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晋华炉破解煤化工“污染魔咒”
加入时间:2019-01-09        来源:中国能源报        作者:武晓娟


  日前,由阳煤集团、清华大学山西清洁能源研究院等单位共同完成的“水煤浆水冷壁废锅气化炉”(以下简称“晋华炉”)获2018年度中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖。

  煤炭清洁高效利用,一直是煤炭深加工产业的发展方向,晋华炉到底有何“过人之处”可获此殊荣,并实现煤炭深加工、转化的先导技术?

  17年来,晋华炉以每5年实现一代技术更新的速度,完成了研发和示范推广的“三级跳”,成为“国之重器”,更将无数荣誉收入囊中。晋华炉第一完成人、清华大学教授、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜在接受记者采访时表示:“实现煤炭综合利用和无污染排放,对减轻燃煤造成的环境污染,以及降低对进口石油依赖意义重大。”

  高污染?直击环保诟病,实现烧好烧净

  煤炭如何实现清洁利用?煤化工是否无法避开高污染“魔咒”?

  “从理论上讲,煤气化比直接燃烧更容易实现污染物控制,还可以解决多煤种的选用问题,但当时并没有好的技术路线,不能将煤烧好烧净。”张建胜回忆道。面对难题,2001年,他毅然从循环流化床燃烧领域转到现代煤气化技术领域。

  煤气化技术被称作煤化工产业的龙头技术,现代煤化工产业链很多都以煤气化为工艺源头,在煤炭的清洁利用方面发挥着重要作用。尤其在20世纪70年代石油危机后,世界各国掀起了“煤气化热”,而我国煤气化技术市场也随之“沦陷”,几乎被国外垄断。

  “环境污染问题待解决,技术垄断局面需打破。同时,气化炉水平的高低直接制约与影响煤化工企业经济效益与安全环保。”张建胜娓娓道来,“我们需要拥有自己的煤气化技术。”

  2003年,在山西丰喜集团开始着手建造第一代“清华炉”。在两个原“863”、两个原“973”,以及国家自然科学基金的支持下,2006年1月,“非熔渣—熔渣分级气化技术”研制成功。

  晋华炉1.0让煤炭烧好烧净成为现实,并给出了水煤浆气化装置运行的好成绩:在丰喜集团第一年投运就实现年运转率高达94%,年负荷率高达120%,投资成本降低20%。第一代技术一经问世就受到煤气化技术市场的青睐,通过科技鉴定后立马有20余家用户前去寻求合作。

  高成本?打破技术壁垒,把耐火砖换掉

  第一代技术完成后,还有很多值得改进的地方,其中一个就是单炉可用率低、维护成本太高。

  “大约三个普通砖的大小,这么一块耐火砖相当于当时一台电视机的价格,而我国那时还生产不了。”张建胜边比划边告诉记者,炉子里原始耐火砖共三层,就要几百万。在高温高压下,有煤灰、碱金属等对其不断腐蚀,最里层的砖不断出现减薄,过薄容易引起锅炉外壳超温,使用一段时间必须更换。而一台炉子更换耐火砖需要200多万,检修费需要100多万,还需要停炉养护两个月。“换砖时非常讲究,需要提前在外面预砌一次,将每块砖按位置编号,然后照原样搬进炉子,并要保证每个砖缝都不能太大。”

  换砖周期长,降低了气化炉可用率,维护成本高,直接影响经济效益。解决砖的问题,成为该团队的研发目标。

  “成本这么高,我们就考虑不用这个砖,提出用水冷壁代替耐火砖。”张建胜说。但是,这个理念在当时被认为是“天方夜谭”,甚至有专家在他面前调侃“脑子进水了”——不仅要确定水冷壁具体构造,突破点火、火焰稳定和效率问题,还要解决如何实现水冷壁和壳体之间的温度控制,以及防护其不被腐蚀等技术难题。

  2011年8月22日,水煤浆水冷壁气化技术诞生。第一套晋华炉2.0装置首次投料就创造了安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业气化技术开车新纪录。

  晋华炉2.0不仅为气化炉运行节约投资及运行维护费用创造了条件,还扩大了原料煤的适应性,成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题。很快,晋华炉2.0的签约合同数量占据了同类装置的半壁江山。

  高耗能?持续技术改进,将余热回收

  晋华炉2.0取得重大技术突破后,张建胜团队又琢磨着如何将余热也充分利用起来。“之前的高温合成气直接过水冷却,从1500度降到200多度,很是浪费。”张建胜介绍,国外有类似攻关技术,但积灰、结渣问题没有解决,“我们就尝试把原来的双筒结构改成单筒结构,扩大通道面积,这样就不存在积灰和结渣风险。”

  2016年4月1日,采用“水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器”技术的晋华炉3.0在阳煤丰喜临猗分公司一次点火、投料、并气成功,各项设计指标也一次性达标。

  与前两代炉子相比,核心部件辐射式蒸汽发生器的创新设计,有效避免了积灰和结渣问题;同时,通过回收高温合成气热量,能源转换效率有了大大提高。

  阳煤丰喜执行董事、阳煤化机董事长李广民介绍,改造后的气化炉投煤量增加了50%;燃烧室炉内操作温度可以由1400度提高至1600度以上,解决了山西高灰、高硫、高灰熔点煤的气化难题,煤种适应性提高;一炉变两炉,不仅能够生产合成气,每小时还可以生产约40吨5.4MPa的高温高压蒸汽,用于热电联产发电,每年可实现经济效益3200万元以上。

  “之前使用耐火砖的炉子,开车前需要3天时间升温,我们只需3小时就可以满负荷运转。”张建胜对记者表示,除了维护成本几乎为零,由于单炉可用率高,晋华炉还可以不设备用炉。“按照一条备用生产线计算,光这一项就可以节省上亿元投资,而且由于炉内水处于循环利用状态,需水量小。此外,几乎没有废弃物排出,非常干净,还可以进行废水处理。”

  十七年,铸成“国之重器”

  晋华炉已实现两个全球第一:首次将“水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器”进行组合,实现工业化;首次通过升级改造升级为联产炉,开创了新型煤气化技术改造先河。

  阳煤集团相关负责人对记者表示,自晋华炉3.0投运以来,到访者更络绎不绝,“我们的接待任务不轻,已经有300多家企业来参观过。”记者了解到,晋华炉带动阳煤化机其他非标产品产值超过20亿元。目前,已签约62台套,整个签约气化炉产值超12亿元,预计每年能为使用企业创造效益10亿元以上。与此同时,晋华炉也将加快“走出去”步伐,已与加拿大、韩国、德国、南非、朝鲜等国洽谈合作事宜。

  自问世以来,晋华炉不仅受市场青睐,更收获无数荣誉:2009年度“石化协会科技进步一等奖”、2010年度“氮肥工业技术进步一等奖”、2013年度教育部技术发明一等奖、“2016年、2017年石油化工十大国之重器”、第22届全国发明展览会“发明创业奖项目奖”金奖、2017年度中国氮肥工业协会技术进步特等奖……

  为加快晋华炉系列化、标准化、大型化、成套化、信息化、智能化开发,晋华炉4.0项目已正式启动,下一代技术将有望形成国际领先超大规模水煤浆气化成套技术,率先实现供合成气、蒸汽、发电、供热等联产的产业化推广应用,继续领跑国际煤气化技术,支撑我国现代大型煤化工产业和国际煤化工绿色发展。


(责任编辑:怡然)
 
 
 
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