全 文 ：第 2 期
2012 年 3 月
中 氮 肥
M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress
No. 2
Mar. 2012
水煤浆水冷壁气化技术综述
李战学，韩喜民，孟令兵，翟玉鹏
［山西阳煤丰喜 (肥业)集团有限责任公司，山西 运城 044000］
［摘 要］水煤浆水冷壁气化技术是我国自主研发的具有自主知识产权的新一代大型煤气化技术，该
技术的工业示范装置已经在山西阳煤丰喜集团建成并运行。本文着重介绍了水煤浆水冷壁气化技术的研发
历程、设计原理和技术优势，简要介绍了示范装置的运行情况。示范装置的运行情况表明:该气化技术具
有工艺指标先进、运行费用低、煤种适应性强等优点。
［关键词］水煤浆;水冷壁;分级气化炉
［中图分类号］TQ 546 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1004 － 9932(2012)02 － 0007 － 04
［收稿日期］ 2011-12-20
［作者简介］ 李战学(1984—) ，男，山西运城人，助理工程
师，从事技术管理工作。
Comprehension Discussion on Technology of Water-Coal
Slurry Gasification
LI Zhanxue，HAN Ximin，MENG Lingbing，ZHAI Yupeng
(Shanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Industry Group Co.，Ltd，Yuncheng 044000，China)
Abstract:The technology which is based on Tsinghua gasifier is a new generation of technology for large-scale
coal gasification with self-owned intellectual property right in China． Its industrial demonstration plant has
been built and put into running in Shanxi Yangmei Group． This paper mainly discusses the research course，
design principle and advantages of the technology，briefly introduces the actual operation situation，from which
the advanced process indicators，lower running cost and good adaptability to various coals are shown up．
Key Words:water-coal slurry;cooling screen;staged gasifier
0 引 言
中国缺油、少气、富煤是资源禀赋。煤炭占
全国能源总量的 70%，有效利用煤炭资源、合
理发展煤化工是平衡我国能源消耗的有力措施。
在众多煤炭利用技术中，煤气化技术是煤炭能源
转化的基础和关键。
近些年，我国煤化工产业的发展主要是以合
成氨、甲醇等传统煤化工产品为主，主要采用固
定床间歇气化技术，新型煤气化技术在产能中占
的比例较小。固定床间歇气化技术是以优质无烟
块煤为原料，原料来源有限且质量要求较高，因
而价格高，企业面临的成本压力较大。煤气化技
术密切关系着传统煤化工行业的发展与生存，因
此，如何改进气化技术和选择气化方法就成为传
统煤化工行业面临的严峻课题。
未来几年，我国煤化工的发展趋势将以煤制
烯烃、煤制乙二醇等煤基材料和煤制油、煤制天
然气等新型煤化工为发展方向，但这都需要先进
的煤气化技术来支撑，可以说谁掌握了最先进的
气化技术谁就掌握了煤化工行业发展的未来。
近 20 a 来，我国花费数百亿人民币引进多
项先进气化技术，主要有德国鲁奇固定床加压气
化技术、美国德士古水煤浆加压气化技术、荷兰
壳牌粉煤气化技术、德国 GSP 气化技术。这些
引进技术有的经过多年的消化吸收，已具备了气
化装置的国产化能力并有所改进和创新，有的还
在摸索和待验证过程中。
引进技术普遍存在投资偏高的缺点，而且还
有部分引进气化技术存在运行不稳定或运行费用
高的缺陷。如何根据我国的实际情况，研发出一
种技术先进、投资少、运行平稳、运行费用低、
DOI:10.16612/j.cnki.issn1004-9932.2012.02.020
· 8· 中 氮 肥 第 2 期
煤种适应性宽的气化技术，已成为煤化工行业亟
需解决的一大难题。
通过对现有传统气化方式的改变和对引进气
化技术的改进，山西阳煤丰喜集团与清华大学、
北京达立科公司合作成功开发出了具有自主知识
产权的水煤浆水冷壁气化技术，该气化技术具有
煤种适应性宽、气化强度高、污染少、操作简
便、投资少、见效快、与后工段压力相匹配等
特点。
1 研发历程
“水煤浆水冷壁气化技术”是在清华大学、
北京达立科公司和山西阳煤丰喜集团合作开发的
“非熔渣—熔渣分级气化技术”基础上进行的技
术改进和创新，属于第 3 代煤气化技术。
“非熔渣—熔渣分级气化技术”是我国具有
自主知识产权的创新技术。该技术于 2002 年 8
月列入“863”计划，其后清华大学完成了数学
模型、冷态试验、热态试验、工艺包等多项工
作，为后来的产业化发展奠定了扎实的基础。
2003 年，山西阳煤丰喜集团采用该气化技术的
100 kt /a 甲醇装置正式开工建设，2006 年 1 月
23 日建成投产。截止到 2007 年 10 月 21 日，已
累计运行 637 d，生产粗甲醇 203 369. 88 t，运转
率 94. 66%，平均负荷 88. 66%。2007 年 10 月该
气化技术通过中国石油和化学工业协会组织专家
验收，获国家科学技术进步二等奖。
该气化技术实现了设备国产化，打破了国外
对新型煤气化技术的垄断，但在实际运行中也存
在以下问题。
(1)气化炉内壁衬里采用耐火砖结构，运
行费用较高。耐火砖的价格非常昂贵，每 1. 5 a
需更换 1 次，每次需花费 200 万元，最高时需
300 万元;此外，更换 1 次向火面砖，拆卸、筑
炉、烘炉、检查、试压就得花费 1. 5 ～ 2 月，严
重影响正常生产。
(2)煤种适应性窄，不能实现气化用煤本
地化。气化炉内壁衬里采用耐火砖结构，由于受
耐火砖性能的影响，气化原料煤只能使用在陕
西、内蒙购买的灰熔点在 1 350 ℃以下的煤，而
山西本地的高硫、高灰煤的灰熔点大都在 1 500
℃以上，难以被气化。
为了完善 “非熔渣—熔渣分级气化技术”
存在的不足，同时解决生产过程中出现的一些实
际问题，2009 年山西阳煤丰喜集团提出了 “由
水冷壁挂渣代替原耐火砖内衬，提高炉内的耐温
性能，拓宽此种气化炉的适用煤种范围”的新
思路，同时申请了 “水煤浆水冷壁气化炉”的
实用新型专利，于 2010 年得到授权。
清华大学和北京达立科公司组成了专门的课
题组，主要对水冷壁气化炉的原理进行研究，提
供理论分析计算数值和实验室模拟数据，并在清
华大学进行水冷壁气化炉的点火试验和小试。课
题组在水冷壁技术应用于水煤浆加压气化技术方
面的实验取得突破性进展后，进行了煤种试烧，
并且成功通过了计算机模拟验证。
随后，清华大学同山西阳煤丰喜集团一起进
行了工业装置放大试验。该示范装置———水煤浆
水冷壁气化炉在阳煤丰喜临猗公司于 2009 年 10
月开始土建，2010 年 6 月设备安装，2011 年 6
月系统安装完成，经过 2 个月的系统调试，于
2011 年 8 月 22 日一次投料成功，并同时送气供
给后系统生产合成氨。该气化装置连续运行了
90 多天，创造了煤气化试车历史上的奇迹。
2 技术概述
2. 1 设计原理
采用水冷壁结构的气化炉提高运行温度是一
条切实可行的技术途径，但是点火和稳燃问题是
水冷壁结构气化炉的一个关键。
水煤浆进料的耐火砖结构气化炉的点火技术
成熟可靠，靠耐火砖的蓄热来实现水煤浆的点
火。以 Shell炉为代表的水冷壁气化炉的点火过
程复杂，分 3 步进行，依次点燃燃气喷嘴、燃油
喷嘴和煤粉喷嘴，点火程序复杂且经常发生燃油
喷嘴烧损的情况。以 GSP 炉为代表的水冷壁气
化炉则采用组合烧嘴，烧嘴结构复杂，需要火焰
检测、长明灯等，燃气费用高。
基于清华炉 (非熔渣—熔渣分级气化炉)
使用预混气体可以由可燃气切换为惰性气体再切
换为氧气的特点，清华大学和北京达立科公司提
出采用中心管液化气—惰性气—氧气 “火点火”
方案，很好地解决了水煤浆水冷壁气化炉的点火
问题。膜式水冷壁是成熟技术，解决了水煤浆的
点火过程，那么这种炉型的工程化就不会有任何
风险。
第 2 期 李战学等:水煤浆水冷壁气化技术综述 · 9·
清华大学和北京达立科公司针对水冷壁气化
炉点火问题，设置专门的课题组进行研究，对水
煤浆的着火过程进行分析并制定了详细的 “火
点火”方案。为此，清华大学进行了 3 种不同
方案的实验研究，即冷壁炉水煤浆点火、大空间
水煤浆火焰观察和水煤浆进料水冷壁气化炉点火
燃烧试验。
清华大学技术团队在水冷壁技术应用于水煤
浆加压气化技术方面的实验取得了突破性进展，
水冷壁气化炉的点火试验表明:采用 “火点火”
程序对水煤浆进行点火是成功可靠的，在极其苛
刻的水冷壁条件下，水煤浆能够在没有其他助燃
燃料的条件下稳定着火燃烧。
2. 2 流程概述
水煤浆水冷壁气化炉如图 1 所示，烧嘴、气
化段外壳、激冷段筒体、下降管、排渣口均同轴
竖向排列，气化段外壳和激冷段筒体为上下连接
的一个整体。
图 1 水煤浆水冷壁气化炉
1—气化烧嘴;2—气化段外壳;3—气化段水冷壁;
4—气化段锥底;5—激冷段筒壁;6—下降管;7—激冷环
水煤浆由烧嘴中间环隙通道进入，氧气由烧
嘴外侧环隙通道进入，2 股物料在水煤浆水冷壁
气化炉内发生气化反应，生成主要成分为 CO、
H2、CO2、H2O 的高温气体，气化段温度在
1 100 ～ 1 400 ℃。气化段的高温气体经下降管进
入激冷段。在激冷段，高温气体在液面下离开下
降管，穿过冷却液向上，被冷却至 110 ～ 280 ℃，
通过出气管口送出气化炉;冷却液从 2 个入口经
激冷环送入下降管，沿管内壁向下流淌，起保护
下降管的作用，经出水管口排出激冷段。灰渣经
排渣口排出气化炉。
2. 3 主要设备
水煤浆水冷壁气化技术主要设备见表 1 (单
套装置)。
表 1 水煤浆水冷壁气化技术主要设备
设备名称 数量 /台 备注
煤浆槽搅拌器 1 常开
气化炉 1
破渣机 1 常开
高压煤浆泵 1 常开
锁斗循环泵 2 1 开 1 备
锅炉水循环泵 2 1 开 1 备
加药泵 2 1 开 1 备
煤浆槽 1
汽包 1
锁斗 1
锁斗冲洗水罐 1
开工抽引器分离器 1
激冷水过滤器 2
配药槽 1
工艺烧嘴 1
氧气放空消声器 1
开工抽引器 1
预热烧嘴 1
二次氧气喷嘴 3
2. 4 技术优势
(1)适合我国高灰分、高灰熔点煤种的
气化
目前我国引进大型煤气化技术耗资已达数百
亿元。显然，煤气化技术的发展完全依赖引进是
不合理的，而引进技术暴露出的问题也说明国外
技术并不能适应我国高灰分、高灰熔点煤的气
化。水煤浆水冷壁气化炉采用独特的膜式水冷壁
替代耐火砖后，可将气化炉燃烧室内温度提高至
1 500 ℃ (普通耐火砖气化炉的运行温度不能超
过 1 400 ℃) ，适用于国内高灰分、高灰熔点煤
的气化，尤其是山西的高硫、高灰熔点煤的气
化，彻底解决了山西省高硫、高灰熔点煤气化难
的问题。
(2)独特的膜式水冷壁结构
该气化技术采用独特的膜式水冷壁结构，将
传统的盘管式水冷壁结构改进为全新的立管式设
计，并且进出水管通过上下集箱连接，集箱与气
·10· 中 氮 肥 第 2 期
化炉壳体外的锅炉水系统采用多重冗余设计，从
而降低了水冷壁系统的阻力，使水冷壁系统在没
有强制循环的情况下也可实现自身的循环。
该技术克服了盘管式水冷壁结构形式的不
足，布水均匀，水冷管线单通道长度缩短为原来
的 1 /3，在气化炉热负荷不变的情况下，减少气
液分层，本质安全，更容易挂渣以实现 “以渣
抗渣”，具有生产安全环保、工艺简洁、操作简
单、投资成本少、运行费用低等特点。
(3)科学的氧气分级供给技术
氧气分级供给技术是指在气化炉主烧嘴和侧
壁氧气烧嘴分别向气化炉内加氧，在主烧嘴中心
通道可采用氧含量从 0 ～ 100%的不同气体作为
主烧嘴预混气体，不仅调整了火焰中心的温度，
而且调整了火焰中心距主烧嘴端面的距离，有利
于降低主烧嘴端部温度，延长其使用寿命。采用
氧气分级供给，改善了炉内的温度场，使气化炉
轴向温度均衡，提高了炉内的平均气化温度，不
仅使合成气中有效气含量提高 1% ～ 2%，而且
使气化炉的排渣更加顺畅。
(4)安全的环唇结构大法兰密封技术
近年来，随着大型煤气化技术的发展，尤其
是水冷壁气化技术的发展，如何将水冷壁内件安
装在气化炉内，并且保证安装后气化炉大法兰的
有效密封就成为了一大难点。环唇结构大法兰密
封技术成功实现了上述工艺需求，填补了国内外
该技术领域的空白。该技术将环唇密封的结构形
式嫁接到直径 2 800 mm 气化炉的大法兰上，环
唇采用了独立的不锈钢锻件，通过双边焊接工艺
进行加工，达到了有效的密封效果。如果大法兰
出现密封不严的情况，采用环唇密封技术，只需
通过现场焊接处理即可;而使用常规的法兰密封
技术，就必须对密封面进行重新修复，费时、
费工。
(5)先进的“火点火”技术
采用清华大学提出的中心管液化气—惰性气
—氧气 “火点火”方案，很好地解决了水煤浆
水冷壁气化炉的点火问题。
在气化炉采用 “火点火”启动程序时，让
液化石油气 (LPG)或者弛放气进入气化炉，在
外环通道助燃 O2 的作用下，LPG 在气化炉内形
成稳定的高温火焰对气化炉进行加热升温。待温
度升到一定程度后，打开环隙通道的水煤浆阀
门，使水煤浆进入气化炉，同时加大外环 O2 的
流量，此时 LPG 仍然不断供给进入气化炉。待
温度升高到一定程度后，在水煤浆射流周围可以
形成足够的高温回流气体，这些回流气体的能量
足以点燃水煤浆射流，此时可以逐步关小 LPG
管道的阀门，同时逐步打开中心通道的 CO2 或
N2 等惰性气体阀门，直至 LPG 管道的阀门完全
关闭，中心通道的 CO2 或 N2 等惰性气体阀门完
全打开，此时即完成气化炉的启动和点火过程，
气化炉进入正常运行状态。
3 示范装置运行情况
阳煤丰喜临猗公司的水煤浆水冷壁气化炉直
径为 2 800 m，高 16. 3 m，水冷壁高 7 m，水冷
壁炉操作压力 4. 5 MPa，配套合成氨生产能力
150 kt /a。2011 年 8 月 22 日水冷壁气化炉一次
开车成功，并同时送气供给后系统生产合成氨，
一直连续、稳定运行 90 多天，综合能耗达到世
界先进水平。气化单元的相关数据:投煤量 750
t /d，操作压力 4. 0 MPa，煤气中有效气 (CO +
H2)含量≥80%，1 000 m
3 (CO + H2)耗 O2≤
390 m3，1 000 m3 (CO + H2)耗煤≤550 kg，碳
转化率≥98%，渣中可燃物含量≤5%。吨氨气
化单元综合能耗为 33. 043 GJ，吨氨气化单元各
项消耗:煤 (干基)1 333 kg，电 78 kW· h，
O2 820 m
3，脱盐水 0. 34 t，新鲜水 0. 75 t，循环
水 90 t，副产 0. 5 MPa 高闪气 0. 54 t，副产 4. 5
MPa蒸汽 0. 024 t。
4 结 语
虽然现阶段 “水煤浆水冷壁气化技术”的
研发取得了一些成绩，并且在山西阳煤丰喜集团
建成了 1 套工业化示范装置，但该套气化示范装
置尚有许多技术难点与运行的相关参数需要更多
的同行参与探讨，尤其是要 100%使用本地高灰
熔点煤代替神木、华亭低灰熔点煤，实现气化煤
本地化，还需要付出更多的努力。
该气化技术以其适用煤种范围宽、单炉气化
强度高、投资低、运行费用低等优点受到新建煤
化工企业以及现有煤制化肥企业的青睐。在当前
国际石油价格高位难降的形势下，我国煤化工行
业发展势头强劲，再加上有不少化肥企业面临装
置的更新换代，该气化技术的前景将会一片光明。