13 | P-1407 | 分散剂泵 | 2 |
14 | M-1401 | 真空带式过滤机 | 2 |
15 | V-1408 | 灰水槽 | 1 |
16 | V-1402 | 絮凝剂槽 | 2 |
17 | V-1411 | 分散剂槽 | 1 |
18 | V-1409 | 沉降槽 | 1 |
19 | V-1403 | 滤液槽 | 1 |
20 | P-1412 | 冲洗水泵 | 2 |
四、目前阳煤提供给武陟绿宇的投资及经济指标
1、投资
采用晋华炉气化技术，新建气化炉压力4.0MPaG，直径∮2800mm，单炉正常生产产有效气量32000Nm3/h（CO+H2）气化装置双炉两条生产线，生产线包括水煤浆制备、气化、渣水处理三个工段，投资估算2.1亿人民币。
2、基本消耗
消耗定额以1000Nm3（CO+H2）计
序 号 | 名称及规格 | 单位 | 消耗定额以1000Nm3 （CO+H2）计 | 备注 |
1 | 氧气 | Nm3 | 371.88 | |
2 | 煤 | Kg | 622.3 | 干基 |
3 | 循环冷却水 | t | 8.9 | |
4 | 电 | kW·h | ~28 | |
5 | 低压氮气0.5MPa(G) （连续吹扫） | Nm3 | 2.06 | |
6 | 低压氮气0.5MPaG) （开停车置换） | Nm3 | 3000 | 单炉开停车单次置换总耗量 |
7 | 高压氮气 （9.0MPa） （保护气，连续） | Nm3 | 13.05 | |
9 | 水煤浆添加剂 | kg | 1.87 | 粉剂 |
10 | 分散剂 | kg | 0.127 | 液体 |
11 | 絮凝剂 | kg | 0.0027 | 粉剂 |
12 | 新鲜水 | t | 0.15 | |
13 | 脱盐水 | t | 0.47 | 密封水 |
14 | 蒸汽 （4.5MPa饱和蒸汽） | Kg | 101.6 | 水冷壁汽包外送蒸汽 |
15 | 蒸汽 （10.0MPa饱和蒸汽） | Kg | 915 | 废锅汽包外送蒸汽 |
3、三废排放
1）、废气
工程生产过程中产生的废气主要为气化工段的气化炉升温连续放空气及事故放空气。注：下表为单炉数据。
废气治理及排放表
序号 | 名称及来源 | 组成及特性数据 | 排放量 | 排放 | 去 向 |
1 | 气化炉开工放空气 | CO、N2、H2，CO2，H2S+COS，H2O | ~32000Nm3/h | 开停车时 | 送火炬焚烧 |
2 | 气化炉事故排放气 | CO、N2、H2，CO2，H2S+COS，H2O | ~65200Nm3/h | 事故状态 | 送火炬焚烧 |
2）、废渣治理及排放
本项目排放的固体废物主要为气化装置排放的粗、细灰渣。（1）、粗渣：粗渣主要来源于渣池，粗渣含碳量约1-3％，不需特殊处理，对环境无害。(2)、细渣：细渣主要来源于过滤机，细渣含碳量约25-45％，可与锅炉的燃料煤掺烧。
序号 | 名称 | 排放量 | 来源 | 去 向 |
1 | 粗渣 | ~2.87 t/h | 渣池 | 铺路、制砖等 |
2 | 细渣 | ~0.74t/h | 过滤机 | 送锅炉掺烧 |
3）、废水(废液)
名称及来源 | 组成及特性数据 mg/l（经验数据） | 排放 规律 | 排放量 | 去 向 |
气化废水 | NH3-N:340，Cl-:500， CN-: 2， 总悬浮物:<100ppm PH:7～9 CODcr:700,BOD5:200
| 连续 | 约有 27t/h
| 排入厂污水处理站 |
4、.控制污染的初步方案及环境影响预分析
1）、废气
本项目事故放空气含H2、CO、H2S、CH4等可燃气送火炬系统，燃烧后主要成份CO2、N2、水蒸汽等，对大气环境危害较小。
2）、废渣
空分和变换废催化剂由厂家回收处理；气化装置定期产生的废渣可用于制作环保建筑材料。
技术及考察总结
1、晋华炉的优势：
晋华炉采用废锅流程设计，避免了水煤浆气化过程中热量回收不够彻底，同其他耐火砖激冷流程气化工艺相比投资几乎相当（相同投煤量），但是可以副产高品质的蒸汽，利用这部分蒸汽发电效益非常可观。饱和蒸汽发电一般5kg蒸汽可发1度电。
而如果采用激冷流程的耐火砖气化技术，变换的蒸汽一般为0.5MPa压力等级的蒸汽，利用起来也不是很好。并且蒸汽的整个产量要低于废锅流程的蒸汽产量。总体能耗要高于采用废锅流程的晋华炉气化技术；并且存在着煤种的适应性问题，由于受限于耐火砖的要求，无法使用灰熔点高于1350℃的煤种作为气化煤种。
该气化技术方案选择是煤种的适应性是作为第一要素来考虑的，可以不使用本地煤作为气化用煤，但是气化装置必须具备使用本地煤的能力，包括目前在做的几个项目，虽然丰喜集团操作煤种使用的是神木煤，但是设计时是按照当地煤作为设计依据。
晋华炉目前使用过的煤种
（1）．低灰熔点烟煤
低灰熔点烟煤是水煤浆最常用的原料，水煤浆水冷壁气化炉使用的烟煤灰熔点最低1180℃，灰分最低5%，最高28%。
（2）． 高灰熔点煤
2012年，清华炉进行考核验收，按照石化联合会的要求，在山西阳煤丰喜采用阳泉白煤和神木煤的混煤，最高掺混比例60%左右，煤质分析和灰熔点见下表。
2015年，阳煤集团朔州公司在阳煤丰喜对朔州煤进行试烧经济型评价，朔州煤灰熔点＞1550℃，其煤质分析如下表所示。阳煤朔州公司用5000吨煤，经过60%、80%、100%朔州煤运行，证明水煤浆水冷壁气化炉可以使用100%朔州煤进行气化。
水分（%） | 灰分（%） | 挥发分（%） | 固定碳（%） | 硫（%） | 成浆性 | 热值（MJ/kg） | ||
朔州煤 | 3.15 | 13.27 | 32.97 | 50.61 | 0.96 | 69～71% | 26.14 | |
神木煤 | 4.5 | 8.12 | 34.34 | 53.93 | 0.35 | 58～62% | 27.51 |
目前使用水煤浆水冷壁气化炉的山西阳煤平定乙二醇项目，山西阳煤寿阳乙二醇项目，山西南耀甲醇项目均使用当地高灰熔点煤作为原料。
（3）、半焦气化
神华集团北京低碳研究所承担的国家863项目，“低阶煤热解半焦制浆及气流床半焦气化研究”2015年在山西阳煤丰喜的水煤浆水冷壁气化炉进行试烧，经过中国煤炭工业协会组织专家现场考核，证明水煤浆水冷壁气化炉可以利用半焦进行气化且运行数据良好。
（4）、焦炭气化
新疆天智辰业乙二醇项目将电石剩余的焦末直接制浆然后和当地煤混合进行气化，装置运行稳定。
（5）．褐煤
大唐呼伦贝尔化肥项目的低浓度水煤浆气化项目，煤浆浓度46-48%，目前运行稳定，这是世界上唯一的低浓度水煤浆气化装置。对于大唐其他项目采用壳牌气化、鲁奇气化的装置而言，采用水煤浆气化是运行最稳定的项目，也是大唐唯一可以达产达标的项目。
（6）．高碱性渣煤
清华炉在新疆天智辰业乙二醇的项目中使用当地的高碱渣煤与该公司焦沫，装置稳定运行，没有发生任何腐蚀现象。而距离该项目10多公里外的新疆心连心合成氨尿素项目采用的是耐火砖气化炉使用的煤种为800公里外的哈密煤。
2、现场考察的深入了解部分
1）、“晋华炉”历经三代、七年取得了很好的使用效果。一是生产能力基本与目前运行的其它炉型相当（日投煤1500吨）,已经投产的装置的压力已达到6.5MPA，试烧的煤种基本涵盖了“三高”煤，特别是阳泉平定、高平南耀两家企业正在进行原料煤本地化，这为河南企业可以使用低价无烟煤开辟了通道。二是三代炉已经采用了辐射回收，大大提高了余热回收的水平（据介绍为1.2吨/吨醇），就二代炉回收1.0吨/吨醇的水平已经达到行业内高水平。
2）、从现场看到，“晋华炉”的出渣情况很好，看到的化验结果残碳在3%左右，原料的利用率很高；与所有气化炉一样，其洗涤系统的灰泥的残碳比较高，经了解，由于该部分没有可消化的市场，目前丰喜集团采用的是回用到老生产系统的三废混燃炉，回烧效果非常好，这对目前企业配备有三废混燃炉的企业是非常好的投资信息。
3）、目前丰喜4.0MPA的气化炉配置20万吨/年单醇电耗370Kwh，如果采用压力为6.5MPA 四代“晋华”炉，电耗还可能再下降150Kwh左右；吨醇煤耗1.25吨，由于没有燃料煤耗，将来的成本优势非常明显。
3、 结论
1）、“晋华”炉可以使用比较劣质的山西煤；
2）、无需备用炉；
3）、压力可达6.5MPA，可以满足单醇生产的需要，无需再设压缩机；吨醇电耗200Kwh左右;
4）、处理有机废水（除酸性水与氨氮水）能力突出；
5）、蒸汽回收能力高，建设一台三废炉就可完成全系统的热力平衡。
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