煤氣化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

□文/陳 峰

（華能新疆能源開發(fā)公司 新疆·烏魯木齊）

煤氣化是清潔、高效利用煤炭的主要途徑之一，長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在各種煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)中，煤氣化是應(yīng)優(yōu)先考慮的一種加工方法。它是煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、合成天然氣、IGCC發(fā)電、制氫、燃料電池、多聯(lián)產(chǎn)等工藝為基礎(chǔ)。因此發(fā)展煤炭產(chǎn)業(yè)，首先要提高煤氣化技術(shù)水平。

一、煤氣化技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀

煤氣化技術(shù)核心是氣化爐，按煤在爐內(nèi)的流體力學(xué)行為分為四類，即固定（移動(dòng)）床、氣流床、流化床和熔融床。

（一）固定（移動(dòng)）床氣化。固定（移動(dòng)）床氣化，是指原料煤從爐頂加入，高溫氣體不斷向上流動(dòng)，整個(gè)物料自上而下移動(dòng)，相對(duì)固定。煤在高溫氣化劑作用下發(fā)生氣化反應(yīng)，生成高溫煤氣，最后從上部煤氣出口出爐。固定（移動(dòng)）床氣化有以下四種技術(shù)路線：

1、單段式固定（移動(dòng)）床氣化。因單段式固定（移動(dòng)）床氣化爐缺陷較多，20世紀(jì)六十年代初，國外已停止使用。目前，單段式固定（移動(dòng)）床目前真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的只有碎煤加壓氣化。

2、兩段式固定（移動(dòng)）床氣化。該工藝是上世紀(jì)四十年代開發(fā)的，到上世紀(jì)五十年代，該技術(shù)在歐洲被廣泛用于生產(chǎn)城市煤氣和燃料氣，氣化劑為空氣或水蒸氣。

3、魯奇加壓氣化。該技術(shù)選用的煤種為長(zhǎng)煙煤、褐煤，操作壓力3.0MPa，煤氣出口溫度600℃，碳轉(zhuǎn)化率98%。最大缺點(diǎn)是冷凝洗滌污水含有大量焦油、苯和酚，處理難度大。目前，魯奇氣化爐最大用戶是南非SASOL，有各種型號(hào)97臺(tái)。

4、BG L加壓氣化。以噴嘴、渣池和間歇排渣系統(tǒng)為核心專有技術(shù)。該工藝選用的煤種為煙煤、次煙煤，操作壓力2.35～3.0MPa，煤氣出口溫度 400～540℃，碳轉(zhuǎn)化率99.5%。

（二）氣流床氣化。在高溫高壓條件下，粉煤或水煤漿與氣化劑同時(shí)由噴嘴噴入氣化爐燃燒室內(nèi)，迅速氣化，產(chǎn)生粗煤氣和熔渣。因爐內(nèi)氣、固兩相的流速基本相同，故稱為氣流床氣化。目前，主要有以下五種技術(shù)路線：

1、德士古加壓水煤漿氣化技術(shù)。該工藝選用的煤種不限，氣化壓力2.7～6.5MPa，氣化溫度 1300～1500℃，碳轉(zhuǎn)化率95%～99%。該工藝設(shè)備操作連續(xù)性強(qiáng)，產(chǎn)品煤氣壓力高可省去后續(xù)氣體壓縮工段，廢水易處理。該技術(shù)最大的問題是因水煤漿在噴嘴中以約30m/s的高線速度噴出，對(duì)金屬材料的沖刷腐蝕頗為嚴(yán)重，噴口特別容易磨損。

2、華東理工四噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)。該工藝可提高合成氣中的有效成分2～3個(gè)百分點(diǎn)，四噴嘴間具有較好的協(xié)同作用，有利于裝置大型化，缺點(diǎn)是設(shè)備投資成本比較高。

3、殼牌加壓氣流床煤氣化技術(shù)。該工藝氣化壓力2.0～4.0MPa，氣化溫度1400～1600℃，碳轉(zhuǎn)化率99%。與水煤漿法相比，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：O2和煤消耗低；負(fù)荷調(diào)解方便，可根據(jù)要求關(guān)閉其中一對(duì)，負(fù)荷降低50%。主要缺點(diǎn)是設(shè)備投資增大，技術(shù)要求高。

4、德國G SP加壓氣流床氣化技術(shù)。該工藝最大的優(yōu)勢(shì)是可氣化工業(yè)廢棄物和生物質(zhì)，把價(jià)格低廉、直接燃燒污染較大的煤、石油焦、垃圾等轉(zhuǎn)化為高附加值合成氣。該工藝氣化壓力2.5～4.0MPa，氣化溫度1400～1600℃，碳轉(zhuǎn)化率99.6%。

5、航天爐H T-L氣化技術(shù)。該工藝的煤種選擇范圍寬，碳轉(zhuǎn)化率高于99%。控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，有完善的安保聯(lián)鎖系統(tǒng)。

（三）流化床氣化。流化床氣化，就是增大爐內(nèi)向上的氣流速度，使煤粉處于沸騰懸浮狀態(tài)，但又不被帶出氣化爐的操作。因此，與固定床氣化相比，流化床氣化的優(yōu)點(diǎn)是氣-固和固-固接觸充分，傳熱、傳質(zhì)速率大，設(shè)備大型化。目前主要有以下八種技術(shù)：

1、德國的溫克勒煤氣化工藝。全世界共建有70多臺(tái)溫克勒氣化爐。由于存在諸多技術(shù)問題，僅在上世紀(jì)五十年代末和六十年代初一度盛行，之后很少新建，運(yùn)行至今的已不多見。

2、德國萊茵褐煤公司發(fā)明的高溫溫克勒氣化（H TW）。該工藝適宜煤種為褐煤，氣化壓力 1～2.75MPa，氣化溫度 950～1000℃，碳轉(zhuǎn)化率96%。該工藝優(yōu)點(diǎn)為氧耗量低、不產(chǎn)生液態(tài)烴。

3、朝鮮恩德爐粉煤氣化。該技術(shù)適宜長(zhǎng)焰煤、褐煤。碳轉(zhuǎn)化率為91%～96%。恩德爐粉煤氣化技術(shù)是一種比較適合我國國情的中小型潔凈煤氣化技術(shù)，可用于甲醇、氫氣、一氧化碳等生產(chǎn)，以及城市煤氣和冶金、機(jī)械、建材等行業(yè)的燃?xì)馍a(chǎn)。

4、魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床氣化（C FB）。該工藝適用煤種不受限制。氣化壓力 0.05～0.4MPa，氣化溫度 950～1100℃，碳轉(zhuǎn)化率95%～98%。該工藝優(yōu)點(diǎn)是可以用樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料。氣化強(qiáng)度是移動(dòng)床的2倍。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，造價(jià)較低，易國產(chǎn)化。目前，全世界已有60多家企業(yè)采用CFB氣化技術(shù)，正在設(shè)計(jì)和建設(shè)的還有30多家，總體水平處于世界領(lǐng)先地位。

5、美國能源部組織研發(fā)的輸運(yùn)床反應(yīng)器氣化（KBR）。該工藝適用于多種煤，尤其是低階煤，氣化壓力0.9-1.5MPa，氣化溫度950℃，碳轉(zhuǎn)化率91%～96%。該項(xiàng)技術(shù)可在空氣和氧氣兩種模式下運(yùn)行。目前，以空氣為氣化劑是開發(fā)重點(diǎn)，特別適合于IGCC及多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。氧氣模式可產(chǎn)生合成氣，用于多種化學(xué)品和燃料的生產(chǎn)。20世紀(jì)九十年代中期，KBR在美國阿拉巴馬州威爾遜維爾建設(shè)了50噸/天的示范裝置。

6、美國芝加哥煤氣工藝研究所U-gas氣化工藝。該技術(shù)適宜煤種寬，技術(shù)特點(diǎn)為氣化壓力在0.1、3.0MPa，氣化溫度955～1095℃，碳轉(zhuǎn)化率96.83%。優(yōu)點(diǎn)是煤氣中不含焦油和酚；設(shè)備簡(jiǎn)單，可全程自動(dòng)化控制。

7、美國西屋電力公司開發(fā)的KR W氣化。該工藝適用煤種寬，碳利用率可達(dá)95%。在1987年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化運(yùn)行。但目前無KRW氣化爐運(yùn)行。

8、煤化所灰熔聚法。該工藝適用褐煤，氣化壓力 0.9～1.5MPa，氣化溫度1050～1100℃，碳轉(zhuǎn)化率 91%～96%。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：氣化爐為單段流化床，粗煤氣中幾乎不含焦油、酚等有害物質(zhì)，易凈化。該技術(shù)特別適合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，使合成氨成本降低15%～20%。

二、煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

綜合現(xiàn)有煤氣化技術(shù)，當(dāng)前煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是以粉煤代替粒煤，氣流床和流化床代替固定床。具有氣化壓力向高壓化（8.5MPa）發(fā)展、氣化溫度向高溫化（1500～1600℃）發(fā)展、氣化劑向多樣化發(fā)展和排渣方式向液態(tài)化發(fā)展的特點(diǎn)。依據(jù)煤種特性和合成氣后續(xù)工段的要求而開發(fā)設(shè)計(jì)出不同的氣化爐，因此，無“萬能爐型”或“通用技術(shù)”。目前，技術(shù)最為成熟的是魯奇（Lurgi）和德士古（Texaco），處理能力達(dá)到 400～1650噸/天。國外的殼牌（Shell）、德士古（Texaco）、德國 GSP 等氣流床氣化技術(shù)，國內(nèi)的兩段式干煤粉、多噴嘴干煤粉、航天爐發(fā)展很快。而我國煤氣化工藝目前以傳統(tǒng)的常壓移動(dòng)床為主，先進(jìn)的大型加壓煤氣化工藝總體處于研究、示范階段。結(jié)合我國國情及現(xiàn)有技術(shù)情況，我國煤化氣技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

（一）拓寬原料的適應(yīng)性，集成優(yōu)化不同技術(shù)。目前，國內(nèi)大規(guī)模工業(yè)氣化技術(shù)主要是高溫氣流床技術(shù)，即德士古、殼牌、多元料漿及四噴嘴，要求原料煤的灰熔點(diǎn)<1350℃，灰含量<10%。而我國煤炭?jī)?chǔ)量大、低灰、低灰熔點(diǎn)煤集中在西部地區(qū)。動(dòng)力煤平均灰含量超過20%，灰熔點(diǎn)超過1400℃的超過50%。將煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化是措施之一，將不同技術(shù)集成優(yōu)化是一個(gè)重要趨勢(shì)。

（二）裝置規(guī)模大型化。以煤氣化為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個(gè)顯著標(biāo)志就是裝置規(guī)模的大型化。由于受制造、運(yùn)輸、安裝等客觀因素的限制，在尺寸有限的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模，必須實(shí)現(xiàn)加壓氣化，提高其處理能力和效率。

（三）開發(fā)煤氣化凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤氣化技術(shù)的近零排放。不同的煤田，煤中砷、汞、氯、氟、磷及其他微量元素的含量及組成差異頗大，深入研究煤氣化過程中這些有害元素的遷移規(guī)律，對(duì)拓展氣化原料的煤種，控制氣化過程中微量元素的釋放，實(shí)現(xiàn)近零排放，促進(jìn)煤化工行業(yè)廢水資源的循環(huán)利用，意義重大。故此需要進(jìn)行煤氣中、高溫脫硫及有害元素、高溫除塵、CO2資源化利用和洗滌水凈化等多方面的技術(shù)研發(fā)。

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[2]陳俊峰.煤氣化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].廣州化工，2012.40.5.

[3]屈利娟.流化床煤氣化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2007.30.2.