几种煤气化技术的先进性与适用性分析

齐景丽，孔繁荣

（中国国际工程咨询公司，北京 100048）

几种煤气化技术的先进性与适用性分析

齐景丽，孔繁荣

（中国国际工程咨询公司，北京 100048）

以褐煤为原料，对几种煤气化技术即壳牌粉煤气化技术、航天炉粉煤气化技术、GSP气化技术、BGL气化技术和五环炉气化技术的先进性及适用性进行分析；提出在褐煤的干燥和输送能够满足工业运行的前提下，优先推荐选用粉煤气流床激冷流程气化技术，符合现代煤气化技术发展方向；气化炉设置应该考虑多炉互备运行。

褐煤；气化技术；先进性；适用性

近年来，我国石化产业稳步发展，2010年全行业实现总产值8.88万亿元，同比增长34.1%。“十二五”期间，我国仍将处于工业化和城镇化加快发展的重要阶段，石化产品国内需求旺盛，将推动石化产业进一步发展。但是，我国石油对外依存度不断增加，获取原油资源难度逐步加大，人们开始更多关注煤炭深加工形成的化工产品。

煤化工是我国化学工业的重要组成部分，煤化工行业的发展对于缓解我国石油、天然气等优质能源供需矛盾，促进钢铁、化工、轻工和农业的发展起到了必要的补充作用。我国煤炭资源相对丰富，为科学合理、高效利用煤炭资源，保障国家能源安全，适度发展现代煤化工是必要的。但发展的关键问题是如何获取大量稳定、廉价的合成气及成熟先进的技术路线。从根本上讲，现代煤化工的发展取决于有多少较石油化工路线更有优势的技术［1］。

煤气化技术是发展煤基化学品（如甲醇、氨等）、煤基液体燃料、IGCC整体煤气化联合循环发电、制氢、直接还原炼铁等过程工业的龙头技术、关键技术和共性技术，是很多洁净煤新工艺的基础和先导环节，而各种煤气化技术均有其相应的特点和适用范围，特别是针对不同原料煤种，如何合理选择先进、适用的煤气化技术尤显重要。

目前，由于烟煤、无烟煤等优质煤炭资源已得到充分利用，拓展空间有限，因此，褐煤资源的开发利用日益受到关注。我国的褐煤资源丰富，已探明保有储量达1.303×1011t，占全国煤炭储量的17%，主要分布于内蒙古东北部、黑龙江东部和云南东部［2］。

褐煤又名柴煤，是煤化程度最低的矿产煤，是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，因外表呈褐色或暗褐色而得名。该煤种具有氧／碳（原子比）高、内水含量及挥发分高、灰分及灰熔点变化大、发热量低、化学反应性强等特点，易于燃烧，不易储存和远距离运输。据资料显示，我国褐煤平均灰分为21.90%，挥发分为45.21%，水分30%左右，发热量为28.71MJ／kg［3］。

由于褐煤内水含量较高，且内孔外表面积大，吸水能力强，一般不易制得高浓度的煤浆，导致气化效率较低。因此，褐煤加工不宜选用相对较为成熟的水煤浆气化技术。从可能性来看，现有的碎煤／粉煤流化床气化技术及粉煤气流床气化技术均可应用于褐煤气化，但又各有其特点和适用范围。以下分别就壳牌粉煤气化、航天炉粉煤气化、GSP技术、BGL气化和五环炉气化几种技术的先进性和适用性进行分析。

1 选择煤气化技术的几个问题

大型煤化工装置选择煤气化技术的原则：先进、成熟、可靠，具有 “安全、稳定、长周期、满负荷”运行业绩；充分考虑煤种的适应性和目标产品需求；装置投资、运行维护费用的合理性；满足节能、环保要求。

几种气化技术中，壳牌、GSP、航天炉和五环炉属气流床粉煤加压气化技术，BGL炉属固定床碎煤液态排渣气化技术。

1.1 关于气流床和固定床

当气体以较低速度自下而上通过均匀固体颗粒床层时，气体只在静止不动的固体颗粒空隙中穿过，固体颗粒床层的高度基本上维持不变，这样的床层称为固定床。随着气体流速增大，固体颗粒床层开始松动，固体颗粒的相对位置也在一定区域内调整，床层高度略有增加；如果气体流速继续增大，固体颗粒则完全悬浮在向上流动的气体中，并进行相当不规则的运动；气体流速进一步增大，床层高度将随之增加，固体颗粒的运动更为激烈，但仍停留在床层中，而不被气流所带出，这样的床层称为流化床。当气体流速继续增大，流化床的上界面消失，固体颗粒分散悬浮在气体中并被气流夹带而离开床层，这样的床层称为气流床，此时，气体通过固体颗粒床层的压力降随气体空塔速度的增大而急剧减小，甚至固体颗粒被气体全部带出。根据上述原理，形成3种制气技术，即固定床气化、流化床气化和气流床气化［4］。

气流床气化技术的特点是气化温度高、处理负荷大、容易放大，合成气成分适用于生产合成氨、甲醇等化工产品。固定床气化技术的特点是原料煤预处理相对简单，气化炉出口粗煤气组成中甲烷、酚、焦油等杂质含量较高，冷煤气效率高，适合于煤制天然气。

1.2 关于褐煤进料状态问题

由于褐煤含水量高、挥发分高、热稳定性差，必须经过预处理，降低煤中水分含量，满足气化装置进料需要。国内外褐煤干燥脱水技术有管式、流化床式、床混式、热机械脱水等，其中热机械脱水干燥技术可以通过热压力使矿物质（特别是碱金属）同时析出，过热蒸汽干燥脱水技术是一种以水蒸气为热介质进行干燥的技术，也是近年来国内外研究开发的重点［5］。

对于气流床气化技术，褐煤必须经过预干燥、磨煤干燥达到一定要求后进入气化炉。目前，国内采用褐煤作气化原料的工业化装置有限，褐煤的干燥和输送尚未有成功经验。应借鉴国内外成熟的褐煤干燥技术；密切跟踪大唐多伦项目的运行和改进；联合国内相关研究机构，进行褐煤干燥和输送试验，以满足安全输送和气化炉入炉原料要求。

对于固定床气化技术，褐煤需经过干燥、成型后进入气化炉。应对云天化金新项目的褐煤干燥成型情况进行跟踪，同时与云南解化项目褐煤直接入炉运行情况进行调研比较，确定合适的褐煤预处理方案。

1.3 关于气化炉连续稳定运行问题

煤气化工艺迄今已有150多年的发展历史，大量生产实践表明，单台气化炉无法满足装置长周期连续运行的要求，应该采用双系列或多系列气化炉互备运行。

从长远来看，粉煤气流床气化技术对于褐煤是适用的，但缺少工业化运行业绩。影响装置稳定运行的主要因素为煤质和输送的稳定性、水冷壁挂渣、气化炉堵渣等。褐煤固定床气化技术有长周期工业化运行业绩。影响装置稳定运行的主要因素为褐煤干燥成型和后系统堵灰等。

2 几种适合褐煤气化的技术优劣势分析

2.1 壳牌粉煤气化技术

（1）该技术先进、可靠，工业化业绩最多，经过近几年的攻关，出现的大多数工程问题都已经解决或正在解决。

（2）该技术注重环保和可持续发展，装置的自动化程度、联锁保护系统和装置的安全性能高。

（3）单炉生产能力大，运行周期长，技术正走向成熟阶段。目前开发的上行激冷流程适合于生产合成氨，设备国产化率较高，相对废锅流程投资较低。

（4）对煤种的适应能力强，高硅铝比、低铁含量和合适的灰熔点有利于气化炉的稳定运行。

但是，国内唯一以褐煤为原料的大唐多伦气化装置，于2008年开始至今一直处于试车阶段，建议密切关注其进展情况。

2.2 航天炉粉煤气化技术

（1）航天炉是一种以粉煤为原料（20～90μm煤粉颗粒），惰性气体输送（氮气或二氧化碳）、高温（气化炉膛允许操作温度1 400～1 900℃）、高压（2.0～4.0MPa）的气流床煤气化炉，具有煤种适应范围广、碳转化率高的特点。

（2）采用干煤粉进料，严格控制进料煤粉的水含量。与湿法比较，粉煤气化比水煤浆气化冷煤气效率提高10%，有效气产量提高6%，氧耗量降低15%～25%，干煤粉密相输送悬浮速度达7～10m／s。

（3）干煤粉纯氧燃烧，燃烧器火焰的中心温度1 800～2 150℃，气化炉膛允许操作温度1 400～1 900℃，使煤的灰熔点可选范围宽（1 250～1 650℃）；碳转化率高，粗合成气品质好，CH4含量低，出口合成气有效气体（CO＋H2）体积分率≥90%，CH4体积分率≤130×10－6；高温、高压提高反应速率，缩短反应停留时间。

（4）采用单烧嘴顶烧组合燃烧器，燃烧负荷调节范围大。燃烧器结构设计合理，燃烧火焰、炉内物料流场与炉膛结构合理，炉内煤粉热解区、火焰燃烧区、烟气射流区、烟气回流区以及二次反应区分布合理，反应停留时间满足气化要求，具有良好的燃烧性能；集高能电点火装置、液化气（柴油）点火烧嘴、火检为一体，独立冷却水外盘管，拆装维护方便。水冷夹套式烧嘴冷却方案，可保证烧嘴长周期运行，稳定可靠。设计寿命20年，烧嘴头部局部维护时间6月一次。

（5）密闭式盘管水冷壁辐射室结构，设计寿命20年。“四进四出”结构可以保证管程水流分布均匀。可控制盘管内水汽化率，调节炉内热平衡。烧嘴盘管、渣口盘管分别进水，多组冷却水盘管易于调节，便于维护和更换。

（6）“自我修复式”耐火材料结构，炉内向外依次有液渣、固渣、SiC耐火材料、水冷壁、惰性气体保护层、高铝不定型耐火材料、外保温层，水冷壁外可以形成3～5mm稳定的固渣层，“以渣抗渣”，抵抗气体和熔渣的冲刷和磨损，耐火材料的选择具有低的气孔率、较高的高温强度、较好的热稳定性，耐火材料的施工、养护、维护和更换方便，价格低。该技术采用激冷、水浴式合成气冷却及洗涤方案，可靠性较好。

航天炉粉煤气化技术有成功产业化运行经验，该技术具有结构简单、有效实用的特点。目前有750t／d示范装置两套，主要设备完全实现国产化，投资具有一定竞争力。但该技术目前尚无单炉1 000t／d以上工业装置，应密切关注工程放大风险。

2.3 GSP煤气化技术

GSP煤气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气流床气化技术，该技术目前为西门子所有。根据煤气用途不同，可直接水激冷，如化工合成气用户；也可用废热锅炉回收热量产生高压蒸汽，如IGCC发电用户。GSP技术采用了干煤粉进料、盘管式水冷壁，既扩大了原料煤种范围，又避开了耐火砖的麻烦。下喷的直接激冷使设备造价大幅度下降，流程简单，激冷后合成气中的水蒸气也基本能满足后序变换工段使用。

国内采用GSP气化技术的宁煤神华煤制烯烃装置，采用5台投煤量为2 000t／d的气化炉，经过近二年的运行，期间不断改造，目前已经做到4开1备，甲醇产量已经超过5 000t／d，达到设计的日产指标。

尽管GSP气化技术在国内没有用于褐煤气化，但是在德国是经过褐煤气化试验的，如果国内在航天炉上能够采用褐煤气化，则GSP气化炉采用褐煤气化也能够成功。

2.4 五环炉气化技术

（1）该技术在气化反应气体出口上方设置激冷室。正常操作时，通过设在激冷室筒壁上的多排多个水／汽组合型喷嘴实现对高温合成气喷水雾化冷却和固灰，取代壳牌炉采用后续返回气进行激冷的方法，取消压缩机，简化了流程，降低工程投资，节约了运行费用。

（2）在输气管出口设置了激冷罐，取代废热锅炉对气体进行降温和除尘，取消干法除尘和回收系统，增加了灰水处理能力，大幅度降低了工程投资。

（3）煤种适应性广，可以用于气化含高碱性元素和氯离子的煤，避免采用合成气冷却器传热面，从而避免粘灰结垢堵塞通道，降低传热效果。

（4）采用多喷嘴进料，单炉产气能力大，具有高效、大型化和长周期运行的显著特点。

（5）对气化炉出来的高温粗合成气采用水蒸气混合激冷，随后直接进入激冷管水浴激冷，降低了一次性投资，减少了下游变换工序对蒸汽的消耗。

五环炉技术采用上行气流床激冷流程，但目前尚无工业化运行业绩，其技术可靠性有待进一步验证。

2.5 BGL气化技术

（1）该技术综合了熔渣气化技术高气化率、高气化强度的优点和移动床加压气化技术氧耗低和炉体结构廉价的优点，具有建设投资少、周期短、生产率高、运行成本低、维护成本低的综合优势。

（2）BGL块（碎）煤熔渣气化炉技术在鲁奇炉内壁设计基础上加入耐火砖衬，形成水夹套保护层，在炉下部沿周向设置了一组喷嘴，将混合氧气／水蒸气高压喷入炉内，形成炉内局部高温（2 000℃左右）燃烧区，气化区温度在1 400～1 600℃ 范围，较大幅度提高了气化率和气化强度。

（3）粗煤气的出口温度仅为300～550℃，提高了气化过程的热效率，节省了氧气消耗，降低了废热回收的需求和设备成本。

（4）由于BGL气化技术的设计特点，炉内靠近炉壁处温度和粗煤气出口处温度较低，气化炉炉体和附属设备可采用常规压力容器钢材，在国内就近加工制造，大幅度降低了制造、运输和安装的成本。

（5）该技术可气化石油焦、无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤，以及这些煤种的混合投料；对高灰熔点煤种，仅需添加石灰石助熔剂。

BGL技术已有褐煤气化工业装置用于生产甲醇，已运行两年多，其干燥、成型技术相对成熟，但后续流程比较复杂，废水处理难度较大，目前还在继续试验和完善中。

3 几种暂不适合褐煤气化的技术现状及发展趋势

就目前的制浆技术而言，以下几种煤气化技术难以用褐煤作原料。但是这几种气化技术是有效和成熟的，有的适合于化工，有的适合于IGCC。未来在制浆技术上如果有突破，或者在制浆原料上做些工作，用于褐煤气化不是没有可能的。

3.1 德士古水煤浆气化技术

德士古水煤浆气化技术的开发始于20世纪40年代，1950年首先在天然气非催化部分氧化上取得成功，1956年又应用于渣油气化。70年代末建设了德国的RAG和美国加州的Cool Water 2套示范装置，1983～1985年分别在日本的UBE公司和美国的Eastman公司建设了3套商业化装置。90年代Texaco煤气化技术共有9套装置投入运转，其中5套在中国，4套在美国。目前，在建和运转的德士古气化炉有80多台，属较为成熟的气化技术，在国内运行的业绩良好，目前该技术被GE收购。

3.2 Global E－Gas气化技术［6］

E－Gas气化技术为采用水煤浆做原料的两段气化技术。其技术开发始于1978年，在美国路易斯安娜州的Plaguemine建立了日处理15t煤的中试装置，其后于1983年建立了单炉550t／d的示范装置，于1987年建设了单炉1 600t／d煤气化装置，配套165MW IGCC电站。基于这两套装置的经验，1996年在路易斯安娜州的Terra Haute建立了单炉2 500t／d的气化装置，配套Wabash River的260MW的IGCC电站。

E－Gas气化炉内衬采用耐火砖，约85%的煤浆与氧气通过喷嘴射流进入气化炉第一段，进行高温气化反应，一段出口的高温气体含量接近20%；15%左右的煤浆从气化炉第二段加入，与一段的高温气体进行热质交换，使上段出口温度降至1 040℃左右。1 040℃的合成气通过一个火管锅炉（合成气走管内）降温，降温后的合成气进入陶瓷过滤器，分离灰渣。过滤器分离出的灰渣循环进入气化炉一段。

E－Gas技术适应多种类型原料，能够从100%煤给料切换到100%石油焦给料并进行相互转换或混烧，比传统的一段式湿法给料气化工艺更为节能。其原因是，通过二段式反应炉在不额外添加氧气的条件下将多余的水煤浆予以转换利用。这一措施减小了空分装置的规模，节约了氧气成本。除渣系统摈弃了昂贵、结构复杂和返修率高的闭锁料斗，显著降低了气化框架高度，施工费用大幅降低。E－Gas技术在投资、效率、操作成本上实现了优化平衡。

3.3 多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术［6，7］

多喷嘴对置式水煤浆气化技术创新性主要体现在以下几个方面：高效的预膜式喷嘴更利于煤浆的雾化；多喷嘴进料在炉内形成撞击流场，强化混合和热质传递；喷淋和鼓泡复合床型的合成气初步洗涤冷却系统，避免了合成气带水、带灰；采用分级净化思路的合成气初步净化系统，净化效果好，系统能耗低，设备不易结垢堵灰；热回收与除渣单元采用蒸汽与返回灰水直接接触工艺，换热效果好，灰水温度高，蒸汽利用充分。

多喷嘴对置式水煤浆气化技术已在山东兖矿国泰化工有限公司实现了工业化应用。山东兖矿国泰化工有限公司在现有气化装置的基础上，增加2台日处理煤量1 150t的多喷嘴对置式水煤浆气化装置，年产240kt甲醇，联产71.8MW电量，并实现了煤气化技术带压连投操作。带压连投是煤气化技术的重大突破，大大降低了气化炉停车几率，使新型气化炉的稳定性和经济适用性大大增强。与山东兖矿鲁南化肥厂采用国外水煤浆气化技术装置同期运行结果对比，这套装置将有效气成分和碳转化率分别提高2%～3%，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%，处于水煤浆气化技术的国际领先水平。

现代煤气化技术发展的主要趋势是加压、高温、粉煤、纯氧气化和液态排渣。纵观当今世界各国煤炭气化技术的特点，对现代煤气化技术的要求大致为，煤种适应性广、煤（或碳）转化率高、煤气品质好、操作性能好、便于实现自动控制，与其他先进煤气利用技术有良好的兼容性，与发电或先进化工合成工艺技术的联合等［4］。

4 结论与建议

（1）在褐煤的干燥和输送能够满足工业运行的前提下，宜优先推荐选用粉煤气流床激冷流程气化技术，力求做到投资少、煤的利用率高、环境污染小，从而符合现代煤气化技术发展方向。

（2）鉴于BGL气化炉拥有褐煤气化工业运行经验，所需干燥、成型等入炉前处理技术也较为成熟，在与气流床粉煤气化相配套的褐煤干燥和输送工艺的问题解决之前，可将其作为备选方案。建议密切关注即将投产的型煤气化装置试运行情况，同时关注副产品综合利用和三废治理情况。

BGL气化技术采用的是碎煤，随着机械化采煤的发展，碎煤的比例越来越小，因此，改善碎煤成型技术、降低碎煤成型的成本，显得十分重要。

（3）目前，国内已投入运行的粉煤气流床激冷流程气化技术有航天炉、GSP炉，类似技术还有科林的气化技术及东方炉等。建议重点关注航天炉大型装置的工程化、集成设计和运行情况，以及GSP国产化进程及投资运营成本，以便选择更为合理的工程技术方案。

（4）在建设大中型煤化工装置时，无论何种气化炉，都要考虑备用炉，从而为 “安全、稳定、长周期、满负荷”运行创造条件。

［1］唐宏青.现代煤化工新技术 ［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［2］董洪峰，云增杰，曹勇飞.我国褐煤的综合利用途径及前景展望 ［J］.煤炭技术，2008，27 （9）：122～124.

［3］初茉，李华民.褐煤的加工与利用技术 ［J］.煤炭工程，2005，52 （2）：47～49.

［4］王国祥.煤气化技术在合成氨生产中的应用与发展趋势［J］.氮肥技术，2008，29 （5）：1～6.

［5］唐宏青.褐煤气流床气化相关问题探讨 ［J］.煤化工，2010，38 （6）：1～6.

［6］王辅臣，于广锁，龚欣，等.大型煤气化技术的研究与发展 ［J］.化工进展，2009，29 （2）：173～180.

［7］孙铭绪.多喷嘴对置式水煤浆气化技术工程设计 ［J］.化工设计，2007，36 （5）：3～7.

Analysis of Advancement and Applicability of Several Gasification Technologies

QI Jing－li，KONG Fan－rong
（China International Engineering Consulting Corporation，Beijing 100048，China）

Taking the lignite as the raw material for example，analyze advancement and applicability for several gasification technologies which are Shell pulverized coal gasification，HT－L coal gasification，BGL coal gasification and WH gasification technology.Under the premise of lignite drying and conveying being able to meet the industry operation requirements，recommend firstly using of pulverized coal entrained flow bed gasification technology with quenching process，and the gasification unit should be equipted with more gasifiers for backup.This choice is in the line with direction of modern coal gasification technology development.

lignite；gasification technology；advancement；applicability

TQ546.2

B

1003－6490（2012）05－0015－05

2012－08－17

齐景丽 （1979－），女，河南宜阳人，注册化工工程师，注册咨询工程师，硕士研究生，从事石化项目设计及工程咨询评估工作。