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 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

2、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 ，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

3、来的不 同， 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

4、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 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，从喷嘴向下形成低一高一低温度曲线，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

5、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，煤种图1两级供氧对气化室内温度分布的影响适应性宽，可采用的煤种的灰熔点比传 统工艺约 高 100K ，扩大 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 和氧进 入气 化室 顶部区

6、 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 160m s-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 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

7、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， 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 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

8、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

9、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 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

10、中。水煤浆的 PH 值应该控制在 7 以上，煤、 水、各种添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

11、加压后， 经煤浆切 断阀进 入工 艺烧嘴。煤 浆泵所 需的 入口压头由 煤浆槽提供 。投 料前，煤 浆经煤浆循环阀等自动阀门循环回煤浆槽。来自界区外 的氧气由氧气总管经过流量调 节阀和 切断阀进 入气化 炉，氧 气的 流量测量 需要进 行温 度和压力补 偿。根 据安 全系统要求 ，在启 动阶 段氧 气通过 氧 气放空消 音器排 放到 大气中并建 立氧气 流量 。工艺烧嘴 把水煤 浆和 氧气 一起送 入 气化炉中。离开气化炉 燃烧室的粗合成气与灰渣一起 向下流 过激冷环 ，经过 激冷环 时， 激冷环内喷出的雾化水将粗合成气和灰渣激冷至1050 C （煤的变形温度以下），然后进入气化炉下部的水浴。

12、下部水浴的灰水来自合成气洗涤塔，在气化炉下部， 大部分灰渣被分离出来， 大块渣靠重力作用沉入气化炉底部， 悬浮在水中的灰随 气化炉灰水外排至低压闪蒸罐。进入气化炉下部水浴的灰渣在循环水流的作用下经锁斗安全阀、锁斗进口阀 进入锁斗。为防止系统堵塞，在气化炉和锁斗安全阀之间装有破渣机， 大块的渣 由破渣机破碎。循环水流由锁斗循环泵建立。锁斗循环水是从锁斗顶部溢流的含 固量相对较少的灰水，循环水流回到气化炉激冷室底部， 并携带粗渣进入锁斗。 大部分从气化炉来的固体都在锁斗的底部沉积。气化炉的粗渣和渣水排至渣池的前仓，开始隔离两仓的溢流阀保持关闭，固 体灰渣通过抓斗起重机把固体捞出渣池，约 5 分钟后

13、，溢流阀打开，较澄清的上 部黑水送入渣池后仓，用渣池泵送至真空闪蒸罐。固体灰渣在淋干水分后外运。（ 3）合成气洗涤从气化炉激 冷室出来的粗合成气通过文丘 里洗涤 器进入合 成气洗 涤塔， 合成 气首先进 入洗涤 塔底 部的水中洗 掉其中 的细 渣。基本上 不含固 体颗 粒的 合成气 沿 洗涤塔向 上流动 ，与 从塔中部进 入的循 环灰 水和塔上部 加入的 来自 界区 外的冷 凝 液逆流直接接触，洗涤剩余的固体颗粒，离开洗涤塔的合成气中含尘量小于 1mg/Nm 3。在洗涤塔顶部安装有旋流板除沫器， 合成气在离开洗涤塔时除去其中夹 带的水雾 ，干净 的合 成气出洗涤 塔后经 过可 从控制室调 节的

14、阀门送 出界 区。在合 成气洗涤塔的出口安装有在线气体分析仪，对CO、H2、CO2及ch4进行检测。在合成气洗涤塔底部的水分成两部分排出 。一部分是底部上层固体含量较少 的灰水， 灰水经过激冷水泵加压后，经过激冷水过滤器进入气化炉激冷环和文丘 里洗涤器。 从洗涤塔底部出来的另外一部分含固量较多的黑水通过流量控制进入 黑水闪蒸系统进行黑水处理以除去其中的固体颗粒，再生后的灰水经过沉淀和加 热等处理后送回合成气洗涤塔。（4）灰水处理系统从气化炉、 合成气分离器和合成气洗涤塔底部来的黑水进入低压闪蒸罐。在 低压闪蒸罐中， 一部分的水经减压闪蒸变成蒸汽， 蒸汽送到灰水除氧器作为加热 蒸汽。从低压闪蒸罐

15、底部排出的水含有较多的固体颗粒， 这部分黑水通过液位控 制送到真空闪蒸罐进行闪蒸，来自渣池的黑水也送到真空闪蒸罐。 经过真空闪蒸 罐的闪蒸， 黑水中大量溶解的气体释放出来。从真空闪蒸罐出 来的蒸汽首先进入 真空闪蒸冷凝器由循环水冷却， 冷却后的气体进入真空闪蒸分离器。真空闪蒸罐 的真空度由闪蒸真空泵来实现。 闪蒸真空泵将真空闪蒸分离器出来的气体抽引出 后直接排大气， 液体去灰水槽。 真空闪蒸罐不控制液位， 其下液直接插入沉降槽 中心筒， 利用沉降槽的液位作为液封， 以保 证其真空度。 真空闪蒸分离器也不控 制液位， 真空闪蒸分离器下液直接插入灰水槽中， 利用灰水槽的液位作为液封， 以保证其真空

16、度。从真空闪蒸罐来的含固量较高的黑水进入沉降槽中， 进入沉降槽的黑水经过 絮凝沉淀后，沉降槽上部的澄清水溢流，依靠重力作用进入灰水槽。灰水槽中储 存的灰水经过低压灰水泵加压后分成两部分，一部分去灰水除氧器，另外一部分 去锁斗冲洗水罐。沉降槽的作用是使黑水中的固体颗粒在重力作用下沉降分离。为了加快固体 在沉降槽中的沉降分离速度，需要向沉降槽中加入絮凝剂。在沉降槽中安装了一 个缓慢移动的沉降槽耙灰器，用来把 沉降下来的固体送到沉降槽底部的出口。在沉降槽底 部的固体和水通过沉降槽底泵 送到过 滤机。黑 水中的 固体留 在过 滤机上部 形成细 渣滤 饼，然后用 卡车或 者皮 带送出界区 ，滤液 进入 滤液 槽。滤 液 经滤液泵加压后送往沉降槽，也可直接送往研磨水槽作为制浆用水。1.4 技术优势（1）稳定性好。水煤浆气化工艺成熟，水冷壁挂渣稳定。用水煤浆进料稳定 可靠 ,避免了粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、泄漏等难题。（ 2）煤种适