[VIP专享]航天炉工艺及主要设备参数

航天炉工艺及主要设备参数介绍
1、生产工艺介绍
本装置为HT-L粉煤加压气化装置，是由北京航天院设计的示范装置，设计日消耗原料煤约929.64吨，消耗氧气约48.6万立方米。

在4.0MPa条件下通过气化反应，生产CO+ H2为1.22×106Nm3/d，经洗涤后送变换。

HT-L粉煤气化工艺是一种以干煤粉为原料，采用激冷流程生产粗合成气的工艺。

HT-L粉煤气化工艺采用了盘管式水冷壁气化炉，顶喷式单烧嘴，干法进料及湿法除渣，在较高温度（1400～1700℃）及压力（4.0 MPa左右）下，以纯氧及少量蒸汽为气化剂的气化炉中对粉煤进行部分气化，产生以CO、H2为主的湿合成气，经激冷和洗涤后，饱和了水蒸汽并除去细灰的合成气，送入变换系统。

该HT-L粉煤加压气化装置包括1500、1600、17000、1800四个单元：其中1500单元为磨煤单元、1600单元为粉煤加压及输送单元、1700单元为气化及合成气洗涤单元、1800单元为渣及灰水处理单元。

1500单元、1600单元、1700单元、均为双套装置、1800单元为单套装置。

1.1航天炉工艺原理
航天炉属于粉煤加压气流床，利用纯氧和少量蒸汽为气化剂，二氧化碳或氮气输送粉煤，有特质的粉煤烧嘴送入高温高压的气化室完成气化反应，生成以CO和H2为主要成分的合成气，气室多余的热量由水冷壁吸收产生中压蒸汽，煤中的灰分形成熔渣，与高温合成气一同进入激冷室进行水激冷后排出气化炉。

1.2气化炉主要结构
气化炉主要由气化炉外壳、螺旋盘管和水冷壁和激冷室内件组成，气化炉外壳为三类压力容器，螺旋盘管和水冷壁由气化室主盘管、渣口盘管、炉盖盘管三部分组成，盘管内水循环为强制循环，通过汽包副产中压饱和蒸汽，水冷壁向火侧敷有耐火材料一方面为了减少热损失，另一方面为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，以渣抗渣保护炉壁，气化炉上部为气化段，下部为熔渣激冷段，气化段位圆柱形反应室，激冷段内有激冷环、下降管、上升管和渣池水分离挡板等主要部件。

1.3航天炉主要特点
1、干粉进料，煤被磨制成20-100μm粉煤颗粒，并经过热气干燥，惰性气体输送，介质为CO2或N2，加压气化强化燃烧，提高单位体积产气率，与常压炉相比在同样生产能力下航天炉气化强度高、设备尺寸小、结构紧凑、占地面积小、燃烧效率高。

2、一般操作温度为1400-1850℃，煤种适应范围广，对煤的灰熔点要求范围宽，碳转化率99%，有效气CO﹢H2体积比90%左右，CH4气体体积仅有几十至几百PPm
3、水冷壁结构为多头并联结构可以保证管程流阻分布均匀，强制循环可以防止局部传热恶化发生爆管故障。

1.4气化炉正常生产时主要测定和控制的参数
1.4.1气化煤种的煤质分析，已确定合理的氧煤比等操作条件
1.4.2合成气分析，通过分析了解合成气的品质和炉内的反应情况
1.4.3灰渣的产量和残炭分析，了解炉内工况和气化效率
1.4.4粉煤、氧的温度、压力和消耗情况
1.4.5气化炉温度测量、包括炉膛温度，上锥段温度，合成气出口温度，环腔温度，气化炉外壁温度
1.4.6渣口压差，判断渣口是否堵渣
1.4.7排渣状况，判断炉温和碳转化情况
1.4.8激冷室液位，判断激冷室工作状态
1.4.9盘管出口水密度，判断炉温及盘管工作状况
1.4.9软化水分析包括烧嘴冷却水、盘管冷却水和激冷水，水质的好坏对稳定运行和炉子的寿命有影响。

2.1、磨煤及干燥单元（1500单元）
该单元使用常规的煤研磨及干燥，来自原料煤贮仓的碎煤在磨煤机内磨成煤粉，并由高温惰性气流烘干。

粉煤的颗粒尺寸分布规格和粉煤的水分含量要满足以下要求：
颗料尺寸≤90μm占90％（重量）
颗料尺寸≤ 5 μm占10％（重量）
水分含量典型值＜2％（wt）
2.1.1、任务
磨煤及干燥单元的任务是将输煤单元送来的原料煤，经过磨煤机研磨、热惰性气体干燥、在粉煤袋式过滤器内进行风粉分离等工序加工，生产出充足而合格的煤粉输送到1600单元，同时尽可能的降低各项消耗。

2.1.2、工艺流程
本单元主要是将从贮存和运输系统送来的粒度小于30mm的原料煤，每小时60T的负荷贮存在原料煤贮仓中，运输系统间断运行，原料煤贮仓中的煤量少时，通知煤场启动运输系统开始输煤，原料煤贮仓的重量高时，通知煤场停运运输系统。

原料煤再经过本单元的加工处理，每小时生产出38.735T、106℃的粉煤送到1600单元，贮存在粉煤贮罐中。

在磨煤的过程中产生少量的废料送渣场。

来自原料煤贮仓的碎煤经振动料斗、称重给煤机计量以46.48t/h(根据生产负荷进行调整）的量送入到磨煤机中，被轧辊在研磨台上将原煤磨成粉状，并由来自惰性气体发生器（56000Nm³/h、260℃）的高温惰性气体进入磨煤机进行干燥和输送，出磨煤机的温度为104~110℃。

由惰性气体输送干燥的粉煤进入粉煤袋式过滤器进行风粉分离后，每小时约38.735T、104~110℃的粉煤经旋转卸料阀、粉煤振动筛、粉煤螺旋输送机送至1600单元的粉煤贮罐中；分离出的惰性气体部分排放至大气，剩余部分经循环风机进入惰性气体发生器循环使用。

惰性气体发生器的燃料气正常情况下来自合成驰放气（燃料气0.3~0.5MPa)与助燃空气（由燃烧鼓风机K-1505送入）按一定比例的进行燃烧反应。

2.1.3、本单元主要发生的反应
化学变化：
驰放气与助燃空气进行燃烧放热反应
CH4+2O2=CO2+2H2O+Q 2H2+O2=2H2O+Q
物理变化：
2.3、气化及合成气洗涤单元（1700单元）
2.3.1、任务
粉煤分三条煤粉管线进入气化炉的烧嘴。

氧气经预热后先在混合器内按一
定的比例与蒸汽混合，然后也进入烧嘴。

煤粉与氧气在炉膛内发生部分氧化反应，生成合成气的主要成分为CO和H2。

在激冷室，合成气被激冷并被饱和，熔渣迅速固化。

出气化炉的合成气再经文丘里洗涤器和合成洗涤塔用水进一步润湿洗涤，炉膛内气化反应的部分热量，通过水冷壁产生中压饱和蒸汽回收热量。

2.3.2、工艺流程
由空分生产出的氧气（5.0MPaG、25℃）进入氧气缓冲罐。

氧气由氧气缓冲罐出来先进入氧气预热器E-1709，被中压汽包循环水加热到180℃。

预热后的氧气进入氧气/蒸汽混合器X-1721。

汽包副产的中压饱和蒸汽（5.4MPaG、270℃）先通过蒸汽电加热器E-1701过热至300℃，然后进入蒸汽过滤器S-1703以确保没有铁锈颗粒（>10μm）进入不
锈钢的氧气管道中，然后按蒸汽与氧气的比例控制（通常对应于每种煤是固定的比例，一般取H2O/O2：0.5～0.1，根据具体项目和煤种变化）送入氧气/蒸汽混合器进行混合，混合器（4.1MPaG、197℃）去粉煤烧嘴A-1701.
从粉煤给料罐下部三个充气锥送出来的粉煤（4.7MPaG、80℃）进入粉煤加料器X-1701A-F，由调节阀17FV-1101/1201/1301控制粉煤质量流量，该阀主要由氧气/煤比例控制（一般为O2/C:0.6～1.0），并参照合成气中的二氧化碳（一般为5.0～16.0V％,干基)或者甲烷（<500ppm)的含量进行调节。

由调节阀17FV-
1102/1202/1302控制加入粉煤加料器的二氧化碳（开车时为氮气）
（5.1MPaG、100℃）的流量来调节粉煤悬浮速度。

然后悬浮粉煤（4.1MPaG、80℃）去粉煤烧嘴。

在开车和停车时，悬浮粉煤可通过三通阀17XV-1108/1208/1308循环至低压的粉煤贮罐。

粉煤和氧气/蒸汽混合器经粉煤烧嘴喷入气化炉F-1701气化炉中混合，进行部分氧化反应，反应在4.0MPaG、1500℃左右下进行，反应生成合成气，其主要成分为CO、H2、CO2以及少量的H2S、COS、N2、Ar、CH4等。

未反应的呈熔融状态的灰渣与粗合成气一起进入均布激冷水的激冷环，合成气被激冷水冷却并饱
和后，向上穿过多层破泡条和旋流板分离器进行汽流分离，分离后的合成气由激冷室上部的合成气出口管线并加入喷淋后，导出去文丘里进一步洗涤；而灰渣被水激冷后沿下降管进入激冷室的水浴中冷却。

熔融状态的灰渣经过冷却固化，落入激冷室底部，经破渣机H-1701破碎除去大块渣后排入渣锁斗V-1703.
激冷水进入下降管顶部的激冷环之后，一部分喷入高温气体，一部分均匀在下降管壁面先下流进激冷室，激冷室中的激冷水含有少量固体，在流量的控制下排出送到黑水处理系统的高压闪蒸罐对热量进行回收，并对水循环系统的固体
含量进行控制。

粉煤烧嘴通过在其水夹套中通入冷却水来进行降温保护。

粉煤烧嘴冷却水
（4.5MPaG、150℃）流入烧嘴，出烧嘴时温度升高（4.0MPaG、155℃），送至烧嘴冷却水泵P-1702加压，经烧嘴冷却水过滤器S-1702过滤、循环进入粉煤烧嘴。

烧
嘴冷却水的补充为锅炉给水，其先经锅炉给水过滤器S-1704进入烧嘴冷却水缓冲罐V-1707，利用控制缓冲罐中水面上的压力，自动将锅炉给水补充至烧嘴冷
却水循环系统中。

通过中压锅炉循环水泵P-1701将锅炉循环水加压打入气化炉水冷壁盘管内维持水冷壁盘管内大流量的强制水循环。

管内流动的水吸收炉内气化反应热后
部分汽化，流入中压汽包V-1702(3.8～5.0MPaG、269℃）在中压汽包内进行汽液分离，饱和蒸汽送至蒸汽氧气混合器，多余的蒸汽送到厂蒸汽管道，水去循环水泵。

水的补充由锅炉给水总管送来，其流量受中压汽包液位控制。

（正常操作中一定要保证蒸汽的压力高于氧气压力，）
开车时，首先点燃点火烧嘴的燃料气和氧气，然后点燃开工烧嘴的燃料气和氧气，对气化炉炉膛进行升温、升压，与此同时，利用开工引射器Z-1703抽出烟气放空，一旦燃烧升温稳定及烟气氧含量<0.5％（超过1分钟）后可将烟气倒向火炬。

气化炉在升温升压阶段待压力升至1.0MPaG，温度达到800℃后，可启动粉
煤烧嘴控制程序。

锁斗循环系统的作用主要是将气化后的固体灰渣从激冷室定期排出，以保
证气化炉的连续、稳定生产，固体灰渣主要是煤中的灰分高温熔融、冷却后生产的固体。

固体灰渣在激冷室底部，经破渣机(H-1701)破碎，经过两个锁斗阀（17XV-1613/17XV-1602)进入锁斗（V-1703)。

两个锁斗阀中下面一个是锁斗阀为锁斗进
口阀（17XV-1602),锁斗收渣期间内，该阀打开，接受激冷室中排入的灰渣，当锁
斗排渣时，该阀关闭，从而周期性地将锁斗和气化炉隔开。

固体灰渣除了靠重力排除，还通过锁斗循环泵（P-1704)帮助排渣。

锁斗循环泵从渣锁斗顶部抽水，送
回激冷室底部，从而建立了锁斗循环系统。

固体进入锁斗后，大颗粒固体沿锁斗内部折流挡板沉降至锁斗底部。

通常一个锁斗循环周期为25分钟。

锁斗一旦准备排渣，水循环线路中锁斗循环泵进口阀（17XV-1608）关闭，锁斗循环泵循环阀（17XV-1609）打开使锁斗循环泵自循环，关闭锁斗进口阀
（17XV-1613），将锁斗与气化炉隔开，然后打开锁斗泄压阀（17XV-1605）由泄压
管线向渣池进行泄压，并打开泄压冲洗水阀（17XV-1605）冲洗泄压管线中的固体，当锁斗压力降到0.18MPa以下时，关闭锁斗泄压阀，打开锁斗冲洗水阀（17XV-1604）进行锁斗冲洗。

锁斗逻辑到排渣步骤，锁斗出口阀（17XV-1603）打开将锁斗内的渣排入渣池，为了加快排渣速度，在锁斗出口阀打开的同时锁斗充压阀
（17XV-1607）也要同时打开。

当锁斗冲洗水罐发出低液位信号后，锁斗出口阀、
锁斗充压阀关闭。

锁斗重新充水，当锁斗泄压管线上的高液位开关发出高液位信号后，锁斗泄压阀、锁斗冲洗水阀关闭。

当锁斗泄压阀、锁斗冲洗水阀关闭后，用洗涤塔给料泵（P-1806）送来的工艺水通过打开锁斗充压阀（17XV-1607），对锁斗进行充压，当锁斗至于气化炉压差小于0.18MPa，打开锁斗进口阀（17XV-1613），重新开始集渣循环，锁斗进口阀开启后关闭锁斗充压阀，打开锁斗循环泵进口阀（17XV-1608），关闭锁斗泵循环阀（17XV-1609），重新建立水循环。

渣排入渣池后，初始时隔离渣池两室的溢流阀（18XV-1001）保持关闭，固体
灰渣降到刮板运输机上，通过刮板运输机把固体颗粒送出渣池装车，约5分钟后，溢流阀打开，较澄清的上部黑水流入渣池水仓内，用渣池泵送至真空闪蒸罐。

锁斗冲洗罐中的锁斗冲洗水，是由黑水处理系统灰水槽（T-1401）底部的汽提
塔给料泵（P-1803）连续供给的。

灰水由低压灰水管线进入锁斗冲洗水冷却器，灰水经过冷却降至45℃左右（为了防止在排渣时因锁斗内的高温（约74℃）而产生大量的蒸汽），冷却后的低压灰水进入锁斗冲洗水罐，加至高液位，其水量约为两个锁斗容积，此罐设置在相对于锁斗足够高处，以便有足够的重力流速。

在水系统循环中，由激冷水泵启动向激冷环供水进入激冷室，激冷室的黑水进入高闪再由高闪进入真闪，真闪系统启动水自流到真空闪蒸罐，真空闪蒸罐将水导至沉降槽，沉降槽液位加满后，水溢流到灰水槽内。

建立了灰水槽与沉降槽的液位后，便启动汽提塔给料泵将灰水槽中的灰水送至汽提塔（C-1801），汽提塔的水经洗涤塔给料泵送至洗涤塔。

饱和合成气从激冷室上部合成气管线导出进入文丘里洗涤器（Z-1702），在这里与洗涤塔给料泵P-1806来的工艺水混合，完全润湿夹带的固体颗粒，以便固体在洗涤塔中快速沉降。

水/合成气混合物进入合成气洗涤塔（C-1701），沿下降管导入塔底部水浴内向上穿过水层时，大部分固体沉降到塔底部与合成气分离。

上升的合成气离开液面在扩大的空间内速度变慢，完成气液分离，然后穿过4层塔盘，在这里，经过工艺冷凝液和锅炉水洗涤进一步除尘。

离开塔盘的合成气，在塔顶部穿过旋流板除沫器，以离心力除去夹带于气体中的雾沫和固体，使合成气含尘量达到
<1mg/m3要求。

在洗涤塔的合成气出口，安装在线分析仪，对CO2和CH4等组分进行连续监测。

正常操作时，合成气经管线去变换工段，在开车和停车时，合成气由放空管线去火火炬烧掉。

洗涤所需的工艺冷凝液，一部分为来自变换的冷凝液和锅炉给水，从塔盘上部加入，作为稳定流量的洗涤水，从而保证洗涤效果：另一部分为来自于汽提塔的工艺水，由洗涤塔给料泵（P-1806）加压经管线从塔盘下面补进洗涤塔，该工艺水的流量与合成气洗涤塔的液位相关联，用于控制合成气洗涤塔的液位和降低塔内黑水的固体含量。

从洗涤塔中抽取黑水，经激冷水泵（P-1703）加压，作为气化炉激冷水。

从洗涤塔的锥形底部连续排放黑水去高压闪蒸罐（V-1803）进行处理，并控制该黑水的流量。

2.3.3、本单元主要发生的反应
A、气化炉内的反应
本单元主要是以干煤粉进料、纯氧和蒸汽为气化剂，经烧嘴进入气化炉内，在压力4.0MPaG、1500℃左右的温度下进行气化反应，生成以CO+H2为主要成分的粗合成气。

气化炉内进行的反应相当复杂，主要分为三步进行：
a) 煤的裂解和挥发份的燃烧
粉煤和纯氧进入高温气化炉后，煤粉受热速度极快，煤粉中的残余水分瞬间快速蒸发，煤粉发生裂解并释放出挥发份，生成半焦和气体产物；裂解产物及易挥发分组分在高温、高氧浓度的条件下迅速完全燃烧，放出大量的反应热，维持气化反应的进行。

该过程进行的相当短促。

由于气化炉内的温度超过1000℃，因此在合成气中几乎不含焦油、酚类和高分子烃类。

b) 燃烧和气化反应
煤裂解后生成的煤焦一方面和剩余的氧气发生燃烧反应，生成CO、CO2等气体，放出反应热；另一方面，煤焦油和水蒸汽、CO2等发生气化反应，生成
a）、黑水闪蒸系统：来自于气化炉激冷室大约210℃的黑水与来自于洗涤塔
的约205℃的黑水，经减压角阀减压后进入高压闪蒸罐（V-1801),由压力控制器（18PIC-0003)控制高压闪蒸汽提塔（C-1801)顶出口管线上的压力调节阀（18PV-0003B)的开度，使高压闪蒸汽提塔在0.5MPaG的压力下操作，在汽提塔内闪蒸
汽从底部通入，经过填料层与汽提塔给料泵来的灰水逆向换热后，没有利用的部分放空气通过18PV-0003进入硫回收，经换热后的灰水通过洗涤塔给料泵送到
洗涤塔和其他需要的地方。

高压闪蒸罐底部的黑水温度约157℃进入真空闪蒸罐（V-1804),在-0.06MPa
下进一步被闪蒸，残留的黑水~82℃送至沉降槽中（S-1801)。

真空闪蒸罐顶部出口气体，顺管线流经真空闪蒸罐冷凝器（E-1802),大部分
的水蒸气被冷凝下来。

然后进入真空闪蒸分离罐（V-1805)。

真空闪蒸气在真闪分离罐分离下来的液体流入灰水槽，从真空闪蒸分离罐顶部出来的气体由管线入
真空泵进口。

闪蒸罐所需的真空度，是由水环式真空泵（P-1811A/B)提供的，新鲜水与气体一起由真空泵入口吸入，并从出口排至真空泵分离罐中进行气液分离。

为了防止泵内水温度过高，并补充水的损失，新鲜水需由管线连续补入真空泵。

真空泵分离罐顶部气体放空，真空闪蒸罐的真空度由放空管气体回流管线上的18PV-0004阀来调节。

b)、黑水处理：来自于真空闪蒸罐的含固量约为1%的黑水进入沉降槽，在这里，大部分悬浮固体沉降下来，从沉降槽底部流出的含固量为20%的黑水，由沉降槽底流泵（P-1804)送至过滤机为了加速固体沉降，絮凝剂需连续加到沉降槽中，絮凝剂首先在絮凝剂槽（T-1803)和絮凝剂槽（T-1805)配制成浓度为0.05%（wt)的溶液，然后由絮凝剂泵(P-1809)送至沉降槽中。

沉降槽顶部较清洁的水溢流到灰水槽内。

为了减少固体在灰水槽内沉淀，在灰水槽灰水入口及低压灰水泵入口加入了分散剂。

汽提塔给料泵（P-1806)出口的灰水，一部分去锁斗冲洗水冷却器（E-1703)冷却后做为锁斗冲洗水，一部分送汽提塔后做为工艺水循环使用（流量由汽提塔液位控制），另外一部分去激冷水过滤器（S-1705)和渣锁斗阀间反冲。

c)、细渣过滤系统：由沉降槽底流泵（P-1804)送来的高固含量黑水（~20wt%)，送至过滤机进行过滤，滤饼含水约50wt%,出过滤机后直接装车。

滤液自流入滤
液池,滤液池内的滤液由滤液池泵经管线送返沉降槽。

2.4.3、主要反应及物理变化
a)气化炉及洗涤塔来的黑水经高压闪蒸一部分黑水被闪蒸成为0.5MPa的蒸汽，同时黑水被浓缩。

b)高压闪蒸后的黑水进入真空闪蒸系统，闪蒸出的不凝气被放空，同时黑水被进一步浓缩。

c)在真闪下液出口配入一定量的絮凝剂，使黑水中的固体颗粒在沉降槽内得到很好的絮凝、沉降，从而净化气体的水系统
d) 在灰水槽内配入一定量的分散剂阻止系统内固体小颗粒聚合，以免出现黑水系统堵塞或结垢
液态黑水（195℃，3.5MPa）→气态闪蒸汽（157℃，0.5MPa）
煤灰小颗粒→煤灰大颗粒。