气化装置的应用及优缺点分析

我国在引进煤气化技术的基础上，经过多年的实践，改进了气化装置的结构，使之适应国内燃料的气化特性。

7.2.2.1　多喷嘴对置式水煤浆气化技术

1）水煤浆煤气化技术应用

山东兖化集团是我国最早运行水煤浆气化技术的企业之一。研究者开发多喷嘴对置式水煤浆煤气化技术，采用两套进料系统，大大提高了气化炉稳定性和可靠性。兖化的单炉每年运行7 561 h，气化炉拱顶耐火砖寿命超过8 000 h，连续运行超过100 d，达到了业内水煤浆气化炉单炉运行的领先水平。在同比条件下，华东理工大学多喷嘴水煤浆气化技术与其他水煤浆气化技术相比，碳转化率不低于99%。

2）案例

某项目投运的3台气化炉采用自主研发的新型水煤浆加压气化技术，激冷流程，壳体内径为3 600 mm，单台投煤量为2 500 t/d，最大投煤量为3 000 t/d，设计压力为6.35 MPa，正常生产期间为两开一备；粗煤气洗涤采用混合器增湿、旋风分离和水洗系统；3台棒磨机、2台煤浆储槽；3台黑水泵，2开1备；灰水处理为3级闪蒸和真空过滤。

该项目存在的问题与改进措施如下所述。

（1）运行中用板式塔替代水洗塔和蒸发热水塔，与填料塔相比，板式塔改善了传热和传质的效果，减轻了结垢后灰渣堵塞现象。

（2）气化炉渣口耐火砖对激冷环管的保护不完善。被选用的奥氏体钢（Incoloy 825）属于特级超耐热合金锻件，但在气化炉严酷的气氛中，腐蚀速度仍很快。改进措施：将在气化炉渣口与激冷环结合处的耐火砖改成L形砖，从上部和内部覆盖激冷环，既增加了该砖在径向的冲刷裕量，又使托砖板法兰和激冷环管隐藏在其后面，使温度降低，寿命延长。

（3）磨煤系统使用的磨煤水来自渣水处理系统的滤液、沉渣池黑水、变换汽提塔汽提气冷凝液、甲醇精馏废水和低温甲醇洗的甲醇精馏废水。多路废水进入磨机进口的落煤管，由于其流量不稳定，计量不准确，对操作和煤浆浓度影响很大，易造成堵煤或一级滚筒筛带浆，严重影响磨煤系统的稳定运行。改进措施：系统管线改成单独从称重给料机落煤口进入，并及时调节供水量。

（4）澄清槽底污水泵堵塞问题，通过优化操作工艺和改进泵管线予以解决。

（5）闪蒸系统黑水管线易磨损部位集中在减压角阀阀芯、阀座，黑水缓冲罐内壁及其直管段耐磨垫板，黑水进减压罐的折流挡板，包括高、低、真空闪蒸系统减压角阀、黑水缓冲罐、进减压管的折流挡板。改进措施：加长减压阀后的直管段，减压角阀阀芯、阀座采用碳化钨镀层保护，黑水缓冲罐内壁采用合金钢耐磨衬里，黑水进减压罐的折流挡板采用锰钢材料。

（6）高温热电偶受气化炉高温气体和熔融灰渣的冲刷、腐蚀，使用寿命短，甚至十几天内就全部烧坏。改进措施：操作上减少开停车次数，避免过氧和长时间高温操作；适当增大热电偶在向火面内的缩进尺寸，提高热电偶保护套管的耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐冲刷等性能，开发先进的测温方法。

（7）气化炉激冷环黑水过滤器选型不合适，篮式过滤器的进水口朝上，滤筒内积存的滤渣无法排出，须通过优化检修操作规程，确保过滤器安全可靠运行。

该项目的三台气化炉两开一备，运行负荷在80%以上，自投运以来均能达到三个月以上的运行周期。

7.2.2.2　清华水煤浆气化炉

1）工业性试验和示范(www.xing528.com)

清华水煤浆气化炉先后进行了工业性试验和机组示范［18］。试验结果：500 t/d气化炉上部炉温比GE水煤浆煤气化炉温下降50℃，喷嘴试验寿命延长1倍；有效气成分提高1%～2%，碳转化率、比氧耗、比煤耗均有所改善，达到国际先进水平，于2007年12月通过科技成果鉴定。示范机组结论：气化炉在2011年8月22日一次投料成功，并连续运行140天；水冷壁循环安全，机组启动快，煤种适应性好，可采用高灰熔点为1 500℃的煤种。

2）关键技术

清华水煤浆气化炉采用氧气分级送入气化床的煤气化技术，通过分级送风解决了炉内气流动力场和炉温分布的难题。

（1）结构特点　气化炉采用垂直悬挂膜式水冷壁结构（见图7-7），自然循环方式，中压饱和蒸汽。水冷壁、烧嘴冷却水合用一套水循环系统。

（2）燃烧器结构与布置　燃烧器采用组合式工艺喷嘴（见图7-8），自带点火功能，燃料气点火升温，水煤浆投入，并与预混合燃料气一起在气化炉内雾化着火，结构简洁可控。

图7-7　清华气化炉水冷壁结构

图7-8　水煤浆喷燃器及其实验装置

（3）水动力特性分析　在气化炉水冷壁管试验中，比较了几种不同口径管的水动力特性。水冷壁管子φ38 mm×6 mm的水动力结果表明（见图7-9）：系统阻力低，冷却水分布均匀，没有出现汽水分层现象。

图7-9　水冷壁管流量、流速与压降的特性

（4）综合性能　气化炉的水冷壁结构不受耐火材料温度的限制，水冷壁结构吸收热量仅占入炉总热量的千分之几，有利于扩大使用煤种。气化炉启动快捷安全，一支组合烧嘴，实现点火、升温、投料的全过程，从冷态到满负荷仅需3 h。采用水冷壁、水冷烧嘴，省去备用炉，运行周期长达8 000 h，烧嘴寿命长达180 d。运行一定时间后，黏附在水冷壁上的渣膜趋向稳定。水冷壁炉渣层的动态响应速度比耐火砖炉快，水冷壁炉响应时间为1 h，耐火砖炉响应时间为5 h。两者渣层厚度的动态变化不同，耐火砖炉的渣层厚度仅与温度成反比，而水冷壁炉受温度和渣层相变两方面的影响。炉壁结构与黏附渣膜厚度的关系如图7-10所示。系统蒸汽压力可提高50%～100%，粗合成气中H2高出50%，运行成本降低。

图7-10　耐火砖墙、水冷壁上渣膜厚度与运行时间变化的关系

7.2.2.3　热工院两段式干法煤粉气化炉

TPRI 2 000 t/d二段式干煤粉加压（31 barg）气化炉是西安热工院为我国天津IGCC示范项目自行设计的气化炉，燃用神华煤，废热锅流程，冷煤气效率为83%左右。表7-6给出了粗煤气净化后的合成气摩尔组分。详情参见7.4.2案例——天津华能IGCC电厂。

该系统除烟气脱硫、脱硝、除尘外，还将为发展低碳清洁能源提供重要的燃烧前捕集CO2技术。

表7-6　合成气摩尔组分

①减注蒸汽工况下（饱和后压力为26 bar、温度为180℃、流量为249 t/h）。