現(xiàn)代煤氣化技術發(fā)展趨勢及應用綜述

汪壽建

（中國化學工程集團公司，北京 100007）

?

現(xiàn)代煤氣化技術發(fā)展趨勢及應用綜述

汪壽建

（中國化學工程集團公司，北京 100007）

摘要：現(xiàn)代煤氣化技術是現(xiàn)代煤化工裝置中的重要一環(huán)，涉及整個煤化工裝置的正常運行。本文分別介紹了中國市場各種現(xiàn)代煤氣化工藝應用現(xiàn)狀，敘述匯總了其工藝特點、應用參數(shù)、市場數(shù)據(jù)等。包括第一類氣流床加壓氣化工藝，又可分為干法煤粉加壓氣化工藝和濕法水煤漿加壓氣化工藝。干法氣化代表性工藝包括Shell爐干煤粉氣化、GSP爐干煤粉氣化、HT-LZ航天爐干煤粉氣化、五環(huán)爐（寧煤爐）干煤粉氣化、二段加壓氣流床粉煤氣化、科林爐（CCG）干煤粉氣化、東方爐干煤粉氣化。濕法氣化代表性工藝包括 GE水煤漿加壓氣化、四噴嘴水煤漿加壓氣化、多元料漿加壓氣化、熔渣-非熔渣分級加壓氣化（改進型為清華爐）、E-gas(Destec)水煤漿氣化。第二類流化床粉煤加壓氣化工藝，主要有代表性工藝包括U-gas灰熔聚流化床粉煤氣化、SES褐煤流化床氣化、灰熔聚常壓氣化（CAGG）。第三類固定床碎煤加壓氣化，主要有代表性工藝包括魯奇褐煤加壓氣化、碎煤移動床加壓氣化和BGL碎煤加壓氣化等。文章指出應認識到煤氣化技術的重要性，把引進國外先進煤氣化技術理念與具有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)代煤化工氣化技術有機結合起來。

關鍵詞：煤氣化；市場應用；氣化特點；參數(shù)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)代煤氣化技術[1-2]是現(xiàn)代煤化工裝置當中的重中之重，涉及整個煤化工裝置的正常運行。通常煤化工裝置生產(chǎn)不好的企業(yè)都與選擇的煤氣化工藝不能穩(wěn)定長周期運行有關，煤化工生產(chǎn)與煤氣化技術的可靠、成熟、穩(wěn)定和長周期運行狀態(tài)有密切的關聯(lián)。

我國現(xiàn)代煤氣化市場上應用的先進煤氣化技術種類繁多，達幾十種，這些氣化工藝大致可以分為3類： 第一類是氣流床加壓氣化工藝，又可分為干法煤粉加壓氣化工藝和濕法水煤漿加壓氣化工藝。干法氣化有代表性的工藝有Shell爐干煤粉氣化、GSP爐干煤粉氣化、HT-LZ航天爐干煤粉氣化、五環(huán)爐干煤粉氣化、寧煤爐干煤粉氣化、二段爐干煤粉氣化、科林爐（CCG）干煤粉氣化和東方爐干煤粉氣化。濕法氣化有代表性的工藝有GE單噴嘴水煤漿加壓氣化、四噴嘴水煤漿加壓氣化、多元料漿加壓氣化、熔渣非熔渣水煤漿二級氣化、清華爐水冷壁水煤漿加壓氣化和E-gas(Destec)水煤漿氣化。第二類是流化床粉煤加壓氣化工藝，主要有代表性的工藝有U-gas灰熔聚流化床粉煤氣化、SES褐煤流化床氣化和灰熔聚常壓氣化（CAGG）。 第三類是固定床碎煤加壓氣化，主要有代表性的工藝有魯奇褐煤加壓氣化、碎煤移動床加壓氣化和BGL碎煤加壓氣化等。

上述各種氣化工藝均以適應不同的煤質差異而得到一定范圍的使用，并以一定特點、優(yōu)勢以及與煤的匹配適宜性合理而得到市場的青睞和認可，以至這些煤氣化技術在一定范圍內、適宜特定煤炭資源而存在。下文分別對一些煤氣化工藝的主要特點進行簡述。

1 干煤粉氣流床加壓氣化

1.1 Shell干煤粉加壓氣化

Shell氣化工藝[3]于1972年研究，1993年在荷蘭推出，用于燃氣發(fā)電，投煤量2000t/d。裝置包括原料煤運輸、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等工序，其中干粉煤加壓輸送需要N2或CO2。殼牌氣化爐單爐生產(chǎn)能力大，目前國內已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為3000t/d。該氣化工藝對原料煤適應范圍廣，如氣煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、高硫煤及低灰熔點的劣質煤、石油焦等均能用作氣化原料。原料煤含灰量在30%左右也能氣化，灰熔點可高達1400～1500℃。殼牌爐的主要特點是干煤粉進料、多噴嘴氣化、水冷壁內襯，氣化的高溫煤氣上行進入廢鍋進行冷卻回收熱量。冷卻后的粗煤氣經(jīng)除塵后去氣體凈化，其中一部分冷合成氣去氣化爐循環(huán)激冷高溫煤氣。該工藝具有煤轉化率高、冷煤氣效率高、有效合成氣組分高、高位余熱回收效果好、系統(tǒng)無需備爐的優(yōu)點。存在的不足有：①設備造價高，投資高的主要因素是采用帶膜式壁的廢熱鍋爐、高溫高壓陶瓷過濾器以及激冷循環(huán)氣壓縮機；②激冷用的循環(huán)合成氣需加壓，功耗較大，壓縮機也易出故障；③氣化關鍵設備結構比較復雜，制造周期長導致項目建設周期長。殼牌干煤粉氣化技術在中國的應用[3]見表1。

1.2 GSP干煤粉加壓氣化

GSP氣化工藝[2]于1975年由前民主德國GDR燃料研究所開發(fā)，1984年在德國黑水泵市Laubag建成第一套130MW的商業(yè)裝置，用于生產(chǎn)甲醇和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，投煤量720t/d。該技術現(xiàn)為西門子德國燃料氣化技術公司所有。氣化裝置包括原料煤輸送、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等工序，其中干粉煤加壓輸送需要N2或CO2并從爐子頂部聯(lián)合燒嘴進入，目前國內已建成的氣化爐能力最大為2000t/d。該氣化爐與殼牌爐的區(qū)別為：1個聯(lián)合噴嘴（單燒嘴）、合成氣下行、噴水激冷降溫、水冷壁為水進水出，熱水在廢鍋內與鍋爐給水換熱副產(chǎn)低壓蒸汽。而殼牌為飽和水進，吸熱后水汽混合物進入中壓汽包分離副產(chǎn)比氣化爐高1.0～1.4MPa的中壓蒸汽。GSP爐的主要特點是干煤粉進料、單噴嘴氣化、水冷壁內襯，氣化爐外殼設有水冷夾套，內件反應室由圓管繞成圓筒型的水冷壁，水冷壁向火面敷有碳化硅耐火襯里保護層。煤粉和氣化劑（氧氣+ 過熱蒸汽）通過設在爐頭上的一個燒嘴噴入氣化反應室，產(chǎn)生的高溫煤氣通過反應室和激冷室，與激冷室內噴嘴噴入的水進行冷卻后從出氣口快速離開氣化爐。爐渣經(jīng)底部排渣口匯集到鎖斗中，定期排入渣池。該工藝具有冷煤氣效率高、有效合成氣組分高、采用激冷流程、投資較低的優(yōu)點。存在的不足：①采用單個聯(lián)合噴嘴（開工噴嘴與生產(chǎn)噴嘴合二為一），熱負荷大，渣口磨損大，三個月左右需要維修；②合成氣中含灰量大，會影響下游工段的正常運行；③耗水量較大，點火燒嘴點火可靠性存在些問題；④碳轉化率比Shell的低，灰中殘?zhí)剂靠蛇_30%左右。煤燒嘴與氣化爐反應室匹配不是最佳，導致氣化爐膜式水冷壁燒損較嚴重。GSP氣化技術在中國的應用見表2。

表1 殼牌干煤粉氣化技術在中國的應用（截至2015年）

1.3 HT-LZ航天爐干煤粉加壓氣化

HT-LZ是由中航科技集團第一研究院開發(fā)的干煤粉氣化技術[4]，2006年完成安徽臨泉15萬噸/年甲醇裝置示范工程設計并建設，采用廢鍋流程，首套裝置于2008年8月建成調試。該工藝煤種適應性較寬，石油焦、氣煤、煙煤、無煙煤、焦炭等均可能作為氣化原料，氣化溫度可在1400～1500℃。裝置包括原料煤輸送、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等工序，其中干粉煤加壓輸送需要N2或CO2，目前國內在建的氣化爐規(guī)模最大為2000t/d。該技術采納了GSP和GE成熟的氣化工藝優(yōu)點，氣化爐上端與GSP相近，采用單個組合燒嘴，螺旋水冷壁結構，結構較為簡單。下段借鑒GE的激冷方法，采用全水激冷，使合成氣增濕飽和，有利于煤化工下游的氣體凈化等工藝。有效氣體CO+H2達92%左右，熱效率達約95%，碳轉化率99%，冷煤效率83%，比氧耗360。氣化爐結構采用水冷壁，無耐火磚襯里，具有維修簡單等優(yōu)點。多燒嘴、合成氣上行、走廢鍋流程，飽和水進，吸熱后水汽混合物進入中壓汽包分離副產(chǎn)比氣化爐高1.0～1.4MPa的中壓蒸汽。該工藝存在的不足：①氣化爐煤燒嘴與氣化反應室匹配不是最佳，膜式壁易燒壞，渣口易磨損，噴水環(huán)易燒壞，下降管易堵塞；②灰水處理工藝要進一步完善，水耗大，廢水排放量大。航天爐干煤粉氣化技術在中國的應用[4]見表3。

表2 GSP氣化技術在中國的應用（截至2015年）

1.4 五環(huán)爐干煤粉加壓氣化（寧煤爐）

五環(huán)爐[3]由中國五環(huán)工程有限公司開發(fā)，2010年與永煤龍宇公司簽訂了50萬噸/年甲醇裝置示范工程，設計2套投煤量1000t/d氣化爐并建設，氣化爐采用激冷流程，共有3臺爐子建成準備投產(chǎn)。與該爐型相對應的還有寧煤爐，即改進型的粉煤氣化爐，寧煤爐正在寧東煤化工基地由神華寧煤集團建設6臺氣化爐。五環(huán)爐內件采用豎管膜式水冷壁結構，氣化溫度高，副產(chǎn)蒸汽，四噴嘴旋流，顆粒停留時間長，炭轉化率高。合成氣與灰渣逆行，渣是依靠重力落入渣池，速度小，磨損較小，適用于氣化高灰熔點、高灰、高硫煤。采用水激冷高溫合成氣流程，主要特點為在氣化反應室上方出口設置激冷機構。正常操作時，通過設在激冷室筒壁上的多排多個水/汽組合型噴嘴實現(xiàn)對高溫合成氣霧化冷卻和固灰，取代傳統(tǒng)用后續(xù)返回合成氣進行激冷的方法，不需采用循環(huán)氣壓縮機，降低了工程投資，節(jié)約了運行費用。在輸氣管出口設置了火管式合成氣冷卻器和多管式高校旋風除塵器，取代昂貴的水管式鍋爐和高溫高壓飛灰過濾器，對氣體進行降溫和除塵。副產(chǎn)高壓蒸汽或中壓蒸汽，大幅降低能耗，減少水耗，縮短了關鍵設備的制造周期以及降低工程投資。該氣化爐有效氣體CO+H2達90%左右，熱效率達95%，碳轉化率98%，冷煤效率83%，比氧耗350，采用水冷壁結構，1400～1700℃的粗合成氣上升至氣化爐中部或上部時被水/氣混合霧液部分激冷至800℃左右，再通過管道送入水浴式激冷器浸水除塵激冷至180～260℃后離開。存在的不足是還有待于投產(chǎn)后進一步驗證各項氣化爐設計指標。

表3 航天爐干煤粉氣化技術在中國的應用（截至2015年）

1.5 二段加壓氣流床粉煤加壓氣化

二段加壓氣化爐[5]（簡稱TPRI）于1990年由西安熱工研究院開發(fā)，2006年完成36t/d中試裝置，有廢鍋流程和激冷流程，前者用于華能天津250MW IGCC發(fā)電示范裝置。對煤種具有較寬的適應性，石油焦、氣煤、煙煤、無煙煤、焦炭等均能用作氣化原料，氣化溫度在1400～1500℃范圍，采用廢鍋流程。裝置包括原料煤輸送、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等工序，其中干粉煤加壓輸送需要N2或CO2，目前國內在建的氣化爐最大能力為2000t/d。氣化爐有效氣體CO+H2達91%左右，熱效率高達約95%，碳轉化率98%，冷煤效率84%，比氧耗330。氣化爐結構采用水冷壁，無耐火磚襯里，維修簡單等。與殼牌爐的區(qū)別：二室二段反應，分級氣化。二段多噴嘴，上段噴煤粉和水蒸氣，下段噴煤粉、蒸汽和氧氣。合成氣上行走廢鍋流程，飽和水進，吸熱后水汽混合物進入中壓汽包分離副產(chǎn)比氣化爐高1.0～1.4MPa的中壓蒸汽，無冷煤氣循環(huán)冷卻。內件采用膜式水冷壁結構，爐膛分為上爐膛和下爐膛兩段。下爐膛是第一反應區(qū)，側壁上對稱正對布置4個燒嘴用于輸入粉煤、蒸汽和氧氣，反應所產(chǎn)生的高溫氣流向上流動到上爐膛反應室。上爐膛為第二反應區(qū)，在上爐膛的側壁上設有兩個對稱的正對布置二次粉煤進口，上爐壁也是膜式水冷壁。工作時，由氣化爐下段噴入干煤粉、氧氣以及蒸汽，所噴入的煤粉量占總煤量的80%～85%，下段氣化反應溫度約為1500℃。爐膛噴入粉煤和過熱蒸汽，所噴入粉煤量占總煤量的15%～20%。上段爐噴入干煤粉和蒸汽使溫度高達1500℃的高溫煤氣急冷至約1050℃，在氣化爐上部經(jīng)噴淋冷卻水激冷至 900℃左右，使其中夾帶的熔融態(tài)灰渣顆粒固化，粗煤氣離開氣化爐，進入廢鍋或激冷罐。存在的不足：①兩段氣化使得合成氣中含有少量的焦油，為后續(xù)煤氣處理帶來一定的難度；②廢熱鍋爐易粘灰堵塞，長周期運行有一定的難度，有待進一步完善。二段爐粉煤加壓氣化技術在中國的應用[5]見表4所示。

1.6 科林干粉煤加壓氣化（CCG）

CCG氣化工藝[6]起源于前東德黑水泵工業(yè)聯(lián)合體下屬燃料研究所，1979年在德國弗萊貝格建立了一套3MW中試裝置，以此為基礎在黑水泵市建成投煤量720t/d工業(yè)氣化爐氣化褐煤用作城市燃氣。2007年與兗礦貴州開陽簽約合成氨50萬噸/年，設計2套投煤量為1500t/d的氣化爐，該爐由大連金重制造有限公司制造并投產(chǎn)。該工藝煤種適應范圍較寬，石油焦、煙煤、無煙煤、焦炭、褐煤等均能用作氣化原料，氣化溫度1400～1700℃。設計有效氣體CO+H2達93%左右，冷煤效率83%，碳轉化率99%，煤耗0.69，氧耗330，氣化爐采用水冷壁結構，激冷流程，副產(chǎn)低壓蒸汽。與殼牌爐區(qū)別在：全激冷流程、水冷壁采用水進水出，熱水在廢鍋內與鍋爐給水換熱副產(chǎn)低壓蒸汽，取消了昂貴的對流廢鍋、陶瓷過濾器、循環(huán)氣壓縮機；投資低，雙爐運行；多噴嘴頂置下噴、同向布置可克服對置噴嘴互相磨蝕，保證粉煤在反應空間分布均勻。

表4 二段爐粉煤加壓氣化技術在中國的應用（截至2015年）

1.7 四噴嘴對置式干煤粉加壓氣化（東方爐）

四噴嘴干法氣化[5]是由華東理工大學、兗礦魯南化肥廠和天辰公司開發(fā)的干煤粉氣化技術，2004年完成千噸級高灰熔點、煤粉氣流床示范裝置以及水冷壁氣流床中試基地，采用激冷流程，第一套裝置依托兗礦集團貴州開陽化工1200t/d工程。該工藝煤種范圍寬，石油焦、煙煤、無煙煤、焦炭等均能作為氣化原料，氣化溫度1500℃。設有原料煤輸送、煤粉制備、氣化、除塵和余熱回收等工序，其中干粉煤加壓輸送需要N2或CO2，屬氣流床加壓氣化。設計有效氣體CO+H289%左右，熱效率約95%，碳轉化率98%，冷煤效率79%，比氧耗350。氣化爐結構采用對置式水冷壁，無耐火磚襯里。

2 水煤漿氣流床加壓氣化

2.1 GE水煤漿加壓氣化

GE氣化工藝[3]前身是德士古水煤漿氣化工藝，于1978年推出，裝置包括原料煤運輸、水煤漿制備、氣化等工序，采用加壓煤漿泵輸送水煤漿入爐。該輸送系統(tǒng)比干粉煤加壓氣化輸送系統(tǒng)要簡單和安全。氣化單爐生產(chǎn)能力較大，目前國內已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為2000t/d。對原料煤適應性較寬，其中氣煤、煙煤、次煙煤及低灰熔點的原料混合煤等可作為水煤漿氣化的原料。對原料煤中含灰量和灰熔點有一定的要求，特別是灰熔點要低于1300℃。主要特點是水煤漿進料、單噴嘴下噴式，大部分是采用水激冷工藝流程。從氣化爐出來的粗煤氣直接用水激冷。該工藝有效氣體CO+H2高達80%左右，熱效率高達約85%，碳轉化率96%，冷煤效率76%，比氧耗410。氣化爐結構簡單，為耐火磚襯里，制造方便、造價低。煤氣除塵簡單，無需價格昂貴的高溫高壓飛灰過濾器等，采用激冷流程，單燒嘴，有備爐。存在的不足：①與濕法氣化有關，水煤漿中含有約40%的水，使它的熱值降低，能耗極大地增加；②對原料煤的使用比較嚴格，如成漿性差的煤、灰分含量較高、灰熔點高的煤均不宜使用；③冷煤氣效率較低，碳轉化率較干法要低，約為96%；④比氧耗在各種氣流床工藝中最高；⑤采用熱爐壁，耐火磚造價高，壽命不到二年。GE水煤漿氣化技術在中國的應用[7]見表5。

2.2 四噴嘴水煤漿加壓氣化

四噴嘴水煤漿加壓氣化[8]是由華東理工大學、兗礦魯南化肥廠和天辰公司開發(fā)的技術，1996年開發(fā)新型水煤漿氣化爐和關鍵部件，2000年推出工藝包并完成基礎工作研究。2004年山東華魯恒升750t/d 6.5MPa投產(chǎn)運行，目前國內已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為3000t/d。與GE氣化爐的區(qū)別是多噴嘴對置式氣流床氣化爐單爐負荷大，消除短路。多噴嘴對置式實現(xiàn)氣化區(qū)流場結構多元化，有射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流區(qū)、回流區(qū)、折流區(qū)和管流區(qū)，霧化加撞擊混合效果好，平推流長氣化反應進行完全。同時多噴嘴氣化吸收了GE的一些優(yōu)點，采用側壁燒嘴對置布置，對激冷室進行了創(chuàng)新，避免渣堵塞氣流通道。有效氣體CO+H2高達84.9%，熱效率高達約85%，碳轉化率98.8%，冷煤效率76%，比氧耗309，比煤耗535。氣化爐為耐火磚襯里，造價低。采用激冷流程，煤氣除塵簡單，四（多）噴嘴，有備爐。存在的不足：①合成氣體帶水較嚴重、阻力降大、激冷罐液位不易控制等問題；②濕法所具有的共同特點，含水量高達40%左右，能耗高，水的蒸發(fā)消耗氧氣；③燒嘴和氣化爐耐火磚的使用壽命決定必須要有備爐。四噴嘴對置式水煤漿氣化技術在中國的應用[8]見表6。

2.3 多元料漿加壓氣化

多元料漿氣化工藝[2]是由西北化工研究院開發(fā)的技術，1967年開始研究并建立中試裝置，1999年實現(xiàn)工業(yè)化應用。目前國內已投產(chǎn)的氣化爐能力最大為2000t/d。料漿濃度在60%～68.5%，有效氣體CO+H2高達83.4%，熱效率高達約85%，碳轉化率98%，冷煤效率73%，比氧耗362，比煤耗575。氣化爐為耐火磚襯里，造價低。采用激冷流程，有備爐。與GE爐的區(qū)別：煤液化殘渣、生物質、紙漿廢液和有機廢水等原料適應范圍廣，既可液態(tài)也可固態(tài)排渣，不會形成對耐火材料腐蝕；氣化劑可選用空氣、富氧和純氧；氣化爐分為熱壁爐和冷壁爐兩種，可供選擇，激冷室由下降管、上升管和溢流式激冷結構組成；噴嘴采用多通道結構，霧化效果與氣化爐結構匹配；氣化工藝后續(xù)關鍵部分也有較大改進。存在的不足與GE和四噴嘴存在的問題類似。多元料漿氣化技術在中國的應用[2]見表7。

2.4 非熔渣-熔渣分級加壓氣化（改進型為清華爐）

非熔渣-熔渣分級氣化[9]是由北京達立科公司和清華大學熱能研究所開發(fā)的技術，2001年開始專利研究和熱態(tài)試驗，2006年推出工藝包并完成工程設計。2006年在山西豐喜建設了首套20萬噸甲醇裝置并投產(chǎn)運行。與GE爐的區(qū)別：采用分級供氧氣化，使主燒嘴附近溫度降低，有助于延長燒嘴使用壽命。主燒嘴可以脫離部分氧化反應所需的碳與氧的當量比約束。主燒嘴可采用各種配比的含氧氣體作為預混氣體。該爐后續(xù)由清華大學進一步完善改進為氣化爐，是第一代爐的升級版。特別是將耐火材料磚改為水冷壁是這種氣化爐的一大亮點。水煤漿水冷壁清華加壓氣化技術在中國的應用[9]見表8。

表5 GE水煤漿氣化技術在中國的應用（截至2015年）

表6 四噴嘴對置式水煤漿氣化技術在中國的應用（截至2015年）

2.5 E-gas(Destec)水煤漿加壓氣化

E-gas氣化[2]是在德士古水煤漿氣化基礎上發(fā)展的，1979年由Dow化學公司根據(jù)二段氣化概念開發(fā)，1983年建550t/d空氣氣化、1200t/d氧氣氣化示范裝置，1985年Dow化學在路易斯安那建設了1475t/d干煤氣化爐用于160MW IGCC發(fā)電裝置，后改為Destec氣化。與GE爐區(qū)別在：采用二段反應分級氣化，第一段水平安裝，在高于煤的灰熔點1300～1450℃下操作，進行部分氧化反應，第一段兩頭同時進煤漿和氧氣，熔渣從底部經(jīng)激冷減

壓后排出；煤氣經(jīng)中央上部進入二段，這也是一個氣流夾帶反應器，垂直安裝在第一段中央。入口噴10%～20%的煤漿，利用一段煤氣顯熱來氣化二段煤漿。

表7 多元料漿氣化技術在中國的應用（截至2015年）

表8 水煤漿水冷壁清華加壓氣化技術在中國的應用（截至2015年）

3 粉煤流化床加壓氣化

3.1 U-gas灰熔聚流化床粉煤加壓氣化

U-gas是美國煤氣化技術研究所開發(fā)的，在芝加哥建有25t/d中試裝置，法國南希大學在20世紀50年代進行過試驗，驗證了該技術可行，1995年在上海焦化廠建有8套U-gas氣化爐裝置，灰熔聚流化床粉煤氣化技術是在灰熔點的溫度下操作，使灰黏聚成球，可以選擇性脫去灰塊。該氣化爐對原料煤有一定要求，當用煙煤時，粒度要求在0～6.35mm，氣化溫度1000～1100℃。屬流化床加壓氣化，有效氣體CO+H2達37.1%，CH43.4%，碳轉化率96.07%，空氣耗2.8～3.3kg、蒸汽耗0.4～0.6kg、灰渣含碳5%～10%，煤氣熱值5860kJ/m3。工藝煤粉在氣化爐內被從底部高速進入的氣化劑氧氣（或富氧）、空氣和水蒸氣流化，使床層的煤?；伊７序v起來，在1000℃高溫下發(fā)生煤的干燥、干餾、燃燒和熱解，水蒸氣被分解以及和碳的還原反應，最終達到氣化。U-gas氣化爐在氣化床下部設有灰黏聚分離裝置，爐內形成局部高溫區(qū)，使灰渣在高溫區(qū)內相互黏結，團聚成球，借助重量的差異達到灰球和煤粒的分離，降低灰含碳量，提高碳的利用率。3.2 SES褐煤流化床加壓氣化

SES氣化褐煤技術是美國綜合能源系統(tǒng)有限公司投資開發(fā)的，與河南義馬煤業(yè)集團公司合資建設。該技術來源于美國燃氣技術研究院（GTI）U-gas氣化技術，在山東棗莊建成投產(chǎn)。采用褐煤氣化，粒度在0～6.35mm，氣化溫度1000～1100℃。有效氣體CO+H2達37.1%，CH43.4%。碳轉化率96%，冷煤效率83%，國產(chǎn)化率達95%。褐煤在氣化爐內被從底部高速進入的富氧和水蒸氣流化，在1000℃高溫下發(fā)生煤的氣化反應。裝置設有旋風分離循環(huán)系統(tǒng)，采用多級旋風、多級氣化工藝，提高碳轉化率；耐火材料構建方案，袋式除塵運轉系統(tǒng)，底部排放冷卻系統(tǒng)，利用合成氣干法除塵、干法排渣、避免產(chǎn)生大量污水；具有生產(chǎn)城市煤氣或天然氣的優(yōu)勢。

3.3 灰熔聚常壓氣化（CAGG）

灰熔聚煤氣化工藝由中國科學院山西煤炭化學研究所完成中試，以此為基礎，與陜西秦晉煤氣化工程設備公司進行合作，在陜西城化股份有限公司建示范裝置。設計氣化爐1臺，常壓氣化。爐子下部內徑φ2.4m，上部φ3.7m，高15.3m，用92%的富氧和水蒸氣作氣化劑，入爐煤4.2t/h，生產(chǎn)合成氣9210m3/h，壓力0.03～0.05MPa，2001年3月建成投產(chǎn)。該工藝對原料煤有一定要求，當用煙煤時，粒度在0～6.35mm，氣化溫度1000～1100℃。屬流化床氣化，有效氣體CO+H2達40.3%，CH42.3%。碳轉化率90.6%，富氧/煤0.59、蒸汽/煤0.9、灰渣含碳8.2%，煤氣熱值9120kJ/m3。工藝裝置運營情況，含H2O＞8%的原煤入爐易堵塞，操作溫度波動大。干燥到5%以下才適應。由于選用煤粒太細，小于1mm的占35%～40%，細粉易帶到煤氣洗滌水中，造成碳損失大，要求煤粒度小于1.0mm的應控制在20%以下，大同煤焦渣特性為6，屬黏結性煤，初始投煤氣化溫度為1040℃時發(fā)現(xiàn)結渣，排渣困難，降溫破黏后排渣暢通，氣化爐運行較穩(wěn)定。

4 碎煤固定床加壓氣化

4.1 魯奇固定床加壓氣化

魯奇固定床加壓（常壓）氣化工藝是1978年從德國魯奇公司引進的，最早用于山西天脊集團1000t/d合成氨裝置，云南解化合成氨裝置。其后用于河南義馬煤氣廠和黑龍江哈爾濱氣

化廠生產(chǎn)城市煤氣。該工藝適用于褐煤、不黏結性或弱黏結性的煤，要求煤的熱穩(wěn)定性好和活性好、灰熔點和機械強度高。褐煤破碎篩分后，約64%的小粒煤間歇加入氣化爐，約36%粉煤作為鍋爐燃料；原料煤在氣化爐內停留時間約1h。蒸汽和氧氣由爐底部進入，通過爐篦均勻分布在燃料層；灰渣則通過爐篦均勻恒定地排至密封料斗排渣系統(tǒng)間歇固態(tài)排出。操作時需加入過量蒸汽，以防爐篦結渣，氣化爐頂出來的氣體溫度為300～600℃，進入急冷器，用循環(huán)煤氣水急冷后入廢熱鍋爐，進一步冷卻到180℃。設計煤粒度8～50mm，氣化溫度900～1050℃。固定床連續(xù)氣化，粗煤氣中CO+H260%～45%，H2/CO 2.17，CH49%，單爐粗煤氣量Mark-1 800m3/h，Mark-2 14000m3/h，Mark-3 32000m3/h，Mark-4 35000～55000m3/h，Mark-5 75000m3/h。

4.2 碎煤移動床加壓氣化

碎煤移動床加壓氣化工藝是在引進德國魯奇公司技術，結合山西天脊合成氨裝置的消化吸收基礎上再創(chuàng)新的技術，由賽鼎公司開發(fā)完善，其后在河南義馬煤氣廠的二期和潞安合成油廠用于生產(chǎn)城市煤氣。該工藝尤適用于褐煤氣化制備甲烷氣。褐煤經(jīng)破碎篩分后，約70%～80%小粒煤間歇地加入氣化爐，約20%～30%煤粉作為鍋爐燃料。蒸汽和氧氣由爐底部通過爐篦均勻分布進入燃料層?；以鼊t通過爐篦均勻恒定地間歇固態(tài)排出。為防爐篦結渣，操作時加入過量蒸汽。目前氣化爐設有兩種爐型：φ2800/φ3500，采用煤粒度6.35～50mm，氣化溫度900～1050℃。固定床加壓連續(xù)氣化，粗煤氣中CO+H249%～52%，CH412%～14%，氧耗209m3/t 煤 、蒸汽耗0.895t/t煤，產(chǎn)油率2.34%，單爐產(chǎn)粗煤氣40000m3/h，產(chǎn)廢水37t/h，粗煤氣產(chǎn)率962m3/t煤。該氣化爐存在的不足：①煤氣化后的含酚廢水難以處理，由于在較低溫度下進行的煤氣化反應，導致煤炭中各種礦物質以及堿金屬氧化物和少量有害成分進入廢水中，使得廢水成分復雜，處理難度加大，環(huán)保影響較大；②煤炭開采過程中的塊煤和碎煤比例如果不合適，會導致粉煤量過多而難以處理；③煤焦油的同步處理技術要進一步完善。魯奇固定床加壓（碎煤）氣化技術在中國的應用見表9所示。

4.3 BGL移動床加壓氣化

BGL移動床加壓氣化工藝由魯奇公司和英國燃氣公司共同擁有，在原魯奇爐基礎上進行了改進，用于生產(chǎn)燃氣。適用于褐煤、不黏結性或弱黏結性的煤，要求褐煤成型或選擇6～50mm的碎煤作為原料。該工藝將高溫熔渣氣化與魯奇氣化進行了結合。在1300℃以上的氣化下，99.5%的碳被氣化，在氧耗相當時，氣化劑的汽/氧比為1.1～1.2，蒸汽用量大幅降低，90%～95%的蒸汽分解。采用高溫熔渣氣化后，去掉了大型排渣爐篦和傳動設備，改變了氣化劑的輸入模式，以環(huán)向對中分布的氣化劑噴嘴和燃氣控制的間歇液體排渣系統(tǒng)。碎煤或型煤從氣化爐頂部進入，在氣化爐內加熱、干燥、干餾、氣化和熔渣及均勻恒定地間歇液態(tài)排出。氣化爐頂出來的氣體溫度為300～600℃，進入急冷器，用循環(huán)煤氣水急冷后入廢熱鍋爐。氣化溫度1100～1300℃。固定床連續(xù)氣化，粗煤氣CO+H280%～85%，H2/CO 0.5～58，CH45%～7%，氧耗230～330m3/t煤、蒸汽耗0.22～0.32t/t煤，產(chǎn)油率2.14%，單爐產(chǎn)粗煤氣58000～68000m3/h，廢水11t/h，粗煤氣產(chǎn)率1600～2000m3/t煤。

表9 魯奇固定床加壓（碎煤）氣化技術在中國的應用（截至2015年）

5 現(xiàn)代煤氣化技術的市場份額分析

通過對這些煤氣化技術市場應用的用戶數(shù)據(jù)分析，可以直觀地判斷幾種主要的氣化工藝在煤氣化市場所占的比例和份額，這從另一個側面可使技術人員對煤氣化工藝的選擇有一個參照系。表10 是部分煤氣化工藝的市場應用情況分析。

表10中所示是對所選擇的9種氣化爐工藝進行了統(tǒng)計，由于其他的氣化爐在市場擁有的用戶數(shù)量較少，未列入表中。表10列入的各種氣化爐在現(xiàn)代煤化工裝置中，特別是五大示范工程中，如煤制油、煤制烯烴和煤制天然氣項目里面，所用爐子數(shù)量多，但項目發(fā)生了變化。另一方面，在我國宏觀經(jīng)濟新常態(tài)下，對現(xiàn)代煤化工在技術、環(huán)保以及三廢排放方面采取了更嚴格的準入條件，因此很多煤化工項目處于待建狀態(tài)，雖然氣化爐合同已簽，但項目何時啟動還是一個未知數(shù)，真正的用戶和擁有的氣化爐還是一個變數(shù)。

表10 現(xiàn)代煤氣化技術的市場份額統(tǒng)計表

從表10中可知，氣化爐濕法比干法占有的份額要多，如GE爐、四噴嘴爐、多元料槳爐以及清華爐所占有的用戶比例份額都比較高，但由于多元料槳爐以及清華爐的產(chǎn)能并不是很大。干法中殼牌爐、GSP爐和航天爐無論所占用戶比例還是氣化爐規(guī)模上都占有一定的優(yōu)勢，特別是氣化能力上更是占有一席之地。而固定床氣化爐由于在合成氣甲烷含量較高的特征下，在煤制天然氣項目中所占比例非常高，這是以魯奇為代表的碎煤固定床的一大優(yōu)勢，但也因為氣化廢水的酚氨處理以及環(huán)保零排放的要求，對這類爐子提出了更嚴格的挑戰(zhàn)。

從表10中可知，表中所列的9種現(xiàn)代煤氣化爐子的年氣化消耗煤炭量在2億噸左右，如果再考慮其他的現(xiàn)代煤氣化爐可能會超過2.5億噸。另一方面也看到，由于氣化爐的備爐要求，有將近三分之一的氣化能力得以閑置，約占0.7億噸氣化煤炭。這部分備用能力主要集中在濕法氣化爐的工藝上面，由于水煤漿三相流摩擦特性對氣化噴嘴的磨損以及耐火材料磚的使用壽命起決定作用。一般而言，粉煤氣流床加壓氣化工藝比粉煤加壓流化床加壓工藝效率要高，而粉煤加壓流化床加壓工藝又比碎煤固定床加壓氣化工藝效率要高。氣流床按干法和濕法區(qū)分，顯然干法因煤炭中的水分要比濕法少得多，濕法蒸發(fā)這些水分成為蒸汽所消耗能量也要大得多，再就是上面所述的氣化爐備用爐問題。

綜上所述，我國“十二五”期間現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，以煤化工調整產(chǎn)業(yè)結構，轉變經(jīng)濟增長方式，取得了巨大成效。而潔凈煤的氣化是發(fā)展現(xiàn)代煤化工的關鍵環(huán)節(jié)和抓手，要充分認識煤氣化技術研發(fā)的重要性，統(tǒng)籌兼顧，把引進國外先進的煤氣化技術理念與具有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)代煤氣化技術有機結合起來，為現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展打下堅實的基礎。

參 考 文 獻

[1] 賀百廷. 煤氣化技術的進展與選擇分析[J]. 煤化工，2013（4）：1.

[2] 汪壽建. 國內外新型煤化工及煤氣化技術發(fā)展動態(tài)分析[J]. 化肥設計，2011（1）：2.

[3] 中國五環(huán)工程有限公司. 粉煤氣化技術交流報告[C]. 2015.

[4] 航天長征化學公司. 航天爐粉煤氣化裝置運行及技術發(fā)展報告：新型煤氣化技術與煤質專題技術報告集[C]. 2015.

[5] 陶繼業(yè). 兩段式煤粉加壓氣化技術及工程應用：新型煤氣化技術與煤質專題技術報告集[C]. 2015.

[6] 德國科林煤氣化公司. 德國科林煤氣化技術簡介[R]. 2014. 未發(fā)表.

[7] 通用電氣神華氣化技術公司. 煤基芳烴GE氣化初步方案[R]. 2014. 未發(fā)表.

[8] 華東理工大學. 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術[R]. 2015. 未發(fā)表.

[9] 張建勝. 水煤漿水冷壁清華爐應用及其對煤種適應性[C]//中國能源學會. 2014新型煤氣化技術與煤質專題技術研討會. 北京，2015.

綜述與專論

Development and applicatin of modern coal gasification technology

WANG Shoujian
（China National Chemical Engineering Group Corporation，Beijing100007，China）

Abstract：Modern coal gasification technology is an important part of modern coal chemical industrial plants，involving stable operation of the entire coal plant. This paper introduces application of modern coal gasification technologies in China，summarizes characteristics of gasification processes，application parameters，market data，etc. The first class gasification technology is entrained-bed gasification process，which can be divided into dry pulverized coal pressurized gasification and wet coal-water slurry pressurized gasification. The typical dry pulverized coal pressurized gasification technologies include Shell Gasifier，GSP Gasifier，HT-LZ Gasifier，WHG (Ning Mei) Gasifier，Two-stage Gasifier，CHOREN CCG Gasifier，SE Gasifier. The typical wet coal-water slurry pressurized gasification technologies include GE (Texaco) Gasifier，coal-water slurry gasifier with opposed multi-burners，Multi-component Slurry Gasifier，Non-slag/slag Gasifier (modified as Tsinghua Gasifier)，E-gas (Destec) Gasifier. The second class gasification technology is fluidized-bed coal gasification process. The typical fluidized-bed coal gasification technologies include U-gas Gasifier，SES Lignite Gasifier，CAGG Gasifier. The third class gasification technology is fixed-bed coal gasification process. The typical fixed-bed coal gasification technologies include Lurgi Lignitebook=654,ebook=7Gasifier，Crushed coal Pressure Gasifier，BGL Gasifier. This paper points out the importance of coal gasification and recommends the strategic goal of combination of foreign advanced coal gasification concepts and modern coal gasification technologies with independent intellectual property rights.

Key words：coal gasification；market applications；characteristics of gasification；parametric data analysis

收稿日期：2015-09-14；修改稿日期：2015-12-17。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.001

中圖分類號：TQ 536.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0653–12

作者：汪壽建（1956—），男，教授級高級工程師，中國化學工程集團公司總工程師，長期從事化工、煤化工工程設計、開發(fā)及技術管理工作。E-mail wangsj@cncec.com.cn。