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“晋华炉”代代升级:吃干榨尽“三高”煤
来源:山西省煤化工发展促进中心
时间:2017/7/11

     6月20日,晋南运城骄阳似火,阳煤化机的研发车间里,第四代“晋华炉”研发团队正在为一个工艺设计问题激烈争论。

     “晋华炉”是阳煤化机与清华大学山西清洁能源研究院共同开发的,世界首台采用水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉,该技术成功投运实现了两个全球第一,开创了新型煤气化技术改造先河。从第一代到第四代,代代升级的“晋华炉”也见证了清华大学与山西院企科研开发合作的成功路径。

5年两代成果:打破国外技术垄断

     山西煤炭占全国资源储量的22.6%,而其中高硫、高灰、高灰熔点特性的“三高”劣质煤占到全省煤炭资源总量的30%以上。如何充分利用“三高”煤,如何最大限度减少污染排放,推动黑色煤炭绿色发展、高碳资源低碳发展,不仅是山西的课题,也是我国煤炭产业的课题。

    为此,自2001年开始,阳煤集团以阳煤化机的设备设计制造能力和阳煤丰喜的装置运行条件为依托,联合清华大学实施“三高”煤气化技术攻关。2006年,第一代晋华炉开车成功。2011年8月,第二代晋华炉在阳煤丰喜一次投料成功,打破了国外技术垄断。

产学研联合攻关:实现两个全球第一

    无论在煤电行业还是煤化工行业,煤的气化是第一道“工序”,也是实现黑色煤炭绿色发展的煤炭革命最核心的技术。山西省科技厅于2014年起将这一项目列入“山西省科技重大专项”。2015年,阳煤集团、清华大学山西清洁能源研究院,联合山西阳煤丰喜肥业和山西阳煤化工机械,组成“产、学、研、制、用”联盟,开始了产学研的联合攻关。仅用一年时间,就开发了水煤浆+膜式壁+辐射式蒸汽发生器气化工艺技术即第三代晋华炉。科研人员介绍,该技术具有水煤浆气化炉稳定、可靠的优点,也具有水冷壁气化炉煤种适应性好的优势,尤其适用于“三高”煤的气化,能够解决山西省高灰熔点及低质煤的气化难题,有效避免国外同类技术的堵渣和积灰问题。中国工程院院士、热能工程专家岳光溪评价该技术,对改造传统煤化工和发展煤制天然气、煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、化工新材料等新型煤化工产业具有划时代的意义。

    采用该工艺技术的第一台气化炉于2016年4月1日一次在阳煤丰喜投运成功,合成气中每吨合成氨可副产1.8吨(每小时回收约40吨5.4MPa)的高温高压蒸汽,用于热电联产发电,能量利用高,年可实现经济效益3200万元以上,一年就可以回收改造投资。

    今年,“晋华炉”已与用户签订16台套,合同金额8亿元。其中,与山西南耀昌晋苑焦化有限公司签订的6.5MPa、日耗煤1000吨级气化炉两台,8月底交货;与河南金山化工有限责任公司签订6.5MPa、日耗煤1500吨级3台,年底前交货。中煤集团、安徽泉盛、福建三明、阳煤齐鲁一化等数十家企业到晋华炉运行现场进行了观摩考察。

全产业链延伸:进军4.0版

    目前,阳煤集团、清华大学、美国GTI、惠生工程、东华工程等国内外知名煤化工企业及科研单位,拟成立阳煤晋华气体公司,在煤化工领域形成新的“产、学、研、用”合作联盟,从单纯气化炉制造商,向煤气化全产业链延伸,向合成气提供商转变;从技术、设备出售商逐步拓展为大型园区气化岛服务商,在回收气化炉高温合成气辐射式蒸汽发生器的下游增加对流式蒸汽发生器,进一步回收高温合成气的热量,同时生产高温高压蒸汽,开发国内自主知识产权的水煤浆气化高温合成气全热回收技术,也就是第四代“晋华炉”。

    2014年起山西省科技厅开始启动实施煤基低碳科技重大专项,主要涵盖煤层气、煤化工、煤焦化、煤电、煤机装备、煤基新材料和富碳农业7个领域,共立项支持80个项目。据不完全统计,这批专项项目目前共申请专利265项,其中申请发明专利129项,获得专利授权40项,其中发明专利17项;建设实验室、研究中心等各类平台46个;建成中试生产线19条;取得新工艺、新材料、新装置32项;正在建设或已建成的示范工程12个;获省部级以上奖励9项。

晋华炉是如何炼成的?

    由清华大学山西清洁能源研究院牵头,阳煤丰喜和阳煤化工联合研发的合成气蒸汽联产气化炉,日前在阳煤丰喜临猗分公司一次点火、投料、送气成功。这是世界首台采用水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉,该技术成功投运实现了两个全球第一,开创了新型煤气化技术改造先河。

    1、现有技术难以解决“三高”煤炭气化难题 煤炭是我省的优势资源,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。
    数据表明,煤炭火力发电站的能源利用率一般为48%至50%,使用煤炭气化发电技术可把能源利用率提高大约几个百分点到十几个百分点不等。而煤炭气化过程中产生的氮氧化物和硫化物等有害气体也将比直接燃烧煤炭减少20%以上。
    阳煤化机集团副总经理樊立强介绍,气化炉是煤炭气化的核心装备,技术门槛高。然而由于技术限制,目前许多企业不得不花费巨资引进德国、美国、荷兰等国的气化技术和装置,不仅花费了巨额技术使用费,而且进口设备难以解决目前储量巨大的“三高”劣质煤气化难题。
    据了解,目前国内很多企业采用的气化技术,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%。
     同时,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。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。
    如何才能推动黑色煤炭绿色发展、高碳资源低碳发展,2015年,阳煤集团、清华大学山西清洁能源研究院,联合山西阳煤丰喜肥业和山西阳煤化工机械,组成“产、学、研、制、用”联盟,开始了产学研的联合攻关。
     2、晋华炉实现两个全球第一通过热能工程、煤化工技术、装备制造和智能控制技术的跨学科结合,2016年4月1日,适应“三高”劣质煤的合成气/蒸汽联产气化炉,在阳煤丰喜临猗公司一次开车成功。这也就是“晋华炉”。
     晋华炉代表行业技术的世界高度。科研人员介绍,该技术具有水煤浆气化炉稳定、可靠的优点,也具有水冷壁气化炉煤种适应性好的优势,尤其适用于高硫、高灰、高灰熔点“三高”煤的气化。该技术煤种适用范围更广,能消耗大量劣质煤。一座炉每年可节约煤炭成本3000多万元。技术推广后,有望打破国外技术垄断,为我国企业节省技术转让费10多亿元,也为劣质煤清洁利用找到了新路径。正因其具有促进我国煤炭清洁利用、产业升级和环境保护的重要现实意义,“阳煤集团劣质煤清洁利用开辟新路径”入选年度中国煤炭十大新闻。
    清华大学山西研究院常务副院长张建胜表示,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了液态排渣旋风锅炉的进口和结构设计理念,能够有效避免国外同类技术存在的堵渣和积灰问题;独特的结构设计减少了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的热量,副产高温高压蒸汽等方式,提高气化炉的能源转换效率。
    晋华炉是我省煤气化技术装备领域里程碑式的重大突破,并且实现了两个全球第一:一是首次将“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;二是全球首次将原气化炉(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),开创了新型煤气化技术改造的先河。
    中国工程院院士、热能工程专家岳光溪评价,晋华炉为山西省煤炭产业“六型”转变、“六大”发展,走出一条“革命兴煤”之路,也为全国“三高煤”综合利用、气化煤实现本地化提供了新方法、新手段。
    3、打造成我省创新发展、含金量最高的新名片 据了解,我省传统煤气化技术年氨醇产量为1000万吨,普遍吨氨醇成本在1300元-1500元,而本次改造成功的煤气化技术可以使吨氨醇成本降低到900元-1100元,一吨成本差400元,若用晋华炉对山西省全部落后气化技术进行改造,一年可降低成本40亿元,可以使20多家深处困境的企业重获新生,可以稳定2万名以上员工的工作问题。晋华炉一经投运,就吸引了业内行家前来观摩考察,在不到两个月的时间里,已先后吸引山西南耀集团昌晋苑焦化有限公司和河南金大地化工有限责任公司争相选用。

    清华山西研究院常务副院长张建胜介绍,接下来有三件事要做:一是研发全热回收流程气化炉。二是干粉进料气化炉。开发干粉进料气化工艺,降低气化炉的氧耗和煤耗,提高气化炉的冷煤气效率,进一步提高煤气化整体效率和煤种适应性。三是建立煤气化中试基地建设。在阳煤化机建设煤气化中试基地,对煤气化涉及的关键技术进行研究,包括原料设备和输送、气化、合成气激冷、合成气洗涤、热回收流程等进行研究,把中心建设成为煤种试烧基地,为煤气化技术的发展提供行业的关键共性技术,形成自主研究开发能力、关键部件的设计与产业化前期实验验证能力,为我国煤气化技术的发展提供核心技术支持。

    目前,阳煤集团与清华山西研究院已按照研发、设计制造、安装、生产运行、服务提升“4S”店的运营模式,加快该技术的阶梯式创新,并激励企业进行新的商业模式的探索,从转让技术、销售设备逐步拓展到提供合成气、蒸气产品,为用户提供高性价比的经济技术服务;从卖技术、卖设备逐步拓展到卖合成气产品,并辅以产业扶持资金、创新金融手段等方式提供的支持和帮助,培育新的商业模式,为新技术推广与应用做好示范,将这一技术、模式推向全国以及“一带一路”沿线国家地区,把阳煤集团打造成“中国煤气化技术走向世界的摇篮和孵化器”,将省政府支持开发的新一代晋华炉打造成“山西创新发展含金量最高的新名片”。

    实现高碳产业低碳发展、黑色煤炭绿色发展、化石能源清洁发展,这是煤炭革命最核心的问题、最艰巨的任务,也是我省未来经济发展最大的潜力所在。阳煤集团董事长翟红建议,“希望省里统一规划园区公用工程,建立统一的气化岛,以此实现向"卖气"的转变,进而推进园区的绿色、高效发展。”

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