煤化工知识—煤气炉概述

碳一化学知识：航天炉（HT-L）气化工艺

一、煤气化技术综述

煤气化技术是煤化工项目的龙头技术。煤气化是指在一定的温度、压力下，用气化剂对煤进行热化学加工，将煤转化为燃气的过程。目前在国内推广的煤气化技术，包括我国自主开发技术和国外技术10多种。煤气化技术一般是按炉型分，主要有固定床、流化床、气流床三种。

固定床气化炉是最早开发出的气化炉，炉子下部为炉排，用以支撑上面的煤层。通常，煤从气化炉的顶部加入，而气化剂（氧或空气和水蒸汽）则从炉子的下部供入，因而气固间是逆向流动的。特点是单位容积的煤处理量小，大型化困难。

流化床气化炉是在分散板上供给粉煤，在分散板下送入气化剂，使煤在悬浮状下进行气化。流化床气化炉不能用灰分融点低的煤，副产焦油少，碳利用率低。

气流床气化炉是将粉煤与气化剂一起从喷嘴高速吹入炉内，快速气化。气流床气化炉按进料形式不同，分为干煤粉进料和水煤浆进料两大类，而以气化炉内是否衬有耐火保温材料分类，又有热壁炉和水冷壁炉两种。所谓水冷壁，就是由水管、石英砂、煤渣组成的内腔。一直以来，水冷壁都用于粉煤气化炉，水煤浆气化炉则多用耐火砖结构的热壁炉。

目前国际上应用最广的是气流床气化工艺。主要有Shell公司的SCGP粉煤加压气化工艺、美国德士古公司 的水煤浆加压气化工艺和德国未来能源公司的GSP粉煤加压气化工艺，

航天炉气化工艺是借鉴以上三种工艺中先进技术，配置我国自行研发的盘管式水冷壁气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤粉气化工艺。该工艺煤种适用范围广、碳转化率高，技术可靠、投资少、所有设备国产化、工程实施简单等优点。

二、航天炉（HT-L）气化工艺

航天炉（ HT－L 粉煤加压气化技术造气炉）是由中国航天科技集团公司下属公司研制成功的，是中国首套拥有自主知识产权的新型气化装置，其主要经济技术指标已达到国际领先水平。该技术充分吸收了当今世界先进煤气化技术的优点，采用“粉煤+水激冷”流程，利用航天多年来在煤气化以及能源化工行业关键设备研制方面的成果，重点在原料煤本地化、工艺路线的优化、减少投资、关键设备国产化方面做了深入细致的工作。HT-L航天粉煤加压气化技术，可以广泛应用于煤基甲醇、煤基合成氨以及煤制天然气、煤制合成油、煤制烯烃、煤制氢、IGCC发电等领域。由于是国内气化系统中首次采用此项新技术，因此它被称为“中国航天第一

炉” 。“ 中国航天第一炉”被国家发改委确定为“‘十一五’循环经济高新技术产业化专项” 。

1、HT-L航天粉煤加压气化技术发展情况

2008年10月，航天煤化工公司设计完成的河南濮阳龙宇15万吨/年煤制甲醇和安徽临泉化工15万吨/年煤制甲醇两套工业示范装置相继投料成功，被誉为“航天技术应用产业的‘神七’”。2009年10月，“HT-L航天粉煤加压气化技术”通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，“HT-L航天粉煤加压气化技术”已达到国际领先水平。

“HT-L航天粉煤加压气化技术”在研发过程中，得到了国家有关部委、北京经济技术开发区管委会和中国航天科技集团公司的大力支持。

2007年，HT-L航天粉煤加压气化技术“日处理煤25万吨/年先进煤气化技术工业化示范项目”获得国家发改委2007年循环经济高技术产业化重大专项支持。

2、HT-L航天粉煤加压气化技术主要特点

HT-L航天粉煤加压气化技术包括磨煤及干燥（1500）、煤加压及进煤（1600）、气化及合成气洗涤（1700）、渣及灰水处理（1800）、气化公用工程（1900）五个单元，该技术具有如下特点：

（1）煤粉为原料、纯氧和过热蒸汽为气化剂、加压气化、惰性气体浓相输送

原料煤粉：0-90μm

纯 氧：96%纯度以上气态O2

过热蒸汽：高于气化炉压力5bar以上过热蒸汽 输送介质：N2或CO2 气化压力：4.0-6.5MPa 优 点：

? 以粉煤为原料，原料煤可以得到100%利用。与水煤浆原料相比，可以节约将40%以上的水分升温、气化所消耗的热量，单位有效气体氧耗低，热效率高。

? 纯氧和过热蒸汽为气化剂、加压气化，气化效率高、设备结构紧凑。粗合成气中有效气体(CO+H2)成分高，NOx主要由于原料煤中的N元素生成，含量低，对环境影响小。

? 惰性气体浓相输送，除合成氨装置外，原则上均可以CO2作为煤粉输送介质，实现CO2循环利用，减少碳排放。

? 浓相输送煤粉，通过一系列的掺混元件，将煤粉和输送介质掺混成连续、稳定的浓相混合气流，通过流量计计量，通过调节阀控制流量，通过切断阀、换向阀、减压装置控制混合气流的流动状态，从而实现DCS、ESD系统对气化过程的精确控制。 （2）气化炉气化段盘管水冷壁结构，副产中压蒸汽 气化温度： 1400--1800℃ 盘管水冷壁：四进四出 中压蒸汽： 5.4MPa 优 点：

? 气化炉气化段盘管水冷壁结构，可以实现高的气化温度，适应原料煤宽泛的灰熔点范围，适当添加CaCO3助溶剂，可以适应各种原料煤，实现原料煤本地化。

? 水冷壁气化炉，升温、降温迅速，与热壁气化炉相比，可以大大缩短停车检修时间。

? 盘管水冷壁结构，强制两相流汽包水循环，可以避免一般集合器结构由于局部热负荷高等原因造成水流分配不均，进而发生局部烧蚀、爆管现象，有利于气化炉的长周期安全运行。

? 高的气化温度，可以将原料煤挥发份、低温气化中难以处理的焦油、酚、氨、甲烷等成分全部作为气化原料，生产有效气体，从而使粗合成气、水、灰渣洁净，易于处理，减少对环境的影响。高的气化温度，细小的煤粉颗粒，纯氧为气化剂，可以实现高的碳转化率。

? 副产中压蒸汽，可以最大限度利用气化余热，实现能量的充分利用。

（3）水冷壁“自我修复式”隔热结构

水冷壁向火侧焊接渣钉，用以固定涂覆的耐火材料，并对耐火材料冷却。运行过程中，耐火材料表面会形成固渣层和液渣层。

优 点：

? 隔热结构可以最大限度地降低气化段的散热损失，减少水冷壁蒸汽产量，从而使原料煤的热量最大限度地用于气化反应，生产有效气体(CO+H2)。

? 密布的渣钉，可以使耐火材料温度远低于原料煤的灰熔点，从而使熔融的灰渣在耐火材料表面固化，形成固渣层。在固渣层的表面，熔融的灰渣以液态沿壁面向下流动，最后从气化段排渣口排出。 ? 随着煤种变化，操作温度、压力、负荷变化，固渣层和液渣层厚度会发生变化，从而形成了自我修复式耐火材料结构，有效地保护了水冷壁，实现“以渣抗渣”。

? 耐火材料涂覆于水冷壁表面，施工、养护、维护和更换方便。 （4）单一的顶置式组合燃烧器

气化炉只设置一台组合燃烧器，安装在气化段顶部。组合燃烧器将点火装置（用于点燃点火烧嘴）、点火烧嘴（用于点燃开工烧嘴）、开工烧嘴（用于气化炉升温和点燃工艺烧嘴）、工艺烧嘴（用于气化原料煤）设计成一体。

优 点：

? 安装、维护、调节简便、快捷。组合燃烧器设计寿命大于10年，每6个月对燃烧器头部局部维修一次。8小时之内可以完成组合燃烧器的更换。

? 燃烧火焰、炉内流场与炉膛良好匹配，炉内煤粉热解区、火焰燃烧区、烟气射流区、烟气回流区以及二次反应区分布合理，能够实现全炉膛均匀挂渣、煤粉颗粒中的碳元素充分转化。

? 调节单一氧煤比和汽氧比，就可以实现对气化炉气化参数的调节，操作简便、快捷，易于掌握，特别适用于煤种变化频繁、要求在线及时调节的工况。

（5）激冷、水浴式合成气冷却及洗涤方案

气化段生成的合成气与熔融的灰渣并流，进入激冷室。在此过程中，合成气和灰渣首先被水激冷，然后，进入激冷室下部的水浴。冷却的灰渣从激冷室下部排出，合成气经过水浴冷却、洗涤后，从气化炉中部排入下游的合成气洗涤系统。

优 点：

? 工艺流程成熟可靠。

? 合成气激冷、除灰、除渣效果明显，水浴比喷淋更有利于合成气中固相的去除。

? 合成气中增加的饱和水蒸气可直接应用于变换工序。

? 激冷水和洗涤水经过处理后，全部回用，实现了装置水循环利用，降低水耗。

（6）气化段水冷壁设置温度测点

在气化炉气化段水冷壁沿周向、轴向设置温度测点，对气化段温度实时监测。

优 点：

可以对水冷壁温度进行有效监测，有利于开车、煤种转换和气化炉运行调节。

（7）设置可视化火焰监测系统

气化炉除设置红外/紫外火焰监测装置外，还设有可视的火焰监测系统，操作人员可以实时目测炉膛火焰情况。

优 点：

? 可以避免由于火检误信号带来的误操作。

? 在开停车过程中，操作人员可以根据目测的炉膛火焰情况，进行点火、投煤和停车操作，安全、快捷。 （8）可靠的DCS/ESD控制系统

整个生产装置通过DCS系统进行自动控制，通过ESD系统保障安全。 优 点：

? 先进、可靠的DCS系统，可以实现生产过程的自动控制，提高操作水平，改善操作人员工作条件，减少工厂用工数量，降低成本。气化装置的点火、开工、投煤、升压升负荷、系统停车等顺序控制为自动操作，方便、安全、可靠。负荷调节、流量调节、压力调节等都采用自动调节，可大大减小误操作几率。

? 先进、可靠的ESD系统，独立运行，涵盖了点火、开工、投煤、正常运行全过程，输入变量包括了所有可能对系统、设备造成安全故障的参数和监测点，能够确保人员和设备安全。 （9）自主知识产权、设备国产化 优 点：

? 自主知识产权、全部设备国产化，投资、维护和运行费用低。 ? 技术服务及时、周到。人员培训、技术交流、后期改进方便。 （10）气化炉系列化 优 点：

? 目前已有两种规格气化炉，即：单台15-20万吨/年(氨或醇)规模和30-35万吨/年(氨或醇)规模，并正在开发更大生产能力的气化炉。通过组合，能够适应大型煤化工项目需求。

? 根据项目情况，可以实现两台以上气化炉配置，实现在线互备，从而在单套气化装置故障检修时，其他装置通过提高负荷的方式，确保生产稳

3 HT-L航天粉煤气化技术应用业绩

HT-L航天粉煤加压气化技术于2005年作为航天科技集团公司重大项目开始研发，并确立两个示范工程为濮阳龙宇化工有限责任公司100万Nm3/日CO+H2原料路线改造工程（以下简称濮阳项目）和安徽临泉化工股份有限公司100万Nm3/日CO+H2原料路线改造工程（以下简称临泉项目）。

濮阳示范项目2006年8月开工建设，2008年10月开车，2009年12月完成项目验收，目前装置运行稳定，产量和产品规格满足设计要求。

临泉示范项目从2006年10月开工建设，2008年10月末开始投料试车。2009年4月15日开始长周期运转，装置运行稳定，甲醇产量为设计负荷的120%，年运转超过333天，安全联锁系统安全、稳定、可靠。

整套装置工程设计由北京航天煤化工公司完成，目前装置稳定运行2年。

三、航天炉的优势

航天炉不仅主要指标与进口气化炉接近， 而且与目前世界上已实现工业化应用的煤气化技术中广泛使用的壳牌、德士古等国际同类装置相比，有四大优势：一是投资少，比同等规模投资节省三分之一；二是工期短，比壳牌炉建设时间缩短三分之一；三是操作程序简便；四是与国外同产量的炉体相比轻了四分之三。采用航天炉及其成套设备，建设年处理原煤25 万吨气化工业装置，一次性投资可比壳牌气化炉少 3 亿元，比德士古气化炉少 5440 万元。HT—L航天炉运行维修费用比壳牌气化炉每年少 2500 万元，比德士古气化炉每年少 500 万元，适应中国煤化工产业的实际，易于大面积推广。诸多资料显示，航天炉集合了德士古、壳牌、 GSP 等多种粉煤气化炉的优点，煤的适应性广，气化效率高，有效气体成分含量高，是一种很有前景的气化炉。

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