清华炉气化技术

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1、“清 华 炉 ”煤 气 化 技 术技术拥有单位：清华大学“清华炉”煤气化技术是清华大学研究开发，联合北京达立科科技有限公司和山西阳煤丰喜肥业（集团）股份有限公司实现工业化的具有自主知识产权的煤气化工艺。清华炉气化工艺不仅包括了自 主 创 新 的 气 化 炉 ， 还 包 括 气 化 工 艺 全 流 程 的 优 化 、 配 套 技 术 的创 新 ， 因 而 改 善 了 气 化 炉 的 煤 种 适 应 性 、 提 高 了 气 化 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠 性 、 降 低气 化 岛 的 能 耗 ， 综 合 形 成 以 自 主 创 新 的 “清 华 炉 ”为 核 心 的 经 济 型 气 流 床

2、 气 化 技 术体 系 。 “清 华 炉 ”产 学 研 三 方 顺 利 走 过 了 专 利 研 究 、 数 学 模 型 研 究 、 实 验 室 冷 热态 研 究 、 小 试 、 工 艺 包 开 发 和 工 业 装 置 设 计 和 开 车 的 全 过 程 。针 对 目 前 大 规 模 气 化 技 术 ， 包 括 水 煤 浆 气 化 和 干 粉 气 化 、 耐 火 砖 结 构 与 水 冷 部 结构 、 激 冷 流 程 与 废 锅 流 程 、 用 于 发 电 和 用 于 化 工 等 ， 在 仔 细 调 研 综 合 分 析 的 基 础 上 ，从 可 靠 性 和 运 行 的 经 济 性 角 度 出 发

3、， 基 于 对 气 化 反 应 过 程 控 制 因 素 深 入 分 析 及 其 热过 程 深 刻 理 解 ， 清 华 大 学 创 新 性 地 将 燃 烧 领 域 的 分 级 送 风 概 念 和 立 式 旋 风 炉 的 结 构 引入 到 煤 气 化 中 ， 将 热 能 工 程 领 域 的 自 然 循 环 和 膜 式 水 冷 壁 凝 渣 保 护 原 理 扩 展 到 煤 气 化领 域 ， 提 出 了 分 级 供 氧 水 煤 浆 气 化 技 术 和 水 煤 浆 水 冷 壁 清 华 炉 煤 气 化 技 术 。 与 其它 气 化 技 术 主 要 是 由 化 工 反 应 器 发 展 而 来 的 不 同 ，

4、清 华 大 学 的 研 究 是 从 锅 炉 燃 烧 演 化而 来 的 。 清 华 炉 煤 气 化 技 术 的 核 心 思 想 是 来 源 于 煤 粉 锅 炉 当 中 的 空 气 分 级 供 给 、本 质 安 全 的 自 然 循 环 原 理 、 膜 式 水 冷 壁 凝 渣 保 护 原 理 、 立 式 旋 风 液 态 排 渣 煤 粉 燃烧 、 液 态 渣 的 粒 化 、 水 煤 浆 燃 烧 以 及 油 的 雾 化 等 ， 结 构 处 理 上 借 鉴 了 锅 炉 的 水 冷 壁及 卫 燃 带 结 构 和 绝 热 炉 膛 结 构 ， 因 此 具 有 鲜 明 的 动 力 设 备 特 点 。一 气 化 技

5、 术 特 点1.1 分 级 给 氧 清 华 炉 煤 气 化 技 术气 化 炉 喷 嘴 附 近 温 度 是 由 燃 料 量 和氧 气 量 及 其 混 合 效 果 决 定 的 。 正 如 煤 粉燃 烧 器 一 样 ， 采 用 分 级 供 氧 ， 可 以 抑 制喷 嘴 出 口 火 焰 温 度 。 像 锅 炉 空 气 分 级 一样 ， 沿 燃 料 流 动 方 向 的 合 适 位 置 上 再 补充 氧 气 ， 提 高 温 度 促 进 气 化 反 应 ， 形 成熔 渣 ， 以 此 改 善 喷 嘴 的 寿 命 。 由 于 氧 气分 级 供 给 ， 气 化 炉 主 喷 嘴 供 氧 量 与 反 应需 氧 化 学

6、 当 量 脱 离 约 束 ， 减 少 了 主 喷 嘴的 氧 气 负 荷 ， 改 善 了 主 喷 嘴 的 工 作 环 境 ，延 长 了 其 运 行 周 期 。 在 此 过 程 中 ， 燃 料 的 热 量 释 放 和 氧 气 的 供 给 时 间 相 匹 配 ， 气 化室 沿 流 动 方 向 的 温 度 分 布 更 合 理 ， 从 喷 嘴 向 下 形 成 低 高 低 温 度 曲 线 ， 见 图1， 高 温 区 从 喷 嘴 端 部 下 移 ， 喷 嘴 处 于 相 对 低 的 温 度 区 域 ， 并 提 高 了 出 渣 口 区 域 的温 度 ， 同 时 提 高 了 气 化 室 内 平 均 温 度 ， 使

7、 气 化 的 效 果 得 到 改 善 。 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 ， 突 破 了 国 内 外 关 于 水 煤 浆 气 化 室 的截 面 出 力 的 限 制 。 从 图 1 还 可 以 看 出 ， 在 同 样 氧 煤 比 的 情 况 下 ， 分 级 供 氧 气 化 室 排渣 口 的 温 度 比 只 有 主 喷 嘴 供 氧 时 要 高 ， 因 而 可 以 放 宽 对 煤 种 灰 熔 点 的 要 求 ， 煤 种适 应 性 宽 ， 可 采 用 的 煤 种 的 灰 熔 点 比 传 统 工 艺 约 高 100K， 扩

8、 大 了 气 化 炉 煤 种 的 适应 性 。 事 实 上 ， 该 技 术 可 以 采 用 水 煤 浆 进 料 ， 也 可 以 干 煤 粉 进 料 。分 级 供 氧 气 化 炉 的 流 场 更 为 合 理 。 由 于 二 次 供 氧 在 氧 气 入 口 处 形 成 反 扩 散 火 焰 ，氧 气 进 入 了 气 化 室 顶 部 区 域 。 传 统 的 气 化 炉 没 有 水 平 方 向 的 供 氧 ， 在 气 化 室 顶 部 形 成了 缺 氧 区 ， 该 区 域 气 化 反 应 很 弱 ， 分 级 供 氧 工 艺 的 二 次 供 氧 反 扩 散 火 焰 的 卷 吸 ， 使 部分 煤 颗 粒 和

9、氧 进 入 气 化 室 顶 部 区 域 。 这 一 流 场 结 构 ， 恰 到 好 处 又 充 分 地 利 用 了 气 化 室顶 部 区 域 ， 作 为 反 应 空 间 ， 而 又 不 过 度 反 应 而 影 响 气 化 室 顶 部 砖 的 寿 命 。 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160ms-1 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

10、和 气 化 ， 不 会 产 生 过 度 高 温 威 胁 气 化 室 顶 部 砖 。 以 上 两 方 面使 分 级 供 氧 工 艺 具 有 固 有 安 全 性 。 这 一 点 也 在 工 业 生 产 中 得 到 验 证 ： 不 投 入 二 次 供 氧时 ， 气 化 室 顶 部 砖 上 附 有 厚 厚 的 高 低 不 平 蜂 窝 状 渣 层 ， 投 入 二 次 供 氧 以 后 ， 气 化 室 顶部 砖 上 附 有 致 密 均 匀 的 渣 层 。1.2 水 煤 浆 水 冷 壁 清 华 炉 煤 气 化 技 术现 有 的 气 流 床 气 化 技 术 从 进 料 上 包 括 干 法 和 水 冷 壁 两 种

11、 ， 从 承 压 壳 体 的 保 护 方 式上 有 耐 火 砖 结 构 和 水 冷 壁 结 构 。 理 论 上 可 以 有 进 料 和 保 护 方 式 可 以 有 多 种 组 合 ， 但 实际 中 都 是 水 煤 浆 与 耐 火 砖 结 合 、 干 法 与 水 冷 壁 结 合 。 清 华 大 学 热 能 工 程 系 大 胆 创 新 ，依 据 热 能 工 程 领 域 本 质 安 全 的 自 然 循 环 原 理 和 水 冷 壁 凝 渣 保 护 原 理 ， 提 出 了 水 煤 浆 水180 140160 120 距 离 喷 嘴 相 对 距 离 10 80 温度Tf/oC 0.20.4 1.0 0.6

12、 0.8 只 有 喷 嘴 供 氧 两 级 供 氧 图 1 两级供氧对气化室内温度分布的影响冷 壁 气 流 床 煤 气 化 技 术 ， 成 功 解 决 了 水 煤 浆 的 点 火 、 稳 燃 和 效 率 效 率 问 题 。水 煤 浆 水 冷 壁 气 化 炉 技 术 充 分 发 挥 出 了 水 煤 浆 耐 火 砖 和 干 粉 水 冷 壁 技 术 的 全 部 优点 ， 同 时 还 有 效 避 开 了 它 们 的 不 足 之 处 。(1) 膜 式 水 冷 壁 采 用 热 能 工 程 领 域 成 熟 的 垂 直 悬 挂 膜 式 壁 结 构 ， 水 冷 壁 可 以 自 由向 下 膨 胀 ， 避 免 了 高

13、 温 下 复 杂 的 热 膨 胀 处 理 问 题 ；(2) 水 冷 壁 管 的 水 循 环 按 照 自 然 循 环 设 计 ， 是 本 质 安 全 的 循 环 系 统 ， 即 使 在 紧 急状 态 下 ， 也 能 够 最 大 限 度 保 证 水 冷 壁 的 安 全 运 行 ；(3) 将 原 耐 火 砖 结 构 气 化 的 预 热 烧 嘴 和 工 艺 烧 嘴 组 合 成 为 一 个 带 点 火 功 能 的 工 艺烧 嘴 ， 实 现 了 点 火 、 投 料 程 序 一 体 化 完 成 ， 气 化 炉 的 从 冷 态 到 满 负 荷 的启 动 时 间 从 原 来 的 3 天 缩 短 到 3 个 小

14、时 ；(4) 工 艺 烧 嘴 的 水 冷 却 结 构 采 用 整 体 夹 套 式 ， 烧 嘴 冷 却 与 水 冷 壁 共 用 一 套 热 水 循环 系 统 ， 系 统 简 单 ； 采 用 热 水 循 环 冷 却 ， 降 低 了 工 艺 烧 嘴 的 热 应 力 ， 烧 嘴 使用 寿 命 长1.3 清 华 炉 气 化 工 艺 流 程（ 1） 制 浆 工 段从 界 区 外 的 运 输 系 统 送 来 的 原 料 煤 首 先 进 入 煤 斗 ， 煤 斗 中 的 煤 由 煤 称 重 给 料 机 控制 以 一 定 的 质 量 流 率 进 入 棒 式 磨 煤 机 。 制 浆 用 的 水 包 括 磨 煤 单

15、元 的 冲 洗 水 、 排 放 、 泄露 、 灰 /黑 水 处 理 单 元 的 滤 液 和 工 厂 内 其 他 装 置 的 难 以 处 理 废 水 ， 不 足 部 分 可 补 充 新鲜 水 。 为 了 制 得 稳 定 的 煤 浆 并 降 低 煤 浆 粘 度 ， 在 磨 煤 机 中 还 需 加 入 水 煤 浆 添 加 剂 。 在添 加 剂 配 制 池 中 配 制 的 水 煤 浆 添 加 剂 经 过 添 加 剂 配 制 池 泵 送 到 添 加 剂 槽 ， 再 经 过 添 加剂 泵 送 到 磨 煤 机 中 。 水 煤 浆 的 PH 值 应 该 控 制 在 7 以 上 ， 煤 、 水 、 各 种 添

16、加 剂 在 磨煤 机 中 研 磨 到 所 需 要 的 粒 度 分 布 ， 制 得 重 量 百 分 比 约 为 60%的 水 煤 浆 。 从 磨 煤 机初 步 制 得 的 水 煤 浆 通 过 磨 煤 机 出 口 的 滚 筒 筛 流 出 ， 滚 筒 筛 可 以 筛 除 煤 浆 中 的 大 颗 粒 。水 煤 浆 在 重 力 的 作 用 下 流 到 磨 煤 机 出 料 槽 。 磨 煤 机 出 料 槽 泵 将 水 煤 浆 从 磨 煤 机 出 料 槽输 送 到 煤 浆 槽 中 。 为 防 止 煤 浆 沉 淀 ， 在 磨 煤 机 出 料 槽 和 煤 浆 槽 中 分 别 设 置 有 磨 煤 机 出料 槽 搅 拌 器 和 煤 浆 槽 搅 拌 器 ， 在 搅 拌 器 的 作 用 下 水 煤 浆 保 持 悬 浮 状 态 。（ 2） 气 化 工 段来 自 煤 浆 槽 的 煤 浆 依 靠 重 力 自 流 到 高 压 煤 浆 泵 的 入 口 ， 煤 浆 由 煤 浆 泵 加 压 后 ， 经煤 浆 切 断 阀 进 入 工 艺 烧 嘴 。 煤 浆 泵 所 需 的 入 口 压 头