清华炉煤气化技术研究和应用与煤气化技术选择思考.ppt

水煤浆清华炉煤气化技术及应用 张建胜 教授，博士生导师 清华大学热能工程系 ：+86-10-62795930 ：+86-13671285753 Email: zhang-jsh@ 2013年9月10日 主要内容 • 典型气流床煤气化技术分析 • 耐火砖清华炉及特点 • 水冷壁清华炉及特点 • 煤气化技术选择思考 1.1 典型气流床气化技术 Shell Prenflo GSP E-Gas 两段干煤粉 四喷嘴 HT-L航天炉 Texaco 1.2 气流床气化单元技术组合 干法进料 湿法进料 水冷壁保护 耐火砖保护废热锅炉 直接激冷 进料方式 承压钢壳 保护方式 合成气热 回收方式 GE GE、 E-Gas、四喷嘴 GSP、HT-L Shell、Prenflo、 两段干粉 ？ 1.1 典型气流床气化技术 Shell Prenflo GSP E-Gas 两段干煤粉 四喷嘴 HT-L航天炉 Texaco 2.1 煤气化技术成果及应用 6 新技术工业化示范： 实现500吨/天容量工业示范技术2007年12月 通过科技成果鉴定： u气化炉上部温度比GE水煤浆气化炉降低 50℃，喷嘴使用寿命延长1倍； u有效气成分提高1~2个百分点，碳转化率、 比氧耗、比煤耗均有所改善，处于水煤浆气 化技术的国际先进水平。

推广应用： u中国石油和化学工业协会科技进步一等奖，2009 u中国氮肥工业协会技术进步一等奖，2010 u中国氮肥工业协会确定为“行业振兴支持技术”，2009 u国家发改委列入国家“先进煤气化节能技术重点节能推 广目录”，2009 u工信部列入“氮肥行业清洁生产连续加压煤气化技术推 广目录”，2009 第一代清华气化炉 技术核心概念： 将燃烧领域分级送风概念 引进气化领域，解决气化炉温 度分布问题和混合问题形成 了世界首个氧气分级气流床煤 气化技术 第1代清华炉：氧气分级 三、水冷壁清华炉研究背景 Ø煤种适应性：“三高煤” Ø高可用率：长周期稳定运行 Ø高可靠性：减少意外停车 Ø灵活性：启停速度快 Ø高压大容量：减少系统能耗、单炉产气量大 水煤浆水冷壁必须解决的几个问题： 1.水冷壁结构 2.水煤浆的点火 3.水动力 4.水冷壁的保护 5.热效率问题 3.1 清华水冷壁气化炉特点 第二代清华气化炉 技术核心概念： 将燃烧领域的凝渣保护技术和自然 循环膜式壁技术引进气化领域，解决 原水煤浆气化技术的煤种限制瓶颈和 高能耗点火问题形成了可适应高灰 熔点煤种，具备本质安全的世界第一 个水煤浆水冷壁煤气化工艺。

8 新技术工业化示范： 产学研结合，600吨/天容量世界首套水煤 浆水冷壁气化工业装置示范炉11年8月一次 启动成功连续运行12年9月通过科技成果 鉴定： 具有显著的创新性，拥有自主知识产权 同时具有水煤浆耐火砖和干粉水冷壁气化 炉的优点，综合性能优异，总体技术处于 国际领先水平 新技术优势及推广： u气化最高灰熔点煤种成功，覆盖褐煤、烟煤到无烟煤 全煤阶 u首次点火创开车连续运行140天纪录 u本质安全的水冷壁技术，确保极端情况下设备安全 u点火从GE技术的3天减到本技术的3小时，节能90% u无损耗膜式壁替代替昂贵短寿命耐火砖，投资和维护 成本低 u气化炉压力壳运行温度从230度降到110度，低价国产 钢材代替昂贵进口钢材 u连续签订技术使用合同15个，特别是已签订用本技术 改造GE技术协议 第2代清华炉：水冷壁 3 .1.1 本质安全的水冷壁气化技术 水冷壁按照自然循环设计，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 ，不会出现给水泵停运引发的重大安全事故 冷却水分布均匀，系统阻力低；不会出现汽水分层现象 DCS记录的全厂断电时水冷壁内的循环水流量 膜式水冷壁结构研究 n垂直悬挂膜式水冷壁结构 n自然循环设计 n不产生过热蒸汽 n水冷壁、烧嘴冷却水共用一 套水循环系统 水冷壁水动力研究 水冷壁系统简图 水冷壁计算尺寸 计算高度mm6974 计算长度mm8364 受热长度mm7044 弯头尺寸 角度 °弯管半径 mm流动方向 1120100向下 218053从下到上 3135150向上 4135150向上 5120100向上 6150100向上 7150100向上 管子结构Φ51×6mm Tout=215.28℃，Pout=4.421MPa wcr=0.343m/s，wsafe=0.332m/s 水冷壁水动力研究 管子结构Φ38×6mm 流量－压降曲线 Tout=218.22 ℃， Pout=4.421MPa， wcr=0.359 m/s 3.1.2点火、升温、投煤最安全简捷的气化技术 只采用一个组合烧嘴，实现气化炉点火、升温、投料全过程， 从冷态到满负荷只需要3个小时，解决了耐火砖气化炉热惰性带 来的启停速度慢的问题 燃料气自动点火  气化炉加热升温  水煤浆投料着火  燃 料气自动切换  升压、正常运行 The water flow rate during the period of power loss of the whole plant 3.1.3 煤种适应性更宽的水煤浆气化技术 将燃烧领域垂直悬挂自然循环膜式水冷壁及其凝渣保护的概念 引进到水煤浆气化中，突破了现有水煤浆+耐火砖的传统概念。

J 解决现有耐火砖气化炉的煤种灰熔点限制问题； 解决了耐火砖气化炉频繁昂贵的高铬砖维护更新问题 运行两年原始SiC涂层没有变化 The water flow rate during the period of power loss of the whole plant 3.1.4 单炉可用率更高的水煤浆气化技术 采用水冷壁结构，从而不必每年停车更换锥底砖（需要15天左 右），定期更换全炉向火面砖（需要2个月），单炉年运转可达 8000小时以上，为系统不配置备用炉创造了条件 新的烧嘴冷却结构和冷却流程，烧嘴的热应力降低，使用寿命 为现有烧嘴的2倍以上 气化炉启动快，系统响应快；烧嘴使用寿命长 使用140天后的工艺烧嘴，预计寿命可以达到180天 3.1.5 成本大幅度降低的水冷壁气化技术 承压钢壳温度比耐火砖炉气化炉降低100℃左右，减少散热损失； 钢壳材料要求降低，制造成本降低 时外壳温度降低也减少了气化炉的散热量，热效率提高 3.2 改造在用的耐火砖气化炉 Description of the contents Description of the contents Describe a vision of company or strategic contents. Describe a vision of company or strategic contents. ◆更换一次渣口砖、向火面砖及拱顶砖的 费用大致在300万元左右，十年时间需要 更换6次到7次，折合节约费用1800万元 到2100万元。

◆渣口砖的更换费用为30万元左右，十年 时间需要更换20次左右，折合节约费用 600万元 ▲综合考虑十年时间公司耐火砖气化炉仅 更换耐火砖就需要支付将近2400万元到 2700万元 主要效益 •节约原料煤成本：每年处理煤量按22.5万 吨，每吨煤成本节约100元计算，每年仅 煤成本一项就可节约成本2250万元 3.3 水煤浆水冷壁气化炉应用 u水煤浆水冷壁清华炉2011年8月22一次投料成功，首次投料即连续 运行140天，创造了煤气化技术开车的新水平和新纪录 u本质安全的水冷壁水循环系统 u采用组合烧嘴，系统启动快，从耐火砖气化炉的3天缩短到3小时 u煤种适应性好，可以采用灰熔点达到1500℃的煤种 3.3 水煤浆水冷壁气化炉应用及特点 该技术同时具有水煤浆耐火砖和干粉水冷壁 气化炉的优点，综合性能优异，是具有国际领 先水平的自主知识产权新型煤气化技术 3.4 清华水冷壁气化炉业绩 Description of the contents Describe a vision of company or strategic contents. Describe a vision of company or strategic contents. 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 已投产运行 （1）合成氨 2 克拉玛依盈德气体有限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：4.0MPa 正在建设（2+1） 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 正在建设（2+1） 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：4.0MPa 正在建设（2台）丁辛醇 5江苏华 昌化工股份有限公司 气化炉 直径：3200mm， 压力：6.5MPa 正在建设（2+1） 合成氨 丁辛醇 6 华电新疆昌吉能源化工有 限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在建设（2）合成氨 7 山东金诚化工科技有限公 司 气化炉 直径：2600mm， 压力：6.5MPa 正在建设（1+1）炼油供氢 8 中盐德邦（江苏）化工股 份有限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在建设（1+1）合成氨 3.4 清华水冷壁气化炉业绩 Description of the contents Describe a vision of company or strategic contents. Describe a vision of company or strategic contents. 9 中海石油天野化工股份有限 公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （2）合成氨 10 河北阳煤正元化工集团有限 公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：3.5MPa 正在设计 （2）合成氨、尿素 11 山西阳煤集团煤化工产业局 （平定项目） 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （2） 40万吨/年乙二醇 ） 12 新疆天业集团天辰化工有限 公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （2）乙二醇、1,4丁二 醇，甲醇 13 兴安盟乌兰泰安能源化工有 限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （2）合成氨、尿素 14新疆国泰新华矿业 股份有限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （2） 15 荆门 石化炼油扩能改造工程煤制 氢配套项目 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 正在设计 （3）氢气 1 黑龙江北大荒农业股份有限 公司浩良河化肥分公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：4.0MPa 已签署改造协 议，正在进行 合成氨、尿素 2 贵州鑫晟煤化工有限公司 气化炉 直径：2800mm， 压力：6.5MPa 完成技术方案, 合同谈判。

甲醇 4. 煤气化技术选择 水煤浆水冷壁气化炉只是将气化 炉的衬里进行了改变，仍属于水煤浆 气化炉水煤浆中的水要被加热到气 化反应温度，额外要把热量传到水冷 壁产蒸汽，还要再消耗煤和氧气以 此实现烧灰熔点高的煤，是以多消耗 煤和氧气为代价，以拼成本为代价的 气化炉水冷壁结构设计科学合 理，炉内壁挂渣状况良好，副产蒸 汽不到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 利用原来耐 火砖炉外壁散热转化为蒸汽，提高 了气化炉的热效率 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 4.1 水煤浆不能与水冷壁结合？ 水冷壁结构及水循环的设计是关键！ 突破水冷壁大量吸热的传统认识，设计开 发了能稳定形成高热阻熔渣层保护的水冷 壁浇注料结构，降低了气化炉热损失 4. 煤气化技术选择 4.1 干粉进。