清华炉介绍教材

清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心清华炉技术介绍主要内容清华炉的发展清华炉的主要流程清华炉的主要技术特点清华炉的主要业绩清华炉的发展清华炉煤气化技术自2001年投入研发开始，经过专利研究、数学模型建立、冷态试验、热态试验及工程化各阶段。清华炉第一代耐火砖气化技术的大型工业装置于2006年1月在山西阳煤丰喜肥业（集团）临猗分公司投入运行。首次投料即稳定运行，专家签定认为“该技术优于国外同类技术，具有国际先进水平”。3

第一代清华炉概况现有气流床气化技术二代清华炉Texaco四喷嘴一代清华炉ShellGSPHT-L航天炉4

第二代清华炉研发需要解决的问题2005年第二代清华炉水煤浆水冷壁技术投入研发，清华炉研发团队解决了三大难题，成功地将水煤浆进料方式用于水冷壁炉：

★水煤浆在非蓄热状况下点火问题；

★水煤浆在非蓄热条件下的稳燃问题；

★

水煤浆水冷壁气化炉副产蒸汽的耗氧问题；

这三个问题的突破是第二代清华炉煤气化技术取得成功的关键。5

清华炉的点火试验台：冷壁炉点火和稳燃实验台示意图清华炉实验台照片6

第二代清华炉示范装置于2011年8月22日在丰喜投入运行，与第一代清华炉一样，首次投料即进入稳定运行状态，并连续、安全、稳定运行了140天，全面实现了研发和设计意图，创造了世界煤化工史上的奇迹清华炉水煤浆水冷壁技术克服了水煤浆耐火砖气化技术的两个缺憾：煤种适应性窄，难于处理高灰熔点煤；单炉年运转率低，为达到装置8000小时年运转要求，必须配置备用炉。清华炉水煤浆水冷壁技术克服了干粉水冷壁炉的两个缺憾：干煤粉制备中干燥过程的高能耗和危险性；气化系统压力难于提高，一般只能达到4.0MPa。7

第二代清华炉概况第二代清华炉煤气化技术科技成果鉴定（国家鉴定书）8

第二代清华炉煤气化技术科技成果鉴定会9

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清华炉的主要流程11

煤浆制备流程12

煤浆气化流程13

灰水处理流程14

清华炉的主要技术优势15

1.清华炉的本质安全性2.点火系统的安全性3.投资优势明显4.煤种适应性更宽5.气化效率高6.运行成本低7.节水8.对环境友好清华炉的主要技术优势1、水冷壁系统的本质安全：

清华炉研发过程中充分考虑了水冷壁水汽自然循环的可行性，依自然循环设计，按强制循环运行。即便特殊故障无法强制供水，水汽系统仍可自然循环，保证气化炉安全停车，不会出现日本核电站地震海啸中给水泵停运引发的重大安全事故。锅炉水循环泵不必采用一级电源供电。16

1、水冷壁系统的本质安全：和其他结构水冷壁内件比起来，清华炉内件具有冷却均匀，系统阻力低；不会出现汽水分层现象等优点。17

2、点火投料系统的安全：耐火砖气化炉点火方式水煤浆耐火砖气化炉采用蓄热式点火，气化炉先采用预热烧嘴将气化炉温度烘至800℃以上，并保持两小时，然后换工艺烧嘴进行投料，一般要求更换烧嘴速度要快，以免气化炉温度降低；水煤浆进入气化炉后，首先是水分的蒸发和挥发分的析出，然后是挥发分的燃烧和煤粉的燃烧，气化炉炉温是先升后降，在国内水煤浆气化的投料过程中，由于炉温较低发生爆炸的事故比较多见。18

其他水冷壁的启动●

Shell点火过程较复杂，首先将燃气烧嘴点燃，然后将燃油烧嘴点燃，燃油烧嘴点燃后，迅速将燃气烧嘴抽出，利用燃油烧嘴将气化炉温度升起来，并将气化炉压力升至1.0MPa然后投煤粉烧嘴，煤粉烧嘴投进来后，迅速将燃油烧嘴抽出；●

GSP、航天炉烧嘴结构复杂，直接用燃气升温、升压，然后再1.0MPa下投煤粉喷嘴。19

2、点火投料系统的安全：不同流道流体示意图第二代清华炉，在原清华炉三流道烧嘴的中心氧通道增加燃料气通道，点火时送入燃料气，用燃料气将气化炉温度升至800℃，在常压下投水煤浆，燃料气与水煤浆同轴伴燃，稳燃后经切断燃料气，由于有燃料气的伴燃，投料后气化炉温度温度马上上升，不会发生爆燃。在一个烧嘴，常压下完成气化炉点火、升温、投煤全过程，不需切换烧嘴。20

和水煤浆耐火砖气化炉相比

相同投煤量的清华炉和耐火砖气化炉相比，投资相差不多，单台清华炉和耐火砖气化炉相比，投资基本相差一炉耐火砖的价格，主要是清华炉炉壳采用国产的14Cr1MoR，而不是采用进口SA387；

清华炉由于采用水冷壁，不需要换砖，所以清华炉一般不再设备用炉，对于同等规模的气化装置，至少可以节省一套备用气化炉系统。21

3、投资优势明显和干粉气化炉相比

相同投煤量的清华炉和干粉气化炉相比，由于没有复杂的煤粉制备和输送系统，单台气化炉的投资要小很多；比如对于年产40万吨合成氨规模的气化装置，两台干粉气化炉投资约4~5亿元，两台清华炉投资约2.5~3亿；

如果对于煤制氢、煤制甲醇等需要气化压力较高的系统，由于清华炉可以采用比干粉更高的气化压力，后系统投资更低；

清华炉配套的空分比干粉要大，但对于空分系统，如果不增加空分的数量，投资增加不多。22

4、煤种适应性宽：第二代清华炉采用水冷壁保护结构，未采用耐火砖保护层，从而不再受制于耐火砖的工作温度限制，与其它类型的水冷壁气化炉相比，由于清华炉流场的优势，可以使用灰熔点更高一些的煤做为原料，扩大了煤种适应性。23

航天炉和GSP气化炉的煤粉通过三条煤粉管线进入气化炉烧嘴的三个煤粉管，在气化炉内形成旋流。氧气经预热后和一定比例的蒸汽混合后进入气化炉，炉内轴向温度梯度为上部高，下部低。对于液态排渣的气化炉，渣口的温度应保持在灰熔点以上，渣口温度的高低是决定渣口压差大小的主要影响因素，也是气化炉能否正常排渣的关键。25

对于这两种气化炉，由于出烧嘴的速度较低，一般＜10m/S，所以其燃烧火焰短，气化炉轴向温度梯度大，因此要保持正常排渣就必须首先提高氧煤比以提高气化炉上部的温度，从而提高渣口温度。从航天炉的实际运行来看，如果入炉煤的灰熔点超过1450℃，炉顶温度将会很高，很容易造成气化炉上部烧坏。因此航天炉在掺烧高灰熔点煤时需要添加石灰石控制入炉混煤的灰熔点在1450℃以下。26

航天炉炉内挂渣情况

壳牌气化炉，采用四个工艺烧嘴，烧嘴安装在气化炉的中部，四条煤粉输送线分别进入对应烧嘴，氧气和过热蒸汽混合后也送入工艺烧嘴，煤粉、氧气和蒸汽在气化炉内进行反应，四个烧嘴喷出的煤粉在气化炉内形成一个相切于炉内假想切圆。水冷壁分为三部分，筒体部分采用U型水冷管，上下锥体采用盘管。28

粗煤气向上进入热回收系统，渣向下进入锁斗。壳牌气化炉内的粗煤气和渣逆向流动，熔渣依靠重力向下流动，对熔渣的流动性要求高。提高渣口温度，就必须首先提高气化炉工艺烧嘴区域的温度，保证气化炉渣口区域的温度，使熔渣的粘温特性在正常范围内。所以壳牌气化对灰渣的粘温特性要求严格。根据国内多台壳牌气化炉实际运行情况来看，煤的灰熔点不能超过1400℃下。29

清华炉的水煤浆通过一条煤浆管线进入气化炉烧嘴，氧气同轴通过烧嘴的另外两个通道进入气化炉内。为保证煤浆的充分雾化，氧气和煤浆出烧嘴的速率保证具有一定的速率。一般不小于100m/S，出烧嘴的火焰具有一定长度，为保证顺利排渣，在需要提高渣口温度时，只需适当加大中心氧，将火焰拉长减小气化炉的轴向温度梯度即可，而不需要增大氧煤比。根据实际运行来看，水冷壁清华炉已经完成了入炉煤灰熔点为1520℃的工业试验，实际运行证明气化炉操作稳定，排渣顺畅。尽管水冷壁清华炉还没有进行更高灰熔点的煤的工业试验，但从炉内流场和运行条件来看，更高灰熔点的煤运行也不会存在问题。30

装置运行140后气化室挂渣情况气化炉渣口情况5、气化效率高：第二代清华炉结构设计科学合理，使得炉内壁挂渣状况良好，渣后的水冷管吸热量较小，副产蒸汽只有约2吨/小时。水冷壁吸热量只占入炉煤热量的千分之几。气化炉外壁温度100℃左右，比耐火砖炉壁温度低110℃。由于副产蒸汽吸热量只占入炉煤热量的千分之几，在使用同样煤种情况下，水冷壁气化炉的氧耗、煤耗、合成气组成和耐火砖气化炉几乎完全一样。33

投料10h后的主要运行数据蒸汽产量2201Kg/h6、运行成本低：和水煤浆耐火砖气化炉相比与传统耐火砖气化技术相比，单位有效气能耗、物耗基本不变，成本节省主要体现在三个方面：减少了昂贵的耐火砖采购、筑炉费用，不需要每年数次更换锥底砖，每年更换向火面砖，节约了维修成本；耐火砖每次开车前需要按照升温曲线进行升温，每次升温至少需要72小时，采用清华炉升温只需一小时，节约了燃料气的消耗煤种适应性更宽，节约原料成本。35

和干粉气化炉相比与干粉气化技术相比，水煤浆气化的氧耗和煤耗较高，煤耗和干粉气化相比约高5~6%，氧耗约高8~10%，但如果从整个装置的能耗来看，如果采用4.0MPa气化，干粉气化炉的能耗比水煤浆略低，如果采用6.5MPa气化，水煤浆气化的能耗比干粉略低，成本节省主要体现在四个方面：36

干粉气化的煤的烘干和输送能耗很高，水煤浆很低；干粉气化需要在气化炉加过热蒸汽，同时煤粉管线需要大量的保温蒸汽；水煤浆气化耗能比较集中，较好回收，多耗的能量在变换工段以蒸汽的形式提供出来；如果采用6.5MPa气化，低温甲醇洗的能耗和后续的压缩功将降低。37

7、节水：水的消耗量主要指外排的水量和加入的水量。水煤浆和干粉两种气化工艺外排水量的控制均是按照煤种氯离子等有害组分累计程度来排放的，在相同投煤量的情况下，干粉气化因为含灰量大，外排水量大于清华炉。干粉气化比水煤浆气化多排放的水是在烘煤过程中，将煤中的水分烘干至2%左右，此部分水分也可视为排放水。所以水煤浆清华炉比干粉气化炉外排水量小。38

清华炉补充水主要在磨煤工段和灰水处理工段补充水，磨煤工段补充水可以补充难处理的有机废水，灰水处理工段主要补充变换冷凝液，变换工段不需补充水或蒸汽。干粉气化在制粉工段将水分去掉，在气化工段以过热蒸汽的形式加入水，在灰水处理工段补充变换冷凝液和脱盐水，在变换工段喷脱盐水或加过热蒸汽。39

▲干粉气化－水：

制粉工段－水；

气化工段＋过热蒸汽；灰水处理工段＋变换冷凝液和脱盐水；变换工段＋脱盐水或加过热蒸汽。▲水煤浆水冷壁清华炉－水：磨煤工段＋难处理的有机废水；灰水处理＋变换冷凝液，变换工段＋0（水或蒸汽）。清华炉加入的水量小；加入水的品质要求低。8、对环境友好：和耐火砖气化炉相比废水：因为没有耐火砖，排放废水中不含六价铬；废渣：没有含铬废渣的污染；废气：水冷壁清华炉减少了烘炉时间，不需要气化炉的热备，减少了烘炉废气的排放。和干粉气化炉相比废水：干粉灰水含灰量大，排放废水量大；废渣：对于相同灰含量的煤种，干粉气化排放的灰量大；废气：干粉气化在煤烘干过程中，需要排放大量废气；辐射：干粉气化的料位、密度等仪表需要采用射线。41

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清华炉的主要业绩使用低浓度水煤浆的工程业绩序号用户名称气化炉规格煤浆浓度1大唐呼伦贝尔化肥有限公司气化炉

直径：2800mm，压力：4.0MPa煤浆浓度46~51%2新疆天业集团天智辰业化工有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa煤浆浓度53%3新疆国泰新华矿业股份有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：4.0MPa煤浆浓度53%4内蒙乌兰泰安矿业有限公司气化炉直径：3200mm，

压力：6.5MPa煤浆浓度55%43

使用高灰熔点煤的工程业绩序号用户名称气化炉规格灰熔点1中海石油天野化工有限公司气化炉

直径：2800mm，

压力：6.5MPa灰熔点1490℃2阳煤集团平定化工有限责任公司气化炉直径：2800mm，

压力：4.0MPa灰熔点1520℃3山西南耀集团气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa灰熔点1480℃4山西七一能源集团气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa灰熔点1480℃44

单炉能力最大的工程业绩45

序号用户名称气化炉规格有效气量1内蒙乌兰泰安矿业有限公司气化炉

直径：3200mm，

压力：6.5MPa单炉有效气气量114000Nm3/h2神华煤直接液化项目二、三线项目气化炉直径：3400mm，

压力：4.2MPa单炉有效气气量133750Nm3/h清华煤气化技术水冷壁炉工程业绩46

序号用户名称气化炉规格最终产品1山西阳煤丰喜肥业集团临猗分公司气化炉直径：2800mm，

压力：4.0MPa合成氨2克拉玛依盈德气体有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：4.2MPa炼油供氢（中石油克拉玛依）3石家庄盈鼎气体有限公司气化炉直径：3200mm，

压力：6.5MPa炼油供氢（中石化石炼化））4潍坊盈德气体有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：4.2MPa丁辛醇5江苏德邦化工科技有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa合成氨联碱尿素47

序号用户名称气化炉规格最终产品6山东金诚石化有限公司气化炉直径：2600mm，

压力：6.5MPa炼油供氢7中海石油天野化工有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa合成氨甲醇8河北阳煤正元化工集团有限公司气化炉直径：2800mm，

压力：3.5MPa合成氨9阳煤集团平定化工有限责任公司气化炉直径：2800mm，

压力：6.5MPa乙二醇10新疆天业集团天智辰业化工有限公司气化炉直径：2800mm，