航天炉攻克无烟煤气化难关

安稳运行2年 各项指标优异 技术国际领先

晋煤华昱公司生产区装置

　　2020年《政府工作报告》提出“推动煤炭清洁高效利用”，如今无烟煤清洁高效利用有了生动注脚和案例。

　　9月10日，航天长征化学工程股份有限公司(简称：航天工程)在山西省晋城市发布“航天炉无烟粉煤清洁高效转化技术”科技鉴定成果。经中国石油和化学工业联合会组织专家鉴定：该技术系国内首套自主研发的适用无烟粉煤的大型化粉煤水冷壁加压气化技术，并在晋煤集团华昱高硫煤洁净利用化电热一体化示范项目一期年产百万吨甲醇工程中成功应用，单台日处理干煤粉1500吨，自2018年8月打通全流程以来，实现了无烟粉煤的安全、清洁、高效转化和长周期稳定运行。该技术在无烟粉煤气化领域达到国际领先水平，建议加快推广应用。

　　难啃的硬骨头：无烟煤清洁气化

　　无烟煤是煤化程度最高的煤，具有固定碳含量高、挥发分低、密度大、硬度大、燃点高、燃烧时不冒烟等特点。在我国现有探明储量中，无烟煤类约占煤炭总量的11.5%，主要分布在山西和贵州两省，其次是河南省和四川省。

　　无烟块煤曾经是优质的化工原料煤，是固定床造气工艺的最优原料。但由于固定床单炉处理能力小、有效气含量低、污染物环保处理难度大，因此《产业结构调整指导目录(2019年本)》将采用固定床间歇气化技术的项目列为限制类。今年《危险化学品安全生产淘汰落后技术装备目录(2020年第一批)》(征求意见稿)也提出常压固定床间歇煤气化工艺限制两年内改造完成。无烟煤清洁利用亟需寻找新的出路，新型加压煤气化工艺备受关注。

　　曾经适用于固定床间歇造气工艺的无烟块煤所有的优点，对新型煤气化工艺而言却成为最大的难点和挑战。据了解，无烟煤气化面临四大难点：灰熔点高，着火温度高，需要较高的操作温度;灰分含量高，煤灰特性差，影响气化炉挂渣和稳定排渣; 挥发分低、反应活性差，需要较长的停留时间;机械强度高、可磨性差，对设备要求高。

　　正因如此，无烟煤清洁高效转化是一块难啃的硬骨头。

　　所有的难题：依靠自主创新解决

　　无烟煤清洁高效气化难题摆在眼前，如何解决?

　　“航天方案”有高招。航天工程公司成立于2007年6月，隶属于中国航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院，将中国航天在运载火箭和液体火箭发动机研制、生产和试验方面积累的优势，应用于煤炭洁净高效利用领域。

　　“技术创新是公司发展的动力源泉，是参与市场竞争的根本。”航天工程公司总经理姜从斌说，“航天工程公司成立10余年来，一直致力于开发自主知识产权、适应我国煤炭资源特点的先进煤气化技术。我们针对无烟煤气化特性进行了大量研究工作，充分掌握了煤灰灰熔融、灰黏度数据、可磨指数、热解特性数据、燃烧实验数据以及反应动力学等参数，开发出一套用于粉煤气化的解决方案。同时根据无烟煤气化特性，成功开发无烟煤气化炉和烧嘴及其配套工艺技术，并在晋煤华昱甲醇项目得到应用。”

　　鉴定专家组认为，航天炉无烟粉煤清洁高效转化技术主要创新点有三方面：

　　一是研究了晋城无烟煤煤质气化特性，形成了该煤质气化特性数据库，开发了无烟粉煤的气化方案。

　　航天工程公司总工程师丁建平介绍说：“航天工程建立了典型无烟煤煤质气化特性数据库，为项目的成功开车奠定了基础;开发出一套成熟的用于粉煤气化的煤质解决方案;为国内其他地区无烟煤清洁高效转化提供了基础数据和工程应用支撑。”

　　二是针对晋城无烟煤反应特性和灰渣特性，建立了适用于无烟粉煤气化的仿真模型，开发了适用于无烟粉煤的气化炉和烧嘴，保障了烧嘴使用寿命，实现了高碳转化率和气化炉高效、稳定运行。

　　丁建平介绍说：“针对晋城无烟煤的特性，我们把气化室炉膛容积增大，以保证煤粉与气化剂的反应时间;开发出针对无烟煤气化的φ3800/3800型气化炉及气化烧嘴;改进烧嘴通道布置和喷口结构，延长了烧嘴寿命，确保了顺利挂渣排渣。”

　　三是针对无烟煤煤质的高灰、高灰熔点、低可磨指数特性，晋煤集团华昱公司航天炉装置开发了新型助熔剂，并首次将平盘磨应用于粉煤制备。

　　“无烟煤较高的灰分含量以及添加的助熔剂，势必会增加合成气中的灰尘含量。因此，我们与华昱公司一起开发出了合成气分级除尘系统;开发出‘卧螺离心机+煤泥泵’新型细灰回用工艺系统，采用卧螺离心机脱水、煤泥泵输送，将全部细灰送至锅炉掺烧，充分利用细灰中的残余热量，而且工艺全程密闭，煤泥不落地，环境友好，实现了细灰的资源化高效利用。”丁建平说。

　　原化工部副部长、中国石油和化学工业联合会原会长李勇武评价说：“航天炉团队有3个特点：一是航天炉发展非常快，已经到了领跑行业的阶段。二是航天工程公司的发展模式是立体的、形成了体系，可以集关键技术和设备研发、工程设计、全生命周期服务、成套设备制造及工程总承包建设于一体。还有远程服务中心可以24小时全天候掌握所有项目航天炉的现场运行情况。三是与时俱进，精准施策。航天工程能气化无烟煤，这样做不简单，啃了硬骨头。因为能帮企业解决实际问题，所以特别有生命力。正所谓艺高人胆大，如果没有丰富的实干经验和扎实的技术功底，就不能创新性地解决实际问题。”

航天炉无烟煤清洁高效转化技术科技成果鉴定会现场

　　优异的业绩：用实际运行数据说话

　　对于无烟粉煤的清洁高效大规模工业化应用，山西晋煤华昱煤化工有限责任公司是第一个吃螃蟹的。

　　该公司是晋煤集团的控股子公司，成立于2011年10月，负责晋煤集团高硫无烟煤洁净利用循环经济工业园项目的筹备、建设和运营。园区一期工程概算投资86亿元，技术路线是高硫无烟煤制甲醇，产品规模为年产120万吨甲醇、50万吨清洁燃料。其高硫煤洁净利用化电热一体化示范项目一期年产百万吨甲醇工程项目于2012年7月9日取得发改委备案，2014年7月破土动工，采用四台φ3800/3800型航天炉。2018年7月15日首台航天炉点火投煤成功，2018年8月18日系统打通流程，产出合格甲醇。

　　据晋煤华昱生产管理部部长罗俊杰介绍：“该项目全部以晋城地区无烟煤为原料，随着装置的稳定运行和产能充分释放，我们甲醇制造成本逐年大幅下降，若剔除2月份疫情导致负荷降低的影响，3~6月份公司甲醇吨成本降至1118元。”

　　晋煤华昱董事长、总经理牛宏宽说：“在晋煤集团和社会各界的大力支持下，特别是得益于航天煤气化技术的支撑，公司项目建设、试车投产非常顺利。2018年8月18日打通流程一次投料试车成功，到年底近4个月时间生产甲醇26.2万吨，实现销售收入6.6亿元，创造了当时国内单系列百万吨级大化工项目‘安全试车、最快投产、当年见效’的好成绩。2019年项目实现了达产达效。2020年公司甲醇制造成本、完全成本均达到了晋煤集团化工板块最好水平。”

　　经鉴定专家组考核，航天炉在晋煤集团华昱高硫煤洁净利用化电热一体化示范项目一期百万吨/年甲醇工程中成功应用，单台日处理干煤粉1500吨，实现长周期稳定运行。考核结果表明：气化装置单炉有效气(CO+H₂)产量≥96159Nm3/h ，比氧耗<339 Nm³/kNm³(CO+H2)，入炉煤比煤耗<614kg/kNm³(CO+H₂)，碳转化率≥98.5%，冷煤气效率>80.6%，有效气(CO+H₂)含量达到91.7%，粗细渣比例8:2，考核数据优于设计指标。

　　鉴定组组长、中国氮肥工业协会理事长顾宗勤说：“无烟煤的利用一直是个难题，在全烧无烟粉煤方面，航天炉是第一个吃螃蟹的，几大难点都得以突破，形成了诸多创新点。同时用户单位晋煤华昱公司的运行指标优异，这对整个行业来说是很大的突破。”

鉴定专家组在晋煤华昱公司进行现场考核

　　全新的视角：为劣质煤利用提供借鉴

　　鉴定专家组认为，航天炉无烟粉煤清洁高效转化技术具有自主知识产权，可实现无烟粉煤的安全、清洁、高效转化。该技术在无烟粉煤气化领域达到国际领先水平，建议加快推广应用。鉴定成果让研用双方倍感振奋。

　　“无烟煤作为变质程度最高、机械强度最高的煤种，是气流床气化炉最难适应的煤种，此前业界认为无烟煤不适合现代煤化工气化技术。但从晋煤华昱项目的运行实践看， 项目以高灰分、高硫分、高灰熔点的‘三高’劣质无烟煤为原料，采用航天炉实现清洁高效转化，是一条非常成功的路线，比煤耗等运行指标甚至比其他以优质煤为原料的装置还要好。”晋煤华昱公司副总经理李连生说。

　　对晋煤集团而言，华昱项目找到了高效清洁转化无烟高硫煤的成功路线，并且经济效益过关，这无疑是巨大利好。

　　目前华昱航天炉装置对高硫无烟煤的转化能力达到6000吨/天，是目前国内高硫无烟煤洁净转化利用的最大工业装置，其高效稳定运行为晋城地区高硫无烟煤及全国的劣质煤清洁高效利用起到了示范作用。

　　“华昱项目的稳定运行将进一步拓宽航天炉的煤种适应范围，为其他难以实现洁净转化的煤种综合利用提供了方向。航天炉攻克了以无烟煤为原料的气化难关，可应用于合成氨、甲醇、烯烃、乙二醇等煤化工领域，为无烟煤资源清洁高效利用提供了有效途径。”丁建平表示。

9月10日，航天工程公司发布航天炉无烟煤清洁高效转化技术成果

　　(图片由田庄、李涛提供)