中国煤气化技术进展及应用概况

王 倩，张小庆，杨永忠，白 斌，赵 博，朱端旭

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

据BP《2013年世界能源统计年鉴》显示，2012年中国煤炭消费量首次超过全球一半，占比高达50.22%。此后，中国煤炭消费量一直在全球一半以上。总所周知，煤炭直接燃烧排放的有害气体和烟灰会使生态环境遭到严重破坏，但由于中国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋决定了在未来相当长一段时间内煤炭仍将是主要能源，因此改变煤炭的利用方式刻不容缓[1]。

发展煤炭气化技术是中国煤炭清洁利用的重要途径之一[2]。煤气化是现代煤化工的龙头技术，无论是以生产油品为主的煤液化，还是以生产化工产品如合成氨、甲醇、烯烃等为主的煤化工，选择合适的煤气化技术都是整个生产工艺的核心。十三五以来，我国在建、拟建的大型煤化工项目对煤气化技术有强劲的需求，但从工业化应用来看，煤气化技术仍然是制约我国煤化工绿色可持续发展的因素之一。因此，加快发展煤气化技术是保障国民经济持续、健康、高速发展的客观要求，同时也是加快“生态文明”建设、实现“美丽中国”的内在需求。

1 中国引进的国外煤气化技术[3-5]

1.1 固定床气化工艺

固定床气化技术一般是炉顶加料，气化剂由炉底加入。其特点是简单、可靠，同时由于气化剂与煤逆流接触，气化比较完全，热量利用合理，具有较高的热效率。常见的固定床气化炉有间歇式气化(UGI)炉和连续式气化(鲁奇Lurgi)炉2种。

UGI炉是20世纪30年代开发成功的，以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气，其特点是设备制造和操作简单、投资少。但是，在日益重视规模化、环境保护和能源利用率的今天，这种常压煤气化技术处理能力低、三废排量大，还必须使用无烟块煤的局限性变得日益突出。UGI炉目前已属于落后的技术，国外早已不再采用。但我国目前仍有近4000台UGI炉在运转。

鲁奇炉最早于1927年开发成功，迄今共经历了四代技术。特别是1974年，鲁奇公司与萨索尔公司合作开发出第四代加压气化炉，该炉几乎能适应各种煤种，且单炉产气量大幅提高。此外，鲁奇公司还开发了液态排渣技术，大幅提高了炉内燃烧区的温度，以及蒸汽分解率和煤气质量。但鲁奇炉也有其缺点，如结构复杂，制造和维修费用大，出炉煤气含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、渣含碳等。我国在上世纪60年代就引进了鲁奇炉并在云南投产，90年代天脊煤化工集团公司从德国引进了4台Ⅳ型鲁奇炉。目前，国内在用鲁奇炉的厂家有云南解化、哈尔滨煤机厂和义马煤气厂等，在建的有山西潞安矿、新疆广汇等。

1.2 流化床气化工艺

流化床气化以空气或氧气或富氧蒸汽为气化剂，在适当的煤粒度和气速下，使床层中粉煤沸腾(故又称沸腾床气化)，气固两相充分混合接触，高温下进行煤气化。常见的流化床气化炉有温克勒(Winkler)、灰熔聚(U-Gas)、循环流化床(CFB)、加压流化床等。

1.2.1 恩德粉煤气化技术

国内代表性的Winkler技术是引进朝鲜平壤技术贸易中心的恩德粉煤流化床气化技术。恩德气化技术优点是煤种适应性较宽、气化强度大、合成气组成可调节性强、合成气净化较简单、运行稳定、投资/运行费用低等。缺点有煤质要求高、产渣量大、循环水用量大，且污水回用方法不完善等。恩德粉煤气化技术于上世纪90年代进入中国。目前有景德镇焦化煤气总厂、黑化集团有限公司、长山化肥集团有限公司、淮南化肥厂等采用此技术。

1.2.2 U-Gas 气化技术

U-gas气化工艺由美国煤气工艺研究所(IGT)开发，其显著特点是气化剂分两处进入反应器，能选择性排灰，降低了传统流化床底部灰渣碳含量。U-gas能将高粘性，高硫和高灰分煤转化成中、低热值燃气，代替天然气和燃料油，还可用于联合循环发电或化工生产。1993年上海焦化厂引进了U-gas煤气化技术，这也是世界上第一套U-gas工业化装置。2008年，美国综合能源系统公司依托其U-Gas气化技术，与河南义马煤业(集团)有限责任公司正式签订1000万标准m3/d煤制气合资经营合同，义马长焰煤在U-Gas气化装置上成功试烧。目前，U-Gas气化技术通过投资、合作等方式，已经在中国推广利用于三个煤化工项目。

1.3 气流床气化工艺

气流床气化是一种并流式气化，主要有水煤浆、干煤粉2类，分别以Texaco、Shell技术为代表。干粉进料主要有K-T(Koppres-Totzek)炉、Shell- Koppres炉、Prenflo炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉；水煤浆进料主要有德士古(Texaco)气化炉、Destec炉等。气流床气化优点主要包括：煤种适应范围较宽、工艺灵活、合成气质量高、气化压力高，生产能力高，三废少且处理较方便。气流床代表了当今技术发展潮流。

1.3.1 Texaco(德士古)气化技术

德士古气化技术由美国德士古发展公司在1948年发明，现已成为水煤浆进料的代表性技术。它具有煤种适应性较强、气化压力高、有效气含量高、废水容易处理等优点。但由于水煤浆含有约35%水，导致其工艺氧耗较高。此外，该技术还具有喷嘴寿命短、需以低灰和低灰熔点煤为原料，高温操作，设备投资高等不足。从1986年开始，国内迄今为止共引进44套Texaco装置。经过多年消化吸收和再创新，我国在该领域中积累了丰富的设计、安装、运行经验，基于水煤浆的气化技术已成为我国现代煤化工的首选技术之一。

1.3.2 E-gas气化技术

E-gas技术最早由Destec公司开发，采用水煤浆原料，两段气化。由于采用了二段气化，所以提高了煤气热值，降低了氧耗，并使出口煤气温度降低，省去了昂贵的废锅，使造价降低，二段耐火砖寿命也更长。此外，工艺中使用多级热回收，大大提高了总热利用效率。E-gas气化技术已拥有超过20年的工业化运行经验，单炉的最大处理能力达3000 t/d。E-gas炉缺点是二次水煤浆停留时间短，碳转化率较低。此外，商业化试验中使用的煤种只有次烟煤，期待使用更多的煤种试验。

1.3.3 Shell粉煤加压气化技术

Shell气化在高温加压工况下进行，煤粉、氧气及少量蒸汽在加压条件下并流进入炉内，极短时间内实现升温脱除挥发分、裂解、燃烧及转化等过程，产生以CO和H2为主的合成气。其特点是：1)煤种适应范围宽，原则上能使用任何煤种。2)能源利用效率高。典型条件下，Shell技术的碳转化率可高达99%，气化效率80%～83%；3)单炉气能力高；4)环境友好。缺点是由于设计问题和缺乏工程经验，运行不稳定，开车代价昂贵等。Shell粉煤加压气化技术自2003年由中石化岳阳分公司引进进入中国市场以来，国内公司已经与Shell公司签订了19份合同，共引进了23台气化炉，目前已有11台炉子开车运行。

1.3.4 GSP气化技术

GSP气化工艺主要由给料系统、气化炉、粗煤激冷洗涤、灰渣处理、黑水处理等单元构成。其工艺特点是较宽的煤种适应性、碳转化率可大于99%、产品气洁净，有效气体达到90%以上、冷煤气效率78%～83%，单炉生产能力大，采用水冷壁无耐火砖，设备寿命长，维护简单。但是由于其气化炉结构复杂，下部带辐射式废锅，一次性投资高昂。2007年，神华宁煤烯烃项目采用GSP技术。同年，山西兰花煤化工有限责任公司的“晋城3052项目”也采用了GSP气化炉。此后，GSP在国内陆续打开市场，目前共有6家企业采购15套GSP炉。总的来说，GSP炉在国内还处于示范和市场开拓阶段。

2 我国煤气化技术进展[6-8]

煤气化在中国已有近百年的历史，做了大量工作并取得了重要进展。

2.1 多喷嘴对置式水煤浆气化技术(华东理工大学)

多喷嘴对置式水煤浆气化技术是华东理工大学开发的新型环境友好型煤气化技术。其特点有：(1)预膜式喷嘴，使煤浆高效雾化；(2)多喷嘴进料在炉内形成撞击流场，强化传质和传热；(3)创新合成气洗涤冷却系统，合成气净化效果好，设备不易结垢堵灰；(4)黑水回收与除渣单元采用蒸汽与返回灰水直接接触方案，换热效果好，灰水温度高、蒸汽利用充分，且设备不易结垢堵灰。“十一五”期间，该技术就被认可和接受，目前已经推广13家企业，共35台气化炉，此外2008年美国Valero能源公司也引进了5台气化炉。

2.2 多元料浆新型气化技术(西北院)

多元料浆气化技术是西北化工研究院开发的新型气化技术，主要以煤、石油焦、沥青等含碳氢物质为原料制浆，料浆在内置溢流式激冷器的气化炉内加压气化、洗涤后生成合格的原料气。该技术气化主要经济技术指标：冷煤气效率～75%，碳转化率～98%，CO+H2～83%，1000 Nm3有效气体耗煤约650 kg，耗氧约400 Nm3。目前已推广应用到20多套工业装置上，工业应用表明气化指标优良。

2.3 非熔渣-熔渣分级氧化气化技术(清华、达立科)

非熔渣-熔渣分级气化技术由清华大学、北京达立科科技有限公司、山西丰喜肥业集团合作开发。其特点是通过氧气分级供给，改善了主烧嘴局部区域氧化强度过高的现象，使炉内轴向温度均衡并提高，充分发挥气化炉的气化功能。此外，该设计还有利于降低主烧嘴端部温度，延长烧嘴寿命。“非熔渣-熔渣分级氧化气化技术工业示范项目”于2006年2月在山西建成投产，投煤量为500 t/d，2007年10月通过现场考核，技术指标达到国际先进水平。

2.4 两段式干煤粉加压气化技术(西安热工院)

两段式干煤粉气化工艺(TPRI气化工艺)由西安热工院开发，其气化炉分为上炉膛和下炉膛两段，炉内壁是水冷壁式。TPRI具有煤种适应性好，运行稳定，碳转化率高、冷煤气效率和有效气成分高等优势。2006年，该技术通过科技部组织的项目验收。2010年，2000 t/d级TPRI气化炉(废锅流程)应用于华能“绿色煤电”项目，1000 t/d级TPRI气化炉(激冷流程)应用于内蒙古世林化工有限公司的甲醇项目。

2.5 HT-L粉煤加压气化技术(简称“航天炉”)

航天炉气化技术又称HT-L粉煤气化技术，由中国航天科技集团下属北京航天石化技术装备工程公司开发。HT-L具有对煤种要求低，热效率高(可达95%)、碳转化率高(可达99%)，气化炉为水冷壁结构，最高承受1700 ℃的高温等有点。此外，中国拥有完全自主知识产权，关键设备已经全部国产化，投资少，生产成本低。HT-L技术于2009年通过由石化联合会组织的科技鉴定，达到国际领先水平，可广泛应用于化工、电力等行业。目前HT-L已被多家大型煤化工企业采用。

2.6 干煤粉气化中试装置

2004年，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、天辰化学工程公司合作建立了国内首套具有自主知识产权的粉煤加压气化中试装置，率先展示了气流床粉煤加压气化技术的优越性。2007年，该中试装置(水冷壁式气化炉)顺利通过72 h专家现场考核。该技术将在贵州建设单炉1000 t/d的工业示范装置，配套生产合成氨。

2.7 灰熔聚煤气化技术(山西煤化所)

灰熔聚流化床工艺是山西煤化所在经典流化床技术基础上开发的，其特点是在气化炉底部设计了中心射流管和环管，在床层中形成了局部射流区，实现了选择性灰分离。灰熔聚气化炉可在较高的温度下操作，且煤种的适用范围能够扩展到烟煤和无烟煤，能用于燃料气、合成气和联合循环发电等领域。值得一提的是，该技术适用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15%以上，具有良好发展前景。

3 结论及建议

虽然我国在煤气化技术方面取得了巨大的进展，但是与国外先进煤气化技术相比，仍有一定差距。比如，由于对煤气化技术的前期研发投入不够，大量的基础科学问题和工程问题仍不十分清晰；其次，原始创新不足，目前国内煤气化技术除多喷嘴技术在美国具有专利被国际所承认外，其它煤气化技术均是集成创新的结果。

为进一步发展我国煤气化工艺技术，实现煤炭清洁高效利用，笔者认为应从以下几个方面推进我国煤气化技术的研究和发展。首先是，建立推广机制。积极推广我国开发的具有自主知识产权的煤气化技术，建设一批煤气化示范装置。其次是完善落后技术有序退出机制。高能耗、高污染，低产能的落后煤气化技术装备不宜再新建、扩建，并要逐步淘汰。最后，组建产学研平台共同推进我国煤气化技术装备的蓬勃发展。