国内气流床煤气化技术的发展及应用现状

郭 波，高继录，陈晓利

(1．辽宁省燃烧工程技术中心，辽宁 沈阳 110034;2．东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006)

煤气化是清洁、高效利用煤炭的主要途径之一，长期的生产实践表明，在各种煤炭转化技术中，煤气化是应优先考虑的一种加工方法［1］。目前，德国Lurgi、美国GE的水煤浆气化技术与荷兰壳牌、德国西门子的GSP煤气化技术均已先后进入中国市场并取得一定的业绩，美国SES公司的U－gas气化工艺在山东也建立了首套示范装置，美国Conoco Phillips公司的Global E－gas气化工艺、英国Advantica公司的BGL气化工艺、德国KRUPPUHDE公司的加压K－T法也正准备在中国建立示范装置，并参与中国市场竞争。同时，我国自主煤气化技术也发展迅速，以水煤浆气化为代表的国产煤气化技术已达到世界先进水平。华东理工大学、兖矿集团有限公司和中国天辰化学工程公司研发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术自2005年成功运行以来，展示了优良的工艺技术性能，在大型化方面具有独特优势。而多元料浆气化技术、两段式干煤粉气化技术、航天炉、氧气分级气化技术(非熔渣—熔渣气化技术)等也在国内广泛应用。我国已成为世界上应用煤气化技术种类最多的国家［2］。

本文介绍了国内几种典型的气流床煤气化技术发展及工艺流程，并详细分析了这几种气化技术的工艺特点及应用现状。

1 多喷嘴对置式水煤浆气化技术

1.1 技术发展

华东理工大学自20世纪80年代，在“七五”和“八五”期间进行了水煤浆和渣油气化基础研究。“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂和中国天辰化学工程公司承担了国家重点课题“新型 (多喷嘴对置式)水煤浆气化炉开发”，完成了22 t/d中试研究。“十五”期间，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂承担“863”重大项目“新型水煤浆气化技术”，建成了2套装置，分别为单炉日处理煤1 150 t、气化压力4.0 MPa和单炉日处理煤750 t、气化压力6.5 MPa。“十一五”期间，该气化技术进入大规模商业推广阶段，同时在科技部“863”重大项目的支持下，建成了日处理2 000 t级气化炉。

1.2 工艺流程

多喷嘴对置式水煤浆气化技术采用纯氧和水煤浆为原料，通过气化过程以制备合成气，包括磨煤单元、气化单元、初步净化单元及含渣水处理单元。煤气的洗涤冷却单元为喷淋床与鼓泡床组成的复合床，具有良好的抑制煤气带水、带灰功能。煤气初步净化单元由混合器、旋风分离器、水洗塔组成，具有高效、节能效果。工艺的黑水热回收与除渣单元的核心设备是蒸发热水塔，采用蒸汽与返回灰水直接接触工艺，灰水温度高、蒸汽利用充分、耐堵渣，具有节能、运行周期长的特点［3］。

1.3 技术特点及技术指标

与国外水煤浆气化技术相比，四喷嘴对置式气化炉和新型预膜式喷嘴的气化效率高，技术指标先进。与采用一般水煤浆气化技术相比，有效气成分提高2%～3%，CO2含量降低2% ～3%，碳转化率提高2%～3%，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%。气化炉负荷调节范围大、调节速度快、适应能力强，有利于装置向大型化发展。复合床洗涤冷却效果好，液位平稳，避免了引进技术的带水、带灰问题。另外分级式合成气初步净化工艺具有节能、高效的特点。渣水处理系统为直接换热，热回收效率高，克服了设备易结垢和堵塞缺陷。

多喷嘴新型水煤浆气化技术大型装置投产运行时间短，有一定风险;气化炉喷嘴数量多，停车检修或更换喷嘴时影响较大。在投资方面，采用多喷嘴需要配有多台高压煤浆泵、相应仪表控制系统和管线，另外由于气化炉体加长、气化流程中增加了分离器等原因，使其投资成本与采用GE水煤浆气化技术相比 (计入GE专利费后)略低。

中国石油和化学工业协会组织现场考核专家组于2005年12月11日～18日对“多喷嘴对置式水煤浆气化技术”进行了现场工业运行考核。多喷嘴对置式水煤浆气化工业装置以北宿精煤为原料，现场考核主要技术指标:比氧耗为309 Nm3O2/1 000 Nm3(CO+H2);比煤耗为535 kg煤/1 000 Nm3(CO+H2);合成气有效成分CO+H2为84.9%;碳转化率＞98%;气化压力为4.0 MPa;气化温度为1 300℃;气化装置规模(煤)1 150 t/d。

1.4 应用现状

多喷嘴对置式水煤浆气化技术已成功应用于工业生产装置中，目前已有8家企业、共19台气化炉投入工业运行，设计、建设中多喷嘴对置式水煤浆气化炉达30余台，单炉日处理煤1 500 t以上。

2 多元料浆气化技术

2.1 技术发展

多元料浆气化技术 (Multi－Component Slurry Gasification，MCSG)属于湿法气流床加压气化技术，是指固体或液体含碳物质 (煤、石油焦、石油沥青、油、煤液化残渣等)与流动相 (水、废液、废水)通过添加助剂 (分散剂、稳定剂、pH值调节剂、湿润剂、乳化剂)所制备的料浆，与O2进行部分氧化反应，生成以CO和H2为有效组分的粗合成气。粗合成气通过洗涤等过程得到净化，然后用于合成氨、甲醇、油品、制氢及联合循环发电等。水煤浆加压气化属多元料浆气化技术的特定型式［4］。

该技术的研究开始于20世纪60年代后期，历经了实验室探索研究、气化的热力学和动力学机理研究、“六五”、“七五”和“八五”期间承担国家科技攻关计划、“九五”期间承担中国石化总公司科技开发项目和“十五”期间承担国家科技部科研院所技术开发研究专项资金项目等不同研发阶段，从实验室到中间试验，再到工程化研究和实施，最终实现这一大型先进煤气化技术的工业推广应用。

2.2 工艺流程

多元料浆经高压料浆泵加压和高压氧气经工艺烧嘴喷入气化炉内，进行气化反应，生成粗煤气。气化原料中的未转化组分和由部分灰形成的液态熔渣与生成的粗煤气一起并流进入气化炉下部的激冷室。进入气化炉激冷室的激冷水来自洗涤塔下部的激冷水泵，激冷水进入位于激冷室下降管顶端的锯齿形激冷圈，并沿下降管内壁向下流入激冷室。激冷水与出气化炉渣口的高温气流接触，部分激冷水汽化对粗煤气和夹带的固体及熔渣淬冷、降温。

气化反应生成的粗煤气、液态熔渣及细灰颗粒流出气化炉燃烧室，沿下降管进入激冷室水浴。熔渣在水中淬冷固化，并沉入气化炉底部。粗煤气与水直接接触、冷却后从气化炉旁侧的出气口引出，经汽液分离器分离出夹带的游离水，粗煤气进入管式混合器经高压灰水浸润，进入洗涤塔洗涤。气化炉激冷室底部的粗渣及其它固体颗粒、大的渣块经破渣机进行破碎，通过循环水流的循环作用带入排渣罐。从气化炉排出的大部分灰渣沉降在排渣罐底部，由排渣系统定期自动排放。

气化炉激冷室底部和洗涤塔底部的黑水经过减压后分别送入高温热水器和洗涤黑水高温热水器，进行热量回收、固体浓缩及不凝气的解析，闪蒸气进入灰水加热器中与来自除气槽的洗涤塔给水进行换热冷却，然后进入高压闪蒸分离器。分离出的冷凝液流向除气水槽。

高温热水器底部的液体及细渣进入低温热水器，闪蒸出的水汽从塔顶流出，送往除气水槽作为除气的热源并回收冷凝液。低温热水器底部的液体及细渣进入真空闪蒸系统。除气水槽接受高压闪蒸系统来的冷凝液、低压灰水泵来的灰水，不足部分由原水补充。各种进水在脱气水槽中进行脱气，防止溶解性气体进入系统对设备造成腐蚀，脱气水槽加热源使用低温闪蒸气，不足部分由低压蒸汽补入。除气水泵将灰水送往灰水加热器，加热后送入洗涤塔。低温热水器底部的黑水及细渣进入真空闪蒸器，来自渣池的细渣水由渣池泵送入真空闪蒸器对黑水进行进一步闪蒸。

真空闪蒸水及细渣混合物由澄清槽进料泵加压后送入澄清槽进行沉淀。沉淀的细渣推至澄清槽底部出口，经过滤机给料泵送往细渣过滤单元，澄清后为仅含有极少量细灰的细灰水，由澄清槽上部靠重力溢流进入灰水槽。回收的灰水经灰水泵返回系统循环使用。灰水泵出口的灰水，分别送往脱气水槽、排渣罐或渣池。为防止灰水中溶解物在水系统中累积，保持灰水中溶解物的平衡，部分灰水送往界外废水处理系统。

来自澄清槽底部的浓缩黑水，经过滤机给料泵送入真空带式过滤机，其滤液进入带式过滤机真空罐，然后经滤液槽由滤液泵送至澄清槽。过滤产生的细渣送至界外处理。

2.3 技术指标

根据实验室研究结果，将多元料浆加压气化与水煤浆加压气化的主要技术指标进行对比分析(见表1)。可见多元料浆气化的主要指标明显优于水煤浆。

2.4 应用现状

由西北化工研究院承担的国家科技部院所技术开发专项“多元料浆新型气化技术”项目，于2004年6月18日在北京通过中国石油和化学工业协会组织的技术鉴定。专家认为，该项目成功地在两套工业生产装置上应用，实现了长周期安全稳定运行的目标。所取得各项技术经济指标比较先进，达到或超过了合同规定的指标要求。在研究中形成了多项专利，属国内首创，达到国际同类技术先进水平。建议进一步改进完善，并加大工业化推广力度。多元料浆气化技术是目前中国市场上推行最多的技术。

3 非熔渣—熔渣分级气化技术

3.1 技术发展

非熔渣—熔渣分级气化技术是由清华大学与北京达立科科技有限公司提出的具有完全自主知识产权的新型气流床煤气化技术，得到了“863”、“十五”计划课题、“973”计划课题、发改委高新技术产业化专项项目的支持，采用该技术的2台日处理煤500 t的煤气化炉于2006年1月在山西丰喜肥业 (集团)股份有限公司建成投产，配套年产10万t的甲醇工程。

3.2 工艺流程

原料 (水煤浆、干煤粉或其它含碳物质)通过给料机构进入气化炉的第1段，采用纯氧作为气化剂，CO2、N2、水蒸气等作为温度调节介质。在第1段控制氧气的加入比例，使其温度保持在灰溶点以下;在第1段中生成的气体及未反应的固体混合物进入第2段，再补充部分氧气，使第2段的温度保持在灰溶点以上，在此完成全部的气化过程。

表1 多元料浆气化技术与GE水煤浆气化技术的主要技术指标

3.3 技术指标

非熔渣—熔渣分级气化炉于2007年10月23日顺利通过考核，考核过程中装置连续稳定运行72 h，平均负荷率为109.4%，装置各项指标平稳。运行数据与计算结果真实可靠，考核装置满负荷运行技术指标下:比氧耗为367.6 Nm3O2/1 000 Nm3(CO+H2);比煤耗为553.5 kg煤/1 000 Nm3(CO+H2);有效气成分 (CO+H2)为83.06%;碳转化率为98.2%;产气率为2.18 Nm3干气/kg煤。

气化装置自动化程度高，安全可靠，操控性能良好。考核期间分级运行平稳，由O2切换为CO2作为主喷嘴预混气体时，切换平稳，操作运行数据达到了考核要求。预混气体为CO2时炉上部温度比为氧气时低50℃，有利于延长喷嘴使用寿命。非熔渣—熔渣分级气化技术先进可靠，有效气体成分比氧气不分级时高1%～2%。

3.4 应用现状

采用非熔渣—熔渣分级气化技术的20万t/a甲醇生产装置1期工程于2003年在山东丰喜集团临猗分公司正式开工建设，2006年1月建成，2007年10月顺利通过中国石油和化学工业协会组织的现场72 h考核［5］。目前，6个项目、15台气化炉已经投入运行或进入建设阶段。

4 两段式干煤粉加压气化技术

4.1 技术发展

西安热工研究院有限公司在国家“863”计划的支持下，历经10余年的研究，开发出两段式干煤粉加压气化技术。1997年，建成了处理煤量为0.7～1.0 t/d的干煤粉加压浓相输送和气化试验装置，并利用该装置完成了14种中国典型动力煤种的干煤粉加压气化试验研究。2004年，建成了处理煤量为36～40 t/d的干煤粉加压气化中试装置。2006年，成功开发1 000～2 000 t/d级的干煤粉加压气化工业装置［6］。

4.2 工艺流程

两段式干煤粉加压气化技术根据国内气化技术的发展需要，设计了废锅流程和激冷流程两种工艺流程。

废锅工艺流程:废锅流程系统分为磨煤干燥、煤加压输送、煤气化及冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤、初步水处理7个子系统。原煤首先通过磨煤及干燥系统，磨制和干燥成符合煤粉输送系统要求的颗粒尺寸及含水量的煤粉，然后送入煤粉加压输送系统，通过高压N2或CO2将煤粉加压输送至气化系统，与氧气及水蒸气混合燃烧，产生高温煤气。高温煤气经过2段裂解反应合成更多有效气并降温后，高温煤气与来自干法除灰及湿法洗涤系统的低温煤气，通过循环气压缩机在气化炉冷却段冷却后，送至废热锅炉回收热量。气化炉和废锅都设有水冷壁，吸收热量并产生中压蒸汽。煤气化后产生的煤渣通过排渣系统排出系统，产生的煤气由于携带部分灰分，因此需要经过干法除尘系统和湿法洗涤进行净化后，送至后续系统。排渣和湿法洗涤产生的废水通过初步水处理系统处理后循环利用。

激冷工艺流程:与煤气化废锅流程类似，原煤首先通过磨煤及干燥系统，磨制和干燥成符合煤粉输送系统要求的颗粒尺寸及含水量的煤粉，然后送入煤粉加压输送系统，通过高压N2或CO2将煤粉加压输送至气化系统，与氧气及水蒸气混合燃烧，产生高温煤气。与废锅流程不同的是，在反应室2段喷嘴不投煤，而投入饱和水将煤气冷却到800℃左右，通过煤气导管送入激冷罐进行冷却。煤气化后产生的煤渣通过排渣系统排出，产生的煤气经过激冷罐的初次洗涤后，再经过湿法洗涤系统的处理送入后续系统。排渣系统、激冷罐及湿法洗涤产生的废水通过初步水处理系统处理后循环利用。

4.3 技术特点及技术指标

两段式干煤粉加压气化技术的主要技术特点:气化温度为1 300～1 700℃;气化反应压力为0.5～4.0 MPa;碳转化率≥99%;有效气体成分 (CO+H2)为≥90%;不产生焦油、酚等凝聚物;不污染环境，合成气质量好;煤种适应性好，可气化褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤及高灰分、高灰熔点煤，运行稳定可靠;气化炉采用水冷壁结构，以渣抗渣，无耐火砖衬里，维护量少，无需备炉;水冷壁寿命长达20年，烧嘴寿命长达10年。

与国外先进干法气化技术相比，冷煤气效率提高2%～3%，比氧耗降低10%～15%;与水煤浆气化技术相比，冷煤气效率提高7% ～10%，比氧耗降低20%～30%;可省略冷煤气循环激冷流程，使得系统自耗功大幅度降低，同时煤气冷却器及净化系统的设备尺寸减小一半。

两段式干煤粉气化炉可配套适用于化工领域的激冷流程和电力领域的废锅流程，气化系统全部国产化，比国外先进干法气化炉造价低40%左右。

中试装置通过168 h连续运行考核试验，累计运行达2 200 h以上，达到了如下的技术指标:碳转化率≥98%;比氧耗为300 Nm3O2/1 000 Nm3(CO+H2);比煤耗为520 kg煤/1 000 Nm3(CO+H2);冷煤气效率≥83%;有效气成分 (CO+H2)≥91%;可气化煤种包括褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤等;可气化煤种水分为4%～35%;可气化煤种灰分为5%～31%;可气化煤种灰熔点为1 200～1 500℃。

4.4 应用现状

西安热工研究院针对不同应用领域和市场需求开发出的废锅和激冷两种不同的工艺流程，目前已有2个项目在建、2个项目处于设计阶段。

5 结束语

文中分别从技术发展、工艺流程、技术特点和指标及工程应用现状4个方面详细介绍了我国自主开发的典型气化技术:多喷嘴对置式水煤浆气化技术、多元料浆气化技术、非熔渣—熔渣分级气化技术和两段式干煤粉加压气化技术，并与国外相应的气化技术进行对比，得出国产气化技术的优势。

［1］ 任永强，许世森，郜时旺．干法进料煤气化技术在中国的进展与发展趋势［J］．中国电力，2004，37(6):49－52．

［2］ 郑晓明，朱健崖．中国的煤化工工业及其发展趋势 ［J］．燃料与化工，2004，35(3):1－5．

［3］ 张玉亭，周宏伟．新型多喷嘴对置式水煤浆气化技术［J］．河北化工，2010，33(6):32－34．

［4］ 张晓慧．多元料浆气化装置的设备布置及工艺配管设计［J］．化肥设计，2009，47(1):35－37．

［5］ 韩喜民．非熔渣—熔渣分级气化技术在煤气化装置的应用［J］．化肥设计，2009，47(1):23－26．

［6］ 许世森，任永强．两段式干煤粉气化炉 ［P］．中国专利:ZL012404071，2001－11－30．