清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)的简介.doc

清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)的简介
熔渣, 清华, 简介, 气化, 分级
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1. 清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）发展背景和技术简介
9 Z- U$ ^  |9 B; l' o1.1清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）的发展背景
2 M- q+ s' u: Z0 c9 e* e1 Y+ x  . E. e4 ~( e6 R9 r5 F 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、丰喜肥业集团共同所有，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。 k. {( H5 K* }/ s" B  u5 W+ M# N& a) x4 ]/ _9 h5 F2 b8 }
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(清华大学为主)，课题编号：2002AA 529050，2005年已由科技部组织验收。: P% E9 K" [- Y3 |. o) A; G
  . J3 p$ b7 f9 J 技术实施阶段得到国家发改委支持（支持丰喜肥业集团产业化项目）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。+ {" B0 W) o! i% D" S) f% \9 \4 s" E7 \$ e9 @! z
1.2应用领域和技术原理; r! L3 v8 M x* M
5 v: Q4 m$ B5 k$ n, ?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。9 ]7 ?% `  U4 D6 p6 |
  & c V# u" h4 ?6 s& j2 `5  r清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）的特点是：
, i+ R1 C8 r" J: x9 u+ x* `  % b7 \) f8 k2 g0 Z 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。
2 i2 z$ f; U! ^! N  + g# `4 @5 I4 @5 l1 P8 u$ o 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。4 }/ t$ D/ T# g4 U: V9 I' g( q8 b. g- F, g& `
1.3新技术的创造性、先进性及与国内外同类技术比较' O% C" k( i8 ]% `1 s. o
9 C5 K; q, \( J. j1.3.1新技术的创造性、先进性
* k; k" g' [( H* e6 \8 E  ; ^, M1 Q! U E% L+ b% [6 C" l! x  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。
& _; I( R% u7 m3 f; e7 [: F, d  - l6 _ k5 ]4 Z8 t1 l, x     0 _1 U- E* x/ [0 Y8 E9 l6 T
  ; }( x1 }2 ]! |- W( S- }4 R' y

把煤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，从而煤的化学反应过程经历了脱水分和挥发份→燃烧→气化→再燃烧→再气化5个反应阶段，而不是传统的脱水分和挥发份→燃烧→气化，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。在清华大学建立了直径为1米的气化炉热态实验台，对分级气流床煤气化工艺进行了热态实验。在热态实验炉中测得温度曲线，如气化炉轴向温度曲线图所示，不分级给氧与分级给氧的气化炉轴向温度特性是不同的。由于二级氧气的加入，提高气化炉下部的温度水平，整个气化炉从上到下的温度分布更加均匀，平均温度水平得到提高，气化反应更加充分。炉顶部温度降低，使顶部耐火砖的寿命大延长，如照片所示，运行了8000小时后，顶部耐火砖减薄量只有3-4cm（新砖厚度为 23cm）。

气化炉轴向温度曲线图

运行8000小时后的耐火砖
, l; t) Z* [8 N- L( @

7 |" ?3 q' j- Y0 o# X9 R: q$ E* v1  b7 _+ k3 a5 V3 J; J/ ?! a6 y* S
碳转化率曲线图

另外，清华大学在实验中测得分级给氧与不分级给氧的碳转化率曲线表明，在分级给氧状态下，完成80%碳转化的时间向后推移，碳的转化过程更加均衡，也有利于发挥气化炉有限空间的燃烧和气化功能。

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、Texaco、Shell、GSP和多喷嘴气化，还是两级给料的E-Gas（ConocoPhillips）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。

1.3.2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

4 f. m0 E0 P; X           
1

气化原料! V; W! l o&    X& C# [

水煤浆% G+ Q. W"    ]% y, S1 H2 Z) H4 O7 @' x

水煤浆3 b9 `$ C"    F! z3 S. {
       9 B, x. W, @5 {: o

2

气化原理, `" H L) }2    i* r8 i# Z$ y2 z

部分氧化" _4 M5 W4 l- b
    * i1 J! c" j8 Y7 ~3 r( F

部分氧化
, B. O* x$ ^$ N, e    0 m) O4 J' p4 N( O C3 F

6 h5 i* {: a# B6 s           
3

气化炉给氧级数 5 S' \& L*    i# K3 z3 M2 r e+ R

2:    s, P ?) {$ R; q! ^/ h6 [4 S$ u

1% h7 b8 `1 U' j( y$ W: t! R3 N
    / O; s' N- g3 B% y+ q# [/ ?: _1 U!    C

* {* s% |1 I, ]           
4

气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量关系 ;    j) m, i; ?+ Y/ x5 ]- b

脱离约束- l1 e3 Z) O5 x6    C" w, x

约束6 Y7 m: [9 a(    \& [# y
       5 E6 K, I) B, n. T0 j5 g7 s6 U

5

气化炉轴向温度特性( ]0 Z# l! C(    y* w

低—高—低% ~. ^9 |4 y6 d; \2 _' y

高—低7 @' g! d% U$ M* R# T. K
    " d& f/ [# o2 c: f7 R
       ; n% w" N6 h* @9 ^$ Z6 b" m

6

气化炉主烧嘴端部温度
* c8 u& Y  q) j+ i: K  l+ k' p) w: i; N( H    + W$ k8 W+ [) H9 r+ \8 k

低（低200℃）; |' _! w7 _( q! M1 G0 ]/ _0 y9 l c

高2 i8 N+ O1 s0 R:    l
       * n. g1 b. h! Q8 D' ?1 q$ l

7

有效气体成份
" Q1 Z# E5 C- P- p$ ?+ y, P    8 `8 E2 R: X. D+ {" K8 s8 r

比不分级高1～2%
& R  @0 ?  F  s7 \/ Y    # { q( r, V0 Y0 G5 L

7 `) Z6 Y7 K8 r4 I    * n. ^/ K R/ O5 f9 g
       ; Y. |4 x0 l2 T

8

气化炉长径比
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炉温轴向温度均衡，长径比可加大
) Y/ }- P. ~" Q0 }: }5 x    - v. ~8 ]$ a. H6 D [1 H

炉温轴向温度从高到低，长径比不宜加大7    y# n8 N+ y! {" P0 ]9 u" x$ v

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9

煤种适应性$ q9 l; R"    t3 }; j M' |4 k

可在灰熔点以下100oC运行，使用高灰熔点煤5 a; z5 C# b6 v8 V# T9 S6 O
    4 @! d$ r- L$ L+ x% a6 o1 F

在灰熔点以上50~100oC运行, ^* g7 H" i$ @, m6 l. @7 {' W; u  v
    4 x0 x9 g1 V, z8 w; o$ B

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等在非熔渣－熔渣分级煤气化技术上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1～2%；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，使清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）的温度可低于灰熔点。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100oC，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1350oC，清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）就可以使用灰熔点为1450oC的煤作为气化原料，此特点使国内大部分煤均可作为原料煤用于本气化技术。

除气化炉的专利技术外，我们还提供一些专有技术，有利于进一步改善装置的清洁生产状况，并降低投资，这些可供甲方选用。例如气化炉灰渣水带压排放，在煤场区设渣池，取消框架内捞渣机（丰喜肥业集团提出，并在其气化装置采用此项技术，效果很好）。氧气控制系统设在氧气总管上，分级给氧支管上只设流量计和切断阀，同压力、同炉直径的气化岛，清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）与传统水煤浆气化的硬件投资基本相同。

由于理论上的创新，工程实践中的改进，由于没有增加水煤浆泵，没有增加主烧嘴，没有增加控制回路，因此清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）在投资方面与传统水煤浆气化相近，但在气化炉生产能力上有20%左右的提高，相当于相同产气能力，投资下降20%，使得投入产出的性价比方面明显优于传统水煤浆技术。  

1.4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：1. 1×104NM3/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—熔渣分级气化炉有效长径比（气化室直筒段/耐火材料内径）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

390

3．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0～100%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1～2％。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，其中四个项目已经进入建设阶段：

①山西焦化（气化炉4.0Mpa、φ2800mm，日单炉投煤量可达700吨）

②内蒙金诚泰（气化炉6.5Mpa、 φ2800mm，日单炉投煤量可达1150吨）

③大唐呼伦贝尔（气化炉4.0Mpa, φ2800mm日单炉投煤量可达700吨）

④惠生内蒙（气化炉6.5Mpa, φ3200mm日单炉投煤量可达1750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。

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、Texaco、Shell、GSP、多喷嘴对置气化，  E-Gas（ConocoPhillips）、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）是在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的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突破核心技术，提高了投入产出比和性价比

如前所述，由于清华炉（非熔渣-熔渣分级气化技术）特点，由于没有增加水煤浆泵，没有增加主烧嘴，没有增加控制回路，因此使得采用本技术的气化岛硬件投资与同压力、同直径的传统水煤浆气化技术气化岛相近，但能力大20%。清华炉（非熔渣—熔渣分级气化技术）特点还降低了主喷嘴氧化强度，提高了气化炉有效空间内的气化功能，实践已经证明，采用本技术的气化岛运行周期更长，系统更为平稳。

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

①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，目前气化炉的工程设计图纸已近完成，初步具备了制造的基本条件。

②干粉进料的研究

国内外还有些内水含量的褐煤，成浆性差，气化时以干粉进料为宜。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。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。

③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。

④系统优化研究

为进一步节能、环保，我们还在细节上研究系统的优化。目前在提高煤浆浓度，降低系统压力损失，回收高压流体势能，蒸汽的有效利用等方面综合优化，优化的成果将在国家2009年节能示范项目中首次实现。

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