晋华炉水煤浆气化技术（一）

二、晋华炉使用过的煤种

1.     低灰熔点烟煤

   低灰熔点煤是水煤浆最常用的原料，主要以神府煤田和鄂尔多斯一带的煤为主，晋华炉使用的煤灰熔点最低1180℃，灰分5%~28%。

2.     高灰熔点煤

   2012年8月1日~8月3日，水煤浆水冷壁气化炉通过了中国石油和化学工业联合会组织的考核验收，在山西阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司进行的72小时现场考核过程中，气化炉采用阳泉白煤和神木煤的混煤为原料，最高掺混比例60%左右，在煤浆槽连续取样，在连续三天的考核中，灰熔点均大于1500℃。

   2015年阳煤集团朔州公司在阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司对灰熔点约1630℃（灰组分测算）的朔州煤进行试烧经济性评价，经过60%、80%、100%朔州煤运行，证明晋华炉可以使用100%高灰熔点的朔州煤进行气化。

   2019年，同煤集团的塔山煤种在阳煤丰喜临猗分公司进行了试烧，塔山煤灰熔点＞1500℃，试烧了8000吨煤，最后达到100%塔山煤运行，证明晋华炉气化高灰熔点煤没有问题。

   目前使用晋华炉的山西阳煤集团平定化工有限责任公司乙二醇项目、山西阳煤集团寿阳化工有限责任公司乙二醇项目、山西一丁煤化工科技有限公司乙二醇项目、山西南耀集团昌晋苑焦化有限公司甲醇项目均按照山西当地的高灰熔点煤作为设计原料，灰熔点均大于1550℃，通过灰组分测算，灰熔点大约在1570~1630℃之间。

表1  水煤浆水冷壁气化炉考核和试烧高灰熔点煤的煤质分析数据

1.     半焦

   国家863项目“低阶煤热解半焦制浆及气流床半焦气化研究”的半焦试烧实验于2015年在阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司的水煤浆水冷壁气化炉中进行，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。晋华炉为低阶煤提质后剩余半焦的利用提供了一条有效的道路。

表2 低阶煤热解半焦和焦炭的煤质分析数据

1.     焦炭

   水煤浆水冷壁气化炉采用一个组合烧嘴进行点火，先用燃料气将气化炉炉温升至800℃，然后在常压下直接投煤浆，燃料气和煤浆、氧气一起从烧嘴口喷出，利用燃料气放出的热量实现水分的蒸发和挥发分析出，直接将煤点燃，所以可以使用焦炭气化。新疆天智辰业化工有限公司将电石剩余的焦炭直接制浆然后和煤混合进行气化，装置运行稳定。

2.     褐煤

   褐煤因为其内水含量较高，成浆性较差，一直是水煤浆气化的禁区。2012年7月大唐呼伦贝尔化肥公司的晋华炉成功投运，成为世界上唯一的低浓度水煤浆气化装置（最低水煤浆浓度46%），标志在低浓度褐煤水煤浆气化方面取得了重大突破，为我国采用先进、环保的煤气化技术开发较难处理的褐煤资源提供了一条可行之路。2019年呼伦贝尔东北阜丰生物科技有限公司30万吨/年合成氨项目也是采用褐煤为原料，经多方论证，最终选择了晋华炉3.0煤气化技术。

3.     高碱性渣煤

   在我国新疆及其他一些地方，煤灰中Na₂O和K₂O的含量较高，有的煤灰中Na₂O和K₂O的总含量甚至将近4%，新疆多家采用耐火砖气化使用高碱渣煤造成耐火材料大量侵蚀的问题，这是由于炉温波动时，高碱煤煤灰在较高温度下粘度迅速变小，流动性极好，对于耐火砖气化炉，会导致耐火砖表面渣层迅速减薄甚至无挂渣，不能形成有效的保护层，耐火砖的侵蚀和剥落严重，使耐火砖的使用寿命明显缩短。新疆天智辰业化工有限公司、新疆天业汇合新材料有限公司、新疆国泰新华有限公司在其晋华炉中使用当地的高碱渣煤，运行稳定，没有发生任何腐蚀现象。

表3  新疆高碱渣煤的煤质分析数据

三、技术特点和优势

1.     煤种适应性好

   晋华炉在水煤浆气化炉燃烧室采用膜式水冷壁，熔融灰渣颗粒运动到水冷壁上冷却凝固后形成固态渣层，随着运动到水冷壁上的颗粒数目增加，固态渣层厚度增加，固态渣层表面温度也增加，当其超过煤灰熔点时，固态渣层表面发生液化形成液态渣层，液渣在重力的作用下向下流动从渣口排出。渣层的厚度在颗粒沉积和液渣流动的双重影响下达到平衡，从而形成稳定的固液态渣层。

   高热阻的渣层对水冷壁起到保护作用，使气化温度可以达到1700℃，突破了耐火砖水煤浆气化无法使用高灰熔点原料的限制，拓宽了气化炉适用原料范围。晋华炉可以气化高灰分、高熔点和高硫的“三高”煤种、低灰熔点煤、半焦、焦炭、褐煤和高碱性渣煤等，可以实现原料煤的本地化。

   对于高灰熔点煤，因液态排渣的要求，高灰熔点煤的气化温度要求较高，其粗煤气显热量大，如采用直接水激冷势必造成能量的极大浪费。对于低浓度水煤浆，为了保证气化温度，其氧耗较高，生成的粗煤气中水蒸气含量大、焓值高。晋华炉通过辐射废锅回收粗煤气的热量，能量利用效率高，可以部分抵消氧耗高的影响。

2.     碳转化率更高

   晋华炉通过对气化室流场和渣口的优化设计，实现了灰渣在燃烧室的双循环（顶部烧嘴回流，底部渣口回流），在不增加气体停留时间的情况下（不增大气化炉容积），在渣口附近的回流区强化了碳颗粒的返混，增大了碳颗粒的停留时间，从而提高碳转化率，使合成气中有效气成分增加。

3.     点火投料安全可靠、系统启动快

   晋华炉采用启动、工作双功能组合工艺烧嘴，代替现有耐火砖气化炉点火升温和运行的两个独立烧嘴，在一个烧嘴中完成气化炉的点火、升温和投料全过程，避免了危险的热态烧嘴更换操作和耐火砖气化炉热惰性带来的启停速度慢问题，在3个小时内实现气化炉从冷态到满负荷运行，气化炉启动简便、安全。

   针对气化室使用水冷壁衬里之后水煤浆无法采用蓄热点火的问题，晋华炉设计了独特的燃料气雾化点火新技术，投料时燃料气与水煤浆同轴伴燃，稳燃后切断燃料气。与此同时，在气化炉上设置了可视化摄像头用于监控燃烧室内燃烧情况，充分保障了点火投料的可靠性。

4.     运行安全、稳定

   晋华炉采用水煤浆进料，具有水煤浆气化工艺所拥有的进料稳定、安全可靠的优点。晋华炉燃烧室气化火焰和流场结构设计合理，水冷壁挂渣均匀稳定，对水冷壁保护充分。燃烧室采用热能工程领域成熟的垂直悬挂膜式水冷壁结构，水力循环按照自然循环设计，强制循环运行，既保证了水冷壁的高效冷却，又避免了强制循环泵失电时水冷壁无法得到有效冷却的问题，水冷壁的运行安全性高。晋华炉钢壳外壁温度100℃左右，比耐火砖炉壁温度低150℃左右，不会发生气化炉外壳超温、鼓包、爆炸事故，操作安全性好。

5.     能量利用率高、流程设计更优化

   废锅流程将煤气化过程中煤气的显热全部回收，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。根据《GBT41038-2021气流床水煤浆气化能效计算方法》计算水煤浆气化的能效，结果表明，晋华炉废锅流程能效为79.06%，传统水煤浆激冷流程能效为74.67%，由于废锅副产蒸汽，晋华炉废锅流程能效比传统水煤浆激冷流程高约4.39%。晋华炉废锅流程千方有效气副产的蒸汽/锅炉水回收能量比传统水煤浆激冷流程提高约24%。

   每千标方有效气可副产10MPa饱和蒸汽0.6~0.8吨，此部分蒸汽可以经过过热后利用，也可直接利用。对于生产甲醇或合成氨的企业，如果大型压缩机采用蒸汽驱动，基本可以不耗电或耗电很少。

   晋华炉可以根据后续工段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。

6.     烧嘴寿命长、可用率高

   晋华炉烧嘴采用整体夹套式冷却结构，烧嘴制造简单、拆装方便。烧嘴冷却水与水冷壁锅炉水共用一套循环水系统，冷却水流程简单，烧嘴运行的工艺条件得到优化，基本解决了露点腐蚀、硫腐蚀和应力腐蚀等问题，烧嘴使用寿命提高至140天以上。

   晋华炉在水煤浆气化炉燃烧室采用膜式水冷壁，替代传统昂贵易损的耐火绝热砖层，避免了复杂耗时的耐火砖更换造成的定期停炉维护，年运行时间达到8000h。

7.     运行成本低

   减少了昂贵的耐火砖采购和筑炉费用，节约了维修成本。避免了耐火砖气化炉热惰性带来的启停速度慢问题，晋华炉启动时间缩短至三个小时，节约了燃料气的消耗。煤种适应性好，可以实现原料煤的本地化，节约了原料成本。

8.     环境友好

   由于气化温度高，粗渣残碳含量低。水煤浆气化粗渣比例高、固体废渣易于处理。晋华炉废水中不存在焦油和酚类物质，也不含有六价铬，气化废水污染小易于处理。相对于耐火砖气化炉，晋华炉减少了烘炉时间，因而减少了烘炉废气的排放；相对于干粉气化，晋华炉不存在煤烘干过程，因而没有煤烘干过程的大量废气排放。

   晋华炉可利用高浓度有机废水和有机固体废物制备气化原料，协同处置有机废物既经济又高效。

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