幾種煤氣化技術的先進性與適用性分析

齊景麗，孔繁榮

（中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

幾種煤氣化技術的先進性與適用性分析

齊景麗，孔繁榮

（中國國際工程咨詢公司，北京 100048）

以褐煤為原料，對幾種煤氣化技術即殼牌粉煤氣化技術、航天爐粉煤氣化技術、GSP氣化技術、BGL氣化技術和五環爐氣化技術的先進性及適用性進行分析；提出在褐煤的干燥和輸送能夠滿足工業運行的前提下，優先推薦選用粉煤氣流床激冷流程氣化技術，符合現代煤氣化技術發展方向；氣化爐設置應該考慮多爐互備運行。

褐煤；氣化技術；先進性；適用性

近年來，我國石化產業穩步發展，2010年全行業實現總產值8.88萬億元，同比增長34.1%。“十二五”期間，我國仍將處于工業化和城鎮化加快發展的重要階段，石化產品國內需求旺盛，將推動石化產業進一步發展。但是，我國石油對外依存度不斷增加，獲取原油資源難度逐步加大，人們開始更多關注煤炭深加工形成的化工產品。

煤化工是我國化學工業的重要組成部分，煤化工行業的發展對于緩解我國石油、天然氣等優質能源供需矛盾，促進鋼鐵、化工、輕工和農業的發展起到了必要的補充作用。我國煤炭資源相對豐富，為科學合理、高效利用煤炭資源，保障國家能源安全，適度發展現代煤化工是必要的。但發展的關鍵問題是如何獲取大量穩定、廉價的合成氣及成熟先進的技術路線。從根本上講，現代煤化工的發展取決于有多少較石油化工路線更有優勢的技術［1］。

煤氣化技術是發展煤基化學品（如甲醇、氨等）、煤基液體燃料、IGCC整體煤氣化聯合循環發電、制氫、直接還原煉鐵等過程工業的龍頭技術、關鍵技術和共性技術，是很多潔凈煤新工藝的基礎和先導環節，而各種煤氣化技術均有其相應的特點和適用范圍，特別是針對不同原料煤種，如何合理選擇先進、適用的煤氣化技術尤顯重要。

目前，由于煙煤、無煙煤等優質煤炭資源已得到充分利用，拓展空間有限，因此，褐煤資源的開發利用日益受到關注。我國的褐煤資源豐富，已探明保有儲量達1.303×1011t，占全國煤炭儲量的17%，主要分布于內蒙古東北部、黑龍江東部和云南東部［2］。

褐煤又名柴煤，是煤化程度最低的礦產煤，是泥炭沉積后經脫水、壓實轉變為有機生物巖的初期產物，因外表呈褐色或暗褐色而得名。該煤種具有氧／碳（原子比）高、內水含量及揮發分高、灰分及灰熔點變化大、發熱量低、化學反應性強等特點，易于燃燒，不易儲存和遠距離運輸。據資料顯示，我國褐煤平均灰分為21.90%，揮發分為45.21%，水分30%左右，發熱量為28.71MJ／kg［3］。

由于褐煤內水含量較高，且內孔外表面積大，吸水能力強，一般不易制得高濃度的煤漿，導致氣化效率較低。因此，褐煤加工不宜選用相對較為成熟的水煤漿氣化技術。從可能性來看，現有的碎煤／粉煤流化床氣化技術及粉煤氣流床氣化技術均可應用于褐煤氣化，但又各有其特點和適用范圍。以下分別就殼牌粉煤氣化、航天爐粉煤氣化、GSP技術、BGL氣化和五環爐氣化幾種技術的先進性和適用性進行分析。

1 選擇煤氣化技術的幾個問題

大型煤化工裝置選擇煤氣化技術的原則：先進、成熟、可靠，具有 “安全、穩定、長周期、滿負荷”運行業績；充分考慮煤種的適應性和目標產品需求；裝置投資、運行維護費用的合理性；滿足節能、環保要求。

幾種氣化技術中，殼牌、GSP、航天爐和五環爐屬氣流床粉煤加壓氣化技術，BGL爐屬固定床碎煤液態排渣氣化技術。

1.1 關于氣流床和固定床

當氣體以較低速度自下而上通過均勻固體顆粒床層時，氣體只在靜止不動的固體顆粒空隙中穿過，固體顆粒床層的高度基本上維持不變，這樣的床層稱為固定床。隨著氣體流速增大，固體顆粒床層開始松動，固體顆粒的相對位置也在一定區域內調整，床層高度略有增加；如果氣體流速繼續增大，固體顆粒則完全懸浮在向上流動的氣體中，并進行相當不規則的運動；氣體流速進一步增大，床層高度將隨之增加，固體顆粒的運動更為激烈，但仍停留在床層中，而不被氣流所帶出，這樣的床層稱為流化床。當氣體流速繼續增大，流化床的上界面消失，固體顆粒分散懸浮在氣體中并被氣流夾帶而離開床層，這樣的床層稱為氣流床，此時，氣體通過固體顆粒床層的壓力降隨氣體空塔速度的增大而急劇減小，甚至固體顆粒被氣體全部帶出。根據上述原理，形成3種制氣技術，即固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化［4］。

氣流床氣化技術的特點是氣化溫度高、處理負荷大、容易放大，合成氣成分適用于生產合成氨、甲醇等化工產品。固定床氣化技術的特點是原料煤預處理相對簡單，氣化爐出口粗煤氣組成中甲烷、酚、焦油等雜質含量較高，冷煤氣效率高，適合于煤制天然氣。

1.2 關于褐煤進料狀態問題

由于褐煤含水量高、揮發分高、熱穩定性差，必須經過預處理，降低煤中水分含量，滿足氣化裝置進料需要。國內外褐煤干燥脫水技術有管式、流化床式、床混式、熱機械脫水等，其中熱機械脫水干燥技術可以通過熱壓力使礦物質（特別是堿金屬）同時析出，過熱蒸汽干燥脫水技術是一種以水蒸氣為熱介質進行干燥的技術，也是近年來國內外研究開發的重點［5］。

對于氣流床氣化技術，褐煤必須經過預干燥、磨煤干燥達到一定要求后進入氣化爐。目前，國內采用褐煤作氣化原料的工業化裝置有限，褐煤的干燥和輸送尚未有成功經驗。應借鑒國內外成熟的褐煤干燥技術；密切跟蹤大唐多倫項目的運行和改進；聯合國內相關研究機構，進行褐煤干燥和輸送試驗，以滿足安全輸送和氣化爐入爐原料要求。

對于固定床氣化技術，褐煤需經過干燥、成型后進入氣化爐。應對云天化金新項目的褐煤干燥成型情況進行跟蹤，同時與云南解化項目褐煤直接入爐運行情況進行調研比較，確定合適的褐煤預處理方案。

1.3 關于氣化爐連續穩定運行問題

煤氣化工藝迄今已有150多年的發展歷史，大量生產實踐表明，單臺氣化爐無法滿足裝置長周期連續運行的要求，應該采用雙系列或多系列氣化爐互備運行。

從長遠來看，粉煤氣流床氣化技術對于褐煤是適用的，但缺少工業化運行業績。影響裝置穩定運行的主要因素為煤質和輸送的穩定性、水冷壁掛渣、氣化爐堵渣等。褐煤固定床氣化技術有長周期工業化運行業績。影響裝置穩定運行的主要因素為褐煤干燥成型和后系統堵灰等。

2 幾種適合褐煤氣化的技術優劣勢分析

2.1 殼牌粉煤氣化技術

（1）該技術先進、可靠，工業化業績最多，經過近幾年的攻關，出現的大多數工程問題都已經解決或正在解決。

（2）該技術注重環保和可持續發展，裝置的自動化程度、聯鎖保護系統和裝置的安全性能高。

（3）單爐生產能力大，運行周期長，技術正走向成熟階段。目前開發的上行激冷流程適合于生產合成氨，設備國產化率較高，相對廢鍋流程投資較低。

（4）對煤種的適應能力強，高硅鋁比、低鐵含量和合適的灰熔點有利于氣化爐的穩定運行。

但是，國內唯一以褐煤為原料的大唐多倫氣化裝置，于2008年開始至今一直處于試車階段，建議密切關注其進展情況。

2.2 航天爐粉煤氣化技術

（1）航天爐是一種以粉煤為原料（20～90μm煤粉顆粒），惰性氣體輸送（氮氣或二氧化碳）、高溫（氣化爐膛允許操作溫度1 400～1 900℃）、高壓（2.0～4.0MPa）的氣流床煤氣化爐，具有煤種適應范圍廣、碳轉化率高的特點。

（2）采用干煤粉進料，嚴格控制進料煤粉的水含量。與濕法比較，粉煤氣化比水煤漿氣化冷煤氣效率提高10%，有效氣產量提高6%，氧耗量降低15%～25%，干煤粉密相輸送懸浮速度達7～10m／s。

（3）干煤粉純氧燃燒，燃燒器火焰的中心溫度1 800～2 150℃，氣化爐膛允許操作溫度1 400～1 900℃，使煤的灰熔點可選范圍寬（1 250～1 650℃）；碳轉化率高，粗合成氣品質好，CH4含量低，出口合成氣有效氣體（CO＋H2）體積分率≥90%，CH4體積分率≤130×10－6；高溫、高壓提高反應速率，縮短反應停留時間。

（4）采用單燒嘴頂燒組合燃燒器，燃燒負荷調節范圍大。燃燒器結構設計合理，燃燒火焰、爐內物料流場與爐膛結構合理，爐內煤粉熱解區、火焰燃燒區、煙氣射流區、煙氣回流區以及二次反應區分布合理，反應停留時間滿足氣化要求，具有良好的燃燒性能；集高能電點火裝置、液化氣（柴油）點火燒嘴、火檢為一體，獨立冷卻水外盤管，拆裝維護方便。水冷夾套式燒嘴冷卻方案，可保證燒嘴長周期運行，穩定可靠。設計壽命20年，燒嘴頭部局部維護時間6月一次。

（5）密閉式盤管水冷壁輻射室結構，設計壽命20年。“四進四出”結構可以保證管程水流分布均勻。可控制盤管內水汽化率，調節爐內熱平衡。燒嘴盤管、渣口盤管分別進水，多組冷卻水盤管易于調節，便于維護和更換。

（6）“自我修復式”耐火材料結構，爐內向外依次有液渣、固渣、SiC耐火材料、水冷壁、惰性氣體保護層、高鋁不定型耐火材料、外保溫層，水冷壁外可以形成3～5mm穩定的固渣層，“以渣抗渣”，抵抗氣體和熔渣的沖刷和磨損，耐火材料的選擇具有低的氣孔率、較高的高溫強度、較好的熱穩定性，耐火材料的施工、養護、維護和更換方便，價格低。該技術采用激冷、水浴式合成氣冷卻及洗滌方案，可靠性較好。

航天爐粉煤氣化技術有成功產業化運行經驗，該技術具有結構簡單、有效實用的特點。目前有750t／d示范裝置兩套，主要設備完全實現國產化，投資具有一定競爭力。但該技術目前尚無單爐1 000t／d以上工業裝置，應密切關注工程放大風險。

2.3 GSP煤氣化技術

GSP煤氣化技術是單噴嘴下噴式干煤粉加壓氣流床氣化技術，該技術目前為西門子所有。根據煤氣用途不同，可直接水激冷，如化工合成氣用戶；也可用廢熱鍋爐回收熱量產生高壓蒸汽，如IGCC發電用戶。GSP技術采用了干煤粉進料、盤管式水冷壁，既擴大了原料煤種范圍，又避開了耐火磚的麻煩。下噴的直接激冷使設備造價大幅度下降，流程簡單，激冷后合成氣中的水蒸氣也基本能滿足后序變換工段使用。

國內采用GSP氣化技術的寧煤神華煤制烯烴裝置，采用5臺投煤量為2 000t／d的氣化爐，經過近二年的運行，期間不斷改造，目前已經做到4開1備，甲醇產量已經超過5 000t／d，達到設計的日產指標。

盡管GSP氣化技術在國內沒有用于褐煤氣化，但是在德國是經過褐煤氣化試驗的，如果國內在航天爐上能夠采用褐煤氣化，則GSP氣化爐采用褐煤氣化也能夠成功。

2.4 五環爐氣化技術

（1）該技術在氣化反應氣體出口上方設置激冷室。正常操作時，通過設在激冷室筒壁上的多排多個水／汽組合型噴嘴實現對高溫合成氣噴水霧化冷卻和固灰，取代殼牌爐采用后續返回氣進行激冷的方法，取消壓縮機，簡化了流程，降低工程投資，節約了運行費用。

（2）在輸氣管出口設置了激冷罐，取代廢熱鍋爐對氣體進行降溫和除塵，取消干法除塵和回收系統，增加了灰水處理能力，大幅度降低了工程投資。

（3）煤種適應性廣，可以用于氣化含高堿性元素和氯離子的煤，避免采用合成氣冷卻器傳熱面，從而避免粘灰結垢堵塞通道，降低傳熱效果。

（4）采用多噴嘴進料，單爐產氣能力大，具有高效、大型化和長周期運行的顯著特點。

（5）對氣化爐出來的高溫粗合成氣采用水蒸氣混合激冷，隨后直接進入激冷管水浴激冷，降低了一次性投資，減少了下游變換工序對蒸汽的消耗。

五環爐技術采用上行氣流床激冷流程，但目前尚無工業化運行業績，其技術可靠性有待進一步驗證。

2.5 BGL氣化技術

（1）該技術綜合了熔渣氣化技術高氣化率、高氣化強度的優點和移動床加壓氣化技術氧耗低和爐體結構廉價的優點，具有建設投資少、周期短、生產率高、運行成本低、維護成本低的綜合優勢。

（2）BGL塊（碎）煤熔渣氣化爐技術在魯奇爐內壁設計基礎上加入耐火磚襯，形成水夾套保護層，在爐下部沿周向設置了一組噴嘴，將混合氧氣／水蒸氣高壓噴入爐內，形成爐內局部高溫（2 000℃左右）燃燒區，氣化區溫度在1 400～1 600℃ 范圍，較大幅度提高了氣化率和氣化強度。

（3）粗煤氣的出口溫度僅為300～550℃，提高了氣化過程的熱效率，節省了氧氣消耗，降低了廢熱回收的需求和設備成本。

（4）由于BGL氣化技術的設計特點，爐內靠近爐壁處溫度和粗煤氣出口處溫度較低，氣化爐爐體和附屬設備可采用常規壓力容器鋼材，在國內就近加工制造，大幅度降低了制造、運輸和安裝的成本。

（5）該技術可氣化石油焦、無煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤，以及這些煤種的混合投料；對高灰熔點煤種，僅需添加石灰石助熔劑。

BGL技術已有褐煤氣化工業裝置用于生產甲醇，已運行兩年多，其干燥、成型技術相對成熟，但后續流程比較復雜，廢水處理難度較大，目前還在繼續試驗和完善中。

3 幾種暫不適合褐煤氣化的技術現狀及發展趨勢

就目前的制漿技術而言，以下幾種煤氣化技術難以用褐煤作原料。但是這幾種氣化技術是有效和成熟的，有的適合于化工，有的適合于IGCC。未來在制漿技術上如果有突破，或者在制漿原料上做些工作，用于褐煤氣化不是沒有可能的。

3.1 德士古水煤漿氣化技術

德士古水煤漿氣化技術的開發始于20世紀40年代，1950年首先在天然氣非催化部分氧化上取得成功，1956年又應用于渣油氣化。70年代末建設了德國的RAG和美國加州的Cool Water 2套示范裝置，1983～1985年分別在日本的UBE公司和美國的Eastman公司建設了3套商業化裝置。90年代Texaco煤氣化技術共有9套裝置投入運轉，其中5套在中國，4套在美國。目前，在建和運轉的德士古氣化爐有80多臺，屬較為成熟的氣化技術，在國內運行的業績良好，目前該技術被GE收購。

3.2 Global E－Gas氣化技術［6］

E－Gas氣化技術為采用水煤漿做原料的兩段氣化技術。其技術開發始于1978年，在美國路易斯安娜州的Plaguemine建立了日處理15t煤的中試裝置，其后于1983年建立了單爐550t／d的示范裝置，于1987年建設了單爐1 600t／d煤氣化裝置，配套165MW IGCC電站。基于這兩套裝置的經驗，1996年在路易斯安娜州的Terra Haute建立了單爐2 500t／d的氣化裝置，配套Wabash River的260MW的IGCC電站。

E－Gas氣化爐內襯采用耐火磚，約85%的煤漿與氧氣通過噴嘴射流進入氣化爐第一段，進行高溫氣化反應，一段出口的高溫氣體含量接近20%；15%左右的煤漿從氣化爐第二段加入，與一段的高溫氣體進行熱質交換，使上段出口溫度降至1 040℃左右。1 040℃的合成氣通過一個火管鍋爐（合成氣走管內）降溫，降溫后的合成氣進入陶瓷過濾器，分離灰渣。過濾器分離出的灰渣循環進入氣化爐一段。

E－Gas技術適應多種類型原料，能夠從100%煤給料切換到100%石油焦給料并進行相互轉換或混燒，比傳統的一段式濕法給料氣化工藝更為節能。其原因是，通過二段式反應爐在不額外添加氧氣的條件下將多余的水煤漿予以轉換利用。這一措施減小了空分裝置的規模，節約了氧氣成本。除渣系統擯棄了昂貴、結構復雜和返修率高的閉鎖料斗，顯著降低了氣化框架高度，施工費用大幅降低。E－Gas技術在投資、效率、操作成本上實現了優化平衡。

3.3 多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術［6，7］

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術創新性主要體現在以下幾個方面：高效的預膜式噴嘴更利于煤漿的霧化；多噴嘴進料在爐內形成撞擊流場，強化混合和熱質傳遞；噴淋和鼓泡復合床型的合成氣初步洗滌冷卻系統，避免了合成氣帶水、帶灰；采用分級凈化思路的合成氣初步凈化系統，凈化效果好，系統能耗低，設備不易結垢堵灰；熱回收與除渣單元采用蒸汽與返回灰水直接接觸工藝，換熱效果好，灰水溫度高，蒸汽利用充分。

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已在山東兗礦國泰化工有限公司實現了工業化應用。山東兗礦國泰化工有限公司在現有氣化裝置的基礎上，增加2臺日處理煤量1 150t的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，年產240kt甲醇，聯產71.8MW電量，并實現了煤氣化技術帶壓連投操作。帶壓連投是煤氣化技術的重大突破，大大降低了氣化爐停車幾率，使新型氣化爐的穩定性和經濟適用性大大增強。與山東兗礦魯南化肥廠采用國外水煤漿氣化技術裝置同期運行結果對比，這套裝置將有效氣成分和碳轉化率分別提高2%～3%，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%，處于水煤漿氣化技術的國際領先水平。

現代煤氣化技術發展的主要趨勢是加壓、高溫、粉煤、純氧氣化和液態排渣。縱觀當今世界各國煤炭氣化技術的特點，對現代煤氣化技術的要求大致為，煤種適應性廣、煤（或碳）轉化率高、煤氣品質好、操作性能好、便于實現自動控制，與其他先進煤氣利用技術有良好的兼容性，與發電或先進化工合成工藝技術的聯合等［4］。

4 結論與建議

（1）在褐煤的干燥和輸送能夠滿足工業運行的前提下，宜優先推薦選用粉煤氣流床激冷流程氣化技術，力求做到投資少、煤的利用率高、環境污染小，從而符合現代煤氣化技術發展方向。

（2）鑒于BGL氣化爐擁有褐煤氣化工業運行經驗，所需干燥、成型等入爐前處理技術也較為成熟，在與氣流床粉煤氣化相配套的褐煤干燥和輸送工藝的問題解決之前，可將其作為備選方案。建議密切關注即將投產的型煤氣化裝置試運行情況，同時關注副產品綜合利用和三廢治理情況。

BGL氣化技術采用的是碎煤，隨著機械化采煤的發展，碎煤的比例越來越小，因此，改善碎煤成型技術、降低碎煤成型的成本，顯得十分重要。

（3）目前，國內已投入運行的粉煤氣流床激冷流程氣化技術有航天爐、GSP爐，類似技術還有科林的氣化技術及東方爐等。建議重點關注航天爐大型裝置的工程化、集成設計和運行情況，以及GSP國產化進程及投資運營成本，以便選擇更為合理的工程技術方案。

（4）在建設大中型煤化工裝置時，無論何種氣化爐，都要考慮備用爐，從而為 “安全、穩定、長周期、滿負荷”運行創造條件。

［1］唐宏青.現代煤化工新技術 ［M］.北京：化學工業出版社，2010.

［2］董洪峰，云增杰，曹勇飛.我國褐煤的綜合利用途徑及前景展望 ［J］.煤炭技術，2008，27 （9）：122～124.

［3］初茉，李華民.褐煤的加工與利用技術 ［J］.煤炭工程，2005，52 （2）：47～49.

［4］王國祥.煤氣化技術在合成氨生產中的應用與發展趨勢［J］.氮肥技術，2008，29 （5）：1～6.

［5］唐宏青.褐煤氣流床氣化相關問題探討 ［J］.煤化工，2010，38 （6）：1～6.

［6］王輔臣，于廣鎖，龔欣，等.大型煤氣化技術的研究與發展 ［J］.化工進展，2009，29 （2）：173～180.

［7］孫銘緒.多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工程設計 ［J］.化工設計，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

齊景麗 （1979－），女，河南宜陽人，注冊化工工程師，注冊咨詢工程師，碩士研究生，從事石化項目設計及工程咨詢評估工作。