清华炉煤气化技术研究及应用-张建胜201209

清华炉煤气化技术研发及应用张建胜 博士生导师Email: zhang-jsh@ 清华大学热能工程系 清华大学-盈徳气体煤气化联合研究中心 主任

主要内容 研究团队 清华炉技术特点 第一代清华炉：耐火砖 第二代清华炉：水冷壁 水煤浆水冷壁清华炉应用及优势

一、研究团队岳光溪院士吕俊复教授 张海教授刘青副教授 张建胜副教授杨海瑞副教授吴玉新讲师 燃气轮机与煤气化联合循环国家工 程研究中心 煤清洁燃烧国家工程研究中心 清华BP清洁能源研究与教育中心 热科学与动力工程教育部重点实验 室 清华大学-盈徳气体煤气化联合研究 中心博士研究生导师5个，硕士研究生导师7个

研究团队的学术影响及奖励 获国家科技进步二等奖 教育部科学技术进步一等奖 山东省科技进步 等奖 山东省科技进步二等奖 中国机械工业科技进步二等奖 教育部科学技术进步一等奖 中国石化协会科技进步一等奖 500余篇论文，50余项专利 赢得国际合作：EDF、Alstom、ABB-CE、IHI、MIT、 Birmingham、B&W、Simens、UWA、JEL、VTT等。 2004年后受邀，担任国际能源组织循环床分部－IEACFB的中国代表。 在国际流化床燃烧会议上文章获得历届会议华人唯一 ASME最佳文章奖。 主办20th FBC 燃烧国际会议——第一次欧美之外召开； 岳光溪院士为会议主席。

现有气流床气化技术ShellTexacoGSPE-Gas没有氧气分级的！Prenflo 四喷嘴 HT-L航天炉 两段干煤粉

二、清华炉技术特点锅炉分级布风 应用广泛 低负荷稳燃、降低 NOx排放 二次空气 三次空气立式旋风炉 液态排渣 垂直炉膛 顶置烧嘴 顶部一次风 侧墙二次风 超过70年的历史，长于气化 炉氧气分级气化炉

2.1 清华炉气化工艺与其它技术的区别 1. 氧化剂和燃料不再同轴流动主喷嘴氧碳比脱离化学当量比的约束2. 化学反应过程有本质的差异脱水分和挥发份→燃烧→气化→再燃烧→再气化3. 碳转化率曲线不同 4. 温度曲线不同120 100 转化率（%） ） 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 时间 6 7 8 9 102000 连续气化 两段式气化 温 度 [℃ ℃] 15001000500 0 0.5 1 沿气化室高度 [m] 1.5 2

2.2 具有独立知识产权的煤气化工艺技术 创新性地将燃烧领域分级送分概念和立式旋风炉结构形 式引入煤气化中，实现跨学科结合，形成独立知识产权 的煤气化工艺 世界唯一的氧气分级供给煤气化工艺 氧气分级和预混程度控制，大大改善工艺主烧嘴工作条 件，实现长周期稳定运行 气化炉长径比增大，同样容量气化炉投资节省20%独特的氧气射流反扩散火焰授权发明专利

2.3 完善的煤气化动力学理论和技术研发 涵盖了基础理论、反应动力学、数值模拟、冷态实验、热态实验、中 试研究； 建立了完整的煤气化技术研究和开发手段； 已有技术设计到气化岛全过程，包括制备、输送、气化、灰黑水处理、 能量回收等 成功开发了两代煤气化技术

三、第一代清华炉：耐火砖气化炉流场1.510 Axial Velocity [m/ /s]Tangentia al Velocity [m/s]1.0001 07M1 09M18 6 4 2 0 -2 0 500.509T1 09M1 09B10.0-0.5 0 50 100 Distance to wall [mm] 150 200100150200Distance to wall [mm]二次风量对切向速度的影响（I）二次风位置对轴向速度的影响（I）二次气流加入后： 中心出现反向的切向速度，加强了气化炉内物 料的混和，停留时间得到延长 流场对二次喷嘴的位置不敏感，降低了制造和 运行要求，易于商业实现

3.1 示范工程投煤量： 500 tons/d 投运时间：2006年1月运行8000小时后的耐火砖

3.2 二次氧气喷嘴使用88天后的二次给氧喷嘴 喷嘴使用证明

3.3 现场考核及鉴定意见气化装置自动化程度高，安全可靠，操控性能良好。预混气由氧 气切换为二氧化碳时装置运行平稳。预混气体为二氧化碳时炉上 部温度比预混气体为氧气时低50℃，有利于延长喷嘴使用寿命。

3.4、第一代耐火砖型清华炉的成绩中国石油和化学工业协会科技进步一等奖，2009 中国氮肥工业协会技术进步一等奖，2010 中国氮肥工业协会确定该技术为“行业振兴支持技术”，2009 国家发改委将该技术列入国家“先进煤气化节能技术重点节能推广目录”，2009 国家工信部将该技术列入“氮肥行业清洁生产连续加压煤气化技术推广目录”，2009 15

四、第二代清华炉：水冷壁水煤浆水冷壁必须解决的几个问题： 煤种适应性：“三高煤” 1. 水冷壁结构 高可用率：长周期稳定运行 2. 水煤浆的点火 高可靠性：减少意外停车 3. 水动力 灵活性：启停速度快 4. 水冷壁的保护 高压大容量：减少系统能耗、单炉产气量大 5. 热效率问题

4.1 水冷壁结构12 50多年的锅炉膜式水冷壁实验、设计和工程经验 膜式水冷壁传热的计算经验和工程运行数据 膜式水冷壁内水动力分析和计算，涉及直到超临界的各种压力等级3

4.1.1 不同结构的气化炉水冷壁

4.1.2 清华炉水冷壁 悬挂垂直水冷壁结构 强制循环、自然循环 不产生过热蒸汽

4.2 水冷壁气化炉点火 现有点火方式 蓄热式点火 启动时间长，热备用 燃料消耗量大 热态更换烧嘴劳动强度大 水冷壁的启动 Shell点火过程复杂，依次投入燃气、燃油、煤 粉喷嘴 GSP烧嘴结构复杂

4.2.1 “火点火”方案CO2,N N2,Steam S O2 LPG CWS O2 CWS 中间通道气体可以采用 氧含量为0~100% 0 100%的不 同气体 清华炉工艺已经掌握两 种气体切换的实际运行 经验O2不同流道流体示意图

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