航天炉(HT2L)粉煤加压气化技术属于加压气流床工艺，是在借鉴壳牌、德士古及GSP加压气化工艺设计理念的基础上，由北京航天万源煤化工工程技术有限公司自主开发、具有独特创新的新型粉煤加压气化技术。此项技术未经小试和中试，直接按照工艺设计建设工业化示范项目，2008年先后在安徽临泉、河南龙宇建成2套单炉日投煤量720t的示范装置。从目前运行情况看，基本达到设计要求，最长连续运行时间已达到128d。本文根据2套示范装置的建设及实际运行情况，对该技术先进性、可靠性、气化炉的特点、技术经济指标、投资及工艺过程等进行分析。
1 工艺过程航天炉粉煤加压气化装置分为4个单元，即磨煤和干燥单元（U1100）、煤加压和输送单元（U1200）、粉煤气化单元（U1300）以及渣与灰水处理单元（U1400）。
U1100由磨煤、惰性气体输送、粉煤过滤3个部分组成。此单元设置2条生产线，每条生产线的设计原料煤处理能力为30t/h，采用1开1备的操作方式，确保气化装置的长周期运行。
U1200主要实现粉煤的贮存、加压和输送。来至U1100的粉煤送至粉煤贮罐，粉煤贮罐将粉煤送入粉煤锁斗，加压后将粉煤送入高压粉煤给料罐。粉煤通过从常压到高压的输送，来满足U1300的粉煤气化的需要。
U1300是整套气化装置的核心部分，主要包括粉煤燃烧、合成气激冷以及洗涤，其主要设备有燃烧器、气化炉、渣锁斗以及洗涤塔等。4.7MPa的粉煤与4.9MPa的过热蒸汽以及空分装置所产生的4.9MPa纯氧通过粉煤烧嘴喷入气化炉内，在4.0MPa（表压）和1400～1700℃高温下进行不完全氧化反应，生成以H2和CO为主要成分的合成气，合成气经激冷、增湿、除尘后送变换系统。
U1400主要完成整套装置的黑水处理及循环利用，主要由黑水闪蒸、沉降系统及灰水除氧组成。由气化炉及洗涤塔送出的黑水经高压及真空两级闪蒸后送至沉降槽，澄清后的黑水送除氧器除氧，再经高压灰水泵加压后，送至U1300进行循环再利用。
2 技术特点
2.1 原料煤适应性强
2套示范装置曾先后试烧过褐煤、烟煤、无烟煤，试烧效果均较理想。航天炉粉煤气化技术对入炉粉煤粒径要求为：≤90μm的质量分数大于90%，≤5μm的质量分数小于10%，水分质量分数小于2%，灰分质量分数在10%以上。粒度过大会影响碳的转化率；水分含量太高则会影响U1200的粉煤输送；灰分小则水冷壁挂渣困难，难以形成稳定的保护渣层。2套示范装置先后试烧过的原料煤粒径、水分、灰分分析见表1。
2.2 开停车时间短，负荷升降快
从目前2套示范装置的实际开停车过程及负荷升降情况看，航天炉技术具有开停车时间短、负荷升降快的特点，减少了开停车过程中的各项物料消耗。从停车到开车，整个过程可在2h内完成;气化炉从投料时的40%负荷升至100%负荷，也可在2h内完成。
2.3 全部开车过程电视监控，安全直观
航天炉采用特殊的航天科技成果，取消了火焰检测器，在2个火检管上安装了2个高清晰度的摄像头，在总控制室设有显示屏，从点火烧嘴点火到开工烧嘴升温升压及粉煤烧嘴投料的全过程，都在电视监控器的监控下，可以直接看到炉内的燃烧情况，具有安全、方便、直观的特点。
3 航天炉的结构特征
航天炉由烧嘴、气化炉燃烧室、激冷室及承压外壳组成，其中烧嘴为点火烧嘴、开工烧嘴和粉煤烧嘴组成的组合式烧嘴。气化炉燃烧室内部设有水冷壁，其主要作用是抵抗1450～1700℃高温及熔渣的侵蚀。为了保护气化炉压力容器及水冷壁盘管，水冷壁盘管内通过中压锅炉循环泵维持强制水循环。盘管内流动的水吸收气化炉内反应产生的热量并发生部分汽化，然后在中压汽包内进行汽液分离，产出5.0MPa（表压）的中压饱和蒸汽送入蒸汽管网。水冷壁盘管与承压外壳之间有一个环腔，环腔内充入流动的CO2(N2)作为保护气。
激冷室为一承压空壳，外径与气化炉燃烧室的直径相同，上部设有激冷环，激冷水由此喷入气化炉内。下降管将合成气导入激冷水中进行水浴，并设有破泡条及旋风分离装置，这种结构可有效解决气化炉带水问题。
航天炉除烧嘴及盘管采用不锈钢材质外，其余全为碳钢材料。气化炉及水冷壁设计使用寿命10～20年，烧嘴设计使用寿命10年（头部一般每6个月维护1次）。
4 航天炉技术与壳牌、德士古煤制合成气的比较
4.1 航天炉技术与壳牌煤制合成气的比较
(1)航天炉技术流程简单、投资少
航天炉技术开发时的目标定位在煤制合成气用于生产甲醇或合成氨，采用简单特殊的水冷壁和激冷、洗涤除尘流程。该工艺是简单地将高温合成气在激冷水的作用下将其温度激冷至210℃左右，合成气出界区温度控制在190～200℃，湿煤气中的饱和水蒸气量完全能够满足CO变换所需。
壳牌粉煤气化技术开发目标定位在联合循环发电，采用废热锅炉回收合成气中的废热和干法陶瓷过滤器除尘，以获取最高的热效率。将其用于生产甲醇等产品时，壳牌气化工艺花近3亿元的投资产出的蒸汽约70%用于变换；若用于制纯H2，这个比例更大。
(2)航天炉技术电耗低
壳牌粉煤气化技术采用废热锅炉和干法除尘流程，用于吹扫的CO2或N2量很大。除制氨外，其它合成气均不能用N2，只能用CO2，其用于粉煤输送和吹扫的CO2量比航天炉大1.5倍。合成气进入废锅前必须将合成气温度由1500℃降至900℃左右，目的是将合成气中的熔融物固化，防止其黏结在废锅换热管上，因此要增设1台气量约为190000m3/h的激冷气压缩机，将除尘后温度为40℃的合成气返回气化炉出口的冷激管，电耗较大。
采用航天炉技术生产粗甲醇（质量分数94%）时，吨产品的电耗只有330kW/h。
(3)航天炉水冷壁结构简单、易制造
壳牌粉煤气化技术的水冷壁呈多段竖管排列，水路复杂，需采用合金钢材质，制造难度大。废热锅炉处在高温、高压、高含固体颗粒冲刷、强腐蚀介质的工作环境中，需定期吹扫和敲打除灰。若干组干式陶瓷过滤器要周期性地交替进行反吹扫除灰，设备需进口，不仅大大增加了投资，而且还增加了操作控制难度及设备维修量，降低了装置运行的可靠性。
航天炉的水冷壁为圆筒形盘管，水强制循环，水路简单，制造容易。
(4)航天炉气化装置的设备国产化率高
航天炉气化装置内绝大部分设备，例如气化炉、粉煤烧嘴、破渣机、中压锅炉循环泵、烧嘴冷却水泵、激冷水泵、密封冲洗水泵、洗涤塔给料泵、粉煤系统切断阀、渣水系统切断阀、氧气系统切断阀、闪蒸系统用角阀以及部分调节阀等，均由北京航天万源工程技术有限公司自行设计制造，完全国产化。
而壳牌粉煤气化技术的烧嘴、气化炉内件、合成气冷却器内件及陶瓷过滤器等均需进口，且加工周期较长。
(5)项目建设周期短
安徽临泉化工股份有限公司航天炉粉煤加压气化项目于2006年10月动工建设，2008年9月安装调试完毕，建设周期24个月。河南永煤集团濮阳龙宇化工有限责任公司航天炉粉煤加压气化项目于2007年3月动工建设，至2008年9月安装调试完毕，建设周期18个月。
4.2 航天炉技术与德士古煤制合成气的比较
虽然航天炉技术与德士古煤气化技术都属气流床加压、液态排渣技术，采用粗煤气激冷、洗涤除尘流程，但航天炉技术采用干粉煤进料，德士古煤气化技术采用水煤浆进料，两者之间存在较大差异。
(1)航天炉技术原材料消耗低，气化指标先进
航天炉技术生产单位产品（CO+H2）的原料煤消耗比德士古煤气化技术低12%～13%（包括煤干燥在内），氧耗低15%，电耗则是航天炉技术高，但与前两项相比，其影响非常小。与德士古煤气化技术相比，航天炉技术冷煤气效率高10%，碳转化率高1.5%，煤气化热效率（包括变换用蒸汽）高4%。煤气中有效气成分（CO+H2）体积分数：航天炉技术为86%～92%，德士古煤气化技术为78%～81%。
(2)航天炉技术原料适应性强
目前2套航天炉技术示范装置试烧过的原料从褐煤到无烟煤等多种煤种，对原料灰分、灰熔融性温度的限制比德士古煤气化技术宽松得多。航天炉的水冷壁的功能是根据灰熔融性温度的变化自动调整挂渣膜壁厚度，灰熔融性温度高的煤，水冷壁也完全能适应。而德士古煤气化技术要选用年青褐煤、含水高的煤，制备的水煤浆质量分数达不到60%以上的煤不宜选作原料，灰熔点温度>1400℃、含灰分质量分数>20%的煤也不宜选用，而这些煤完全能用于航天炉气化。
5 结语
从目前2套示范装置运行情况看：航天炉气化技术除具有壳牌炉的先进、安全、高效、无须备用炉以及比德士古煤气化技术操作简单、环境友好的特点外，还具有开车时间短、电视监控方便和直观等特点。
从上述综合分析比较可知：航天炉气化工艺是一种适合我国国情的先进的粉煤气化技术，是煤化工项目理想的选择方案之一。
1 工艺过程航天炉粉煤加压气化装置分为4个单元，即磨煤和干燥单元（U1100）、煤加压和输送单元（U1200）、粉煤气化单元（U1300）以及渣与灰水处理单元（U1400）。
U1100由磨煤、惰性气体输送、粉煤过滤3个部分组成。此单元设置2条生产线，每条生产线的设计原料煤处理能力为30t/h，采用1开1备的操作方式，确保气化装置的长周期运行。
U1200主要实现粉煤的贮存、加压和输送。来至U1100的粉煤送至粉煤贮罐，粉煤贮罐将粉煤送入粉煤锁斗，加压后将粉煤送入高压粉煤给料罐。粉煤通过从常压到高压的输送，来满足U1300的粉煤气化的需要。
U1300是整套气化装置的核心部分，主要包括粉煤燃烧、合成气激冷以及洗涤，其主要设备有燃烧器、气化炉、渣锁斗以及洗涤塔等。4.7MPa的粉煤与4.9MPa的过热蒸汽以及空分装置所产生的4.9MPa纯氧通过粉煤烧嘴喷入气化炉内，在4.0MPa（表压）和1400～1700℃高温下进行不完全氧化反应，生成以H2和CO为主要成分的合成气，合成气经激冷、增湿、除尘后送变换系统。
U1400主要完成整套装置的黑水处理及循环利用，主要由黑水闪蒸、沉降系统及灰水除氧组成。由气化炉及洗涤塔送出的黑水经高压及真空两级闪蒸后送至沉降槽，澄清后的黑水送除氧器除氧，再经高压灰水泵加压后，送至U1300进行循环再利用。
2 技术特点
2.1 原料煤适应性强
2套示范装置曾先后试烧过褐煤、烟煤、无烟煤，试烧效果均较理想。航天炉粉煤气化技术对入炉粉煤粒径要求为：≤90μm的质量分数大于90%，≤5μm的质量分数小于10%，水分质量分数小于2%，灰分质量分数在10%以上。粒度过大会影响碳的转化率；水分含量太高则会影响U1200的粉煤输送；灰分小则水冷壁挂渣困难，难以形成稳定的保护渣层。2套示范装置先后试烧过的原料煤粒径、水分、灰分分析见表1。
2.2 开停车时间短，负荷升降快
从目前2套示范装置的实际开停车过程及负荷升降情况看，航天炉技术具有开停车时间短、负荷升降快的特点，减少了开停车过程中的各项物料消耗。从停车到开车，整个过程可在2h内完成;气化炉从投料时的40%负荷升至100%负荷，也可在2h内完成。
2.3 全部开车过程电视监控，安全直观
航天炉采用特殊的航天科技成果，取消了火焰检测器，在2个火检管上安装了2个高清晰度的摄像头，在总控制室设有显示屏，从点火烧嘴点火到开工烧嘴升温升压及粉煤烧嘴投料的全过程，都在电视监控器的监控下，可以直接看到炉内的燃烧情况，具有安全、方便、直观的特点。
3 航天炉的结构特征
航天炉由烧嘴、气化炉燃烧室、激冷室及承压外壳组成，其中烧嘴为点火烧嘴、开工烧嘴和粉煤烧嘴组成的组合式烧嘴。气化炉燃烧室内部设有水冷壁，其主要作用是抵抗1450～1700℃高温及熔渣的侵蚀。为了保护气化炉压力容器及水冷壁盘管，水冷壁盘管内通过中压锅炉循环泵维持强制水循环。盘管内流动的水吸收气化炉内反应产生的热量并发生部分汽化，然后在中压汽包内进行汽液分离，产出5.0MPa（表压）的中压饱和蒸汽送入蒸汽管网。水冷壁盘管与承压外壳之间有一个环腔，环腔内充入流动的CO2(N2)作为保护气。
激冷室为一承压空壳，外径与气化炉燃烧室的直径相同，上部设有激冷环，激冷水由此喷入气化炉内。下降管将合成气导入激冷水中进行水浴，并设有破泡条及旋风分离装置，这种结构可有效解决气化炉带水问题。
航天炉除烧嘴及盘管采用不锈钢材质外，其余全为碳钢材料。气化炉及水冷壁设计使用寿命10～20年，烧嘴设计使用寿命10年（头部一般每6个月维护1次）。
4 航天炉技术与壳牌、德士古煤制合成气的比较
4.1 航天炉技术与壳牌煤制合成气的比较
(1)航天炉技术流程简单、投资少
航天炉技术开发时的目标定位在煤制合成气用于生产甲醇或合成氨，采用简单特殊的水冷壁和激冷、洗涤除尘流程。该工艺是简单地将高温合成气在激冷水的作用下将其温度激冷至210℃左右，合成气出界区温度控制在190～200℃，湿煤气中的饱和水蒸气量完全能够满足CO变换所需。
壳牌粉煤气化技术开发目标定位在联合循环发电，采用废热锅炉回收合成气中的废热和干法陶瓷过滤器除尘，以获取最高的热效率。将其用于生产甲醇等产品时，壳牌气化工艺花近3亿元的投资产出的蒸汽约70%用于变换；若用于制纯H2，这个比例更大。
(2)航天炉技术电耗低
壳牌粉煤气化技术采用废热锅炉和干法除尘流程，用于吹扫的CO2或N2量很大。除制氨外，其它合成气均不能用N2，只能用CO2，其用于粉煤输送和吹扫的CO2量比航天炉大1.5倍。合成气进入废锅前必须将合成气温度由1500℃降至900℃左右，目的是将合成气中的熔融物固化，防止其黏结在废锅换热管上，因此要增设1台气量约为190000m3/h的激冷气压缩机，将除尘后温度为40℃的合成气返回气化炉出口的冷激管，电耗较大。
采用航天炉技术生产粗甲醇（质量分数94%）时，吨产品的电耗只有330kW/h。
(3)航天炉水冷壁结构简单、易制造
壳牌粉煤气化技术的水冷壁呈多段竖管排列，水路复杂，需采用合金钢材质，制造难度大。废热锅炉处在高温、高压、高含固体颗粒冲刷、强腐蚀介质的工作环境中，需定期吹扫和敲打除灰。若干组干式陶瓷过滤器要周期性地交替进行反吹扫除灰，设备需进口，不仅大大增加了投资，而且还增加了操作控制难度及设备维修量，降低了装置运行的可靠性。
航天炉的水冷壁为圆筒形盘管，水强制循环，水路简单，制造容易。
(4)航天炉气化装置的设备国产化率高
航天炉气化装置内绝大部分设备，例如气化炉、粉煤烧嘴、破渣机、中压锅炉循环泵、烧嘴冷却水泵、激冷水泵、密封冲洗水泵、洗涤塔给料泵、粉煤系统切断阀、渣水系统切断阀、氧气系统切断阀、闪蒸系统用角阀以及部分调节阀等，均由北京航天万源工程技术有限公司自行设计制造，完全国产化。
而壳牌粉煤气化技术的烧嘴、气化炉内件、合成气冷却器内件及陶瓷过滤器等均需进口，且加工周期较长。
(5)项目建设周期短
安徽临泉化工股份有限公司航天炉粉煤加压气化项目于2006年10月动工建设，2008年9月安装调试完毕，建设周期24个月。河南永煤集团濮阳龙宇化工有限责任公司航天炉粉煤加压气化项目于2007年3月动工建设，至2008年9月安装调试完毕，建设周期18个月。
4.2 航天炉技术与德士古煤制合成气的比较
虽然航天炉技术与德士古煤气化技术都属气流床加压、液态排渣技术，采用粗煤气激冷、洗涤除尘流程，但航天炉技术采用干粉煤进料，德士古煤气化技术采用水煤浆进料，两者之间存在较大差异。
(1)航天炉技术原材料消耗低，气化指标先进
航天炉技术生产单位产品（CO+H2）的原料煤消耗比德士古煤气化技术低12%～13%（包括煤干燥在内），氧耗低15%，电耗则是航天炉技术高，但与前两项相比，其影响非常小。与德士古煤气化技术相比，航天炉技术冷煤气效率高10%，碳转化率高1.5%，煤气化热效率（包括变换用蒸汽）高4%。煤气中有效气成分（CO+H2）体积分数：航天炉技术为86%～92%，德士古煤气化技术为78%～81%。
(2)航天炉技术原料适应性强
目前2套航天炉技术示范装置试烧过的原料从褐煤到无烟煤等多种煤种，对原料灰分、灰熔融性温度的限制比德士古煤气化技术宽松得多。航天炉的水冷壁的功能是根据灰熔融性温度的变化自动调整挂渣膜壁厚度，灰熔融性温度高的煤，水冷壁也完全能适应。而德士古煤气化技术要选用年青褐煤、含水高的煤，制备的水煤浆质量分数达不到60%以上的煤不宜选作原料，灰熔点温度>1400℃、含灰分质量分数>20%的煤也不宜选用，而这些煤完全能用于航天炉气化。
5 结语
从目前2套示范装置运行情况看：航天炉气化技术除具有壳牌炉的先进、安全、高效、无须备用炉以及比德士古煤气化技术操作简单、环境友好的特点外，还具有开车时间短、电视监控方便和直观等特点。
从上述综合分析比较可知：航天炉气化工艺是一种适合我国国情的先进的粉煤气化技术，是煤化工项目理想的选择方案之一。
