韓喜民，原中秋，趙冬興，裴東清

(陽煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，山西臨猗 044000)

目前，水煤漿氣化裝置普遍存在灰水系統(tǒng)產(chǎn)生較多0.5 MPa低壓蒸汽的現(xiàn)象，為了回收氣化裝置高溫合成氣的熱量，同時生產(chǎn)高溫、高壓蒸汽，開發(fā)具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的氣化裝置高溫合成氣熱量回收技術(shù)，清華大學(xué)山西清潔能源研究院、山西陽煤化工機械(集團(tuán))有限公司和陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司依托陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))臨猗分公司原有的水煤漿水冷壁氣化裝置進(jìn)行工業(yè)化實踐，經(jīng)過數(shù)年的系統(tǒng)研究，成功開發(fā)出了內(nèi)置廢鍋水冷壁水煤漿氣化爐，即晉華爐，能夠進(jìn)一步回收高溫合成氣熱量，副產(chǎn)5.4 MPa高品位蒸汽，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 項目概況

清華大學(xué)、山西陽煤化工機械(集團(tuán))有限公司和陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司2005年在臨猗分公司建設(shè)有(1#，2#，3#)3臺耐火磚的水煤漿清華爐，單爐日處理原煤600 t，氣化爐運行壓力4.0 MPa；2011年，為了降低氣化裝置的投資并能連續(xù)穩(wěn)定運行，共同開發(fā)了水冷壁水煤漿氣化爐(臨猗4#爐)；2015年，為了回收高溫合成氣熱量，副產(chǎn)高品位蒸汽，降低消耗，又決定開發(fā)更簡潔的內(nèi)置廢鍋水冷壁水煤漿氣化爐，即晉華爐。為了節(jié)省時間和工程費用，決定對原3#爐進(jìn)行改造，具體改造內(nèi)容：原有的氣化框架加高10 m，拆掉原耐火磚水煤漿清華爐，重新安裝上先進(jìn)的內(nèi)置廢鍋水冷壁晉華爐，調(diào)整相應(yīng)的泵、管線、閥門、儀表等控制系統(tǒng)。

2015年10月20日，晉華爐裝置破土動工，建設(shè)工期6個月；2016年4月1日，化工投料一次成功；至2017年3月31日，氣化爐累計運行345 d。

晉華爐采用神木煤為氣化原料煤，神木煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 神木煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

注：發(fā)熱量Qnet,v,ar為24.86 MJ/kJ

2 工藝流程

從原煤儲運系統(tǒng)來的原料煤和添加劑經(jīng)計量進(jìn)入煤磨機，與一定量的水混合，在煤磨機中形成粒度分布均勻、質(zhì)量分?jǐn)?shù)61%的水煤漿，并送入大煤漿槽，大煤漿槽內(nèi)的煤漿依靠重力自流至高壓煤漿泵入口，煤漿由煤漿泵加壓后與來自空分的氧氣同時進(jìn)入工藝燒嘴。工藝燒嘴將水煤漿和氧氣一起送入氣化爐燃燒室內(nèi)，在氣化爐燃燒室內(nèi)溫度1 400 ℃、壓力4.0 MPa(表壓)的條件下，煤中的碳和氧氣、水及CO2等發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成以CO和H2為主的粗合成氣。煤中的不可燃灰分及部分沒有完全反應(yīng)的碳顆粒形成灰渣。氣化爐耐壓鋼殼內(nèi)有水冷壁、輻射廢鍋，水冷壁內(nèi)鍋爐水出口壓力4.5 MPa，氣化爐耐壓鋼殼的外壁溫度保持在200 ℃以下。

氣化反應(yīng)后生成的粗合成氣、熔渣等經(jīng)氣化爐下部的輻射廢鍋回收高溫合成氣的熱量，產(chǎn)生高溫、高壓水蒸氣，并完成冷卻、洗滌過程，降溫后的合成氣經(jīng)碳洗塔進(jìn)一步洗滌后送往后工段。冷卻后的熔渣通過鎖斗和排渣管線定期排入渣池，攜帶細(xì)渣的黑水進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后返回洗滌系統(tǒng)循環(huán)利用。晉華爐氣化系統(tǒng)工藝流程見圖1。晉華爐運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 晉華爐運行數(shù)據(jù)

注：表中數(shù)據(jù)的原料煤為神木煤∶白煤=1∶1

圖1 晉華爐氣化系統(tǒng)工藝流程

從表2運行數(shù)據(jù)可以看出，有效氣(CO+H2)的消耗指標(biāo)、冷煤氣效率和熱效率均優(yōu)于設(shè)計值。增加輻射廢鍋流程后，氣化爐高溫合成氣熱量得到回收，提高了能源轉(zhuǎn)化效率。

3 晉華爐主要結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)

(1)工藝燒嘴采用特殊結(jié)構(gòu)的點火和運行組合燒嘴，簡化了點火升溫過程，縮短了點火升溫的時間，不需要更換燒嘴，點火、投料程序一體化；氣化爐啟動速度較快，從冷態(tài)開車到滿負(fù)荷運行僅需3～5 h(不包括蒸汽暖管時間)，節(jié)省開車成本。

(2)水冷壁采用垂直懸掛膜式壁結(jié)構(gòu)，布水均勻，無氣液分層；同時不用備爐。

(3)獨特的環(huán)腔絕熱結(jié)構(gòu)，使環(huán)腔密封氣用量達(dá)到最小，比耐火磚爐壁溫降低了100 ℃，極大地保護(hù)了氣化爐的設(shè)備安全，同時減少熱量損失。

(4)水冷壁與承壓殼體采用可靠的連接技術(shù)，更好地解決了在1 500 ℃工況下的水冷壁的膨脹難題，同時解決了密封問題。

(5)采用倒錐形排渣結(jié)構(gòu)，1 400～1 500 ℃下排渣更加通暢，減少了熔融狀態(tài)下渣對設(shè)備的磨蝕破壞。

(6)輻射廢熱鍋爐采用獨特的環(huán)形單筒體和徑向雙面水冷壁結(jié)構(gòu)，能夠縮小其體積、提高熱效率。

(7)輻射廢熱鍋爐采用內(nèi)置型式，解決了高溫高壓下復(fù)雜的熱膨脹處理問題及氣化室與輻射廢熱鍋爐水冷壁接口處連接和密封難題。

(8)核心部件出氣管為特殊的多相流結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效避免堵渣、積灰及磨損問題。

(9)獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計減少了雙面受熱面的布置比例，縮小設(shè)備體積和降低投資。

(10)同等直徑的水冷壁氣化爐與原耐火磚結(jié)構(gòu)的氣化爐相比，燃燒室容積擴大3倍。

4 研究成果

設(shè)計并完成了輻射廢鍋膜式水冷壁熱態(tài)實驗，完成示范工程所用煤種的熱態(tài)實驗；完成了適合山西高灰熔點和低質(zhì)煤750 t/d和1 500 t/d水冷壁氣化爐的輻射廢鍋工藝包；建立了輻射廢鍋內(nèi)灰顆粒渣流動、滯止和凝固模型，建立包括熔渣相變的灰顆粒傳熱模型；采用膜式水冷壁與殼體的連接技術(shù)，解決了水冷壁的密封問題；掌握了高強度、高厚度合金鋼的焊接工藝；掌握了控制重型容器裝配精度的方法；已獲得授權(quán)ZL201620667389.X《一種合成氣/蒸汽聯(lián)產(chǎn)氣化爐》等多項專利。

5 晉華爐的優(yōu)點總結(jié)

(1)環(huán)保

采用水煤漿進(jìn)料，可處理低鹽、高有機物的廢水；爐溫高，灰渣中殘?zhí)剂康?，排渣成顆粒狀，易于收集處理；所產(chǎn)的廢水污染物易于處理，并可同化工生產(chǎn)各種工藝廢水濃縮后用作水煤漿制漿原料水，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。

(2)節(jié)能

輻射廢熱鍋爐1 000 m3(標(biāo)態(tài))合成氣產(chǎn)飽和蒸汽量0.5～1.0 t(煤種不同產(chǎn)氣量也相對有所變化)；按300 kt/a氨醇裝置多回收飽和蒸汽300 kt/a以上、蒸汽價格100元/t計，則年經(jīng)濟(jì)效益3 000萬元。

(3)經(jīng)濟(jì)

爐殼采用國產(chǎn)14Cr1MoR，不需要采用進(jìn)口的SA387，主體投資費用可降低40%；采用水冷壁技術(shù)，不需使用耐火磚，減少了耐火磚的采購、筑爐及維修成本；不需備爐，減少固定投資5 000萬元以上。

晉華爐的成功運行，首次將水煤漿+耐火磚+激冷流程通過改造直接升級為更高效、可靠的晉華爐(水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發(fā)生器+激冷流程)，提高了能源轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)了煤氣化技術(shù)裝備領(lǐng)域的重大突破，為煤化工企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。