清华煤气化炉.doc

清华炉(非熔渣熔渣分级气化技术)的先进性、实用性和发展前景2007年10月23日清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）通过国家72小时连续运行考核。两年的运行实践和考核结果表明：消化吸收国外技术，自主开发创新的非熔渣熔渣分级气化技术已经成熟，采用该技术的工业装置运行稳定，开工率高，自第一次化工投料始，年运转率达94%，年负荷率达120%，气化炉的投资能力比传统水煤浆气化炉低20%，到2009年4月止又有五套清华炉气化装置投入建设之中。1.清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）发展背景和技术简介1.1清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的发展背景 由于世界性的油气短缺、价格上扬，特别是中国多煤少油的资源特点，使煤气化技术在中国进入了发展的快车道。我们：北京达立科公司与清华大学、丰喜肥业共同所有，由北京达立科公司经营的清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）也取得令人满意的实质性进展。清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）前期得到国家863计划支持，课题编号：2002AA 529050，2005年已由科技部组织验收。 技术实施阶段得到国家发改委支持，列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目，文件编号发改办高技【2006】2352号，2007年已经通过国家级考核和鉴定。1.2煤气化技术路线的分析和我们的选择 煤气化技术有各种分类方法，以进料形态分类，可分成块煤气化、碎煤气化和粉煤气化三大类，分列如下：名称进料粒度（mm）流体力学条件典型炉型特 点块煤气化680煤从炉顶加入，气化气体从炉底加入，气流升力不致使固体煤块发生相对位置变化，称固定床（或移动床）造气。UGI、LURGI（鲁奇）等。国内中小化肥厂使用的多为UGI炉型，国外已不再采用。历史长久，技术成熟，单炉能力小，副产物多，环境友好性差，煤种适应性窄。碎煤气 化110气化气体从炉下部进入炉内，与碎煤形成流化状态，称流化床造气。美国U-GAS技术，首批工业化炉在中国上海建成（已报废）。山西煤化所灰团聚技术，已有常压装置投产。发展历史长，但进展不快，主要是高温流化床有些基本问题有待解决。单炉能力不大，副产物多，煤种适应性宽。粉煤气 化01粉煤由气化气体带入炉内，发生并流式燃烧和气化反应。受气化空间限制，反应时间很短（110秒），因此要求入炉煤粒度0.1mm,称气流床造气。TEXACO（德士古）、SHELL（壳牌）、四喷嘴（华东理工兖矿）分级气化(达立科清华)、航天炉另外尚未工业化的有GSP（西门子已收购）技术等。历史不很长，但发展很快，单炉能力大，副产物少，煤种适应性宽。从上表可以看出，从气化发展历史角度分析，粉煤气化有很强的生命力。最近二十多年,国内国外都在集中力量研究和发展粉煤气化技术，其内在原因是粉煤气化技术的环境友好，单炉能力大，能量利用率高,是煤气化技术的发展方向。 粉煤气化有水煤浆（湿法）和干煤粉（干法）两类，以GE（美国德士古）和SHELL（英荷壳牌）为其典型流程。资料分析和现场考察（美国依思曼和荷兰德姆科）表明：水煤浆气化技术成熟，装置运行稳定，问题是喷嘴寿命短，难于使用高灰熔点煤；干粉气化技术可使用高灰熔点煤，但是成熟度不够，装置长周期运行成绩不佳。经过研究我们的结论是：依靠我们的技术积淀，在技术成熟的水煤浆气化基础上解决其存在问题，可以较快形成新的具有自主知识产权技术。干粉气化技术的问题在于粉煤气流输送的计量精度难于达到气化炉内氧煤比的控制要求，导致炉内温度波动，影响装置安稳长运行；应用高挥发分煤的安全性较差。我们决定，全力进入粉煤气化研究开发领域，第一步以水煤浆为原料，开发宽煤种、长周期运行水煤浆气化技术；第二步开发干煤粉泵，从根本上解决干煤粉气化的关键问题。现在9年过去了，我们取得了预期的成果，推出了具有全新性能的清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）。2009年4月，中国石油和化工协会召开国内专家和壳牌技术使用者会议，会议取得共识：目前不宜再引进壳牌技术，这也从另一个侧面证明我们9年前的选择是正确的。1.3新技术应用领域和技术原理 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）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。其主要技术原理是将煤炭加工成粉状（水煤浆或干粉），加压送入部分氧化气化炉中生产合成气。清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的特点是： 通过氧气分级供给，气化炉主烧嘴和侧壁氧气喷嘴分别向气化炉内加氧，使气化炉主烧嘴的氧气量可脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束，改变了主烧嘴局部区域氧化强度过高的状态，使气化炉轴向温度均衡并有所提高，充分发挥气化炉全容积的气化功能。 在主烧嘴中心通道采用氧含量从0到100%的不同气体作为主烧嘴预混气体，不仅调整了火焰中心的温度，而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离，有利于降低主烧嘴端部温度，延长其使用寿命。生产甲醇时，采用CO2作预混气体，不仅可以保护主烧嘴，还可以使气化炉内起控制作用的变换反应向CO方向移动，提高有效气体成份。1.4新技术的创造性、先进性及与国内外同类技术比较1.4.1新技术的创造性、先进性 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）工艺过程如图所示。原料（水煤浆、干煤粉或者其它含碳物质）通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，采用其它气体如O2或与O2以任意比例相混合的CO2、N2、水蒸汽等作为预混气体调节控制第一段氧气的加入比例，使第一段的温度保持在灰熔点以下；在第二段再补充部分氧气，使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成全部的气化过程。把一次给氧的连续气化过程分为二次或多次给氧的两级（或多级）气化过程是在对现有问题分析和机理研究的基础提出来的，具有科学性。连续的气化过程，其实际的气化过程也是分段依次进行的，开始是水分的蒸发和脱挥发分过程，接着才是煤颗粒的着火燃烧和气化过程。本工艺提出将煤颗粒的着火燃烧再进行分级，主要的燃烧过程在第一段完成，在第二段补充部分氧气，完成全部的燃烧过程和气化过程，并且在第一段控制氧气的加入比例，保持温度在煤的灰熔点以下。在第二段加入氧气的作用下使温度提高到煤的灰熔点以上，从而实现煤的非熔渣熔渣分级气化。 在清华大学建立了气化炉冷态和热态实验台，对分级气流床煤气化工艺进行了深入研究。研究的结论是：1. 分级给氧气流床气化炉轴向温度分布得到优化，如图所示。 从烧嘴向下形成低高低温度曲线，高温区从烧嘴端部下移，使烧嘴处于相对低的温度区域，使出渣口接近高温区，同时提高了气化炉内平均温度。在工业生产中得到验证：烧嘴寿命达到106天，比传统工艺长一倍。煤种适应性宽，可采用灰熔点1400的煤，比传统工艺高100。2 分级给氧气流床气化炉的流场更为合理，如图所示。由于二次给氧在氧气入口处形成反扩散火焰，氧气进入了炉顶部区域。请注意：传统的气化炉没有水平方向的给氧，在炉顶部形成了缺氧的黑区，不能承担气化反应，分级给氧工艺二次给氧反扩散火焰的卷吸使部分煤颗粒和氧进入炉顶部区域。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达到160m/s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，只从主气流中卷吸部分煤颗粒参与燃烧和气化，不会产生过度高温威胁炉顶砖。以上两方面使分级给氧工艺具有本质上的安全性。这一点也在工业生产中得到验证：不投入二次给氧时，炉顶砖上附有厚厚的高低不平蜂窝状渣层，投入二次给氧以后，炉顶砖上附有致密均匀的渣层。 分级给氧气化工艺流场的优势在于恰到好处地利用了炉顶部区域传统工艺的黑区完成燃烧气化过程，而没有过度反应影响炉顶砖的寿命。 运行8000小时后的耐火砖（新砖厚度23cm）清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）从化学反应过程上与现有气流床煤气化技术有着本质的区别，而不单单是气化炉的物理特征上的差别，因此是具有独立知识产权的新型专利技术。现有的气流床煤气化工艺，不论是一级给料的GE、Shell、GSP、Prenflo和多喷嘴气化，还是两级给料的E-Gas的两段水煤浆和西安热工院的两段干粉气化，气化炉内原料的反应过程都是一样的，即经历了脱水分和挥发份燃烧气化三个阶段。而清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）通过氧气的分级加入，将煤的气化反应过程从三个阶段变为五个阶段，即脱水分和挥发份燃烧气化再燃烧再气化，在化学反应过程上有着本质的区别。1.4.2与国内外同类技术比较与国内外同类技术比较情况归纳汇总如下:序号项 目水煤浆非熔渣熔渣分级气化技术国内外其它水煤浆气化技术1气化原料水煤浆水煤浆2气化原理部分氧化部分氧化3气化炉给氧级数 214气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量关系 脱离约束约束5气化炉轴向温度特性低高低高低6气化炉主烧嘴端部温度低（低200）高7有效气体成份比不分级高12%8气化炉长径比炉温轴向温度均衡，长径比可加大炉温轴向温度从高到低，长径比不宜加大9煤种适应性在灰熔点1400oC以下运行在灰熔点1300oC以下运行清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的独特型和先进性已经得到国内外专家的认可。在国内，国际工程咨询公司对该技术进行了评估，评估认为“具有自主知识产权，能与当今世界先进的壳牌（Shell）、德士古（Texaco）、GSP等气化技术竞争；从小试到工业化生产，在参与各方的共同努力下，各项工作进展都很顺利，已经具备了高技术产业化的条件。在当前国内大搞煤化工，各企业纷纷引进国外技术的形势下，急需开发具有自主知识产权的新技术，以打破外国公司的技术垄断；评估建议，企业加强合作，尽快完成工业化规模的实验，及时总结经验进入鉴定推广阶段。”在国际上，我们与GE、IHI、Shell等公司在气化技术方面一直保持着密切的技术交流，并且得到这些公司对该技术的认可，此外BP也意识到本技术的专利独特性，已经和我们签订了技术评估协议（BP Reference: BPI/PAT/EDK/50487），目前已完成评估工作，对清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的基础研究和工程实践给与很高评价。 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）是在消化吸收国外水煤浆气化技术的基础上自主创新，具有国外成熟技术运行稳定的基本性能，又有自己独特的创新点。采用该技术的丰喜肥业集团气化装置（20万吨/年甲醇气头）自2006年1月23日首次化工投料至今，年运转率达到94%，年负荷率达到120%，创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。 由于氧气分级供给，气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量脱离约束，减少了主烧嘴的氧化负荷，改善了主烧嘴的工作环境，延长了其运行周期，工程实践中最长运行周期已达到106天；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，同样直径气化炉的生产能力大于国内外其它水煤浆气化技术的气化炉；由于氧气分级供给，改善了炉内的温度场，提高了炉内的平均气化温度，使有效气体成份提高12%；由于炉内高温区在二次进氧的范围内，平均炉温高，出渣区域接近高温区域，扩大了清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）煤种的适应性。在丰喜肥业的气化装置上已达到的指标是：气化炉测量温度低于进料煤灰熔点100（实际高温区温度高于灰熔点，但无法测量），这一点十分重要：以耐火材料为防护的气化炉一般耐受温度可达到1300，清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）就可以使用灰熔点为1400的煤作为气化原料，大大扩展了煤种的适应性。1.5气化炉的能力匹配 下面列出几种不同炉型，采用清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）与采用传统水煤浆技术硬件投资相近，但是能力范围却有不同。 气化岛造气能力匹配图说明：11104NM3/h（CO+H2）生产能力大约相当于每小时4.2吨甲醇、0.87吨氢的生产能力。 2清华炉（非熔渣熔渣分级气化岛）与传统水煤浆气化岛硬件投资相近。 3柱状图为设计能力，仍保留+10%以上生产弹性。 4清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）有效长径比（气化室直筒段/气化室内径）约为3.4，传统气化炉约为3.0。 5本图以神木煤为基础测算绘制。2.技术成熟并进入实用阶段2.1 项目进展情况及成果已经完成专利技术研究、实验开发、工程设计、工业装置建设、工业装置正常投入运行的全过程。专利技术研究：（2001年至2006年） 非熔渣熔渣气化炉 ZL 02 2 35127.2 一种改进的非熔渣熔渣气化炉 ZL 03 2 79783.4 用于煤、焦气化的分级式气化炉 ZL 2006101140391 经过中国化工信息中心查新，本技术具有新颖性，详见中国化工信息中心查新报告2007-237。基础理论研究和冷热态试验：（2002年至2005年） 得到国家863计划支持，（课题编号：2002AA529050）完成了数学模型、冷态实验和热态实验，在热态实验中，得到了预期结果。工艺包和工程设计：（2002年至2006年） 完成了清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）工艺包和工程设计，同时完成其后续装置10万吨/年甲醇装置工程设计，为装置建设创造了必要的条件。项目实施阶段得到国家发改委支持，列为2006年度国家重点新能源的高新技术产业化专项项目，文件编号发改办高技【2006】2352号。装置建设、开工和正常运行：（2003年至2007年） 采用清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的20万吨/年甲醇生产装置一期工程于2003年正式开工建设，2006年1月在山西丰喜肥业集团建成，一次开车成功。截至2007年10月21日考核止，累计自然天数637天，运行天数603天，在这637天期间运转率94.66%，平均日负荷率107.3%，年负荷率达到120%。 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）于2007年10月23日顺利通过72小时考核。专家考核组认为:1装置连续稳定运行72小时，平均负荷率为109.4%，装置各项指标平稳。2运行数据与计算结果真实可靠，考核装置满负荷运行的技术指标如下：项目单位考核数据比氧耗Nm3/1000Nm3(CO+H2)367.6比煤耗kg/1000Nm3 (CO+H2 )553.5有效气成分 (CO+H2)%83.06碳转化率%98.2产气率Nm3干气/kg煤2.18能力吨粗醇/天3903气化装置自动化程度高，安全可靠，操控性能良好。预混气由氧气切换为二氧化碳时装置运行平稳。预混气体为二氧化碳时炉上部温度比预混气体为氧气时低50（清华大学实验室测定气化炉中心的温度低200），有利于延长喷嘴使用寿命。4与国内外水煤浆气化技术相比，本项目的技术创新点在于：（1）采用分级给氧，使主喷嘴附近温度降低，有助于延长喷嘴寿命。气化炉内的温度分布更加均匀，平均温度提高；气化炉主烧嘴的氧气量可以脱离炉内部分氧化反应所需的碳与氧的化学当量比约束。（2）主烧嘴可以采用氧含量从0100%的不同气体（如CO2或N2）作为主烧嘴预混气体。 非熔渣熔渣分级气化技术与现有其它粉煤液态排渣气化技术相比具有新颖性和创新性。5.本工程在实验室研究的基础上进行工程设计，成功实现了工程化放大，表明研究与放大方法科学、正确，掌握了该技术的工程放大规律，奠定了向更大规模跨越的理论与工程化基础。6.本装置采用国产化技术和设备，工艺设备国产化率达到100。7.非熔渣熔渣分级气化技术先进可靠，有效气体成分比氧气不分级的高12。考核期间分级运行平稳，由O2切换为CO2作为主喷嘴预混气体时，切换平稳，操作运行数据达到了考核要求。8.本次考核采用华亭和神木的混合煤，专家组认为混合煤的煤质与设计煤种没有实质性差异，可以作为考核煤种。 根据以上现场考核结果，专家组意见和建议如下： （1）示范装置72小时的满负荷考核数据达到了考核指标要求，建议予以项目验收。（2）对降低喷嘴端部温度，延长喷嘴使用寿命的实际效果需继续进行观察。（3）本项目技术性能考核指标优于国外同类技术，是具有国际先进水平、自主知识产权的新型煤气化技术，并在示范工程中成功应用，取得显着效果，希望有关部门予以推广。 受国家发改委委托，2007年12月6日中国石油和化学工业协会在北京组织召开了“非熔渣熔渣分级氧化气化技术”科技成果鉴定会。鉴定委员会听取了成果完成单位北京达立科科技有限公司、清华大学和山西丰喜肥业（集团）股份有限公司所作的工作报告、研究报告、工业运行报告及现场考核专家组的考核报告等，审查了有关技术资料，经过认真讨论，形成鉴定意见认为： 非熔渣熔渣分级气化技术“处于水煤浆气化技术的国际先进水平。”2.2自通过国家级鉴定后，清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）得到广大用户的关注。经过一年多的时间，已有二十余家用户与我们联系，其中五个项目已经进入建设阶段，已有业绩如下： 山西丰喜一期（气化炉4.0Mpa、2800mm，日单炉投煤量可达700吨，2006年1月份已开车） 山西焦化（气化炉4.0Mpa、2800mm，日单炉投煤量可达700吨） 内蒙金诚泰（气化炉6.5Mpa、 2800mm，日单炉投煤量可达1150吨） 大唐呼伦贝尔（气化炉4.0Mpa, 2800mm，日单炉投煤量可达700吨） 惠生内蒙（气化炉6.5Mpa, 3200mm，日单炉投煤量可达1800吨） 山西丰喜三期（水冷壁气化炉4.0Mpa、2800mm，日单炉投煤量可达700吨） 惠生公司是一个集生产与设计、技术于一身的公司，自身拥有煤气化工厂，并完成了煤气化工厂的设计和总承包工作，清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）能被惠生公司选中，用于自建的内蒙180万吨/年甲醇（一期60万吨/年）工程中，我们深感荣幸和自豪。 大唐呼伦贝尔化肥公司采用褐煤气化原料，充分显示了清华炉的技术集成优势。 山西丰喜水冷壁气化炉将可采用无烟煤作为原料，使清华炉的原料覆盖范围大大超过国内外同类技术的水平。2.3采用清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的四大优势2.3.1具有独立自主知识产权 我们（以清华大学为主）自主完成了清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的数学模型，冷态试验，热态一米炉试验；新技术与国内外已投产和将要投产的8种技术：GE、Shell、GSP、Prenflo、多喷嘴对置气化， E-Gas、航天炉、两段干粉气化不同，这8种技术的氧气均未分级，只有清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）分级给氧；清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）已取得了国家专利 ZL 02235127.2、ZL 03279783.4、ZL 2006101140391。采用清华炉（非熔渣-熔渣分级气化技术）在知识产权问题上无后顾之忧。2.3.2水煤浆气化工艺成熟，成功的工业实践多 清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）结合立式旋风炉理念并消化吸收国外传统水煤浆气化技术，给料方式简洁、稳定；系统压力易于提高；配套技术成熟。正因为有这些优势，清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的第一个工程项目就取得了生产平稳，投产三年来取得了年运转率达94%，年负荷率达120%的好成绩。这个业绩表明，传统水煤浆气化技术工业实践已经为清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）的工业应用开辟了低风险的坦途。2.3.3以清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）为核心的经济型分级气流床气化技术是企业技术改造的最优选择 以清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）为核心的经济型分级气流床气化技术是一个全新的技术集成，包括：高浓度水煤浆制备、二次给氧气化室、雾化激冷室、集中排渣技术、高效洗气塔、高压灰水能量回收技术、灰水系统真空控制技术、闪蒸汽回收利用技术。 技术集成的基础是三结合的技术开发团队，以及这个团队在技术创新中所建立的三个基点：实事求是的设备国产化体系；全系统优化的工艺流程；科学高效的项目建设机制。与同类技术相比，以清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）为核心的经济型分级气流床气化技术整体可节约投资20%。由于清华炉（非熔渣熔渣分级气化技术）自身特点，降低了主喷嘴氧化强度，延长了主喷嘴的使用寿命。工业实践已经证明，采用经济型分级气流床气化技术运行周期更长，系统更为安全、平稳。2.3.4不断创新，清华炉（非熔渣-熔渣分级气化技术）可持续发展水冷壁的研究 为了改善煤种的适应性，扩宽气化煤在灰熔点方面的要求，就必须进一步提高炉温。在这方面，采用膜式水冷壁是一个比较好的选择。我们与热工行业的专家紧密结合，工作进展十分顺利，预计丰喜肥业三期工程中采用的膜式水冷壁气化炉2010年底可投入运行。干粉进料的研究 经典的干粉进料方式需充分干燥，分仓加压，这种方式是切实可行的，但过程过于复杂，且能耗高、测控难度大，影响装置运行的稳定性。我们开展干粉泵送的研究，并就干粉泵申请了专利，希望走出一条新路。新废热锅炉流程研究 煤气化应用于发电行业，废热锅炉流程优于激冷流程。我们申请了专利，并设计了全新的废热锅炉流程，将在“国家IGCC和煤气化中心”中建设日投煤量25吨的实验装置。新废热锅炉流程将比较彻底地解决气流床气化炉出口气体的高温与废热锅炉耐高温材料选择的矛盾。褐煤改性研究 在中国已探明储量的煤炭资源中，褐煤所占比例达15%以上。为提高褐煤的使用价值，我们申请了专利，并设计了针对褐煤的连续法高压中温改性流程。希望此项研究能在环境友好条件下做好褐煤改性工作。对水煤浆加压气化工艺技术的评述(摘要)1水煤浆加压气化工艺技术的现状水煤浆加压气化是美国德士古公司开发并应用于工业化生产的。国外已建成投产的装置有6套，15台气化炉。国内已建成投产的装置有7套，21台气化炉；正在建设，设计的装置还有4套，13台气化炉。这些已建成投产的装置最终产品有合成氨、甲醇、醋酸、醋酐、氢气、一氧化碳、燃料气、联合循环发电，各装置自建成投产后，一直连续稳定、长周期运行。该工艺技术的专利许可证费已有大幅度降低，装备国产化率已达90%以上，由于国产化率高，装置投资相应低。一套投煤量500t/d，气化压力为4.0MPa的气化炉系统投资约7000万元。一套投煤量1000t/d，气化压力为4.0Mpa的气化炉系统投资约11000万元。一套投煤量750t/d，气化压力为6.5MPa的气化炉系统投资约9000万元。 近年来国内有关大专院校和科研单位开发了具有自主知识产权的水煤浆气化工艺技术。华东理工大学开发的多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术，西北化工研究院开发的多元料浆加压气化技术，都各有其特点。 2特点及优点 （1）水煤气化对煤质的适应性较广。烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点劣质煤、石油焦等均能用作气化原料。气化温度一般比在还原性气氛下的灰熔点T4高50100，由于耐火砖衬里承受高温抗渣的限制，一般要求煤的灰熔点在还原性气氛下T41300。气化温度下的煤灰粘度要求在2540Pa.s之间，且变化平稳。对较高灰熔点的煤，也可以采用高灰熔点煤与低灰熔点煤混配煤或加石灰石作助熔剂以降低灰熔点的办法来解决。 原料煤中氯、氟等卤素低一些比较好，否则在气化及后续系统的设备、管道选材上需特别注意。 原料煤的成浆性必须作实验室试验，成浆性好的煤，其煤浆流动性能好，气化用的氧气消耗少。要求制成水煤浆的煤浆浓度在60%以上。影响制成高浓度水煤浆的一个重要因素是原料煤的内在水分，要求内在水分低于10%，否则制不成高浓度的水煤浆。西北化工研究院曾对兖矿南屯煤矿洗煤厂的煤泥可以制成符合加压气化的水煤浆，这样便可以降低生产成本。原料煤的可磨性指数（HGI）要高，原料煤容易磨细，磨煤消耗的功率就少，成浆性能好。原料煤中灰分含量要低，一般煤中灰分含量从20%降至6%，可节省煤耗5%左右，氧耗10%左右。有的厂已采用煤灰含量低的洗煤作原料，效果比较好。 （2）气化压力从2.5到8.5MPa皆有工业性生产装置在稳定长周期运行。采用6.5MPa气化有利于采用甲醇等压合成工艺，采用8.5MPa气化有利于用采用氨等压合成工艺，以降低能耗，节省投资。 （3）气化系统的热利用，有两种形式，一种是废热锅炉型，可回收煤气中的热量副产高压蒸汽，适用于联合循环发电；另一种是水激冷型，可制得水气比高达1.4的合成气，满足后续工序一氧化碳变换的需要，变换工序不需要外供蒸汽。 适用于煤制合成氨、氢气、甲醇等化工产品。 （4）气化炉生产能力比较大，目前最大的气化炉日投煤量为2000t，国内最大的气化炉日投煤量为1000t，直径3200mm。 （5）气化系统不需要外供蒸汽及输送气化原料用N2或CO2。 （6）气化系统总热效率高达94%96%，高于Shell干法气化（为91%93%）和GSP干法气化（为88%92%）。 （7）气化炉结构简单，为耐火砖衬里，气化炉内无转动装置或复杂的膜式水冷壁内件，所以制造方便，造价低。同时，因为采用热壁炉，内部热容量比较大，耐火砖升温至1000以上后，即可直接喷水煤浆投料，生产安全可靠，不像冷壁炉那样为了开工点火，防止熄火和保证安全生产，在开停车和正常生产时都需要连续燃烧一部分液化气或燃料气。 （8）制备和输送水煤浆的流程比Shell法和GSP法制备粉煤和输送粉煤流程短，水煤浆泵送入气化炉比干法输送粉煤入炉简单得多，并且安全可靠，投资省。 （9）气化炉系统在有备用炉的情况下，气化装置运转率可高达100%，远高于单台气化炉（不设备用炉）的Shell法（只有74%78%），水煤浆法单台气化炉的年运转率与Shell法单台气化炉相仿。 （10）煤气化除尘比较简单，只需要一个文氏管洗涤器和一台洗涤塔就可以了，不需要像Shell法采用国内尚不能制造且价格昂贵、需经常更换内件的高温高压飞灰过滤器。 （11）碳转化率高达96%98%，如采用多喷嘴对置式加压气化炉，碳转化率可达到99%。 （12)粗渣可用作建筑材料，细渣可作锅炉用燃料，如返回制浆系统，则更为经济。排出的一小部分灰水处理简单，处理后排出对环境无污染。 后续工序变换排出的部分冷凝液及工厂排出的废水，可作为制备水煤浆的用水。 气化后合成气中的H2S、COS等酸性气体可在后续脱除酸性气体工序中脱除并回收利用。 总的来说，水煤浆加压气化工艺属于洁净煤气化工艺技术。 3缺点和存在的问题 （1）气化用原料煤受气化炉耐火砖衬里的限制，适宜于低灰熔点的煤，否则需要配煤或加助熔剂，使在还原性气氛下的煤灰熔点T41300。 （2）碳转化率较低（96%98%），冷煤气效率低（73%74%），有效气成分（GO+H2）较低（80%83%），有效气（CO+H2）比氧耗为336410m3/km3，有效气（CO+H2）比煤耗为550620kg/km3。注：氧耗和煤耗与煤质的关系比较大。 （3）气化炉现用的耐火砖使用寿命较短，一般为12年，国产砖寿命为1年左右。耐火砖较贵，1台投煤量为1000t/d的气化炉耐火砖需400万元左右，有待改进。 （4）气化炉喷嘴使用寿命较短，一般使用2个月后，需停车进行检查，维修或更换喷嘴头部。 4国内对德士古水煤气化技术的收获 4.1对工艺技术的掌握 我国自从鲁南化肥厂第一套水煤浆加压气化装置（2台气化炉）于1993年建成投产以来，相继建成了上海焦化厂气化装置（1995年建成投产），渭河化肥厂气化装置（1996年建成投产），淮南化肥厂气化装置（2000年建成投产），金陵石化公司气化装置（2005年建成投产），浩良河化肥厂气化装置（2005年建成投产），南化公司气化装置（2006年建成投产）。由于我国有关生产厂的精心消化吸收，已掌握了丰富的连续稳定运转经验，新装置一般都能顺利投产，短期内达到连续稳产、高产、长周期运行。并且掌握了以石油焦为原料的气化工艺技术。 4.2人才的培养 通过上述工厂的设计、建设，我国已培养出了有丰富经验的工程公司及工程技术人员，可以独立进行水煤浆加压气化的工程设计和工程总承包工作，节约了建气化装置的软件费支出。同时，培养出了有丰富建筑安装经验的工程公司和工程技术人员。也培养出了经验丰富的对煤种作实验室评价和煤种试烧的工程技术人员。对于常规煤种，工程技术人员已有能力只凭煤种的实验室评价进行气化装置的工程设计。 4.3装置的国产化率 通过上述装置的设计、制造、建设和生产的工程技术人员密切配合，装置的国产化率已有很大提高。软件设计全部可以由国内有经验的工程公司承担。主要设备如喷嘴、气化炉、破渣机、锁斗、捞渣机、文氏管洗涤器、洗涤塔、低压煤浆泵、高低压及真空黑水闪蒸罐、灰水沉降槽、高低压灰水泵、锁斗循环泵、洗涤塔循环泵、细灰过滤机等国内都能生产。耐高温又抗渣的耐火砖，国内有几家耐火材料厂已都能生产。只有高压煤浆泵，国内正处于试制和试用阶段。 4.4装置的投资 水煤浆加压气化装置的建设费用比Shell法和GSP法都要省，其建设费用比为Shell法:GSP法:水煤浆法=（22.5）:1.5:1，所以其固定生产成本比其他两种方法都低。 还有一点需要提一下的是煤耗和氧耗问题，它与原料煤质的关系比较大。但是无论是Shell法或GSP法，在粉煤气化时，需向气化炉内输入过热蒸汽，其用量相当于120150kg/km3(CO+H2)，过热蒸汽与粉煤的比例相当于（0.220.25）:1，相当于水煤浆中含水20%。宣传资料上介绍的煤耗和氧耗，实际上是忽略了生产过热蒸汽所用的煤耗及将蒸汽加热到14001500的煤耗和氧耗；在正常生产时，需燃烧一部分燃料气，必将增加氧耗及燃料气耗（折煤耗）；备煤时煤干燥需要增加煤耗。按宣传资料介绍，这两种方法的煤耗和氧耗比较低，有效气（CO+H2）煤耗为550600kg/km3,氧耗为330360m3/km3，加上以上这些煤耗和氧耗，实际上有效气（C0+H2）总煤耗将为620670kg/km3，总氧耗将为380410m3/km3。煤耗和氧耗不但没有降低，反而比水煤气化法多了或相仿。另外还要考虑制煤粉和输送煤粉增加的电耗。 鉴于以上几点，水煤浆加压气化工艺技术是一项成熟、国产化率高、投资省、建成后就能顺利投产，长周期稳产高产的工艺技术。序号煤气化业绩表12006年1月，山西丰喜肥业（集团）临猗分公司建成20万吨/年甲醇装置一期工程（三台气化炉两开一备，一期工程先行安装两台），并于元月23日一次投料成功，三年来运行稳定，年开工率已达94.6%。22008年5月，山西焦化股份有限公司气源厂项目签定合同，单台气化炉日投煤量700吨，已交付工艺包，进入建设阶段。32008年6月，鄂尔多斯市金诚泰化工有限责任公司签定合同，单台气化炉日投煤量1100吨，已交付工艺包，进入建设阶段。42008年8月，大唐呼伦贝尔化肥有限公司签定合同，单台气化炉日投煤量700吨，已交付工艺包，进入建设阶段。52009年4月，上海惠生控股(集团)有限公司签定合同，单台气化炉日投煤量1800吨，已交付工艺包，进入建设阶段。62009年4月，山西丰喜肥业（集团）临猗分公司三期工程建设水冷壁水煤浆气化炉，单台日投煤量700吨，预计2010年10月投产运行。谱写中国煤化工产业发展新篇章2009年下半年，尤其是进入8月份后，北京达立科科技有限公司几乎喜讯不断：一是从中国氮肥工业协会传来消息，由北京达立科科技有限公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司联合研发的经济型气流床分级气化技术，被中国氮肥工业协会评为“氮肥行业振兴支撑技术”。二是9月初，在2009年度中国石油和化学工业协会科学技术奖评审会上，经济型气流床分级气化技术的核心清华炉（非熔渣-熔渣分级气化技术）（以下简称为清华炉）被评为“科技进步一等奖”。三是前不久，北京达立科科技有限公司被北京市科学技术委员会等认定为“高新技术企业”。接踵而至的好消息让北京达立科科技有限公司（以下简称为达立科科技公司）的员工们振奋不已，也使清华炉再次成为业内关注的焦点。我国拥有完全自主知识产权的清华炉由达立科科技公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司共同研究并申请专利，2002年得到国家“863”计划项目支持，2006年1月第一套工业装置在山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司临猗分公司顺利投产，并于2007年通过中国石油和化学工业协会组织的专家现场考核。该技术的成功推广，对于改变我国在煤化工核心技术领域长期依靠国外技术的局面，具有里程碑式的意义。 五大特点使清华炉脱颖而出当前，在世界性油气短缺，特别是我国多煤少油的能源形势下，我国的煤气化技术正在步入发展的快车道。面对这样一个大市场，世界上种种成熟的、不成熟的，甚至带有明显缺陷的煤气化技术纷纷挤入中国，形成了一个时期以来，煤气化技术市场你争我夺的“战国时代”。但使用国外技术设备，耗资巨大且受制于人。正是在这种背景下，由北京达立科科技公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司联手开发、具有自主知识产权的清华炉脱颖而出。作为清洁能源利用技术，它解决了千百年来煤炭利用过程中的环境污染问题和多煤种的选用问题，从而为后石油时代的来临做了相当实际的技术准备。它不但增强了我国大容量煤气化炉在煤化工应用领域的竞争力，为打破国外技术垄断局面提供了利器，也为国内数量众多的中小型化工及化肥企业的技术升级与改造，提供了一个技术水平高、低成本的选择。从2007年10月至今，历经两年的运行实践和考核，结果表明，作为我国煤化工领域的重要创新成果，清华炉的优越性十分明显：完全自主知识产权。该技术从开发伊始就十分注重知识产权问题。在技术方案形成之初，他们就广泛研究国内外相关专利，进行分析比对，确认该技术不仅从外形上，而且从化学反应过程上都有别于其他已有的技术。工业装置运行稳定，具有领先水平。自该技术的第一套工业装置首次开车（2006年1月）至组织考核（2007年10月）止，自然天数637天，运行天数603天，运行率达94.6%，装置的稳定性达到了同行业先进水平。 装置技术水平先进。核心技术的突破，系统技术的集成，使得该技术具备优良的技术特性，主烧嘴寿命达到106天，超过国外同类技术一倍。有效气体成分提高1%2%，比氧耗、比煤耗优于国外同类技术。洁净的煤转化技术，保证了装置的环境友好。高温气化性能保证了固、液洁净排放，特别是将渣水的多点排放改为集中排放更使生产现场清洁美观。较高的性价比为用户提供了更好的选择。核心技术的突破，流程的优化，设备国产化的科学选择，使得清华炉与国内外同规模装置相比，可节约投资20%以上。正是这五大特点使该技术在煤气化技术市场上摘取了“氮肥行业振兴支撑技术”的桂冠。10年甘苦，他们走过了专利方案研究、申请授权、数学模型开发、冷态试验、热态试验、工艺包设计、工业装置设计和建设直至开车投运的整个过程。正如所料，清华炉的成功，很快引起国内外同行的关注，引起了几乎被国外公司垄断的中国煤气化技术市场一次不小的震动。英国BP公司的专家到现场参观时，表示“非常震惊”，没想到中国有如此优秀的煤气化技术。考核鉴定后开始市场推广，到2009年4月，短短20个月，已有5套清华炉气化装置投入建设是什么铺就了新技术的成功之路？强大、稳定、开放的开发团队在清华炉开发的产学研团队中，达立科科技公司、清华大学、山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司3方各有所长，在传统工业技术的开发和应用方面都积累了大量经验，由此形成了这个团队在开发工业技术上的先天优势。达立科科技公司是一个多年从事技术开发的专业公司，公司既有国内多年从事石化工作的老专家，也有近年成长起来的技术新秀。他们与清华大学和山西阳煤丰喜肥业集团组成的团队完成的大颗粒尿素制备新技术在国内迅速推广，与国外技术同台竞争，不仅以自主知识产权技术建成了16套工业装置，还为引进国外技术的企业创造了压低引进费用的条件。以该公司为主推出的煤气化技术方案，其成功的实践证明，达立科科技公司是一个成功的创新型技术企业。清华大学热能系的热能工程学科是国家级重点学科，先后承担了3个国家“973”计划项目，同时还承担国家自然科学基金、“863”计划、科技攻关等项目及有关部委和国内外企业的科研合作项目。清华大学早在上世纪80年代就开始了煤气化基础动力学的理论和实验研究，并在自备电厂进行了焦载热煤气化的中试研究。他们紧跟国际煤气化的研究发展方向，在高温高压纯氧气流床煤气化方面进行了大量研究和设备投入，先后引进了煤气化动力学研究必需的TGA、高温TGA、高压TGA等设备，并自行设计开发了模拟气流床气化炉的加压沉降炉系统，为开发具有自主知识产权的气流床煤气化技术奠定了基础，并创造了良好的条件。山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司创立于1998年，是一个集化工、化肥、化机制造为一体的国家大型煤化工企业，2006年跃居全国化工企业50强。清华炉实施单位临猗分公司是一个以煤为原料，拥有30万吨/年合成氨、52万吨/年尿素、25万吨/年甲醇生产能力的企业，技术实力雄厚。多年的煤化工实践经验，使丰喜人对新技术高度敏感。为解决原有固定床气化装置原料价格高等问题，他们认真研究比较国内外煤气化技术，选中了清华炉这个尚在襁褓中的新技术，加入了开发团队。这样一个各具特色的产学研相结合的开发团队，从组成之初就在制度上保证了三方责、权、利关系明晰。近10年来，他们精诚合作，杜绝工作中的内耗，成为一台近乎完美的“大马力高效发动机”。 而在这台“大马力高效发动机”之外，更有国内很多同业专家、企业参与了开发，为新技术的成功奉献了汗水和智慧。 在工程实施阶段，新技术的设计是一个难题。开发团队将这副重担交给了中京工程设计软件技术有限公司，还特别邀请了石化行业高水平的老专家担当设计负责人，突破了工程设计关。 在煤气化技术中，烧嘴是关键设备。在项目开发初期，开发团队分析认为，外国公司一般将烧嘴作为专利设备打包销售，引进费用昂贵，因此要自行开发烧嘴。而国内航天十一所有这方面的专长，在燃烧器的设计和制造方面已经取得了很大成就。于是开发团队登门拜访，与航天十一所的燃烧器专家共同攻关。最终，主烧嘴、二次给氧喷嘴、激冷室水雾化喷嘴的设计和制造问题一一得到解决。 原料煤制备是煤气化的龙头。开发团队调研发现国家水煤浆工程中心在煤制浆方面水平更高，更具实力，就主动邀请水煤浆工程中心参加到清华炉的项目中。现在双方达成在水煤浆气化方面煤浆制备技术排它的互相支持协议。双方合作开发的“级配制浆技术”在同等条件下，可提高煤浆浓度4%左右，并且可以降低煤浆的平均颗粒度，在气化过程中增加反应物表面积，对气化反应更加有利。 正是这种“产学研一体开发团队企业间的联手合作”具有中国特色的技术开发模式，大大加快了清华炉成功的步伐。 科学、严谨、求实的创新精神技术创新，特别是工业技术创新，离不开严谨的科学态度。对已有的工程技术要认真研究学习，对前人的技术成果认真消化吸收，这是清华炉开发团队一直抱有的诚恳态度。 例如，在研究、学习分级给风立式旋风炉工程生产经验的过程中，研发团队发现立式旋风炉在空气条件下常压熔渣燃烧，可以直接观察炉内熔渣流淌和对炉壁形成的渣保护状况，由此总结得到的二次给风的作用以及对炉内燃烧状况的影响对清华炉的研发产生了重大的意义，这种运行多年的热工行业的分级给风立式旋风炉成为清华炉研究团队研究问题的“标本”。在技术开发的起步阶段，国内外已有多套水煤浆气化装置投入运行，这些装置的建设经验和运行状况也成为他们研究和学习的样本。通过反复研究，他们找到了原有技术的长处，也发现了原有技术有待解决的问题，这些为研究工作指明了突破方向。 科学的态度还表现在开发过程中不放过任何疑点，坚持用试验结果说话。例如，清华炉的创新点在于将氧气分级供给。那么二次氧气从侧壁进入气化室会不会在局部区域引起爆炸？为此，清华大学安排研究人员专门设计了试验台，以比工业装置更为苛刻的条件针对反扩散火焰的燃爆问题进行试验，以精准的试验数据，支持了开发工作的顺利进行。又如，在开发水冷壁气化炉的过程中，以轻质燃料火焰点燃水煤浆是一个重要环节。水煤浆投入时会不会将轻质燃料火焰扑灭？为此清华大学又安排了专门的试验，设计了比水煤浆更有效的非燃烧物质在点火状态下干扰轻质燃料火焰，证明了在开工点火条件下水煤浆不会扑灭轻质燃料火焰。 作为这个过程中不可或缺的，还有开发团队勇于实践的创新精神。研发过程中，丰喜肥业就在临猗分公司为清华炉提供了工业化生产实践的大舞台，使该技术顺利走向成熟。在项目建设过程中，他们通过对技术的煤气化全流程进行认真分析研究，取得了一些看似简单，但对装置长周期运行起到重要作用的成果。例如，改造气体洗涤塔内件，在塔内完成细灰颗粒的湿润洗涤过程，取消了文丘里，减少了系统压力降，为降低能耗创造了条件；在真空系统中，调整了闪蒸罐的位置，创造了采用“大气腿”建立真空的条件，取消了传统工艺中用于控制真空度的调节阀、循环泵等设备，不仅节约投资，而且解决了管道和设备结垢堵塞的老问题，提高了装置的运转率。他们不是新技术的被动接受者，而是一批勇于实践的创新者，在完善新技术的过程中发挥了重要作用。勇于实践的精神也鼓舞着清华大学和达立科科技公司在煤气化技术方面又完成了数项技术突破。 完成了清华炉水冷壁炉型开发的前期工作。在热态水冷壁试验炉取得了相关参数，工业装置已进入建设阶段，2010年装置即可投产。清华炉水冷壁炉型可以采用灰熔点1600以下的各种原料煤。在采用此类煤种时，采用特定技术，可