煤化工作為我國國民經(jīng)濟當(dāng)中一個重要的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，近些年來，隨著自主創(chuàng)新能力的不斷提高，一批通過自主創(chuàng)新突破的產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，極大地推動了行業(yè)進步，不僅樹立了“中國制造”和“中國智造”的品牌，在節(jié)能環(huán)保上也達到了很高的標(biāo)準，在增強行業(yè)話語權(quán)、維護國家產(chǎn)業(yè)安全方面更是發(fā)揮了不可替代的作用。在這當(dāng)中，近些年來廣受關(guān)注的清華爐技術(shù)便是一個杰出的代表和典范。

產(chǎn)學(xué)研結(jié)合孕育清華爐

　　目前石化行業(yè)較為流行的粉煤氣化技術(shù)主要有兩大類別，即水煤漿耐火磚技術(shù)與干粉水冷壁技術(shù)，但這兩種技術(shù)往往都存在著各自的不足之處。與這兩種技術(shù)相比，應(yīng)用水煤漿水冷壁氣化技術(shù)的清華爐則充分發(fā)揮出了水煤漿耐火磚和干粉水冷壁技術(shù)的全部優(yōu)點，同時還有效避開了它們的不足之處，其技術(shù)性能達到了近乎完美的程度，具有以下顯著特點：

　　穩(wěn)定性好。水煤漿氣化工藝成熟。用水煤漿進料穩(wěn)定可靠,水冷壁掛渣穩(wěn)定。水煤漿運行安全可靠,避免了粉煤進料不穩(wěn)定、易燃、易爆、易磨損、泄漏等難題。

　　煤種適應(yīng)性強。氣化溫度不受耐火材料限制,可達1600℃或更高,氣化反應(yīng)速度快,碳轉(zhuǎn)化率高,煤種適應(yīng)性好,能夠消化高灰分、高灰熔點、高硫煤。

　　系統(tǒng)運轉(zhuǎn)率高。裝置運行連續(xù)穩(wěn)定,燒嘴頭部采用特殊處理,一次連續(xù)運行周期可以保證100天以上,每年不再因為換磚而停爐檢修,年運行時間可達到8000小時。

　　安全性強。水冷壁采用熱能工程領(lǐng)域成熟的懸掛垂直管結(jié)構(gòu),既保證了水循環(huán)的安全性，又避免了復(fù)雜的熱膨脹處理問題。水循環(huán)按照自然循環(huán)設(shè)計,強制循環(huán)運行,緊急狀態(tài)下能實現(xiàn)自然循環(huán),最大限度保證水冷壁的安全運行。

　　環(huán)境友好,環(huán)保效益高。灰渣殘?zhí)亢�量�?易于收集處理,廢水無難處理污染物,制漿可處理污水。

　　系統(tǒng)啟動快。組合式點火升溫過程簡化,點火、投料程序一體化完成。水煤漿投料點火采用特殊設(shè)計的點火技術(shù),氣化爐從冷態(tài)到滿負荷僅需3小時。

　　氣化壓力高。氣化壓力不受原料輸送系統(tǒng)影響,可根據(jù)后續(xù)工段要求進行更加合理的選擇,實現(xiàn)與甲醇合成等壓,降低能耗。

　　技術(shù)細節(jié)處理好。清華爐氣化技術(shù)在工業(yè)化過程、在細節(jié)的設(shè)計上有很多創(chuàng)新,如碳洗塔底部的氣體分布器,使灰水和煤氣充分混合,保證了煤氣的洗滌效果,細節(jié)上的改進使氣化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長周期運行。

　　清華爐還具有較高的投資性價比，為用戶提供了更好的選擇。由于核心技術(shù)的突破，流程的優(yōu)化，科學(xué)的設(shè)備國產(chǎn)化選擇，使清華爐與國內(nèi)外同類裝置相比，同等規(guī)模可節(jié)約投資20%以上。

　　從研發(fā)成功至今，清華爐屢獲殊榮：2009年被中國氮肥工業(yè)協(xié)會評選為氮肥行業(yè)振興支撐技術(shù)；被中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會授予2009年度科技進步一等獎； 2010年，被工信部和中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會作為國家重點節(jié)能技術(shù)來推廣。

　　清華爐是產(chǎn)學(xué)研三方合作的結(jié)晶，在2011年以前，由清華大學(xué)、北京達立科科技有限公司和山西陽煤豐喜肥業(yè)集團三方組織團隊負責(zé)清華爐的研發(fā)、實驗及市場推廣工作。2011年以后，國內(nèi)最大的獨立工業(yè)氣體供應(yīng)商盈德氣體接替了原北京達立科科技有限公司負責(zé)的工作，組成了新的清華爐產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，并組建成立了北京盈德清大科技有限責(zé)任公司，獨家經(jīng)營清華爐煤氣化技術(shù)。依靠雄厚的實力，北京盈德清大公司在清華大學(xué)成立了清華大學(xué)——盈德氣體煤氣化聯(lián)合研究中心，為該技術(shù)的完善和新技術(shù)的研發(fā)搭建了更加廣闊的平臺。

褐煤利用有路可尋

　　我國褐煤資源豐富，褐煤資源量占煤炭資源總量的5.74%，主要分布于內(nèi)蒙古東部、黑龍江東部和云南東部。與煙煤、無煙煤相比，褐煤的價格較低，反應(yīng)活性高，但其熱值相對較低，含水量較高，一般為25%～60%。因此褐煤如果用于發(fā)電，存在著增加運輸成本，影響鍋爐運行，降低電廠效率，增加溫室氣體排放的弊端。而如果用于煤化工，因其煤化變質(zhì)程度較低，分子鏈容易裂解，理論上講，是煤化工的首選原料，但其熱量不高、含水量大的特點，又給褐煤的氣化增加了困難，進而加大了應(yīng)用成本。

　　為了更好地利用我國的褐煤資源，近些年來，國內(nèi)外的固定床氣化、流化床氣化和粉煤氣化等多種煤氣化技術(shù)都對褐煤的應(yīng)用進行了大量工程實踐，然而，這些煤氣化技術(shù)都需對入爐的褐煤進行一定程度的預(yù)處理，投資額很大，特別是有的技術(shù)不僅使用新鮮水較多，還排放大量的廢水，給煤化工項目帶來很大的環(huán)保壓力。

　　人們多年來一直在尋求一種技術(shù)，希望這種技術(shù)能夠低成本、高效率而又環(huán)境友好地將褐煤應(yīng)用于煤化工。直到不久前，清華爐煤氣化技術(shù)的一次成功實踐，讓人們看到了希望——2012年7月，在內(nèi)蒙古大唐呼倫貝爾化肥有限公司，應(yīng)用清華爐技術(shù)的煤氣化裝置一次投料開車成功，并在2013年1月，成功實現(xiàn)了兩臺褐煤氣化爐240小時的并列運行。

　　在清華爐煤氣化技術(shù)之前的水煤漿氣流床氣化技術(shù)，如果用褐煤作原料，那么褐煤高含水的特性將使水煤漿成漿困難，制得的煤漿濃度不高，一般53%左右，而當(dāng)時人們的傳統(tǒng)觀念認為，低于58%的水煤漿不能用于水煤漿氣流床氣化技術(shù)。但在內(nèi)蒙古大唐呼倫貝爾化肥有限公司，清華爐煤氣化裝置以呼倫貝爾市的褐煤資源為基礎(chǔ)，采用東明礦褐煤為氣化原料，煤漿濃度46%～51%，裝置運行穩(wěn)定。

　　應(yīng)用清華爐技術(shù)的大唐呼倫貝爾化肥有限公司18萬噸/年合成氨、30萬噸/年尿素裝置，其煤氣化裝置采用的是第一代清華爐煤氣化技術(shù)(非熔渣一熔渣分級給氧水煤漿氣化技術(shù))，建設(shè)兩臺4.0兆帕、直徑2800的氣化爐系統(tǒng)及配套的煤漿制備、渣水處理系統(tǒng)。從2012年7月成功開車至今運行良好，標(biāo)志著清華爐煤氣化技術(shù)在以褐煤為代表的低濃度水煤漿的開發(fā)利用上取得了突破性進展，具有重大的工程示范作用，為我國采用先進、環(huán)保的煤氣化技術(shù)開發(fā)較難處理的褐煤資源找到了一條可行之路。

　　清華爐技術(shù)在褐煤應(yīng)用上取得的效果，吸引了行業(yè)內(nèi)更多企業(yè)的關(guān)注。2013年7月，內(nèi)蒙古烏蘭泰安能源化工有限公司135萬噸/年合成氨項目，又選擇了第二代清華爐技術(shù)（水煤漿水冷壁氣化技術(shù)）。該項目利用興安盟當(dāng)?shù)氐暮置簽樵�料，煤漿濃度53%。在項目建設(shè)前，烏蘭泰安能源化工有限公司曾經(jīng)過將近4年的技術(shù)選擇，對國內(nèi)外的10余種煤氣化技術(shù)進行技術(shù)經(jīng)濟評估，并遠赴美國尋找適合興安盟當(dāng)?shù)睾置旱臍饣�技術(shù)，他們最終認為，清華爐是最適合興安盟褐煤的氣化技術(shù)。而好事成雙的是，還是在2013年7月，新疆國泰新華礦業(yè)股份有限公司也選擇清華爐作為生產(chǎn)1,4-丁二醇的氣化技術(shù)，采用煤種的煤漿濃度為55%。

　　低濃度水煤漿的應(yīng)用技術(shù)，如今已成為第二代清華爐贏得市場的一張王牌。

環(huán)保節(jié)水優(yōu)勢明顯

　　煤化工項目具有耗煤量大，用水多，排放的廢水、廢氣、廢固多等特點。在煤化工排放的“三廢”中，有害成分多，處理難度大。例如對于煤制天然氣，除了水煤漿氣化，如果采用固定床氣化和流化床氣化的方法，那么廢水處理就是一個很大挑戰(zhàn)，甚至被列入了國家“863”項目。盡管目前國內(nèi)煤化工廢水處理工藝有很多，但運行效果普遍不穩(wěn)定，更別說實現(xiàn)“零排放”了。由于廢水處理問題難以解決，國內(nèi)多個煤化工項目一再推遲上馬或開車。

　　目前國內(nèi)除水煤漿氣化以外的氣化技術(shù)，比如魯奇爐、BGL爐、航天爐、GSP爐，殼牌爐、恩德爐等氣化時均需要添加蒸汽，而蒸汽需要的水是經(jīng)過脫鹽處理以后的水，從新鮮水經(jīng)過處理得到鍋爐水，水的利用率不足80%，對于內(nèi)蒙古、新疆缺水地區(qū)含鹽量較高的水，水的利用率更低。

　　在今后環(huán)保要求越來越嚴苛、水資源越來越緊張的背景下，廢水處理和節(jié)水要求很可能將會是決定煤化工項目成敗與否的關(guān)鍵因素之一。

　　對于干粉氣化技術(shù)，其與清華爐技術(shù)同屬于氣流床氣化技術(shù)，盡管比起其他氣化技術(shù)，干粉氣化有著環(huán)保和節(jié)水的天然優(yōu)勢，但若和“同門兄弟”水煤漿水冷壁清華爐技術(shù)比起，還是有一定差距。

　　干粉氣化在煤粉制備工序，主要是利用燃料氣或其他介質(zhì)將煤中的多余水分進行烘干，一般要求烘干至2%左右。此部分水對于內(nèi)蒙古、新疆等一些水資源缺乏地區(qū)更是顯得彌足珍貴，但是至今也沒有回收的辦法。為保持煤粉管線的干燥，煤粉輸送管線需采用蒸汽伴熱，部分冷凝液無法回收造成浪費。在煤氣化工序，主要用水為脫鹽水，脫鹽水主要用于水冷壁汽包加水、儀表沖洗水和機泵密封水。另外還需要在爐內(nèi)添加部分蒸汽用于氣化反應(yīng)。在灰水處理工序，由于整個氣化系統(tǒng)的水循環(huán)使用，需按照煤種氯離子等有害組分累計程度來排放部分水，并補充部分新鮮水和工藝冷凝液，用于系統(tǒng)補水。

　　清華爐氣化技術(shù)在制漿工序，需要加入水進行制漿，制漿用水可以用新鮮水，也可以使用工廠難以處理的廢水，如含酚廢水、含苯廢水等。在煤氣化工序，主要用水為脫鹽水，脫鹽水主要用于水冷壁汽包加水、儀表沖洗水和機泵密封水。在灰水處理工序，由于整個氣化系統(tǒng)的水循環(huán)使用，需按照煤中氯離子等有害組分累計程度來排放部分水，并補充部分新鮮水或工藝冷凝液，用于系統(tǒng)補水。

　　清華爐氣化是將大部分用水以水煤漿的形式加入，對煤的含水程度沒有特殊要求，對加入水的水質(zhì)要求也較低，一般制漿用水使用難以處理的有機廢水，具有環(huán)保效益。干粉氣化是將煤種多余的水分去掉，然后再將需要的水分步加入，在氣化爐需要的水分，必須以高壓過熱蒸汽的形式加入，變換工段需要的水，必須用過熱蒸汽或鍋爐水的形式加入。

　　干粉氣化和清華爐氣化相比，干粉氣化比水煤漿氣化在水的使用上，要求的品質(zhì)更高，水量更大。

　　對于當(dāng)前比較熱門的煤制天然氣項目，一般認為魯奇爐含有8%～12%的甲烷，制作煤制天然氣比較經(jīng)濟。但是魯奇爐只能利用8mm～50mm的塊煤，采煤過程中大量的末煤無法利用，且魯奇爐產(chǎn)生大量含酚廢水不好處理。水煤漿氣化爐采用半封閉式供煤、濕法磨煤以及氣流床氣化，全過程污染輕微，氣化和變換都不耗用蒸汽，磨煤漿可以利用含醇污水，而且產(chǎn)生的廢水量少，廢水中的特征污染物單一，廢水中的COD僅200～760mg/L，易于生化處理。利用水煤漿水冷壁清華爐氣化技術(shù)，第一，可以利用采煤過程中的粉煤；第二，可以將魯奇爐產(chǎn)生的難以處理的廢水處理掉；第三，可以節(jié)省部分污水處理的投資；第四，可以節(jié)省部分污水處理裝置的運行費用。

　　因此，針對具體的煤制天然氣項目，專家建議，首先應(yīng)該根據(jù)原料煤的成塊率和粉煤用量，進行塊煤和粉煤平衡，如果平衡后的粉煤仍有剩余且無其他利用途徑，氣化裝置就應(yīng)考慮以固定床氣化技術(shù)為主，清華爐氣化技術(shù)為輔的雙氣頭配置，同時還要對清水和污水的水量進行平衡，以循環(huán)利用。

清華爐廢鍋高效節(jié)能

　　和干粉氣化相比，水煤漿氣化由于含有40%左右的水，其氧耗和煤耗比干粉高一些，所以一些業(yè)界人士一直認為水煤漿氣化不如干粉氣化能耗低。但2013年6月，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的2012年化工行業(yè)能耗領(lǐng)跑者顯示，以煙煤為原料做合成氨，能耗前三名均采用水煤漿氣化技術(shù)，這再一次說明，對于能耗的計算不能單單以氣化爐的消耗為基準，而應(yīng)該是整個裝置的全流程核算。干粉氣化雖然在氣化階段的氧耗和煤耗較低，但其在煤粉制備和輸送階段需要更多的功耗。比如，一般情況下，制備一噸水煤漿需要耗電10kWh，但制備一噸干粉需要耗電30kWh，輸送一噸水煤漿需要耗電2kWh，輸送一噸干粉則需要耗電60kWh，另外烘煤還需要大量熱能。

　　干粉氣化在制粉工段需要將煤中含有的10%～30%水分烘干至2%左右，和水煤漿相比需要蒸發(fā)的水量要少，但此部分消耗的能量和水只能排放進入大氣，無法回收。水煤漿氣化目前是將從氣化爐出來的粗煤氣用水激冷，利用閃蒸來回收熱量，雖然大部分熱量在變換工段以蒸汽和熱水的方式回收回來，但能量回收率還處于較低水平。

　　清華爐研發(fā)團隊針對水煤漿氣化存在的熱量回收率低的問題，經(jīng)過多年研究，開發(fā)出一種全新型式的廢鍋回收氣化爐。該廢熱鍋爐可以將氣化爐出來含1400℃高溫水蒸氣較多的粗煤氣帶出的熱量，進行回收產(chǎn)生高壓蒸汽，極大的提高了能量的利用率，將水煤漿含水量多的劣勢變?yōu)閮?yōu)勢，使氣化爐的能效提高5%左右。

　　清華爐新型廢鍋流程的研發(fā)成功，主要得益于清華大學(xué)熱能工程系對鍋爐的多年潛心研究。國內(nèi)目前在用的殼牌廢鍋和德士古廢鍋，其高昂的造價和故障率幾乎讓所有的煤化工企業(yè)望而卻步，而清華爐的廢鍋則完全打破了現(xiàn)有廢鍋的束縛，獨樹一幟，單臺廢鍋產(chǎn)生蒸汽的效益當(dāng)年就可將廢鍋投資全部收回，顯示出了很好的市場應(yīng)用前景。

市場推廣創(chuàng)造奇跡

　　2012年9月3日上午，在北京西郊賓館召開的水煤漿水冷壁清華爐煤氣化技術(shù)科技成果鑒定會上，來自國家能源委員會、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會、科技部、中國工程院等眾多單位的領(lǐng)導(dǎo)、院士和專家們，對清華大學(xué)、北京盈德清大科技有限責(zé)任公司和山西陽煤豐喜肥業(yè)（集團）有限責(zé)任公司3家單位合作開發(fā)的水煤漿水冷壁清華爐煤氣化技術(shù)（第二代清華爐）進行了科技成果鑒定。最終，鑒定委員會給出了如下鑒定意見：“該氣化爐技術(shù)具有顯著的創(chuàng)新性，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，同時具有水煤漿耐火磚和干粉水冷壁氣化爐的優(yōu)點，綜合性能優(yōu)異，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，一致同意通過該技術(shù)鑒定。建議加快大型化的開發(fā)及推廣應(yīng)用。”

　　第二代清華爐科技成果鑒定會的成功召開，使清華爐技術(shù)的市場推廣進入了“快車道”——

　　2012年12月，北京盈德清大科技有限責(zé)任公司與山東金誠化工科技有限公司正式簽署了《MZRCC及其配套項目》專利實施許可合同。山東金誠化工氣化裝置采用清華爐，不僅保障了企業(yè)未來可以向市場提供更多的清潔油品，還充分展示了清華爐氣化技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景，除了在傳統(tǒng)的煤化工領(lǐng)域，在石油煉化行業(yè)第二代清華爐技術(shù)也可以大顯身手。

　　2013年1月18日，中海石油化學(xué)公司在海南三亞舉行天野化工股份有限公司煤氣化技術(shù)論證會。在這次會議之前，中海石油天野化工股份有限公司氣改煤項目已初步認定將選用國外跨國公司的耐火磚氣化爐技術(shù)。但隨著人們對第二代清華爐技術(shù)的逐漸深入了解，中海石油天野化工氣改煤項目最終放棄了國外技術(shù)，決定選用第二代清華爐。

　　2013年1月28日，在江蘇省連云港市舉行的興華科技搬遷改造項目設(shè)計暨清華爐技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同簽字儀式上，北京盈德清大科技有限責(zé)任公司與中鹽德邦（江蘇）化工有限公司簽署了清華爐煤氣化技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同。項目氣化裝置選用日投煤為1100噸，工作壓力6.5MPa、爐徑2800mm的水煤漿水冷壁氣化爐。

　　2013年4月，河北陽煤正元化工集團有限公司與北京盈德清大公司簽署了專利實施許可合同，這為國內(nèi)眾多中小氮肥行業(yè)常壓、間歇煤氣化裝置的改造指明了方向，具有極大的工程示范作用。

　　2013年5月，清華爐煤氣化技術(shù)接連中標(biāo)新疆某企業(yè)20萬噸/年乙二醇項目和陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司平定2×20萬噸/年乙二醇項目。這兩個項目的簽訂，標(biāo)志著水煤漿水冷壁清華爐煤氣化技術(shù)在煤制乙二醇領(lǐng)域的成功拓展。我國目前乙二醇供需缺口巨大，外貿(mào)依存度常年處于70%以上高位。在高負荷下，采用清華爐技術(shù)的煤制乙二醇在成本上將具有很強的競爭力。

　　在2012年9月召開的水煤漿水冷壁清華爐煤氣化技術(shù)科技成果鑒定會上，國家能源局前局長張國寶針對清華爐的優(yōu)異表現(xiàn)曾說過：“通過大型工程，要給中國的科技創(chuàng)新一個機會。”時間僅僅過去了10個月，2013年7月，內(nèi)蒙古烏蘭泰安能源化工有限公司135萬噸/年合成氨項目使用第二代清華爐技術(shù)協(xié)議正式簽署。該項目總投資105億元，規(guī)劃135萬噸/年合成氨、240萬噸/年尿素，單系列70萬噸/年合成氨、120萬噸/年尿素，是全世界目前在建的最大單系列化肥尿素裝置。該項目標(biāo)志著清華爐技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模又上了一個新臺階，具有承前啟后的重要意義。

　　2013年4月13～15日，在貴陽舉辦的2013年第二屆全國新型水煤漿煤氣化技術(shù)交流年會上，與會代表對水煤漿水冷壁清華爐煤氣化技術(shù)表現(xiàn)出了濃厚興趣，很多業(yè)內(nèi)專家、生產(chǎn)企業(yè)建議，將此技術(shù)盡快推廣到目前國內(nèi)仍占60%以上合成氨產(chǎn)能的眾多中、小氮肥企業(yè)的技術(shù)改造上。

　　如今，中石油、中石化、中海油、中鹽所屬企業(yè)和眾多地方煤化工和石油煉化企業(yè)相繼采用了清華爐。從2012年初至2013年7月的一年多時間里，北京盈德清大科技有限公司便與10多家企業(yè)簽訂了新建煤氣化裝置的專利實施許可合同及2家生產(chǎn)企業(yè)的耐火磚爐改造為水煤漿水冷壁爐的合同（協(xié)議），簽約氣化爐總臺數(shù)近30臺，基本保持月均簽約1.5臺氣化爐的速度，創(chuàng)造出了新型煤化工技術(shù)市場推廣的一個“奇跡”，這充分說明了該技術(shù)的先進性、成熟性和經(jīng)濟性等諸多指標(biāo)已得到了行業(yè)的高度認可。

　　目前，以第二代清華爐為代表的中國自主煤氣化技術(shù)已完全可以替代價格昂貴的國外技術(shù)。清華爐除了在傳統(tǒng)煤化工領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)秀，今后還可以為煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制天然氣等新型煤化工提供先進、適用的煤氣化技術(shù)。在中國由煤化工大國到強國的發(fā)展道路上，清華爐已經(jīng)并將繼續(xù)提供強大的技術(shù)支撐，為煤化工的自主技術(shù)創(chuàng)新發(fā)揮出標(biāo)桿作用。