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晋华炉的前世今生

日期: 2018-08-28
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近两年,晋华炉迅速走红。

  

 “在刚刚过去的不到8个月的时间里,我们已经有了16台气化炉的订单至此,晋华炉总签约数达到46台套,达成合作意向的也有10余家,预计2017年可签订30台套,可新增产值15亿元以上。”说这话时,参与晋华炉开发制造的山西阳煤化工机械公司的营销部门副经理李梅静正忙着审核新订单。

    

李梅静讲的是第三代晋华炉。

    

走红自有走红的道理。从第一代到第三代,晋华炉已经历整整16年的风风雨雨。其曲折的经历也成为中国煤气化炉技术发展的一个侧面写照。

 

第一代 :非熔渣—熔渣分级气化技术

 

时间闪回到2001年。

    

煤炭价格呈现“煤超疯”,无烟块煤每吨已经到了200~300元,比之前翻了一倍。当时,生产大颗粒尿素的山西丰喜集团临猗分公司要从山西晋城和阳泉拉回无烟块煤做原料,但就是付了钱也不能保证及时供货,全厂上下急得团团转。时任丰喜集团临猗分公司总经理的王中刚在想,丰喜集团的领导也在想,何不干脆改烧价廉的烟煤呢!突破原料路线的共识就这样渐渐形成。

    

时任山西阳煤丰喜集团临猗分公司总工程师韩喜民回忆说:“当时全国仅有两套大颗粒尿素装置,都采用的是挪威海德鲁流化床造粒技术,都要吃无烟块煤。要改吃烟煤就得先改造粒技术。后来听说在国内搞工科类最好的就是清华大学,我就带了几个人跑到清华找技术。”

    

也巧,清华大学当时开发出一种滚筒喷浆造粒技术。也就是在这一年由于滚筒喷浆造粒技术的合作,丰喜集团、清华大学、北京达立科科技有限公司3家走到了一起。

    

2002年年底,利用滚筒喷浆造粒技术的丰喜集团临猗分公司工业化5万吨尿素装置一次开车很成功,效果非常好这也是第一套国产大颗粒尿素生产技术。

    

有了这次成功的合作,3方决定组建产学研联盟,共同申报“863”计划,研发具有世界先进水平的气化炉技术。目标很明确:这台自主创新的气化炉,要包括气化工艺全流程的优化创新,提高煤种适应性、气化系统的稳定性和可靠性,形成一套经济型气流床气化技术体系。由于是清华大学为主进行的科研项目,故3方一致同意,将这台气化炉命名为清华炉。

    

清华炉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。其原料( 水煤浆、干煤粉或者其它含炭物质 )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,其他气体(如氧气或与氧气以任意比例相混合的二氧化碳、氮气、水蒸气)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气化过程。业内人士将这一技术原理概括为非熔渣—熔渣分级气化技术。

    

该技术主要创新点是 :氧化分级供给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炭与氧的化学当量比约束,使炉内温度更加均匀,平均温度提高,有利于煤的转化。由于氧的分级供给,为主烧嘴降低炭氧比创造了条件。采用特有的预混程度控制技术调整火焰中心的温度,降低主烧嘴附近的温度,延长烧嘴使用寿命。

    

2006年1月,投资2.4亿元人民币、采用清华炉技术的年产10万吨甲醇装置,在已并入山西阳煤集团的丰喜集团临猗分公司投入运行,第一年即创造了年运转率 94%、年负荷率120%的国内水煤浆气化装置运行优异成绩,而投资比传统水煤浆气化炉低20%。清华炉于2007年12月通过了中国石化联合会组织的科技成果鉴定,结论是“处于水煤浆气化技术的国际先进水平”。

    

2009年7月21日,在中国氮肥工业协会技术委员会工作会上,清华炉技术被评选为氮肥行业振兴支撑技术。2009年10月21日,在石油和化工产业结构调整促进大会暨科学技术奖表彰大会上,清华炉技术荣获了2009年度中国石油和化学工业协会颁发的科技进步一等奖。2010 年,清华炉被国家工信部和中国石化联合会作为国家重点节能技术来推广;并获得2010年度氮肥工业协会技术进步一等奖。

 

第二代 :水煤浆水冷壁气化技术

 

到了清华炉安全运行一年的时候,炉子需要更换局部耐火砖。这时发现了两个比较大的问题 :一个是一台炉子更换耐火砖需200多万元,检修费需要100多万,这是直接的损失;另一个是更换耐火砖要停炉一个月施工,烘炉又得一个月,明显影响生产,也造成经济损失。

    

面对这些现实问题,合作3方决定要在技术上继续突破;一是如何点火以及炉子的蓄热问题 ;二是水冷壁是采用立管还是盘旋管问题;三是膨胀问题 ;四是如何保护炉子的锥顶和锥底,减少耐火砖的更换问题。于是,第二代清华炉的攻关开始了。

    

从2007年开始,针对以上问题,清华大学将水冷壁技术应用于水煤浆加压气化技术上,探讨煤种多变和负荷变化条件下气化炉的运行控制技术和控制策略,开发出合成气多组分在线测量系统,确定水冷壁内适宜的操作温度和压力。

    

2011年8月,一台直径2800/3200 的水煤浆水冷壁气化炉在丰喜集团投入运行。与第一代清华炉一样,首次投料即进入稳定运行状态,并创造了安全、稳定、连续运行140天的气化炉开车新记录。水冷壁技术成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题,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。水冷壁产生蒸汽从气化炉吸取的热量与炉外壁温降为气化炉节约的热量平衡,气体质量与耐火砖炉相当,不必每年数次更换锥底砖,扩大了原料煤的适应性。

    

中国石化联合会组织有关专家对该装置进行了现场考核。考核采用阳泉无烟煤和神木煤的混煤,与设计煤种基本符合。装置连续稳定运行72小时,平均负荷率为 102.8%。2012年9月3日,该装置通过了中国石化联合会组织的成果鉴定。专家组确认,气化系统装备的国产化率达到 100%,同等直径的水冷壁气化炉与原耐火砖结构的气化炉相比,燃烧室容积增大1.6 倍,考核数据达到了指标要求,装置自动化水平较高,安全可靠,操控性能良好,气化用煤的灰熔点可以达到1520摄氏度以上,煤种适应性广,综合性能优异,是具有国际领先水平的拥有自主知识产权的新型煤气化技术。专家们一致建议加快大型化的开发及推广应用。

 

第三代 :水煤浆 + 水冷壁 + 辐射式蒸汽发生器

 

煤炭是山西的优势资源,占全国资源储量的22.6%。其中“三高”( 高硫、高灰、高灰熔点 )劣质煤占到全省煤炭资源总量的30%以上。长期以来,由于缺乏以“三高”煤为原料的高效清洁大型气化技术和装备,导致大量的资源因无法利用而失去开采价值,造成了资源的极大浪费与环境污染。2015年7月29日,时任山西省委书记王儒林、省长李小鹏共同出席了山西省人民政府与清华大学《关于共建清华大学山西清洁能源研究院的合作协议》签字仪式。这标志着以解决山西“三高”煤为目标的新一代气化炉攻关开始。

    

这时候,清华炉研发团队之一的北京达立科公司退出。而此前一直参与清华炉开发与制造的山西阳煤化工机械有限公司正式参与到联盟之中。而清华大学一方也变成了清华大学山西清洁能源研究院。由于合作方的改变,再一次改进的清华炉改叫晋华炉。

    

据项目负责人、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜教授介绍,与前两代清华炉相比,晋华炉的科技创新点在于:核心部件辐射式蒸汽发生器借鉴液态排渣旋风锅炉的进口和结构设计理念,能有效避免国外同类技术存在的堵渣和积灰问题 ;改进结构设计能减少双面受热面的布置比例,设备体积和投资减少 ;通过回收高温合成气热量、副产高温高压蒸汽等方式,可提高能源转换效率。

    

2016年4月1日,首台采用水煤浆+膜式壁+辐射式蒸汽发生器的晋华炉在阳煤丰喜临猗分公司一次点火、投料、并气成功,各项设计指标一次性达标。人们惊喜地发现,以前的炉子用的是耐火砖,每年至少要更换两套锥底砖,一套耐火砖花费就是300多万元,耗时近两个月,而晋华炉用水冷壁替代耐火砖,取消了耐火砖的更换成本。而且比起原耐火砖每次开车前升温至少需要72小时,晋华炉升温只需1小时。还有,晋华炉可以不设置备用炉,按一条备用生产线算下来,这一项就省上亿的投资。还有,晋华炉制浆过程同时可处理污水。还有,晋华炉的使用寿命可达20年!

 

      

丰喜集团执行董事、阳煤化机董事长李广民介绍说,晋华炉实现了两个全球首次 :一是首次将水煤浆、膜式壁、辐射式蒸汽发生器进行了组合,并成功实现工业化;二是首次将原气化炉(水煤浆+耐火砖+激冷流程)通过改造直接升级为更高效、可靠的联产炉(水煤浆+膜式壁+辐射式蒸汽发生器+激冷流程),解决了山西“三高”煤不能高效清洁气化的难题。

    

北京清创晋华科技有限公司董事长马宏波一笔笔地算账 :“耐火砖炉砖运行周期1.5年。采用水冷壁替代耐火砖后,水冷壁运行周期20年,且气化吨氨电耗仅60度,不耗燃气,综合能耗目前最低。合成气蒸汽联产气化炉在同荷、同煤质的前提下,辐射废锅可副产蒸汽加上变换副产的蒸汽,吨氨比采用水煤浆激冷气化多产1至1.2吨蒸汽,每年生产的高压饱和蒸汽可增加4000—5000万元利润。以30万吨合成氨为例。一台晋华炉可使吨氨醇成本降低到900元至1100元,每年从节约的成本中可拿回4000~5000万元!”

    

该项目也引起了煤化工界高度关注。神华集团、中煤集团、湖北宜化集团、河南心连心公司、安徽泉盛化工有限公司、阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司等国内主要尿素生产企业先后前去观摩考察、洽谈合作并达成了相应的采购意向。李广民透露,今年,在现有晋华炉基础上,研发团队拟再增加对流式蒸汽发生器,完成晋华炉第四代的工业化,实现气化炉热量的全热回收,蒸汽产量可再增加 40%~50%。


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