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清华炉:自主技术开拓煤化工强国之路 - 明升88网 - 化工行业强势

时间:2013-09-27 09:27来源: 作者: 点击:
清华炉:自主技术开拓煤化工强国之路
作者:李炜     文章来源:中国化工报     更新时间:2013-09-04

 



图①为第二代清华炉煤气化技术鉴定会上,中国石化联合会会长李勇武(右二)讲话,左二为全国政协常委、国家能源委员会专家咨询委员会主任张国宝。

 

        煤化工作为我国国民经济当中一个重要的产业领域,近些年来,随着自主创新能力的不断提高,一批通过自主创新突破的产业核心技术,极大地推动了行业进步,不仅树立了“中国制造”和“中国智造”的品牌,在节能环保上也达到了很高的标准,在增强行业话语权、维护国家产业安全方面更是发挥了不可替代的作用。在这当中,近些年来广受关注的清华炉技术便是一个杰出的代表和典范。
   
        产学研结合孕育清华炉
   
        目前石化行业较为流行的粉煤气化技术主要有两大类别,即水煤浆耐火砖技术与干粉水冷壁技术,但这两种技术往往都存在着各自的不足之处。与这两种技术相比,应用水煤浆水冷壁气化技术的清华炉则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,其技术性能达到了近乎完美的程度,具有以下显著特点:


        稳定性好。水煤浆气化工艺成熟。用水煤浆进料稳定可靠,水冷壁挂渣稳定。水煤浆运行安全可靠,避免了粉煤进料不稳定、易燃、易爆、易磨损、泄漏等难题。


        煤种适应性强。气化温度不受耐火材料限制,可达1600℃或更高,气化反应速度快,碳转化率高,煤种适应性好,能够消化高灰分、高灰熔点、高硫煤。


        系统运转率高。装置运行连续稳定,烧嘴头部采用特殊处理,一次连续运行周期可以保证100天以上,每年不再因为换砖而停炉检修,年运行时间可达到8000小时。


        安全性强。水冷壁采用热能工程领域成熟的悬挂垂直管结构,既保证了水循环的安全性,又避免了复杂的热膨胀处理问题。水循环按照自然循环设计,强制循环运行,紧急状态下能实现自然循环,最大限度保证水冷壁的安全运行。


        环境友好,环保效益高。灰渣残炭含量低,易于收集处理,废水无难处理污染物,制浆可处理污水。


        系统启动快。组合式点火升温过程简化,点火、投料程序一体化完成。水煤浆投料点火采用特殊设计的点火技术,气化炉从冷态到满负荷仅需3小时。


        气化压力高。气化压力不受原料输送系统影响,可根据后续工段要求进行更加合理的选择,实现与甲醇合成等压,降低能耗。


        技术细节处理好。清华炉气化技术在工业化过程、在细节的设计上有很多创新,如碳洗塔底部的气体分布器,使灰水和煤气充分混合,保证了煤气的洗涤效果,细节上的改进使气化系统能够实现长周期运行。


        清华炉还具有较高的投资性价比,为用户提供了更好的选择。由于核心技术的突破,流程的优化,科学的设备国产化选择,使清华炉与国内外同类装置相比,同等规模可节约投资20%以上。

 
        从研发成功至今,清华炉屡获殊荣:2009年被中国氮肥工业协会评选为氮肥行业振兴支撑技术;被中国石油和化学工业联合会授予2009年度科技进步一等奖; 2010年,被工信部和中国石油和化学工业联合会作为国家重点节能技术来推广。

 
        清华炉是产学研三方合作的结晶,在2011年以前,由清华大学、北京达立科科技有限公司和山西阳煤丰喜肥业集团三方组织团队负责清华炉的研发、实验及市场推广工作。2011年以后,国内最大的独立工业气体供应商盈德气体接替了原北京达立科科技有限公司负责的工作,组成了新的清华炉产学研联盟,并组建成立了北京盈德清大科技有限责任公司,独家经营清华炉煤气化技术。依靠雄厚的实力,北京盈德清大公司在清华大学成立了清华大学——盈德气体煤气化联合研究中心,为该技术的完善和新技术的研发搭建了更加广阔的平台。
   
        褐煤利用有路可寻
   
        我国褐煤资源丰富,褐煤资源量占煤炭资源总量的5.74%,主要分布于内蒙古东部、黑龙江东部和云南东部。与烟煤、无烟煤相比,褐煤的价格较低,反应活性高,但其热值相对较低,含水量较高,一般为25%~60%。因此褐煤如果用于发电,存在着增加运输成本,影响锅炉运行,降低电厂效率,增加温室气体排放的弊端。而如果用于煤化工,因其煤化变质程度较低,分子链容易裂解,理论上讲,是煤化工的首选原料,但其热量不高、含水量大的特点,又给褐煤的气化增加了困难,进而加大了应用成本。


        为了更好地利用我国的褐煤资源,近些年来,国内外的固定床气化、流化床气化和粉煤气化等多种煤气化技术都对褐煤的应用进行了大量工程实践,然而,这些煤气化技术都需对入炉的褐煤进行一定程度的预处理,投资额很大,特别是有的技术不仅使用新鲜水较多,还排放大量的废水,给煤化工项目带来很大的环保压力。

 
        人们多年来一直在寻求一种技术,希望这种技术能够低成本、高效率而又环境友好地将褐煤应用于煤化工。直到不久前,清华炉煤气化技术的一次成功实践,让人们看到了希望——2012年7月,在内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司,应用清华炉技术的煤气化装置一次投料开车成功,并在2013年1月,成功实现了两台褐煤气化炉240小时的并列运行。


        在清华炉煤气化技术之前的水煤浆气流床气化技术,如果用褐煤作原料,那么褐煤高含水的特性将使水煤浆成浆困难,制得的煤浆浓度不高,一般53%左右,而当时人们的传统观念认为,低于58%的水煤浆不能用于水煤浆气流床气化技术。但在内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司,清华炉煤气化装置以呼伦贝尔市的褐煤资源为基础,采用东明矿褐煤为气化原料,煤浆浓度46%~51%,装置运行稳定。


        应用清华炉技术的大唐呼伦贝尔化肥有限公司18万吨/年合成氨、30万吨/年尿素装置,其煤气化装置采用的是第一代清华炉煤气化技术(非熔渣一熔渣分级给氧水煤浆气化技术),建设两台4.0兆帕、直径2800的气化炉系统及配套的煤浆制备、渣水处理系统。从2012年7月成功开车至今运行良好,标志着清华炉煤气化技术在以褐煤为代表的低浓度水煤浆的开发利用上取得了突破性进展,具有重大的工程示范作用,为我国采用先进、环保的煤气化技术开发较难处理的褐煤资源找到了一条可行之路。  


        清华炉技术在褐煤应用上取得的效果,吸引了行业内更多企业的关注。2013年7月,内蒙古乌兰泰安能源化工有限公司135万吨/年合成氨项目,又选择了第二代清华炉技术(水煤浆水冷壁气化技术)。该项目利用兴安盟当地的褐煤为原料,煤浆浓度53%。在项目建设前,乌兰泰安能源化工有限公司曾经过将近4年的技术选择,对国内外的10余种煤气化技术进行技术经济评估,并远赴美国寻找适合兴安盟当地褐煤的气化技术,他们最终认为,清华炉是最适合兴安盟褐煤的气化技术。而好事成双的是,还是在2013年7月,新疆国泰新华矿业股份有限公司也选择清华炉作为生产1,4-丁二醇的气化技术,采用煤种的煤浆浓度为55%。


        低浓度水煤浆的应用技术,如今已成为第二代清华炉赢得市场的一张王牌。
   
        环保节水优势明显
   
        煤化工项目具有耗煤量大,用水多,排放的废水、废气、废固多等特点。在煤化工排放的“三废”中,有害成分多,处理难度大。例如对于煤制天然气,除了水煤浆气化,如果采用固定床气化和流化床气化的方法,那么废水处理就是一个很大挑战,甚至被列入了国家“863”项目。尽管目前国内煤化工废水处理工艺有很多,但运行效果普遍不稳定,更别说实现“零排放”了。由于废水处理问题难以解决,国内多个煤化工项目一再推迟上马或开车。


        目前国内除水煤浆气化以外的气化技术,比如鲁奇炉、BGL炉、航天炉、GSP炉,壳牌炉、恩德炉等气化时均需要添加蒸汽,而蒸汽需要的水是经过脱盐处理以后的水,从新鲜水经过处理得到锅炉水,水的利用率不足80%,对于内蒙古、新疆缺水地区含盐量较高的水,水的利用率更低。


        在今后环保要求越来越严苛、水资源越来越紧张的背景下,废水处理和节水要求很可能将会是决定煤化工项目成败与否的关键因素之一。


        对于干粉气化技术,其与清华炉技术同属于气流床气化技术,尽管比起其他气化技术,干粉气化有着环保和节水的天然优势,但若和“同门兄弟”水煤浆水冷壁清华炉技术比起,还是有一定差距。


        干粉气化在煤粉制备工序,主要是利用燃料气或其他介质将煤中的多余水分进行烘干,一般要求烘干至2%左右。此部分水对于内蒙古、新疆等一些水资源缺乏地区更是显得弥足珍贵,但是至今也没有回收的办法。为保持煤粉管线的干燥,煤粉输送管线需采用蒸汽伴热,部分冷凝液无法回收造成浪费。在煤气化工序,主要用水为脱盐水,脱盐水主要用于水冷壁汽包加水、仪表冲洗水和机泵密封水。另外还需要在炉内添加部分蒸汽用于气化反应。在灰水处理工序,由于整个气化系统的水循环使用,需按照煤种氯离子等有害组分累计程度来排放部分水,并补充部分新鲜水和工艺冷凝液,用于系统补水。


        清华炉气化技术在制浆工序,需要加入水进行制浆,制浆用水可以用新鲜水,也可以使用工厂难以处理的废水,如含酚废水、含苯废水等。在煤气化工序,主要用水为脱盐水,脱盐水主要用于水冷壁汽包加水、仪表冲洗水和机泵密封水。在灰水处理工序,由于整个气化系统的水循环使用,需按照煤中氯离子等有害组分累计程度来排放部分水,并补充部分新鲜水或工艺冷凝液,用于系统补水。

 
        清华炉气化是将大部分用水以水煤浆的形式加入,对煤的含水程度没有特殊要求,对加入水的水质要求也较低,一般制浆用水使用难以处理的有机废水,具有环保效益。干粉气化是将煤种多余的水分去掉,然后再将需要的水分步加入,在气化炉需要的水分,必须以高压过热蒸汽的形式加入,变换工段需要的水,必须用过热蒸汽或锅炉水的形式加入。


        干粉气化和清华炉气化相比,干粉气化比水煤浆气化在水的使用上,要求的品质更高,水量更大。


        对于当前比较热门的煤制天然气项目,一般认为鲁奇炉含有8%~12%的甲烷,制作煤制天然气比较经济。但是鲁奇炉只能利用8mm~50mm的块煤,采煤过程中大量的末煤无法利用,且鲁奇炉产生大量含酚废水不好处理。水煤浆气化炉采用半封闭式供煤、湿法磨煤以及气流床气化,全过程污染轻微,气化和变换都不耗用蒸汽,磨煤浆可以利用含醇污水,而且产生的废水量少,废水中的特征污染物单一,废水中的COD仅200~760mg/L,易于生化处理。利用水煤浆水冷壁清华炉气化技术,第一,可以利用采煤过程中的粉煤;第二,可以将鲁奇炉产生的难以处理的废水处理掉;第三,可以节省部分污水处理的投资;第四,可以节省部分污水处理装置的运行费用。


        因此,针对具体的煤制天然气项目,专家建议,首先应该根据原料煤的成块率和粉煤用量,进行块煤和粉煤平衡,如果平衡后的粉煤仍有剩余且无其他利用途径,气化装置就应考虑以固定床气化技术为主,清华炉气化技术为辅的双气头配置,同时还要对清水和污水的水量进行平衡,以循环利用。
   
        清华炉废锅高效节能
   
        和干粉气化相比,水煤浆气化由于含有40%左右的水,其氧耗和煤耗比干粉高一些,所以一些业界人士一直认为水煤浆气化不如干粉气化能耗低。但2013年6月,中国石油和化学工业联合会发布的2012年化工行业能耗领跑者显示,以烟煤为原料做合成氨,能耗前三名均采用水煤浆气化技术,这再一次说明,对于能耗的计算不能单单以气化炉的消耗为基准,而应该是整个装置的全流程核算。干粉气化虽然在气化阶段的氧耗和煤耗较低,但其在煤粉制备和输送阶段需要更多的功耗。比如,一般情况下,制备一吨水煤浆需要耗电10kWh,但制备一吨干粉需要耗电30kWh,输送一吨水煤浆需要耗电2kWh,输送一吨干粉则需要耗电60kWh,另外烘煤还需要大量热能。


        干粉气化在制粉工段需要将煤中含有的10%~30%水分烘干至2%左右,和水煤浆相比需要蒸发的水量要少,但此部分消耗的能量和水只能排放进入大气,无法回收。水煤浆气化目前是将从气化炉出来的粗煤气用水激冷,利用闪蒸来回收热量,虽然大部分热量在变换工段以蒸汽和热水的方式回收回来,但能量回收率还处于较低水平。


        清华炉研发团队针对水煤浆气化存在的热量回收率低的问题,经过多年研究,开发出一种全新型式的废锅回收气化炉。该废热锅炉可以将气化炉出来含1400℃高温水蒸气较多的粗煤气带出的热量,进行回收产生高压蒸汽,极大的提高了能量的利用率,将水煤浆含水量多的劣势变为优势,使气化炉的能效提高5%左右。


        清华炉新型废锅流程的研发成功,主要得益于清华大学热能工程系对锅炉的多年潜心研究。国内目前在用的壳牌废锅和德士古废锅,其高昂的造价和故障率几乎让所有的煤化工企业望而却步,而清华炉的废锅则完全打破了现有废锅的束缚,独树一帜,单台废锅产生蒸汽的效益当年就可将废锅投资全部收回,显示出了很好的市场应用前景。
   
        市场推广创造奇迹
   
        2012年9月3日上午,在北京西郊宾馆召开的水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术科技成果鉴定会上,来自国家能源委员会、中国石油和化学工业联合会、科技部、中国工程院等众多单位的领导、院士和专家们,对清华大学、北京盈德清大科技有限责任公司和山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司3家单位合作开发的水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术(第二代清华炉)进行了科技成果鉴定。最终,鉴定委员会给出了如下鉴定意见:“该气化炉技术具有显著的创新性,拥有自主知识产权,同时具有水煤浆耐火砖和干粉水冷壁气化炉的优点,综合性能优异,具有明显的经济效益和社会效益,总体技术处于国际领先水平,一致同意通过该技术鉴定。建议加快大型化的开发及推广应用。” 


        第二代清华炉科技成果鉴定会的成功召开,使清华炉技术的市场推广进入了“快车道”——


        2012年12月,北京盈德清大科技有限责任公司与山东金诚化工科技有限公司正式签署了《MZRCC及其配套项目》专利实施许可合同。山东金诚化工气化装置采用清华炉,不仅保障了企业未来可以向市场提供更多的清洁油品,还充分展示了清华炉气化技术广阔的应用前景,除了在传统的煤化工领域,在石油炼化行业第二代清华炉技术也可以大显身手。


        2013年1月18日,中海石油化学公司在海南三亚举行天野化工股份有限公司煤气化技术论证会。在这次会议之前,中海石油天野化工股份有限公司气改煤项目已初步认定将选用国外跨国公司的耐火砖气化炉技术。但随着人们对第二代清华炉技术的逐渐深入了解,中海石油天野化工气改煤项目最终放弃了国外技术,决定选用第二代清华炉。


        2013年1月28日,在江苏省连云港市举行的兴华科技搬迁改造项目设计暨清华炉技术转让合同签字仪式上,北京盈德清大科技有限责任公司与中盐德邦(江苏)化工有限公司签署了清华炉煤气化技术转让合同。项目气化装置选用日投煤为1100吨,工作压力6.5MPa、炉径2800mm的水煤浆水冷壁气化炉。 


        2013年4月,河北阳煤正元化工集团有限公司与北京盈德清大公司签署了专利实施许可合同,这为国内众多中小氮肥行业常压、间歇煤气化装置的改造指明了方向,具有极大的工程示范作用。


        2013年5月,清华炉煤气化技术接连中标新疆某企业20万吨/年乙二醇项目和阳泉煤业(集团)有限责任公司平定2×20万吨/年乙二醇项目。这两个项目的签订,标志着水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术在煤制乙二醇领域的成功拓展。我国目前乙二醇供需缺口巨大,外贸依存度常年处于70%以上高位。在高负荷下,采用清华炉技术的煤制乙二醇在成本上将具有很强的竞争力。


        在2012年9月召开的水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术科技成果鉴定会上,国家能源局前局长张国宝针对清华炉的优异表现曾说过:“通过大型工程,要给中国的科技创新一个机会。”时间仅仅过去了10个月,2013年7月,内蒙古乌兰泰安能源化工有限公司135万吨/年合成氨项目使用第二代清华炉技术协议正式签署。该项目总投资105亿元,规划135万吨/年合成氨、240万吨/年尿素,单系列70万吨/年合成氨、120万吨/年尿素,是全世界目前在建的最大单系列化肥尿素装置。该项目标志着清华炉技术的应用规模又上了一个新台阶,具有承前启后的重要意义。


        2013年4月13~15日,在贵阳举办的2013年第二届全国新型水煤浆煤气化技术交流年会上,与会代表对水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术表现出了浓厚兴趣,很多业内专家、生产企业建议,将此技术尽快推广到目前国内仍占60%以上合成氨产能的众多中、小氮肥企业的技术改造上。


        如今,中石油、中石化、中海油、中盐所属企业和众多地方煤化工和石油炼化企业相继采用了清华炉。从2012年初至2013年7月的一年多时间里,北京盈德清大科技有限公司便与10多家企业签订了新建煤气化装置的专利实施许可合同及2家生产企业的耐火砖炉改造为水煤浆水冷壁炉的合同(协议),签约气化炉总台数近30台,基本保持月均签约1.5台气化炉的速度,创造出了新型煤化工技术市场推广的一个“奇迹”,这充分说明了该技术的先进性、成熟性和经济性等诸多指标已得到了行业的高度认可。


        目前,以第二代清华炉为代表的中国自主煤气化技术已完全可以替代价格昂贵的国外技术。清华炉除了在传统煤化工领域表现优秀,今后还可以为煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气等新型煤化工提供先进、适用的煤气化技术。在中国由煤化工大国到强国的发展道路上,清华炉已经并将继续提供强大的技术支撑,为煤化工的自主技术创新发挥出标杆作用。

 



图②为山西丰喜集团应用第二代清华炉煤气化技术的装置。
 

 

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