煤化工技術(shù)發(fā)展“新”攻略

文/李東周

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》將煤氣化技術(shù)列為重要研究方向?！?73”計劃項目首席科學(xué)家、華東理工大學(xué)教授王輔臣指出，煤的燃燒以利用其熱量為主，污染控制困難；煤氣化則是利用其中的碳、氫等元素，實現(xiàn)能量梯級利用，污染控制相對容易。煤氣化技術(shù)一是做合成氣，這是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)；二是制氫氣，目前中石化、中石油的很多煉廠都改用煤制氫，以降低成本；三是作為燃?xì)猓糜诠I(yè)、民用、IGCC發(fā)電等；四是用于還原煉鋼（鐵）。

“老”技術(shù) 煤氣化獨挑大梁

技術(shù)現(xiàn)狀——競相發(fā)展

近10年來，我國煤氣化技術(shù)開發(fā)明顯加快，相繼開發(fā)成功清華氣化爐、多噴嘴對置式水煤漿氣化爐、航天加壓粉煤氣化爐、兩段式干粉煤氣化爐以及灰熔聚流化床粉煤氣化爐等煤氣化技術(shù)，形成了與國外技術(shù)競相發(fā)展的局面。

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐采用四噴嘴對置設(shè)計，不存在短路物流現(xiàn)象，高效節(jié)能、碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。

清華水冷壁氣化爐:解決了水煤漿氣化技術(shù)的煤種限制和高能耗點火問題，具有氣化爐操作溫度不再受耐火磚的限制，可以使用灰熔點更高的煤作為原料，煤種適應(yīng)性更寬，覆蓋了褐煤、煙煤到無煙煤全煤階。

兩段式干煤粉加壓氣化爐創(chuàng)新采用兩室兩段多噴嘴反應(yīng)、分級氣化，有效氣含量可達(dá)90%以上，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%，而且煤種適應(yīng)性好。

HT-L航天粉煤加壓氣化爐:匯集了水煤漿及粉煤氣化技術(shù)的優(yōu)點，有效氣含量可達(dá)90%以上，碳轉(zhuǎn)化可達(dá)99%，單位氧耗低，對煤種要求低，而且設(shè)備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

灰熔聚流化床粉煤氣化爐已先后完成系列中試、低壓工業(yè)應(yīng)用，并邁向加壓技術(shù)示范。該工藝為解決劣質(zhì)無煙煤氣化難題提供了新的技術(shù)路徑，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

發(fā)展趨勢——裝置大型化

王輔臣指出，裝置大型化是煤氣化技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，也是相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。氣流床技術(shù)符合裝置大型化的要求，碳轉(zhuǎn)化率較高，目前這方面展最多。

“相關(guān)技術(shù)發(fā)展也需要大型煤氣化技術(shù)?！彼e例說，對一個500萬噸／年的煤間接液化制油裝置，按每年需2500萬噸原料煤計算，則需3000噸／天的氣化裝置25臺左右。假如煤氣化裝置規(guī)模小，則所需裝置數(shù)量多，操作、管理也很麻煩。

他同時指出，拓展原料適應(yīng)性是大型煤氣化技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在要求，掌握煤氣化過程中污染物的遷移轉(zhuǎn)化機理、實現(xiàn)煤氣化技術(shù)的近零排放也是必然要求。尤其是微量有害元素（如鎘、汞等）的影響不容忽視，如一些地方的煤進(jìn)對爐壁的腐蝕十分嚴(yán)重，需要花費極大的精力和時間去解決。

王輔臣表示，煤種適應(yīng)性強、氣化指標(biāo)先進(jìn)，氣化爐與噴嘴壽命長、氣化爐啟動迅速的煤氣化技術(shù)，是市場迫切需要的。

對于正在開發(fā)的一些新的煤氣化技術(shù)，王輔臣認(rèn)為從長遠(yuǎn)來看前景不錯，但目前還需要做很多工作。例如，對地下煤氣化技術(shù)就有兩個必須解決的問題：一是如何實現(xiàn)穩(wěn)定控制，二是如何監(jiān)控、控制煤焦油對環(huán)境（水）的影響。而對催化氣化技術(shù)，如何開發(fā)廉價催化劑、如何與合成天然氣耦合則是兩個不可忽視的問題。

選擇依據(jù)——五大原則

王輔臣認(rèn)為，目前煤氣化技術(shù)的選擇要堅持先進(jìn)性、適應(yīng)性、可靠性、環(huán)保性原則，同時要注意知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

·先進(jìn)性原則 王輔臣表示，技術(shù)的先進(jìn)性體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量性能、工藝水平和裝備水平等方面。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢就是大型化、單系列，煤氣化技術(shù)也不例外，大型化是先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。他說：“從大型化角度看，氣流床有優(yōu)勢，從氣流床本身的大型化看，多噴嘴比單噴嘴有優(yōu)勢?！?/p>

·適應(yīng)性原則 王輔臣說，適應(yīng)性原則表現(xiàn)在兩個方面，一是對原料煤的適應(yīng)性，什么樣的煤就選擇什么樣的氣化技術(shù)；二是與下游裝置的配套性，做不同的產(chǎn)品選擇的氣化技術(shù)也不同。

·可靠性原則 可靠性的體現(xiàn)是氣化裝置能夠安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷運行。王輔臣表示，一般應(yīng)該采用已經(jīng)充分驗證并有商業(yè)化運行業(yè)績的技術(shù)。當(dāng)然對于新技術(shù)、新工藝，也要在充分試驗成功的基礎(chǔ)上大膽采用，但前提是對可能的風(fēng)險要有分析和應(yīng)對措施。對于尚在試驗階段的新工藝、新設(shè)備等，則要采取積極和慎重的態(tài)度。

·環(huán)保性原則 煤的固有特性決定了煤氣化過程會產(chǎn)生廢渣、廢水和廢氣，有些處理難度比較大。因此王輔臣建議企業(yè)在選擇煤氣化技術(shù)時還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況（如水資源、大氣污染物的環(huán)境容量），選擇清潔高效的煤氣化技術(shù)，保證清潔生產(chǎn)。

·知識產(chǎn)權(quán)安全原則 要注意保護(hù)工藝技術(shù)來源和所有者的權(quán)益?！皩τ趯＠夹g(shù)則要研究其產(chǎn)權(quán)問題，包括其使用范圍和有效期限。不要為了貪圖小利而侵犯別人的知識產(chǎn)權(quán)。”王輔臣提醒說。

清華大學(xué)熱能工程系教授張建勝也指出，煤氣化氣化爐技術(shù)的選擇必須考慮投資、可靠性、可用率、運行成本、環(huán)保、全流程能耗等各個要素。企業(yè)在應(yīng)用煤氣化技術(shù)時，應(yīng)選擇經(jīng)過實際生產(chǎn)檢驗、有較好的的工業(yè)化業(yè)績和運行經(jīng)驗，能達(dá)到長周期穩(wěn)定運行，成熟可靠的技術(shù)，在此前提下再考慮先進(jìn)性。如果不能長周期穩(wěn)定運行，就失去先進(jìn)性的意義，經(jīng)濟(jì)性也就無從談起。

“新”技術(shù) 火花相繼迸射

褐煤提質(zhì)與制油新思路：水介質(zhì)合成氣加氫液化

褐煤因其含水量高、熱值較低且熱穩(wěn)定性較差，曾被貼上“劣質(zhì)煤”的標(biāo)簽。然而，世界褐煤儲量約為4萬億噸，占煤炭總儲量40%以上；我國褐煤已探明儲量約為1900億噸，占我國煤炭總儲量的15%～20%，且分布相對集中，如能實現(xiàn)褐煤的有效利用，則必將為中國“能源夢”和“化工夢”的實現(xiàn)打下厚實的基礎(chǔ)。

華東理工大學(xué)能源化工系教授張德祥應(yīng)用非蒸發(fā)式褐煤水熱處理工藝，開發(fā)了一種褐煤水介質(zhì)合成氣加氫液化新技術(shù)，為褐煤提質(zhì)與制油引出新思路。

褐煤中含氧量高達(dá)20%左右，主要基團(tuán)為羧基和羥基，容易被氧化，可使煤的燃點和粘結(jié)性顯著下降。氧碳原子比高，對煤液化時氫耗、轉(zhuǎn)化率和油產(chǎn)率都產(chǎn)生負(fù)面影響。傳統(tǒng)的煤液化需要將煤中水分干燥到2.5%以下，此過程會消耗大量能源。

張德祥團(tuán)隊研究人員將煤樣／水按5∶3混合，在300℃高壓反應(yīng)釜中采用非蒸發(fā)式水熱處理煤，使煤中水分以液態(tài)水析出，能耗低，且煤中揮發(fā)分含量明顯降低。

元素分析表明，處理后的煤與原煤相比，碳元素含量增大，氧元素含量有所減少，可知水熱處理對原煤具有脫氧提質(zhì)效果。處理后的煤樣經(jīng)熱解得到的煤焦油，產(chǎn)率較原煤熱解的提高了14%左右。

同時，研究人員直接將新采褐煤濕磨制成水煤漿，用水煤漿替代油煤漿，用一氧化碳或合成氣取代純氫氣。高活性新氫生成提高了加氫反應(yīng)速率，獲得較高的液體產(chǎn)品收率，降低了液化成本，取得了褐煤直接加氫液化技術(shù)的新突破。

該優(yōu)化集成的褐煤水介質(zhì)合成氣加氫液化新技術(shù)，實現(xiàn)了低氫耗、低能耗、低成本和高產(chǎn)油率。

煤氣化聯(lián)產(chǎn)新系統(tǒng)：適度氣化實現(xiàn)氣固兼用

大連理工大學(xué)教授張巖提出了一種可聯(lián)產(chǎn)活性炭的適度煤氣化新思路，可應(yīng)用于IGCC系統(tǒng)或以生產(chǎn)合成氣為目的的煤氣化系統(tǒng)，聯(lián)產(chǎn)活性炭可用于電廠及城鎮(zhèn)給水凈化、各種廢水深度處理以及燃煤電廠煙氣脫汞等。

傳統(tǒng)的煤氣化聯(lián)產(chǎn)技術(shù)基于煤的完全氣化，利用煤氣產(chǎn)品，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)液體燃料和化學(xué)品合成等?？偨Y(jié)目前已經(jīng)商業(yè)化的幾種大規(guī)模煤氣化爐特性，可以發(fā)現(xiàn)其共同特點是都以煤的完全氣化為目標(biāo)，追求碳轉(zhuǎn)化率的最大化（可達(dá)99%甚至更高）。然而，張巖認(rèn)為，碳轉(zhuǎn)化率的最大化未必就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)能源效率的最優(yōu)化，過度追求高碳化率可能導(dǎo)致高能耗和低回報。

張巖以日本剛剛開發(fā)的CCP兩段式空氣氣化技術(shù)舉例：其冷煤氣效率隨著碳轉(zhuǎn)化率的增加而降低，達(dá)到一定程度時就導(dǎo)致發(fā)電效率降低。雖然該技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99.9%，但其冷煤氣效率只有70%～75%。他介紹說，氣化反應(yīng)后期，當(dāng)氣化溫度一定的時候，單純延長反應(yīng)時間對提高碳轉(zhuǎn)化率是沒有幫助的，只能通過增加氧煤比或者提高反應(yīng)溫度。

張巖提出了對煤進(jìn)行適度氣化的新思路，通過過程優(yōu)化和系統(tǒng)集成，實現(xiàn)氣固兼用，構(gòu)建以生產(chǎn)低中熱值煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或化學(xué)品合成為主干，聯(lián)產(chǎn)高附加值活性炭產(chǎn)品的煤電化工及環(huán)境材料生產(chǎn)一體化的新型煤氣化聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型。

經(jīng)實驗測算，預(yù)計煤氣化效率將低于傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)1～3個百分點，煤氣熱值在1000～2000kcal/Nm3，基于250MW聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)估算，活性炭生產(chǎn)規(guī)模將大于3萬噸／年，生產(chǎn)成本預(yù)計低于500元／噸。此外，該技術(shù)環(huán)境效益顯著，可實現(xiàn)活性炭生產(chǎn)過程的近零排放；同時活性炭成本降低，將間接降低水體凈化的環(huán)保治理成本。然而，該技術(shù)目前尚處于實驗室階段，只能用來生產(chǎn)低中檔產(chǎn)品，且煤種適應(yīng)性較窄。

活性炭是環(huán)保的有效產(chǎn)品，但其生產(chǎn)本身又是高能耗、高污染的過程。聯(lián)產(chǎn)法活性炭沒有這些缺陷，同時對部分類型污水（如腐殖酸廢水）的凈化效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

近年來，活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，不僅在石油、化工、冶金、食品等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，而且在環(huán)境保護(hù)、控制污染等方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。

高效清潔利用新方法：讓火焰在超臨界水中閃耀

西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授王樹眾認(rèn)為，對煤的高效清潔利用并非沒有辦法，現(xiàn)有技術(shù)完全可以實現(xiàn)，只是成本太高。他舉例說，就現(xiàn)有技術(shù)而言，要控制二氧化碳排放，就會使電廠發(fā)電效率下降10%，經(jīng)濟(jì)性很差；而要實現(xiàn)脫硫脫硝，一年就要花費900億～1000億元?！坝袥]有一種技術(shù)，不采用復(fù)雜的末端控制，而在煤的轉(zhuǎn)化利用過程本身就不生成硫氧化物、氮氧化物和飛灰，同時能夠控制二氧化碳排放呢？”他提出了這樣的問題。

超臨界水可能成為解決這一問題的“鑰匙”。

當(dāng)氣壓和溫度達(dá)到臨界點( 22.05MPa，374.3℃)時，因高溫而膨脹的水和因高壓而被壓縮的水蒸氣會形成一種特殊形態(tài)——超臨界水(SCW)。此時水的液態(tài)和氣態(tài)沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。據(jù)王樹眾介紹，超臨界水的密度、黏度、離子積和介電常數(shù)均明顯下降；其擴散系數(shù)較高，約是常溫常壓下水的100倍，傳質(zhì)性能好；與非極性氣體和烴類物質(zhì)安全互溶，而對無機鹽幾乎不溶解。

王樹眾說，目前電廠中應(yīng)用的超臨界機組和超超臨界機組均利用了超臨界水的這一特點，但并沒有利用好超臨界水的其他特有性質(zhì)。他研究的煤的超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng)恰恰利用了這些特點。

“超臨界水氣化、超臨界水氧化、超臨界水熱燃燒這是三個需要講清楚的概念?！蓖鯓浔娊忉屨f，超臨界水氣化利用超臨界水的特殊性質(zhì)，不加入氧化劑，將反應(yīng)物加入超臨界水反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)，制取高熱值氣體如氫氣、甲烷等。該技術(shù)的優(yōu)勢在于不生成焦炭，不產(chǎn)生污染性氣體。高溫氣化會產(chǎn)生硫化氫，而在超臨界水中，硫以離子的形式存在。超臨界水氣化的發(fā)展方向是耦合其他技術(shù)，或者添加催化劑。

超臨界水氧化則是指使有機物、煤及氧化劑完全混溶于水中，有機物將被氧化分解為小分子物質(zhì)，通常為二氧化碳和水；雜原子（氯、硫、磷）則被轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的無機酸根；廢水中的陽離子和酸根離子一起形成無機鹽或氧化物。雜原子都變成了鹽，而鹽在超臨界水中的溶解度極低。

超臨界水熱燃燒與常見燃燒現(xiàn)象類似，反應(yīng)燃料在水熱燃燒反應(yīng)器內(nèi)著火并形成“水火相容”的水熱火焰。這也是一個氧化反應(yīng)，但在水中帶有火焰。而超臨界水氧化通常不產(chǎn)生火焰。

據(jù)王樹眾介紹，煤在超臨界水熱燃燒后，硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽的形式，氮形成氮氣，沒有二氧化硫和氮氧化物的排放。因為煤在超臨界水中的存在類似水煤漿，燃燒后不會形成飛灰，只會形成泥渣。所以，該技術(shù)本身不會產(chǎn)生硫氧化物、氮氧化物和飛灰，更加不會形成PM2.5，且只需要一個簡單的脫泥渣過程。同時，因為二氧化碳完全溶于超臨界水中，且在獲取能量的過程中，也不需要復(fù)雜的控制技術(shù)。

超臨界水熱燃燒技術(shù)特別適于能源的潔凈燃燒及能量的高效回收，其優(yōu)勢十分明顯，燃料在極短的時間內(nèi)即可燃盡，燃燒啟動溫度低，解決了鹽沉積和腐蝕問題，反應(yīng)器內(nèi)的能量密度大，能量回收效率高。

王樹眾表示，雖然超臨界水氣化技術(shù)對有機物、生物質(zhì)等比較適用，但對煤而言效果不佳，整個過程能量轉(zhuǎn)化效率仍然很低，所以，需要與水熱燃燒技術(shù)相耦合。

固相產(chǎn)物（半焦）超臨界水熱燃燒試驗結(jié)果表明，顆粒表面溫度高于1090K，傳質(zhì)過程是氧化燃燒的控制步驟時，半焦顆粒才可能迅速燃盡。對于毫米級的半焦，完全燃盡的時間在5～7分鐘，低于微米級的半焦顆粒，4～7秒內(nèi)完全燃燒，反應(yīng)溫度比目前氣化爐溫度要低得多。

王樹眾說，應(yīng)用該技術(shù)構(gòu)建一個超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達(dá)53%，有望成為煤高效清潔利用的一條新途徑。