中國(guó)煤氣化技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用概況

王 倩，張小慶，楊永忠，白 斌，趙 博，朱端旭

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

據(jù)BP《2013年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2012年中國(guó)煤炭消費(fèi)量首次超過全球一半，占比高達(dá)50.22%。此后，中國(guó)煤炭消費(fèi)量一直在全球一半以上?？偹苤禾恐苯尤紵欧诺挠泻怏w和煙灰會(huì)使生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，但由于中國(guó)“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦決定了在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭仍將是主要能源，因此改變煤炭的利用方式刻不容緩[1]。

發(fā)展煤炭氣化技術(shù)是中國(guó)煤炭清潔利用的重要途徑之一[2]。煤氣化是現(xiàn)代煤化工的龍頭技術(shù)，無論是以生產(chǎn)油品為主的煤液化，還是以生產(chǎn)化工產(chǎn)品如合成氨、甲醇、烯烴等為主的煤化工，選擇合適的煤氣化技術(shù)都是整個(gè)生產(chǎn)工藝的核心。十三五以來，我國(guó)在建、擬建的大型煤化工項(xiàng)目對(duì)煤氣化技術(shù)有強(qiáng)勁的需求，但從工業(yè)化應(yīng)用來看，煤氣化技術(shù)仍然是制約我國(guó)煤化工綠色可持續(xù)發(fā)展的因素之一。因此，加快發(fā)展煤氣化技術(shù)是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康、高速發(fā)展的客觀要求，同時(shí)也是加快“生態(tài)文明”建設(shè)、實(shí)現(xiàn)“美麗中國(guó)”的內(nèi)在需求。

1 中國(guó)引進(jìn)的國(guó)外煤氣化技術(shù)[3-5]

1.1 固定床氣化工藝

固定床氣化技術(shù)一般是爐頂加料，氣化劑由爐底加入。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，同時(shí)由于氣化劑與煤逆流接觸，氣化比較完全，熱量利用合理，具有較高的熱效率。常見的固定床氣化爐有間歇式氣化(UGI)爐和連續(xù)式氣化(魯奇Lurgi)爐2種。

UGI爐是20世紀(jì)30年代開發(fā)成功的，以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產(chǎn)合成原料氣或燃料氣，其特點(diǎn)是設(shè)備制造和操作簡(jiǎn)單、投資少。但是，在日益重視規(guī)?；?、環(huán)境保護(hù)和能源利用率的今天，這種常壓煤氣化技術(shù)處理能力低、三廢排量大，還必須使用無煙塊煤的局限性變得日益突出。UGI爐目前已屬于落后的技術(shù)，國(guó)外早已不再采用。但我國(guó)目前仍有近4000臺(tái)UGI爐在運(yùn)轉(zhuǎn)。

魯奇爐最早于1927年開發(fā)成功，迄今共經(jīng)歷了四代技術(shù)。特別是1974年，魯奇公司與薩索爾公司合作開發(fā)出第四代加壓氣化爐，該爐幾乎能適應(yīng)各種煤種，且單爐產(chǎn)氣量大幅提高。此外，魯奇公司還開發(fā)了液態(tài)排渣技術(shù)，大幅提高了爐內(nèi)燃燒區(qū)的溫度，以及蒸汽分解率和煤氣質(zhì)量。但魯奇爐也有其缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修費(fèi)用大，出爐煤氣含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、渣含碳等。我國(guó)在上世紀(jì)60年代就引進(jìn)了魯奇爐并在云南投產(chǎn)，90年代天脊煤化工集團(tuán)公司從德國(guó)引進(jìn)了4臺(tái)Ⅳ型魯奇爐。目前，國(guó)內(nèi)在用魯奇爐的廠家有云南解化、哈爾濱煤機(jī)廠和義馬煤氣廠等，在建的有山西潞安礦、新疆廣匯等。

1.2 流化床氣化工藝

流化床氣化以空氣或氧氣或富氧蒸汽為氣化劑，在適當(dāng)?shù)拿毫６群蜌馑傧?，使床層中粉煤沸騰(故又稱沸騰床氣化)，氣固兩相充分混合接觸，高溫下進(jìn)行煤氣化。常見的流化床氣化爐有溫克勒(Winkler)、灰熔聚(U-Gas)、循環(huán)流化床(CFB)、加壓流化床等。

1.2.1 恩德粉煤氣化技術(shù)

國(guó)內(nèi)代表性的Winkler技術(shù)是引進(jìn)朝鮮平壤技術(shù)貿(mào)易中心的恩德粉煤流化床氣化技術(shù)。恩德氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是煤種適應(yīng)性較寬、氣化強(qiáng)度大、合成氣組成可調(diào)節(jié)性強(qiáng)、合成氣凈化較簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、投資/運(yùn)行費(fèi)用低等。缺點(diǎn)有煤質(zhì)要求高、產(chǎn)渣量大、循環(huán)水用量大，且污水回用方法不完善等。恩德粉煤氣化技術(shù)于上世紀(jì)90年代進(jìn)入中國(guó)。目前有景德鎮(zhèn)焦化煤氣總廠、黑化集團(tuán)有限公司、長(zhǎng)山化肥集團(tuán)有限公司、淮南化肥廠等采用此技術(shù)。

1.2.2 U-Gas 氣化技術(shù)

U-gas氣化工藝由美國(guó)煤氣工藝研究所(IGT)開發(fā)，其顯著特點(diǎn)是氣化劑分兩處進(jìn)入反應(yīng)器，能選擇性排灰，降低了傳統(tǒng)流化床底部灰渣碳含量。U-gas能將高粘性，高硫和高灰分煤轉(zhuǎn)化成中、低熱值燃?xì)?，代替天然氣和燃料油，還可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或化工生產(chǎn)。1993年上海焦化廠引進(jìn)了U-gas煤氣化技術(shù)，這也是世界上第一套U-gas工業(yè)化裝置。2008年，美國(guó)綜合能源系統(tǒng)公司依托其U-Gas氣化技術(shù)，與河南義馬煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司正式簽訂1000萬標(biāo)準(zhǔn)m3/d煤制氣合資經(jīng)營(yíng)合同，義馬長(zhǎng)焰煤在U-Gas氣化裝置上成功試燒。目前，U-Gas氣化技術(shù)通過投資、合作等方式，已經(jīng)在中國(guó)推廣利用于三個(gè)煤化工項(xiàng)目。

1.3 氣流床氣化工藝

氣流床氣化是一種并流式氣化，主要有水煤漿、干煤粉2類，分別以Texaco、Shell技術(shù)為代表。干粉進(jìn)料主要有K-T(Koppres-Totzek)爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐；水煤漿進(jìn)料主要有德士古(Texaco)氣化爐、Destec爐等。氣流床氣化優(yōu)點(diǎn)主要包括：煤種適應(yīng)范圍較寬、工藝靈活、合成氣質(zhì)量高、氣化壓力高，生產(chǎn)能力高，三廢少且處理較方便。氣流床代表了當(dāng)今技術(shù)發(fā)展潮流。

1.3.1 Texaco(德士古)氣化技術(shù)

德士古氣化技術(shù)由美國(guó)德士古發(fā)展公司在1948年發(fā)明，現(xiàn)已成為水煤漿進(jìn)料的代表性技術(shù)。它具有煤種適應(yīng)性較強(qiáng)、氣化壓力高、有效氣含量高、廢水容易處理等優(yōu)點(diǎn)。但由于水煤漿含有約35%水，導(dǎo)致其工藝氧耗較高。此外，該技術(shù)還具有噴嘴壽命短、需以低灰和低灰熔點(diǎn)煤為原料，高溫操作，設(shè)備投資高等不足。從1986年開始，國(guó)內(nèi)迄今為止共引進(jìn)44套Texaco裝置。經(jīng)過多年消化吸收和再創(chuàng)新，我國(guó)在該領(lǐng)域中積累了豐富的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，基于水煤漿的氣化技術(shù)已成為我國(guó)現(xiàn)代煤化工的首選技術(shù)之一。

1.3.2 E-gas氣化技術(shù)

E-gas技術(shù)最早由Destec公司開發(fā)，采用水煤漿原料，兩段氣化。由于采用了二段氣化，所以提高了煤氣熱值，降低了氧耗，并使出口煤氣溫度降低，省去了昂貴的廢鍋，使造價(jià)降低，二段耐火磚壽命也更長(zhǎng)。此外，工藝中使用多級(jí)熱回收，大大提高了總熱利用效率。E-gas氣化技術(shù)已擁有超過20年的工業(yè)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，單爐的最大處理能力達(dá)3000 t/d。E-gas爐缺點(diǎn)是二次水煤漿停留時(shí)間短，碳轉(zhuǎn)化率較低。此外，商業(yè)化試驗(yàn)中使用的煤種只有次煙煤，期待使用更多的煤種試驗(yàn)。

1.3.3 Shell粉煤加壓氣化技術(shù)

Shell氣化在高溫加壓工況下進(jìn)行，煤粉、氧氣及少量蒸汽在加壓條件下并流進(jìn)入爐內(nèi)，極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升溫脫除揮發(fā)分、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等過程，產(chǎn)生以CO和H2為主的合成氣。其特點(diǎn)是：1)煤種適應(yīng)范圍寬，原則上能使用任何煤種。2)能源利用效率高。典型條件下，Shell技術(shù)的碳轉(zhuǎn)化率可高達(dá)99%，氣化效率80%～83%；3)單爐氣能力高；4)環(huán)境友好。缺點(diǎn)是由于設(shè)計(jì)問題和缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行不穩(wěn)定，開車代價(jià)昂貴等。Shell粉煤加壓氣化技術(shù)自2003年由中石化岳陽分公司引進(jìn)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來，國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)與Shell公司簽訂了19份合同，共引進(jìn)了23臺(tái)氣化爐，目前已有11臺(tái)爐子開車運(yùn)行。

1.3.4 GSP氣化技術(shù)

GSP氣化工藝主要由給料系統(tǒng)、氣化爐、粗煤激冷洗滌、灰渣處理、黑水處理等單元構(gòu)成。其工藝特點(diǎn)是較寬的煤種適應(yīng)性、碳轉(zhuǎn)化率可大于99%、產(chǎn)品氣潔凈，有效氣體達(dá)到90%以上、冷煤氣效率78%～83%，單爐生產(chǎn)能力大，采用水冷壁無耐火磚，設(shè)備壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。但是由于其氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下部帶輻射式廢鍋，一次性投資高昂。2007年，神華寧煤烯烴項(xiàng)目采用GSP技術(shù)。同年，山西蘭花煤化工有限責(zé)任公司的“晉城3052項(xiàng)目”也采用了GSP氣化爐。此后，GSP在國(guó)內(nèi)陸續(xù)打開市場(chǎng)，目前共有6家企業(yè)采購15套GSP爐?？偟膩碚f，GSP爐在國(guó)內(nèi)還處于示范和市場(chǎng)開拓階段。

2 我國(guó)煤氣化技術(shù)進(jìn)展[6-8]

煤氣化在中國(guó)已有近百年的歷史，做了大量工作并取得了重要進(jìn)展。

2.1 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)(華東理工大學(xué))

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)是華東理工大學(xué)開發(fā)的新型環(huán)境友好型煤氣化技術(shù)。其特點(diǎn)有：(1)預(yù)膜式噴嘴，使煤漿高效霧化；(2)多噴嘴進(jìn)料在爐內(nèi)形成撞擊流場(chǎng)，強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱；(3)創(chuàng)新合成氣洗滌冷卻系統(tǒng)，合成氣凈化效果好，設(shè)備不易結(jié)垢堵灰；(4)黑水回收與除渣單元采用蒸汽與返回灰水直接接觸方案，換熱效果好，灰水溫度高、蒸汽利用充分，且設(shè)備不易結(jié)垢堵灰?！笆晃濉逼陂g，該技術(shù)就被認(rèn)可和接受，目前已經(jīng)推廣13家企業(yè)，共35臺(tái)氣化爐，此外2008年美國(guó)Valero能源公司也引進(jìn)了5臺(tái)氣化爐。

2.2 多元料漿新型氣化技術(shù)(西北院)

多元料漿氣化技術(shù)是西北化工研究院開發(fā)的新型氣化技術(shù)，主要以煤、石油焦、瀝青等含碳?xì)湮镔|(zhì)為原料制漿，料漿在內(nèi)置溢流式激冷器的氣化爐內(nèi)加壓氣化、洗滌后生成合格的原料氣。該技術(shù)氣化主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：冷煤氣效率～75%，碳轉(zhuǎn)化率～98%，CO+H2～83%，1000 Nm3有效氣體耗煤約650 kg，耗氧約400 Nm3。目前已推廣應(yīng)用到20多套工業(yè)裝置上，工業(yè)應(yīng)用表明氣化指標(biāo)優(yōu)良。

2.3 非熔渣-熔渣分級(jí)氧化氣化技術(shù)(清華、達(dá)立科)

非熔渣-熔渣分級(jí)氣化技術(shù)由清華大學(xué)、北京達(dá)立科科技有限公司、山西豐喜肥業(yè)集團(tuán)合作開發(fā)。其特點(diǎn)是通過氧氣分級(jí)供給，改善了主燒嘴局部區(qū)域氧化強(qiáng)度過高的現(xiàn)象，使?fàn)t內(nèi)軸向溫度均衡并提高，充分發(fā)揮氣化爐的氣化功能。此外，該設(shè)計(jì)還有利于降低主燒嘴端部溫度，延長(zhǎng)燒嘴壽命?！胺侨墼?熔渣分級(jí)氧化氣化技術(shù)工業(yè)示范項(xiàng)目”于2006年2月在山西建成投產(chǎn)，投煤量為500 t/d，2007年10月通過現(xiàn)場(chǎng)考核，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.4 兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)(西安熱工院)

兩段式干煤粉氣化工藝(TPRI氣化工藝)由西安熱工院開發(fā)，其氣化爐分為上爐膛和下爐膛兩段，爐內(nèi)壁是水冷壁式。TPRI具有煤種適應(yīng)性好，運(yùn)行穩(wěn)定，碳轉(zhuǎn)化率高、冷煤氣效率和有效氣成分高等優(yōu)勢(shì)。2006年，該技術(shù)通過科技部組織的項(xiàng)目驗(yàn)收。2010年，2000 t/d級(jí)TPRI氣化爐(廢鍋流程)應(yīng)用于華能“綠色煤電”項(xiàng)目，1000 t/d級(jí)TPRI氣化爐(激冷流程)應(yīng)用于內(nèi)蒙古世林化工有限公司的甲醇項(xiàng)目。

2.5 HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)(簡(jiǎn)稱“航天爐”)

航天爐氣化技術(shù)又稱HT-L粉煤氣化技術(shù)，由中國(guó)航天科技集團(tuán)下屬北京航天石化技術(shù)裝備工程公司開發(fā)。HT-L具有對(duì)煤種要求低，熱效率高(可達(dá)95%)、碳轉(zhuǎn)化率高(可達(dá)99%)，氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，最高承受1700 ℃的高溫等有點(diǎn)。此外，中國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)全部國(guó)產(chǎn)化，投資少，生產(chǎn)成本低。HT-L技術(shù)于2009年通過由石化聯(lián)合會(huì)組織的科技鑒定，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，可廣泛應(yīng)用于化工、電力等行業(yè)。目前HT-L已被多家大型煤化工企業(yè)采用。

2.6 干煤粉氣化中試裝置

2004年，華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、天辰化學(xué)工程公司合作建立了國(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉煤加壓氣化中試裝置，率先展示了氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)的優(yōu)越性。2007年，該中試裝置(水冷壁式氣化爐)順利通過72 h專家現(xiàn)場(chǎng)考核。該技術(shù)將在貴州建設(shè)單爐1000 t/d的工業(yè)示范裝置，配套生產(chǎn)合成氨。

2.7 灰熔聚煤氣化技術(shù)(山西煤化所)

灰熔聚流化床工藝是山西煤化所在經(jīng)典流化床技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的，其特點(diǎn)是在氣化爐底部設(shè)計(jì)了中心射流管和環(huán)管，在床層中形成了局部射流區(qū)，實(shí)現(xiàn)了選擇性灰分離。灰熔聚氣化爐可在較高的溫度下操作，且煤種的適用范圍能夠擴(kuò)展到煙煤和無煙煤，能用于燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等領(lǐng)域。值得一提的是，該技術(shù)適用于中小氮肥廠替代間歇式固定床氣化爐，以煙煤替代無煙煤生產(chǎn)合成氨原料氣，可以使合成氨成本降低15%以上，具有良好發(fā)展前景。

3 結(jié)論及建議

雖然我國(guó)在煤氣化技術(shù)方面取得了巨大的進(jìn)展，但是與國(guó)外先進(jìn)煤氣化技術(shù)相比，仍有一定差距。比如，由于對(duì)煤氣化技術(shù)的前期研發(fā)投入不夠，大量的基礎(chǔ)科學(xué)問題和工程問題仍不十分清晰；其次，原始創(chuàng)新不足，目前國(guó)內(nèi)煤氣化技術(shù)除多噴嘴技術(shù)在美國(guó)具有專利被國(guó)際所承認(rèn)外，其它煤氣化技術(shù)均是集成創(chuàng)新的結(jié)果。

為進(jìn)一步發(fā)展我國(guó)煤氣化工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面推進(jìn)我國(guó)煤氣化技術(shù)的研究和發(fā)展。首先是，建立推廣機(jī)制。積極推廣我國(guó)開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)，建設(shè)一批煤氣化示范裝置。其次是完善落后技術(shù)有序退出機(jī)制。高能耗、高污染，低產(chǎn)能的落后煤氣化技術(shù)裝備不宜再新建、擴(kuò)建，并要逐步淘汰。最后，組建產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)共同推進(jìn)我國(guó)煤氣化技術(shù)裝備的蓬勃發(fā)展。