我國煤氣化技術概況及發展趨勢

王立慶(中國氮肥工業協會 北京100011)

1 我國煤氣化技術發展概況

“十二五”期間，我國氮肥、甲醇行業的原料結構調整取得了重大進展，大型國產化的多噴嘴氣化、航天煤氣化和第2代(水冷壁水煤漿氣化)清華爐的成功應用，引進技術的完善和提高以及關鍵設備的國產化，都大大推進了我國煤氣化技術的現代化進程。可以說，我國是采用煤氣化技術種類(見圖1)最多、應用最廣泛的國家。

圖1 我國采用的煤氣化技術種類

以上煤氣化技術均在我國氮肥、甲醇行業得到成功的應用。目前，在國內還未實現工業化應用而正在積極開發、試驗和應用的氣化爐還有寧煤爐、五環爐、齊耀爐、東方爐、KBR輸運床氣化爐等。

流化床技術由于多種原因在我國應用較少，成功案例不多，所占氮肥、甲醇產能比例也很小，本文不做重點介紹。

固定層間歇制氣爐(UGI爐)目前仍是我國氮肥生產的主力爐型，2013年其合成氨產能占合成氨總產能的56.7%，有3 500臺以上UGI爐在穩定生產運行。其氣化系統普遍采用DCS控制、自動加煤、自動探焦、不停爐下灰、高壓水夾套等技術改造；采用三廢混燃爐回收造氣爐產生的吹風氣和爐渣，利用循環流化床鍋爐“吃干榨凈”造氣爐渣等資源綜合利用技術，即用現代技術改造傳統產業。2013年采用UGI爐的合成氨能效領跑者第1名的噸氨綜合能耗1 093 kg標煤，低于采用其他煤氣化技術能耗(有煤種的原因)。由于UGI爐受煤種適應范圍小、煤價高、單爐能力低等限制，雖然不是將來我國煤氣化技術重點發展的方向，但仍會保留一定比例的產能。

據中國氮肥工業協會統計數據，目前，我國已投產的水煤漿加壓氣化裝置共186臺，其中氮肥、甲醇行業164臺，氨醇能力23 970 kt/a；已投產的干煤粉加壓氣化裝置46臺，其中合成氨、甲醇行企業43臺，氨醇能力14 060 kt/a；已投產的魯奇和BGL氣化爐共86臺，其中合成氨、甲醇行企用64臺，氨醇能力3 820 kt/a；加壓煤氣化爐共投運318臺，在建463臺。以上先進煤氣化裝置的產能占2013年氨醇總產能的32%。這些裝置的建成，不僅大大促進了新型煤化工的發展，也有力地促進了氮肥、甲醇行業的原料結構調整，促進了企業的大型化發展，使300 kt/a以上的合成氨、甲醇企業的產能占全國總產能的50%以上。

2013年底國內新型煤氣化裝置統計數據如表1所示。

從表1數據可見，未投產氣化爐中有308臺是用于煤制油、煤制天然氣、煤制乙二醇等新型煤化工產品，遠遠多于用在合成氨和甲醇裝置的臺數，體現出了我國煤氣化技術正從合成氨、甲醇等傳統煤化工領域向新型煤化工轉型的趨勢。

投產、未投產的合成氨、甲醇各氣化技術合成氨、甲醇產能比較分別見圖2和圖3。由圖2可見，航天爐(HT-L)氣化技術將以5 800 kt/a的能力成為合成氨生產加壓煤氣化中最主要的爐型；由圖3可見，GE氣化技術將以18 300 kt/a的能力成為甲醇(配套甲醇下游產品)生產加壓煤氣化中最主要的爐型。投產、未投產的總氨醇能力73 950 kt/a，416臺氣化爐，非無煙煤消費量將達到1.1×105kt/a。

表1 2013年底國內新型煤氣化裝置統計數據

氣化技術種類投產情況合成氨產能/(kt·a-1)臺數/臺甲醇產能/(kt·a-1)臺數/臺其他產品臺數/臺總臺數/臺 航天(HT-L)爐粉煤氣化技術已投產2 16098805014未投產3 640192 900101746 殼牌(Shell)粉煤氣化技術已投產3 12095 50012223未投產000055兩段式粉煤氣化技術已投產00300112未投產30021 20031116 西門子(GSP)粉煤氣化技術已投產001 600505未投產00003434 科林(CCG)粉煤氣化技術已投產50020002未投產000022 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已投產2 040113 49018332未投產1 620104 400192857 清華爐水煤漿氣化技術已投產48073003010未投產1 5001420021834多原料漿氣化技術已投產3 880304 86028664未投產40022 70014521GE水煤漿氣化技術已投產3 020275 900401380未投產0012 400502070 魯奇、BGL碎煤加壓氣化技術已投產1 680371 600173286未投產1 18092001168178 合計已投產16 88013224 43012957318未投產8 6405624 00099308463

注：甲醇能力含配套甲醇下游產品。

圖2 各氣化技術合成氨產能比較

2 現有煤氣化技術運行情況

不同造氣方式均有各自不同的特點，可以說現在還沒有萬能氣化爐，對于不同的煤種，各種氣化工藝技術都有其特點和優缺點，有其適應范圍。而一種可靠的氣化技術應具有煤種適應性好、經過長期穩定運行考驗、經濟上合理、環境友好等特點。3種氣化技術主要指標比較見表2。

圖3 各氣化技術甲醇產能比較

2.1 干煤粉氣化技術

2.1.1 航天爐(HT-L)粉煤氣化技術

(1)特點。自主知識產權，設備全部國產化；單燒嘴頂燒式結構，較高氣化溫度(1 450～18 00 ℃)；激冷流程，密閉式盤管水冷壁輻射室結構；粉煤密相輸送，煤種適應性廣；冷煤氣效率82%～84%，有效氣(CO+H2)體積分數90%以上，熱效率可達95%，碳轉化率可高達99%，比氧耗低，比煤耗低。

表2 3種主要氣化技術主要指標比較

項目粉煤加壓氣化水煤漿加壓氣化碎煤固定床加壓氣化比氧耗/m3(標態)330^360415^430190^230粗煤氣中φ(CO+H2)/%89^9278^8285碳轉化率/%>99>9599冷煤氣效率/%80^8371^7689原料煤輸送形式干粉,氣體輸送水煤漿,泵輸送塊煤/型煤原料煤的適應性對煤種要求低對煤種成漿性要求較高對煤種要求低電耗低低低投資較高較低較低

比氧耗：每生產1 000 m3(標態)有效氣(CO+H2)所消耗的純氧量，m3(標態，下同)。

比煤耗低：每生產1 000 m3(標態)有效氣(CO+H2)所消耗的干煤量，t(下同)。

(2)業績實例。截止至2014年2月，已經簽約的項目共有31個，合計69臺氣化爐，其中大爐型(Φ3 200 mm/Φ3 800 mm)39臺，小爐型(Φ2 800 mm/Φ3 200 mm)30臺。已經開車的項目有9個，其中大爐型5臺，小爐型8臺。2011年 10月5日，魯西化工300 kt/a合成氨裝置開車，一次投料成功，生產出合格的合成氨產品。該項目為首套航天爐(HT-L)煤氣化配套高CO含量、高水氣比變換裝置和低壓液氮洗工藝，消耗指標和氣體指標均達到設計要求；2012年，A爐累計運行328 d，B爐累計運行324 d，全年生產合成氨362 kt；2013年，2臺氣化爐分別運行343 d和353 d，裝置穩定性進一步提高。

2.1.2 殼牌(Shell)粉煤氣化技術

(1)特點。引進技術，設備國產化率按費用估算已可達98%；4只或多只燒嘴結構，較高氣化溫度(1 400～1 700 ℃)；廢熱鍋爐流程，密閉式水冷壁結構(下行水激冷流程，已于2013年10月在南京開車成功)；粉煤惰氣密相輸送，煤種適應性廣；冷煤氣效率78%～83%，有效氣(CO+H2)體積分數>90%，熱效率可達98%，碳轉化率>99%，比氧耗和比煤耗低；熔渣排渣，爐渣殘碳含量低，干法排灰，灰水處理簡單。

(2)業績實例。截止至2014年1月，已簽約項目共21個，合計28臺氣化爐。以日投煤量2 000～3 200 t大爐型為主，已有22臺氣化爐投入運行。隨著對殼牌(Shell)煤氣化技術的吸收和掌握，總運行天數和單次最長運行天數不斷提高，裝置穩定運行性大大提高(表3)。

表3 2007-2012年總運行天數和單次最長運行天數

年份200720082009201020112012總運行天數/d221285331329338341單次最長運行天數/d4410911459142113

貴州天福殼牌(Shell)煤氣化裝置2012年85%負荷下連續運行264 d(空分裝置造成停車90 d)，2013年90%負荷下連續運行231 d。目前，貴州天福、云天化天安化工等4家企業的4套生產裝置實現國內干煤粉氣化摻混石油焦制氣穩定運行，解決了高灰分煤摻燒和高硫石油焦的處理問題。

2.1.3 兩段式粉煤氣化技術

(1)特點。國產技術，氣化系統設備全部國產化；多噴嘴兩室兩段式分級氣化，較高的氣化溫度(1 400～1 500 ℃)；激冷工藝，密閉式水冷壁結構；粉煤惰氣密相輸送，煤種適應性廣；冷煤氣效率80%～85%，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數>90%，含灰質量分數要求低(5%～35%)，碳轉化率高可達99%以上，比氧耗低，比煤耗低；液態排渣，爐渣殘碳含量低。

(2)業績實例。截止至2014年，已簽約項目共12個，合計21臺氣化爐。爐型有日投煤量1 500～3 000 t，天津華能發電、世林煤化的300 kt/a 甲醇裝置氣化爐已投入運行。世林煤化300 kt/a甲醇裝置氣化爐日投煤量1 000 t，操作壓力4.0 MPa，CO2輸送，比氧耗290～310 m3(標態)O2，比煤耗520～550 kg(干煤)，冷煤氣效率83%，碳轉化率>99%，蒸汽產量40～60 t/h。

2.1.4 西門子(GSP)粉煤氣化技術

(1)特點。引進技術；組合單燒嘴頂置下噴，較高氣化溫度(1 350～1 750 ℃)；干煤粉進料，水冷壁結構，全激冷流程；煤種適應性廣；冷煤氣效率達80%以上，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數>90%，碳轉化率高達98%以上，比氧耗低，比煤耗低；熔渣排渣，爐渣殘碳含量低，灰水處理簡單。

(2)業績實例。SFG-500型氣化爐先后應用于神華寧煤集團520 kt/a煤制烯烴裝置、山西蘭花集團己內酰胺裝置、中電投集團新疆60×108m3/a(標態)煤制天然氣裝置和神華寧煤集團4 000 kt/a煤炭間接液化裝置。神華寧煤集團煤制烯烴裝置于2007年開工建設，一期生產規模為1 680 kt/a甲醇和520 kt/a聚丙烯。2010年 11月氣化系統投料試車，2011年4月進入試生產階段；2012年7月裝置進入正常運行階段。5臺氣化爐按照設計要求4開1備，在90%～110%負荷不等情況下運行。2013年實現氣化爐4臺爐A類運行：單爐連續運行1 606 h、4臺爐同時在線645 h。

2.1.5 科林(CCG)粉煤氣化技術

(1)特點。引進技術，設備國產化率比較高；采用多燒嘴頂置下噴的形式，較高氣化溫度(1 400～1 700 ℃)；干粉煤進料，水冷壁結構，全激冷流程；煤種適應性廣，可氣化灰分質量分數達35%的粉煤；冷煤氣效率為80%～83%，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數可達90%～93%，碳轉化率可達99%，比氧耗低，比煤耗低；熔渣排渣，爐渣殘碳含量低，灰水處理簡單。

(2)業績實例。貴州開陽化工500 kt/a合成氨裝置應用三高(灰分質量分數26%、灰熔點為1 500 ℃、硫質量分數>3%)劣質煤種，2臺日投煤量均為1 500 t的氣化爐，項目于2010年底動工建設，2013年打通合成氨裝置流程轉入試生產階段。截至目前，氣化裝置已經實現滿負荷連續運行。該氣化系統廢水中的COD質量分數<200 mg/L，NH3-N質量分數<100 mg/L，灰水的濁度僅為15 mg/L，經處理后可實現回用。

各種干粉煤氣化技術比較見表4。

表4 各種干粉煤氣化技術比較

項目殼牌(Shell)航天爐(HT-L)兩段式氣化西門子(GSP)科林(CCG)噴嘴形式側4^6只噴嘴頂組合式單噴嘴 側多噴嘴兩室兩段 組合單燒嘴頂置下噴(帶長明燈)多燒嘴頂置下噴(帶長明燈)氣化壓力/ MPa2.5^4.04.03.0^4.04.04.0氣化爐規格/mmΦ 3 600Φ 3 900Φ 4 600Φ 2 800/Φ 3 200Φ 3 200/Φ 3 800Φ 3 800Φ 4 600Φ 3 500Φ 4 800Φ 3 500碳轉化率/%999999>9899 粗煤氣中φ(CO+H2)/%86^9089^929089^9089^90主要結構特點 密相下輸送粉煤;反應段水冷壁結構,內外筒間隙大(800 mm),氣體激冷,氣帶灰上行,渣下行。水冷壁為豎管,副產中高壓蒸汽;干法除塵,氣體為干氣;多噴嘴氧煤比控制較難 密相下輸送粉煤;反應段水冷壁結構,水冷壁為環管,副產中壓蒸汽;水激冷,氣汽比高,符合化工要求,氣渣下行,可測渣口壓差,渣口不堵;組合式單噴嘴,開車時間短,氧煤比易控制 二次輸送粉煤,反應段水冷壁結構,分級氣化,煤氣冷卻器和除塵器尺寸小,多噴嘴不需霧化,兩室兩段結構 粉煤倉攪拌上輸送粉煤;反應段水冷壁結構,水單相載熱體,爐外副產低壓蒸汽;單噴嘴,但有長明燈;水激冷符合化工要求,濕法除塵 粉煤倉攪拌上輸送粉煤;反應段水冷壁結構,水單相載熱體,爐外副產低壓蒸汽;單噴嘴但有長明燈;水激冷符合化工要求,濕法除塵

2.2 水煤漿氣化技術

2.2.1 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術

(1)特點。自主知識產權，設備全部國產化；多噴嘴對置式氣化爐流場結構，較高氣化溫度(約 1 300 ℃)；預膜式燒嘴，耐火磚結構；分級合成氣凈化系統，直接換熱式閃蒸系統；粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數最高可達84.0%，碳轉化率可高達99%，比煤耗低。

(2)業績實例。在中國境內已有33個用戶項目，90臺氣化爐，總投煤量>110 kt/d；目前已有13個項目，32臺氣化爐投入工業運行。榮信化工日投煤量3 000 t的大爐型已于2014年6月24日投料開車成功。江蘇靈谷化工有限公司450 kt/a尿素裝置由石化聯合會組織專家進行了72 h現場考核，以神華煤為原料，裝置滿負荷運行的技術指標：比煤耗568 kg(干煤)，比氧耗352 m3(標態)，合成氣中有效氣(CO+H2)體積分數為82.9%，碳轉化率99.2%，冷煤氣效率74.9%，粗渣中可燃物質量分數<2%。2011至2013年全年累計穩定運行均達到350 d以上。

2.2.2 清華爐水煤漿氣化技術

(1)特點。自主知識產權，設備全部國產化；采用組合燒嘴結構，較高氣化溫度(約1 450 ℃)；第1代為耐火磚結構，第2代采用懸掛垂直膜式水冷壁結構；工藝燒嘴的冷卻水與水冷壁共用1套熱水循環系統；第2代清華爐的煤種適應性更廣；粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數≥81%，碳轉化率可達98%，比煤耗低。

(2)業績實例。在中國境內第1代清華爐，3個項目，9臺氣化爐均已投入運行；第2代清華爐17個項目，35臺氣化爐，目前已有1個項目、1臺氣化爐投入工業運行。山西陽煤豐喜肥業集團臨猗分公司 110 kt/a尿素裝置日處理煤750 t水煤漿水冷壁氣化爐(第2代清華爐)工藝示范裝置具有氧氣分級供給、氣化爐采用水冷壁代替耐火磚、水煤漿進料流程短、噴嘴使用壽命長等特點；在氣化壓力為4.0 MPa條件下，制得的煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數≥79.7%，碳轉化率達98.0%，噴嘴使用壽命超過6個月，基本達到三廢零排放；石化聯合會已組織有關專家進行了72 h現場考核。

2.2.3 多原料漿氣化技術

(1)特點。自主知識產權，設備全部國產化；單噴嘴頂置式氣化爐結構，較高氣化溫度(1 300～1 500 ℃)；能實現氣化原料多樣化；液態排渣或固態排渣工藝；冷煤氣效率70%～75%，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數最高可達83%，碳轉化率高達96%～98%，比煤耗低；壓力1.3～6.5 MPa，合成氨生產能力30～500 kt/a，不同規模采用不同氣化壓力等級。

(2)業績實例。在國內已投運64臺氣化爐，總氨醇能力>8 800 kt/a。浙江豐登化工股份有限公司采用多原料漿技術，在純氧存在、溫度1 350～1 450 ℃、壓力1.1～1.3 MPa條件下，燃燒停留時間6～8 s，高濃度廢水完全裂解，不產生二噁英。通過激冷裝置，迅速將氣體溫度降到200 ℃以下，不產生二次污染。裂解產生的H2，CO2，H2S和N2通過脫硫、脫碳、液化、合成氨等系統，全部得到綜合利用，生產液氨、碳酸氫銨、液體CO2等產品。

2.2.4 GE水煤漿氣化技術

(1)特點。引進技術，設備國產化率90%以上；單噴嘴頂置式氣化爐結構，較高氣化溫度(約1 400 ℃)；耐火磚結構，液態排渣；激冷/輻射廢熱鍋爐+激冷流程；煤種適應性廣；冷煤氣效率70%～76%，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數最高可達84%，碳轉化率可達95%～98%，比煤耗低。

(2)業績實例。截止至2014年5月，GE水煤漿氣化技術在國內已簽訂58項許可合同，各型氣化爐共186臺，其中131臺已持續穩定運行；在氮肥、甲醇行業，37家企業共86臺各型氣化爐投產運行，其中36臺氣化爐單日投煤量超過1 500 t；蒲城項目開車在即，日投煤量達2 300 t，日平均產有效合成氣約為8 200×104m3(標態)。貴州金赤化工無煙煤水煤漿95%負荷下，粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數為80.34%，比氧耗為348 m3(標態)O2，比煤耗533.6 kg(干煤)；中石化齊魯分公司第二化肥廠的煤氣化爐自2011年12月14日至2013年4月8日連續運行481 d，刷新煤氣化爐最長持續運轉周期記錄。

各種水煤漿氣化技術比較見表5。

2.3 固定床加壓氣化技術

(1)特點。魯奇爐是固態排渣，BGL(ZEMAG，YM)是液態排渣；氣化壓力2.5～7.0 MPa，較高氣化溫度(氣化壓力高時管材易被腐蝕)；煤種適應性強，對煤種變化不敏感；能源轉化率高，BGL爐所產的粗煤氣中有效氣(CO+H2)體積分數最高達85%，甲烷體積分數可高達7%～15%，碳轉化率可高達99%，氧耗低，能耗低；固態排渣爐型焦油、廢水中酚氨含量高、處理難度大。

表5 各種水煤漿氣化技術比較

項 目多噴嘴對置式氣化爐清華爐GE爐多原料漿氣化爐噴嘴形式側四噴嘴頂組合噴嘴頂單噴嘴頂單噴嘴氣化壓力/MPa4.0^6.54.04.0^6.5^8.74.0^6.5氣化爐規格/mmΦ 2 800Φ 3 800Φ 2 800Φ 3 200Φ 2 800Φ 3 200Φ 3 800Φ 2 800Φ 3 200碳轉化率/%98989696粗煤氣中φ(CO+H2)/%78^84≥8178^8478^83氣化裝置工程費用/%110100105100專利費、基礎、設計費等/%502010040^50主要優點有生產業績 有生產業績,噴嘴壽命延長,專利費低,首先實現水煤漿和水冷壁結合技術成熟、可靠技術成熟、可靠主要缺點投資稍高目前國內開車用戶不多專利費較高交流信息較少

(2)業績實例。在國內已投運魯奇和BGL氣化爐共86臺，合成氨、甲醇產能共3 820 kt/a。呼倫貝爾金新化工采用Φ5 mm～80 mm塊煤，單爐投煤量840～960 t/d，氣化溫度169.6 ℃，壓力3.5 MPa，中、下部設6只噴嘴，爐渣含碳質量分數<0.1%，黑水中N-NH3質量分數1 500 mg/L和酚類質量分數1 500 mg/L，運行正常時，比氧耗270 m3(標態)，比煤耗686.10 kg(標煤)，粗煤氣中有效氣(H2+CO)體積分數70.0%，CH4體積分數7.7%。

3 煤氣化技術發展方向和趨勢

(1)向大型化、高壓化發展。煤制油、煤制天然氣等現代煤化工項目的規模越來越大，合成氨企業也不是“18·30”或“30·52”所能滿足的了，要求氣化爐大型化、規模化、清潔化、高壓化，以滿足項目的合理性、經濟性。

(2)氣化技術應適用于煤化工生產的不同需求。從下游產品配套性看，合成氨、制氫需要合成氣全部變換，激冷流程優于廢熱鍋爐流程；甲醇和煤間接液化，需要部分變換，廢熱鍋爐流程與激冷流程結合更合理。

(3)要求煤種適應性強。大型煤氣化裝置用煤量大、煤質變化大，要求氣化爐有較好的適應性。另外，隨著機械化采煤量的增加，粉煤的比率越來越高，對粉煤的利用提出了更高的要求，不同氣化技術的結合(如BGL+干粉煤氣流床氣化)成為部分企業新選擇。

(4)提高對低級煤的分質、高效利用，實現煤炭資源轉化升值。煤炭的分質利用實現了煤炭資源由傳統一次性利用轉變為梯級利用，能提高資源利用率，是實現節能減排的有效途徑。

(5)不斷提高氣化裝置的可靠性，實現安全、穩定、長周期、滿負荷運行。2013年，晉煤中能的航天爐(HT-L)連續運行215 d(97.5%開工率)，永城龍宇化工的殼牌(Shell)氣化爐連續運行322 d (93.4%開工率)，江蘇索普多噴嘴氣化裝置已累計連續運行511 d，可靠性在不斷的進步和提高，而系統及關鍵設備的安全設計以及后期服務的支持等是實現穩定性運行的關鍵。

(6)現代煤化工對煤氣化技術提出了更高要求，主要表現在減少水資源消耗和污染物的低排放要求等環保方面。國家對環保與減排的處罰日趨嚴格，近日，環保部對19家公司開出了合計為4.1億元的排污費罰單，其中多家是煤化工生產企業。必要的環保指標也是煤氣化技術先進性的標志。從中國氮肥工業協會調查的氮肥企業達產、達標情況看，所有在用的煤氣化技術的技術保證值和72 h 考核指標都缺少水資源消耗量和廢水中污染物濃度(氨氮、COD)等必要的環保指標，能源消耗綜合指標也不夠充分，說明目前企業的節能環保意識不強。“十三五”期間煤氣化技術應真正實現污水零排放、爐渣廢固全部綜合利用、水資源消耗量大幅降低，這些目標將是“十三五”期間的研究重點。

總之，先進煤氣化技術和裝置已顯現出其經濟性，但開好、管好現有已投運的氣化裝置，實現環保達標、節能高效，仍是需要面對的課題。