国内外先进煤气化工艺技术的研究

李明珠，胡振清，郑 峰，钟美瑶，潘郁夫，刘尚宜，张正国

国内外先进煤气化工艺技术的研究

李明珠，胡振清，郑 峰，钟美瑶，潘郁夫，刘尚宜，张正国

（北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021）

针对我国煤化工产业的特点和缺陷，综述了国内外先进煤气化工艺技术，如GSP干粉煤加压气化技术、Shell干煤粉煤气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、Texaco水煤浆加压气化工艺技术、多喷嘴水煤浆加压气化工艺技术等，并做了比较。

煤气化；气化炉；加压；气化

在我国，煤炭的生产和消费都非常大，仅煤炭年产量就达到10亿t以上，但大部分都是通过直接燃烧用于火力发电，以及充当各类运输消耗的燃料［1-3］，煤气化技术的利用相对很低。在当今资源短缺、环境污染的冲击下，煤炭能否充分利用是缓解石油、天然气资源短缺的有效途径，所以大力发展煤气化技术对煤化工产业具有重大意义［4-5］。

1 4种煤气化炉技术

根据气体和固体的接触方式，煤气化工艺技术可分为固定床、流化床、气流床和熔融床4种，熔融床技术还没有实际开发应用，所以现在煤气化技术主要以前3种为主。按照煤在气化炉中的流体力学行为，气化炉又可分为逆流、并流和并逆流3种，分为固定床气化、流化床气化、气流床气化炉［6］。4种煤气化炉的模式见图1。

图1 4种煤气化炉模式图

1.1 固定床［7-8］

固定床气化炉是煤从炉顶进入，气化剂从炉的下部供入的一种气固逆向流动的气化炉，通过炉下部的炉排来支撑上面的煤层。气化剂通常以氧或空气和水蒸汽为主，煤的停留时间较长，模式如图1 （a）所示。因此为了保证煤能够气化对煤的要求如下：

①为保证床层的孔隙率足够，煤必须具有一定的粒度能够透气；②为防止煤在炉内遇热爆碎和煤在运输及从加煤机落到炉内时摔碎，煤须具有一定抗碎强度及热稳定性；③选择黏结性较低的煤，如选择不黏煤、弱黏煤等。因为黏结性较高的煤在气化时会在干馏层产生胶质结焦黏结在一起，导致床层透气受到影响。

从这些特点不难发现，长焰煤、不黏煤、弱黏煤、部分年老的褐煤等都符合要求。目前，运转中的固定床气化炉主要有鲁奇气化炉和BGC-鲁奇炉2种。

1.2 流化床［9］

流化床气化炉是煤从上部或中部加入，气化剂从炉的下部吹入的一种气化炉，在密相区大部分的煤粒都以悬浮状态存在，而且床层位置不发生改变，所以煤的停留时间较短。模式如图1（b）所示，为保证气化，对煤的要求如下：

①因为太小的颗粒容易被气流携带迅速到达出口，来不及反应，而太大的颗粒容易沉落在炉底，难以反应完全，所以煤需要具有一定的粒度，一般控制在1～10mm之间为宜。②煤的黏结性要低。有黏结性的煤容易黏结在一起，形成大的块状沉下去。③煤的含水量较低，煤的粒度较小，水分大，容易造成堵塞无法输送，耗热较多。④反应活性要高。

满足以上要求的煤包括长焰煤、不黏煤、部分褐煤等。

1.3 气流床［10］

气流床气化炉是将干煤粉或水煤浆和气化介质一起从烧嘴中喷出，穿过炉膛时速度很快，具有反应很快、停留时间很短的特点。模式如图1（c）所示，对煤的要求如下：①选择可磨性指数高的煤；②当炉型以干煤粉进料时，选择水分含量较低的，水分大时容易造成堵塞无法输送，而且耗热也较多；当炉型以水煤浆进料时，选择成浆性好、灰含量少的煤。③灰熔融性温度越低越好。耐火砖炉壁的炉型，温度最好低于1300℃。

由干煤粉进料、水冷壁的气流床气化炉，对于灰熔融性温度特别高的煤必须添加助熔剂，而其他的煤种几乎都能气化。由水煤浆进料、耐火砖炉壁的气流床气化炉，适宜灰熔融性温度低、灰分低、成浆性好、活性较高的煤，如气煤、长焰煤、弱黏煤、不黏煤等。典型的气流床气化炉有德士古气化炉、壳牌气化炉，其结构见图2、图3。

图2 德士古气化炉结构

图3 壳牌气化炉结构

在化工生产中，德士古气化炉与壳牌炉的性能比较见表1。

从表1我们可以看出，甲醇合成气要求压力较高，相比德士古炉来说，壳牌炉的（CO+H2）的含量高，CO2、N2等的含量低，耗煤更低，每台炉的气化能力较高，碳的利用率更高。由此可见，壳牌炉更适用于大规模制取甲醇用合成气。

表1 壳牌气化炉与德士古气化炉粉煤气化性能比较

2 5种典型煤气化工艺特点的比较

煤气化技术发展越来越快，目前煤气化技术是以气流床气化为主，这也是今后煤气化技术发展的主要方向。由于气流床组合方式和炉型的不同，又对应多种气流床气化技术，以下就介绍5种典型的气流床气化技术，包括GSP加压气化技术、Shell（壳牌）煤气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、Texaco水煤浆加压气化工艺技术、多喷嘴水煤浆加压气化工艺技术。

2.1 GSP加压气化技术

采用GSP气化炉，入炉前煤必须经过干燥、磨细这两个步骤。将处理后的原料煤从气化炉顶部输入，从底部排渣。炉内有水冷壁内件，属于单烧嘴下行制气。目前世界上采用GSP气化工艺技术的有3家，但都没有用于气化煤炭。1984年东德黑水泵市建立了一套热负荷为130MW的气化装置，使用褐煤生产燃料气，气化炉内有水冷壁內件，投煤量为720t·d-1，产气量为50000m3·h-1，气化操作压力为2.8MPa，操作温度为1400℃［11］，有约6年的气化褐煤经验。由于采用水激冷流程，GSP气化炉的投资比Shell气化炉省，更适用于煤化工生产。加拿大能源公司的IGCC项目以及美国能源公司的天然气项目，投煤量分别为2000 t·d-1和2×2000 t·d-1，已开工正常生产［12］。神华宁夏煤业集团有限责任公司采用GSP干煤粉加压气化技术建设1670 kt·a-1甲醇制烯烃项目，投煤量为5×2000 t·d-1。此外还有山西兰花煤化工有限公司300 kt·a-1合成氨及100kt·a-1甲醇项目，投煤量为2×2000 t·d-1，以无烟煤为原料。

2.2 Shell（壳牌）煤气化技术［13］

Shell煤气化技术与GSP煤加压气化技术同属于气流床气化，是目前世界上第二代煤气化工艺中比较先进的一种。加压条件下将煤粉、氧气及少量水蒸汽并流从气化炉下部进入气化炉内，可以在短时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理过程和化学过程，同时气化产物中CO2的含量很少，生产以H2和CO为主的合成气。其工艺流程简图见图4。

图4 Shell 煤气化工艺流程简图

同时Shell煤气化技术可用于气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦等高灰熔点的煤。在操作过程中如需添加助熔剂，则可以将助熔剂和原料煤在磨煤机中混磨。这种气化炉采用水冷壁，无耐火砖衬里。熔融灰渣沿水冷壁而下，排入炉底水槽。水冷壁内壁涂有一层SiC耐火材料，使熔渣在水冷壁上结成固体熔渣层，从而达到以渣抗渣的目的。目前国外最大的气化炉煤处理量为2000t·d-1，3.0MPa的气化压力。21世纪以来，国内以合成氨、甲醇为目标产品，共引进19台设备，气化压力3.0～4.0MPa，以干煤粉进料，通过高压氮气气动输送入炉，而且对输煤粉系统的防爆要求严格。由4个烧嘴对称式布置的多喷嘴烧嘴气化炉，可以灵活调节负荷；采取将高温除灰后的部分300～350℃、含尘量2 mg·m-3左右的气体与部分水洗后160～165℃、含尘量1mg·m-3左右的气体混合，气体混合后的温度约为200℃，通过返回气循环压缩机加压，将混合气体送到气化炉顶部，把气化炉排出的高温合成气激冷至900℃后，再进入废热锅炉热量回收系统，以防止高温气体排出时夹带的熔融态和黏结性飞灰在气化炉后的输气导管换热器、废热锅炉管壁黏结。

我国引进的Shell煤气化装置只设1台气化炉单系列生产，同时在煤化工生产中因没有备用炉，所以常年连续稳定运行还需检验。通常1套不设备用炉的装置投资相当于设备用炉的GEGP气化装置或多喷嘴水煤浆气化装置的投资的2～2.5倍，投资量大，当使用庞大的、投资高的废热回收锅炉回收排出气化炉的高温煤气的显热副产蒸汽后，如应用于煤化工，需要将蒸汽返回后续CO变换系统，如用于制氢气和合成氨，副产的蒸汽量通常不能满足需求，还需另设中压过热蒸汽系统，用于气化炉的过热蒸汽。所以Shell带废热锅炉的干煤粉加压气化技术并不适合于煤化工生产［14］。

2.3 两段式干煤粉加压气化技术

两段式干煤粉加压气化技术是由西安热工研究院开发成功的具有自主知识产权的煤气化技术。该技术可以适用于褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤以及高灰分、高灰熔点等煤种。并且气化煤种灰分范围5%～31%，温度为1200～1500℃，可气化煤种的水分范围4%～35%，不产生焦油、酚等。当气化温度达到1400～1600℃，压力为3.0MPa时，碳的转化率达到99%以上，同时产品中气体相对洁净，不含重烃，煤气中有效气体体积分数（CO+H2）在90%以上。气化炉是水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量少，运转周期长，具有无需备炉水激冷和冷却的特点。另外废热锅炉的金属外筒是受压容器，内件由圆筒型水冷壁和若干层盘管型水冷壁组成，盘管型水冷壁各层之间密封分隔，同时废热锅炉需要设置一定数量的气动敲击除灰装置来消除水冷壁上的积灰［15］。该气化技术氧耗较低，所以可减少与之配套的空分装置的投资；热效率较高，单炉生产能力较大，煤中83%的热能可转化为合成气， 15%的热能被回收为高压或中压蒸汽，总热效率达到98%左右［16］。但采用两段气化的缺点是合成气中CH4含量较高，不适合制合成氨、甲醇、氢气等产品。

两段式气化炉外壳为一直立圆筒，分为上、下两段炉膛，首先反应的区域是下炉膛，粉煤、水和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上，排渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣，在下炉膛内壁面上设有用于回收部分热量的水冷壁；其次反应的区域是上炉膛，在上炉膛的侧壁上开有2个对称的二次粉煤和入水进口，而且在上炉膛内壁面上也设有用于回收热量的水冷壁［17］。开车时，干煤粉、氧气（纯氧或富氧）以及蒸汽由气化炉的下段喷入，喷入的煤粉量是总煤量的 80%～85%，过热蒸汽夹带的粉煤则在上炉膛喷入，所喷入的煤粉量是总煤量的15%～20%。该装置上段炉的作用不仅代替循环合成气使温度急剧下降，而且还提高总的冷煤气效率和热效率。

2.4 Texaco水煤浆加压气化工艺技术

德士古水煤浆加压气化工艺是将原料煤磨制成水煤浆后由泵送至气化炉顶部，单烧嘴下行制气的湿法进流床的一种。以水煤浆送入炉系统，比干粉煤加压气化方法要简单、安全，投资少且单炉生产能力大。同时，煤质的好坏也是德士古气化炉生产的一项要求，例如成浆性差、灰分较高。其他方面则存在耐火砖成本高、使用寿命短和煤烧嘴易磨损等问题。

神华宁煤煤化工甲醇项目就是采用Texaco水煤浆气化工艺。将水煤浆经加压与氧气一起进入燃烧室，生成的粗煤气和熔渣通过喉部进入辐射废锅换热降温，在下降过程中被冷却下来的熔渣掉入废锅的水浴中固化，再经渣锁罐定期排入渣池后，通过捞渣机捞出界外。粗煤气离开燃烧室一般控制在350～400℃，同时锅炉水在辐射段和对流段内吸收粗煤气的热量副产10.0MPa的高压蒸汽。离开对流废锅的粗煤气，经文丘里洗涤器进入洗涤塔除尘和冷却后，送往变换工序。目前国际上最大的气化炉日投煤量为2000t，国内设计中的气化炉能力最大为1600t·d-1，已投产的气化炉能力最大为1000 t·d-1。

德士古水煤浆加压气化工艺技术对原料煤适应范围广泛，但要求原料煤含灰量较低，如气煤、烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均可用作气化原料。而且高温抗渣对耐火砖衬里会产生限制，所以一般要求煤的灰熔点在还原性气氛下的温度小于1300℃，对于灰熔点稍高的煤，可以添加石灰石作助熔剂，降低灰熔点。同时灰渣黏温特性好，黏温变化平稳，煤的成浆性能要好。气化系统的热利用以两种形式存在：一种是废热锅炉型，将煤气中的显热副产高压蒸汽进行回收，用于联合循环发电；另一种是水激冷型，制得的合成气水气比高达1.3～1.4，能满足后续CO变换工序的需要，变换工序不需要外供蒸汽，通常制氢、制合成氨、制甲醇等化工产品。气化系统不需要外供过热蒸汽及输送用于原料煤气化的N2或CO2。气化系统总热效率高达94%～96%，高于Shell干粉煤气化（91%～93%）和GSP干粉煤气化（88%～92%）。缺点是气化用原料煤受气化炉耐火砖衬里的限制，适用于低灰熔点的煤，碳转化率较低。而且气化装置的比氧耗和比煤耗较高，耐火砖寿命较短，一般为1～2年，国产砖寿命为1年左右，1台投煤量为1000t·d-1的气化炉耐火砖约需500万元左右。气化炉烧嘴使用寿命较短，一般使用2个月后，需停车检查，维修或更换喷嘴头部。

2.5 多喷嘴水煤浆加压气化工艺技术

该技术是华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂和中国天辰化学工程公司合作开发的煤气化技术，属于多烧嘴下行制气，气化炉内用耐火砖衬里。开发成功后，由华陆工程科技有限公司设计，山东华鲁恒升化工股份有限公司建设了1套气化炉系统用于合成氨。该系统气化压力为6.5MPa，投煤量为750 t·d-1，于2005年6月正式投入运行，累计运行时间已经超过20000h。与同期运行的单喷嘴水煤浆气化炉相比，具有以下优点：节煤约7%，节氧约7%；碳的转化率高2%～3%；粗渣中碳含量约2%～5%（单喷嘴气化炉约7%～8%）；细灰量减少；细灰中碳含量减少。2台单喷嘴气化炉同时开，细灰中碳含量约40%。多喷嘴和单喷嘴各开1台，细灰中碳含量约20%；有效气成分高2%～3%，CO2降低2%～3%。在此规模下，比单喷嘴水煤浆气化炉增加5万元·d-1经济效益，至今已经运行3年多，运转情况良好。

山东滕州兖矿国泰化工有限公司建设有3套（A炉、B炉、C炉） 气化炉系统，系统气化压力为4.0MPa，投煤量为1150t·d-1，用于生产甲醇、醋酸、发电。与采用国外水煤浆气化技术的兖矿鲁南化肥厂同期运行结果相比，其优点在于：碳的转化率提高2%～3%；有效气成分提高2%～3%， CO2含量降低2%～3%；比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%。国泰煤耗约1.25t煤（t甲醇）-1，鲁南化肥厂煤耗约1.4t煤（t甲醇）-1。

与单烧嘴加压气化技术相比，多喷嘴水煤浆加压气化技术的技术指标见表2，气化用煤质分析见表3。

表2 多喷嘴气化与单烧嘴气化结果对比表

表3 气化用煤质分析表

3 5种煤气化工艺技术的比较

3.1 气化原料制备和输送方式

进料方式为两种方式，其中干煤粉进料是Shell、GSP和TPRI两段式加压气化技术。而水煤浆进料则是Texaco气化技术和华东理工大学的多喷嘴加压气化技术。相比较这两种进料方式，水煤浆加料系统比干煤粉加料系统更简单，投资省，且安全可靠。

3.2 煤气化炉的结构形式

Shell、GSP和TPRI两段式加压气化技术的气化炉均属冷壁炉，炉内安装有水冷壁，适合于气化灰熔点较高的原料煤。Texaco气化技术和华东理工大学的多喷嘴水煤浆加压气化炉均属热壁炉，炉内衬有耐火砖，适合气化低灰熔点（还原性气氛下，FT ＜1300℃）的煤。

3.3 热回收利用形式

有废热锅炉（废锅流程）和水激冷型（激冷流程）两种形式，Shell加压气化技术和TPRI两段式（废锅流程）加压气化技术适合于IGCC联合循环发电；TPRI两段式（激冷流程）加压气化技术、GSP加压气化技术、Texaco加压气化技术和多喷嘴加压气化技术适用于煤化工生产。

3.4 喷嘴数量

Texaco法与GSP法属单喷嘴气化炉；Shell法、两段式气化法、多喷嘴水煤浆法属多喷嘴（一般为四喷嘴对置式）气化炉。多喷嘴对置式气化炉的喷嘴之间协同作用好，气化炉负荷调节范围较大较灵活，适用于大型化的气化炉，

3.5 废水处理问题［18］

水煤浆制备时除采用黑水回收系统排出的灰水之外，还要补充一部分新鲜水。考虑到全厂废水的综合处理，工程设计上可以考虑将一部分全厂排出的废水作为制备水煤浆的补充水。上海焦化总厂三联供工程设计时，采取将焦化分厂排出的部分焦化污水作为制备水煤浆的补充水。

4 结论

通过对以上5种方式的比较，我们不难看出，Shell法适用于联合循环IGCC发电，但投资费、软件费过高，装置复杂且故障多，因此并不是最佳方法。Texaco法、多喷嘴水煤浆加压气化技术和GSP干煤粉加压气化技术激冷流程适用于煤化工及煤化工与IGCC联合循环发电的多联产项目。到目前为止，Texaco法和多喷嘴水煤浆加压气化技术是相对比较成熟的气化技术，而GSP法和TPRI两段式干煤粉加压气化法目前尚处于建设示范装置阶段。无论采用哪种煤气化技术，都应首选灰分低、灰熔点低的煤为原料，从而更加经济适用。Texaco法和多喷嘴水煤浆加压气化技术都普遍存在工艺烧嘴寿命短的问题，所以应当从烧嘴设计和工艺技术本身加以改进。

［1]魏旭礼，张伟，齐静，等.甲醇制丙烯装置中工艺蒸汽系统的技术改造［J］.化工技术与开发，2015（8）：43-44.

［2]钱伯章.我国煤化工发展前景［J］.上海化工，2015（1）：33-38.

［3]潘慧峰，吕文栋，郑建明.全球煤炭供求格局与价格变动趋势分析［J］.山西大学学报：哲学社会科学版，2008，31（4）：83-89.

［4]于光元，李亚东. 煤气化工艺技术分析［J］. 洁净煤技术，2005，11（4）：39-43.

［5]任永强，刘刚，许世森，等. 新型两段式煤气化技术的研发［C］.全国中氮情报协作组第25次技术交流会，2007.

［6]闫昭，刘燕，尚亚国，等. 壳牌技术开工烧嘴工艺控制研究［J］. 山东化工，2015，44（13）：98-99.

［7]李积强，盛莉莉，黎菲. 煤制天然气工艺的研究与应用［J］. 企业技术开发旬刊，2012（4）：169-171.

［8]霍锡臣，蔡文生. 各类煤气化炉的特点与适应性分析［C］.2010'中国煤化工产业技术、市场、信息交流会暨发展战略研讨会，2010.

［9]章荣林. 怎样选择煤气化工艺技术［C］.全国化工合成氨设计技术中心站2007年技术交流会，2007.

［10]赵伟. 浅谈煤气化技术进展及选择［J］. 化工时刊，2009，23（7）：61-63.

［11]马乐波，焦洪桥，任淑荣. Texaco、GSP两种煤气化工艺在神华宁煤的应用分析［J］. 煤化工，2013，41（1）：51-54.

［12]唐宏青. Shell煤气化工艺的评述和改进意见［J］. 煤化工，2005，33（6）：9-14.

［13]刘钧. 煤间接液化工艺流程的模拟与优化［D］. 西安：西安科技大学，2009.

［14]刘建峰，邓蜀平，蒋云峰，等. Shell干煤粉气化的模拟与分析［J］.化工进展，2014，33（s1）：145-149.

［15]许世森，任永强，夏军仓，等. 两段式干煤粉加压气化技术的研究开发［J］. 中国电力，2006，39（6）：30-33.

［16]许世森，徐越，任永强，等. 一种新型两段式干煤粉加压气化技术［C］.全国化工合成氨设计技术中心站2005年技术交流会，2005.

［17]任永强，许世森，夏军仓，等. 干煤粉加压气流床气化试验研究［J］.热力发电，2007，22（4）：431-434.

［18]张盛刚. 水煤浆的制备及特性研究［J］. 山东煤炭科技，2015（5）：198-200.

Advanced Coal Gasification Technology in China and Abroad

LI Ming-zhu， HU Zheng-qing， ZHENG Feng， ZHONG Mei-yao， PAN Yu-fu， LIU Shang-yi， ZHANG Zheng-guo
（School of Chemistry Engineering， Beifang University of Nationalities， Yinchuan 750021，China）

The advanced gas of technology in China and abroad， such as GSP dry pulverized coal gasification technology， Shell dry coal dust gasification technology， two-stage dry pulverized coal pressurized gasification， Texaco water coal slurry pressurized gasification technology， multi nozzle coal water slurry pressurized gasification technology， were compared in this paper in view of the characteristics and defects of the coal chemical industry development.

coal gasification； gasifier； pressure； gasification

TQ 529.2；

A

1671-9905（2016）03-0038-06

宁夏回族自治区科技支撑项目（2013ZYG034）；北方民族大学基本科研项目（2014XYZ10，2015JBK557）。
通讯联系人：张正国，博士，讲师，主要研究绿色化工技术。E-mail： zhangzhengguo1119@126.com

2016-01-31