煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究

欒運(yùn)加（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000）

0 引言

煤炭資源是我國(guó)重要資源，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤炭年消耗量高達(dá)40 億噸以上，超過能源消耗總量56%，位居世界首位；我國(guó)煤氣產(chǎn)量由2015 年6 800 多億立方米增長(zhǎng)至2021 年的15 500 多億立方米，被廣泛應(yīng)用到鋼鐵、建材、機(jī)械、采暖等眾多領(lǐng)域。在煤炭消耗量、煤氣需求量不斷增多背景下，加強(qiáng)煤資源相關(guān)技術(shù)研究，提高煤資源高效利用率，降低煤資源開發(fā)利用污染性，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。煤氣化技術(shù)作為清潔凈煤技術(shù)，主要是借助各種裝置，在特定條件下，將煤炭轉(zhuǎn)換為清潔可燃燒氣體。將該技術(shù)應(yīng)用到煤化工行業(yè)，可有效促進(jìn)行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)多年研發(fā)，煤氣化技術(shù)水平大幅度提高，煤氣化技術(shù)類型日漸豐富，可滿足多產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，但從整體層面來看，仍存在諸多不足，需要在不斷研究中完善、強(qiáng)化。本文旨在通過分析煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)為煤氣化技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)提供參考，促進(jìn)煤氣化技術(shù)應(yīng)用價(jià)值不斷提升。

1 煤氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

煤氣化技術(shù)作為煤炭資源轉(zhuǎn)化應(yīng)用技術(shù)，在工業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域、民用煤氣領(lǐng)域、化工原料合成領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著煤氣化技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用需求不斷提高，煤氣化技術(shù)類型不斷增多。目前，主流技術(shù)有氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、固定床氣化技術(shù)。

1.1 氣流床氣化技術(shù)

氣流床氣化技術(shù)是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的煤氣化技術(shù)，該技術(shù)最早發(fā)展于上世界五十年代，以K-T 爐為典型代表，后在不斷發(fā)展中形成了Shell 工 藝、Texaco 工 藝、Prenflo 工 藝、E-Gas 工 藝、GSP 工藝等（表1 為部分氣流床氣化技術(shù)情況）。氣流床氣化技術(shù)理論上適用于任何煤種，但考慮到技術(shù)應(yīng)用綜合效益，建議選取粒徑較小、比表面積較大、灰熔點(diǎn)較低的煤種。氣流床氣化技術(shù)反應(yīng)溫度高，以氧氣為氣化劑，反應(yīng)過程中可適當(dāng)加入水蒸氣，控制爐膛溫度，減少氧氣消耗量。氣流床氣化技術(shù)根據(jù)原料輸送性能可分為濕法氣流床氣化技術(shù)與干法氣流床氣化技術(shù)兩種類型。濕法氣流床氣化技術(shù)主要是指原料以水煤漿或水炭漿形式同氣化劑一起進(jìn)入爐內(nèi)，在氣化劑作用下發(fā)生各種反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)在于：原料選擇范圍廣，進(jìn)料參數(shù)可控性較強(qiáng)，操作流程簡(jiǎn)單，碳化轉(zhuǎn)化率較高，粗煤氣質(zhì)量高，煤氣化過程中產(chǎn)生的污染物較少；缺點(diǎn)在于：噴嘴、耐火磚應(yīng)用周期較短，煤耗量與氧耗量較高，系統(tǒng)材料質(zhì)量與性能要求較高。干法氣流床氣化技術(shù)主要是指原料以粉煤形式同氣化劑一起進(jìn)入爐內(nèi)，在氣化劑作用下發(fā)生各種反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)在于：煤種適應(yīng)范圍廣，氣化強(qiáng)度大，氣化效率高（最高可超過99%），氧耗、煤耗量低（約是濕法氣流床氣化技術(shù)的70%～85%），維修成本低，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，熱效率高（最高可超過98%），生產(chǎn)條幅能力強(qiáng)等；缺點(diǎn)在于：氣化壓力低（約是濕法氣流床氣化技術(shù)的37%～50%），運(yùn)行穩(wěn)定性較差，氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，粉煤制備投資成本高等。實(shí)踐中需要根據(jù)具有情況合理選擇氣流床氣化技術(shù)，以滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

表1 部分氣流床氣化技術(shù)情況

1.2 流化床氣化技術(shù)

流化床氣化技術(shù)以細(xì)粒煤（如：褐煤、煙煤、次煙煤等）為原料，以空氣、氧氣、富氧等為氧化劑，以蒸汽、二氧化碳等為氣化劑，反應(yīng)過程中煤粒在反應(yīng)裝置中呈現(xiàn)懸浮（流化）狀態(tài)，氣體與固體能夠充分混合。通常情況下，流化床氣化技術(shù)多用于民用燃?xì)?、工業(yè)染料、合成氣體等大中規(guī)模生產(chǎn)，操作壓力為常壓3.0 MPa，單臺(tái)最大處理量150～2 000 t/d，單臺(tái)有效氣產(chǎn)量10 000～80 000 Nm3/h[1]。目前，應(yīng)用較為廣泛的流化床氣化技術(shù)有三種：（1）灰熔聚流化床煤氣化技術(shù)：技術(shù)成熟度較高，適用褐煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、石油焦等，氣化反應(yīng)區(qū)域內(nèi)溫度均勻性較高，氣化溫度較高，約為1 000～1 100 ℃。某企業(yè)配套煤氣工程中應(yīng)用3 臺(tái)灰熔聚流化床氣化爐，單臺(tái)氣化爐處理量達(dá)到450 t/d，單臺(tái)產(chǎn)氣量達(dá)到30 000～38 000 Nm3/h。（2）復(fù)合流化床氣化技術(shù)：該技術(shù)是灰熔聚流化床氣化技術(shù)創(chuàng)新下形成的一種新流化床氣化技術(shù)。該技術(shù)將灰熔聚流化床與干煤粉氣流床氣化爐相結(jié)合，使系統(tǒng)具備灰熔聚流化床工藝與干煤粉氣流床氣工藝優(yōu)勢(shì)，有效提高了流化床氣化技術(shù)碳轉(zhuǎn)化率，增加了有效氣體產(chǎn)量。（3）多段分級(jí)轉(zhuǎn)化流化床氣化技術(shù)：該技術(shù)是針對(duì)合成天然氣大規(guī)模生產(chǎn)研發(fā)的流化床氣化技術(shù)。該技術(shù)汲取不同流化床氣化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工藝與設(shè)備創(chuàng)新下，實(shí)現(xiàn)煤熱解過程、氣化過程、燃燒過程有機(jī)結(jié)合。多段分級(jí)轉(zhuǎn)化流化床氣化技術(shù)以長(zhǎng)焰煤、褐煤為主要原料，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上，冷煤氣效率可達(dá)到72%以上。

1.3 固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)

固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)是一種技術(shù)較為成熟的煤氣化技術(shù)，主要以塊煤為原料（如：褐煤、煙煤、無煙煤、焦炭等），以空氣、氧氣、蒸汽為氣化劑。固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)根據(jù)運(yùn)行方式可分為連續(xù)式固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)與間歇式固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)；根據(jù)加壓情況可分為常壓連續(xù)式固定床（移動(dòng)床） 氣化技術(shù)與加壓連續(xù)式固定床（移動(dòng)床） 氣化技術(shù)。固定床（移動(dòng)床）氣化技術(shù)一般特征有：操作簡(jiǎn)單，容量較小，逆流接觸反應(yīng)，以固態(tài)排渣為主，碳轉(zhuǎn)化率較高，出口氣溫度較低等。目前，技術(shù)成熟且應(yīng)用較為廣泛的固定床（移動(dòng)床）氣化爐有3M-21 混合煤氣發(fā)生爐、W-G 氣化爐、Mark-IV 魯奇加壓氣化爐、BGL 業(yè)態(tài)排渣魯奇爐等。某企業(yè)煤化工程項(xiàng)目建設(shè)中，設(shè)計(jì)構(gòu)建3～4 MPa 固定床氣化爐，以褐煤、長(zhǎng)焰煤、無煙煤等材料為原料，單臺(tái)最大處理量達(dá)到420～1 600 t/d，單臺(tái)有效氣產(chǎn)量達(dá)到4 000～12 000 Nm3/h。

氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、固定床氣化技術(shù)作為煤氣化技術(shù)主流技術(shù)，因原料不同、工藝要求不同，應(yīng)用效果也不同，對(duì)比三種技術(shù)基本情況，見表2。

表2 部分氣流床氣化技術(shù)情況

2 煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

縱觀煤氣化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用情況，可知煤氣化技術(shù)雖然取得了一定成績(jī)，但在實(shí)踐中仍存在諸多不足。例如，技術(shù)層面，煤氣化技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定性仍有待提升，氣化效率存在較大提升空間，能耗節(jié)約與環(huán)境保護(hù)水平有待進(jìn)一步提高，單爐產(chǎn)能仍有增加余地；經(jīng)濟(jì)層面，投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本需要在不斷改進(jìn)中降低；技術(shù)研發(fā)層面，受專業(yè)人才制約較大，部分企業(yè)多缺乏自主創(chuàng)新能力，多通過借鑒、照搬等方式進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。要想有效解決改善上述問題，促進(jìn)煤氣化技術(shù)優(yōu)化發(fā)展，未來需要從以下幾方面著力，推動(dòng)煤氣化技術(shù)向高效化、環(huán)保化、節(jié)能化、規(guī)?；⒖茖W(xué)化、低成本化等方向發(fā)展。

2.1 拓展技術(shù)應(yīng)用對(duì)煤種的適應(yīng)性

當(dāng)前主流煤氣化技術(shù)多以活性較高的褐煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、焦炭等是原料，對(duì)于反應(yīng)活性差、煤氣有效成分含量少的“三高”煤（高硫煤、高灰煤、高灰熔點(diǎn)煤）而言，適用性較差[2]。但是從我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存與生產(chǎn)整體情況來看，“三高”煤占比較高，僅以山西省為例，33% 以上煤炭資源為“三高”煤。因此，如何提高“三高”煤利用率成為相關(guān)企業(yè)以及工作人員關(guān)注與研究的重點(diǎn)問題。煤氣化技術(shù)應(yīng)用下，要想以“三高”煤為原料，技術(shù)創(chuàng)新與改進(jìn)勢(shì)在必行。對(duì)此，可根據(jù)煤氣化技術(shù)原理，聯(lián)系氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、固定床氣化技術(shù)等工藝特征，從氣化爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、原料性能改善、新型添加劑研發(fā)與應(yīng)用、系統(tǒng)優(yōu)化、反應(yīng)參數(shù)調(diào)整等多方面入手，提高煤氣化技術(shù)對(duì)煤種的適應(yīng)性。例如，以高堿煤為原料生產(chǎn)煤氣時(shí)，可能產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)損壞反應(yīng)裝置，對(duì)此在技術(shù)改進(jìn)時(shí)，根據(jù)堿金屬、煤氣化爐材質(zhì)反應(yīng)原理，進(jìn)行反應(yīng)流程優(yōu)化，以減輕高堿熱煤氣腐蝕程度。

2.2 提高技術(shù)應(yīng)用對(duì)能源的節(jié)約性

按照當(dāng)前煤化工發(fā)展情況來看，“十四五”時(shí)期我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)煤炭消耗量仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025 年原煤消耗總量將超過27 000 萬噸，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)幅度將達(dá)到3%，煤制油產(chǎn)能將達(dá)到1 500 萬噸/年，煤制天然氣產(chǎn)能將達(dá)到110 億立方米/年，煤制烯烴產(chǎn)能將達(dá)到1 050 萬噸/年，煤制乙二醇產(chǎn)能將達(dá)到1 000 萬噸/ 年。在此背景下，煤氣化技術(shù)高效化、規(guī)模化將成為新時(shí)期發(fā)展趨勢(shì)之一?？紤]到“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略決策要求，在進(jìn)行煤氣化技術(shù)高效化、規(guī)?；l(fā)展時(shí)，需要高度重視能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)問題。這就需要相關(guān)企業(yè)以及工作人員在進(jìn)行煤氣化技術(shù)研發(fā)時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際情況與技術(shù)應(yīng)用需求，從多方面探尋資源利用率提高、氧耗量減少、水蒸氣耗量減少、余熱回收利用、黑水回收利用等辦法，以實(shí)現(xiàn)煤氣化技術(shù)高效化、節(jié)約化、規(guī)?；l(fā)展。

2.3 提高技術(shù)應(yīng)用對(duì)環(huán)境的保護(hù)性

煤氣化技術(shù)應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生一定污染物，如處理不當(dāng)將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。例如，煤氣化技術(shù)應(yīng)用過程中，未完全反映的原料將隨合成氣體排放到空氣中，加劇空氣污染。研究發(fā)現(xiàn)氣化反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的飛灰，穩(wěn)定性較強(qiáng)，采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理難度較大且效果并不理想。這就需要加強(qiáng)氣化飛灰處理技術(shù)研究，降低飛灰回收率、污染率，提高氣化飛灰、氣化殘?jiān)倮寐省＠猛ㄟ^改性技術(shù)有效應(yīng)用，將氣化飛灰、氣化殘?jiān)D(zhuǎn)變?yōu)榭稍倮玫慕ㄖ?、土壤改良原料、高分子聚合物填料等。一方面降低廢物污染，另一方面提高廢物附加值，豐富資源種類與數(shù)量。

2.4 提高技術(shù)應(yīng)用對(duì)管控的科學(xué)性

煤氣化反應(yīng)過程復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)溫度、壓力等具有較高要求。要想實(shí)現(xiàn)煤氣化技術(shù)規(guī)?；⒏咝Щ?、節(jié)能化、環(huán)?；l(fā)展，提高反應(yīng)條件控制水平勢(shì)在必行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等在現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域中的推廣使用，煤氣化系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化水平大幅度提高。相關(guān)人員可通過數(shù)值模擬了解煤氣化技術(shù)應(yīng)用流程，掌握不同工況下煤氣化技術(shù)應(yīng)用效果，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)整、系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)整等。例如，在氣化爐設(shè)計(jì)中，利用Aspen Plus、ANSYS Fluent、CFX、CFD-DEM 等軟件輔助研究煤氣化系統(tǒng)換熱器優(yōu)化方案、氣化爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案、氣化率熱傳導(dǎo)情況、燒嘴熱應(yīng)力情況、熔渣流動(dòng)特性等，根據(jù)軟件分析結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用要求，合理設(shè)計(jì)與研究系統(tǒng)，保證系統(tǒng)應(yīng)用科學(xué)、合理、有效。目前，先進(jìn)科學(xué)技術(shù)在煤氣化系統(tǒng)研發(fā)與監(jiān)管中的應(yīng)用有限，需要在后續(xù)研究中不斷拓展先進(jìn)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍，讓技術(shù)服務(wù)技術(shù)，讓技術(shù)推動(dòng)創(chuàng)新。

3 結(jié)語(yǔ)

煤氣化技術(shù)類型多樣且應(yīng)用范圍廣闊，在推動(dòng)我國(guó)煤化工業(yè)發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)煤炭資源經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益提升等方面存在積極影響。氣流床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、固定床氣化技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的煤氣化技術(shù)，各具優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐中需要根據(jù)具體情況合理選擇煤氣化技術(shù)，保證技術(shù)應(yīng)用合理、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠。縱觀煤氣化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，系統(tǒng)效率仍具有較高提升空間，能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)等方面仍存在改進(jìn)余地，因此在未來發(fā)展中，需要加強(qiáng)創(chuàng)新力度，持續(xù)提高煤氣化技術(shù)適應(yīng)性、節(jié)約性、科學(xué)性、環(huán)保性等。