現代煤氣化技術現狀及發展趨勢綜述

程曉磊，張 鑫

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤氣化技術涉及到復雜的傳熱、傳質、兩相流動、化學反應的過程。根據不同的工藝條件、應用場景、處理原料、氣化介質性質、反應器結構，形成了數百種氣化技術，真正在用的也有數十種技術[2-5]。我國是擁有煤氣化爐技術數量和種類最多的國家，幾乎主流氣化技術在國內均有應用，國內也在積累豐富運行經驗的基礎上開發了大量具有自主特色的煤氣化技術，也形成了良好的推廣應用態勢。根據技術應用特點和范圍的不同，大體上可將現代煤氣化技術分為碎煤固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術3種。碎煤固定床氣化技術處理約5 mm～80 mm粒徑碎煤，代表性技術包括BGL熔渣氣化[6]、UGI氣化、魯奇褐煤加壓氣化[6]和碎煤移動床氣化等；流化床氣化技術處理粒徑約(0～12)mm的粉煤，代表性技術包括U-gas灰融聚[7]、溫克勒氣化(恩德爐)[8]、中科合肥循環流化床氣化[9-11]、KEDA流化床[12]、黃臺爐等；氣流床氣化技術又可分為干粉氣化和水煤漿氣化2種技術，其中干粉氣化代表性技術有AP公司干煤粉爐(Shell 爐)[13]、GSP 爐[14]、HT-L航天爐[15]、WHG五環爐[16]、神寧爐[17]、華能兩段爐[18]、科林爐(CCG)[19]和SE-東方爐[20]等，水煤漿氣化代表技術有AP水煤漿氣化(原德士古、GEGP氣化)[21]、晉華爐[22-23]、MCSG多元料漿氣化[24]、多噴嘴氣化爐[25]等。

由于我國煤質的多元化特點，煤種繁多，國內煤氣化技術也正在不斷優化工藝以拓寬煤種適應性；在原料適應性方面，除了采用煤作為原料，有機固廢、垃圾、廢液、蘭炭等非煤原料氣化技術也在不斷拓展；隨著節能環保要求的逐漸提高，煤氣化過程全熱量回收、副產蒸汽已成為提高氣化爐能源綜合利用效率的發展方向；氣化過程中產生的飛灰處置技術也在逐步發展，有配置飛灰焚燒爐、精準分離利用等資源化利用方法；隨著煤氣化數值仿真技術的完善和發展，在氣化爐本體設計、熔渣結構設計和優化方面，數值模擬技術逐漸成為了技術開發過程中的重要組成部分；在“大煤化工”不斷發展的前提下，定位于低壓、中小規模的煤氣化制工業燃氣，在化工、陶瓷、冶金、玻璃等行業的應用也呈現快速發展的態勢。

通過初步梳理總結目前煤氣化技術的應用推廣情況，以下對氣化爐技術在原料適應性、產品多樣化、能量回收技術、先進開發技術等方面的應用現狀和發展趨勢進行論述，以期能為煤氣化技術的發展應用提供部分參考。

1 煤氣化技術應用現狀

近年來，煤氣化技術的應用日益廣泛，主要行業包括煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙醇、合成氨、煤制燃料氣等行業。截至2018年，全國共形成煤制油企業8家、煤制天然氣企業4家、煤制烯烴企業28家、煤制乙醇、乙二醇企業22家。此外，應用于合成氨、煤制燃料氣等行業的中小規模煤氣化爐接近10 000臺。由于應用原理的不同，固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化分別有其技術特點和應用場景。

1.1 氣流床氣化

氣流床氣化技術反應溫度高(最高溫度可達1 700 ℃)，原料適應性廣，褐煤、煙煤、無煙煤、石油焦、蘭炭、焦炭等均可適用，此外對于水煤漿鍋爐還可采用有機廢液、廢油、危廢、垃圾飛灰等含碳原料；由于反應溫度高，且多為高壓條件下運行，大分子物質可被完全裂解和轉化，產氣中不含酚類、芳烴類物質，氣化過程清潔高效，無二次污染；系統碳轉化率最高可達99%以上。典型氣流床氣化技術的合成氣成分見表1。對于干煤粉氣化技術，合成氣中有效氣成分可達到90%左右；對于水煤漿氣化技術，合成氣中有效成分大于80%。

表1 氣流床氣化爐的典型氣體成分

氣流床氣化技術在國內首先從Shell、GSP等國外技術應用開始，在引進、消化、再吸收的同時開發了大量具有自主知識產權的氣流床氣化技術，并在近年來大規模推廣應用，其主要企業推廣應用情況見表2。分析目前的技術應用情況可知，氣流床氣化技術正朝著大型化、高參數、寬燃料適應性等方向發展。目前主流技術單臺原料處理量在2 000 t/d量級，3 000 t/d～4 000 t/d處理量級的氣化爐各廠家或處于工業示范階段、或處于開發階段；氣化爐操作壓力高，相同處理量時氣化爐體積減少，時空效率提高，高壓力也是氣流床氣化爐開發的方向，干煤粉氣化技術受限于干粉供料技術的限制，目前最高操作壓力為6.5 MPa，而水煤漿氣化技術供料相對成熟，最高操作壓力可達8.7 MPa；在氣化原料的適應性方面，除傳統的煙煤、無煙煤、褐煤等煤種，具有高灰分、高灰熔融溫度、高硫分、高堿含量等特點的劣質煤以及生物廢料、煤制油殘渣、劣質油等原料也有相關應用。

1.2 固定床氣化

固定床氣化技術一般采用塊煤(焦煤、半焦、無煙煤等)或成型煤，與氣化劑逆流接觸反應。固定床技術相對比較成熟，目前新開發連續制氣方式以替代過程復雜的間歇式氣化(UGI爐)，其工藝流程簡單、氣化效率高。典型固定床氣化爐的產氣成分見表3。

固態排渣技術的反應溫度偏低(約為1 000 ℃)，由于產氣中CH4含量高，可降低甲烷合成的負荷，適用于煤制天然氣行業。由于合成氣熱值高，適用于煤制燃料氣和原料氣；熔渣氣化反應溫度高，其反應效率高，合成氣成分可接近氣流床氣化技術，氣化過程中會副產焦油、酚類等物質，需要配置相關的處理和回收設備。

基于微課的翻轉課堂+對分課堂教學模式調查問卷發放30份，回收30份，結果見（表1）。分析結果顯示，83.33%以上的學生都認為基于微課的翻轉課堂+對分課堂教學模式能激發學習系統解剖學的興趣，課本知識基本能內化吸收，可以鍛煉并提高學生的自主學習能力、表達能力及分析解決問題的能力，同時也增強了教師與學生之間的溝通交流。

表2 氣流床氣化技術推廣應用情況(不完全統計)

表3 固定床氣化爐典型氣體成分

目前，固定床氣化技術在煤制天然氣、煤制油、煤制燃氣和原料氣、煤制合成化學品、煤制氫等方面均有相關的應用。主要企業推廣應用情況見表4。固定床氣化爐技術單臺鍋爐處理量小于氣流床氣化技術，一般在百噸量級，最大在1 000 t/d左右，操作壓力最高為7 MPa。

表4 固定床氣化技術推廣應用情況(不完全統計)

1.3 流化床氣化

流化床氣化技術目前的應用以循環流化床為代表，系統使用(0～10)mm的粉煤，原料成本低；生產過程中無焦油、酚類物質生成；富氧/純氧氣化技術、加壓氣化技術的開發，也使流化床氣化技術的應用范圍在逐步拓展。流化床氣化爐典型氣體成分見表5，常壓空氣氣化時可燃氣體成分接近50%，加壓富氧條件下可達到80%以上。

流化床氣化技術使用的原料主要包括煙煤、褐煤等，主要應用場景為鋼鐵、氧化鋁、焦化、陶瓷等行業工藝需求的中低熱值工業燃氣，也可將其作為合成氨的氣頭使用。流化床氣化技術的主要企業推廣應用情況詳見表6,由此可見流化床氣化技術目前的應用以常壓技術為主，單臺氣化爐處理量通常為數百t/d量級，最大單臺處理量為1 000 t/d左右。

表5 流化床氣化爐典型氣體成分

表6 流化床氣化技術推廣應用情況(不完全統計)

總體而言，煤氣化技術發展相對較為成熟，煤氣化技術應用推廣的主要制約在于運行成本和環保限制方面。不同氣化領域的成本敏感性不同，煤制油企業主要受國際油價影響，煤制油的盈虧平衡點一般在50～60美元/桶，煤化工和石油化工的競爭也同樣受油價影響；煤制天然氣和燃料氣方面，在目前的煤價條件下，制氣成本相比天然氣價格便宜40%～60%，主要受廢水、廢液、飛灰、煙氣等環保方面的限制。目前在用的煤氣化技術各有特點及其適用性，并不存在某種氣化技術能夠統占市場。應根據氣化技術的用途、原料來源和性質、副產品、環保、建設成本、運行成本等方面因素綜合考慮，從而選擇合適的煤氣化技術。

2 煤氣化技術發展趨勢

結合煤氣化技術的特點和國內應用過程中的問題，煤氣化相關技術的發展可從拓展燃料適應性、氣化過程熱量全回收、氣化飛灰處置、煤氣化數值模擬仿真和低壓中小規模氣化制燃氣等方向開展，為煤氣化技術的進步奠定基礎。

2.1 煤種適應性

在采用煙煤、無煙煤、褐煤等常規煤種作為氣化原料之外，“三高”煤、高堿煤、有機固廢危廢等原料的利用也在逐漸增加。

具有高灰分、高灰熔融溫度、高硫含量特點的“三高”煤，在我國煤炭資源中占有重要地位，但其反應性及結渣性差，用作氣化煤種時需進行相應的技術改進[15,26-28]，其中包括：與優質煤進行混煤使用；摻入石灰石、石英砂等黏土助熔劑以改善煤灰黏溫特性及灰熔融溫度，從而改善液態排渣過程；優化煤粉燒嘴流場和氣化爐結構，使物料返混更充分；擴大氣化爐排渣口；針對無煙煤硬度高的特點進行耐磨處理等。高堿煤在燃燒過程中會出現鍋爐結渣和受熱面沾污的問題[29-31]，應用在氣化技術上則會出現高堿熱煤氣腐蝕受熱面的問題，氣化技術在循環流化床技術上有所應用，需注意氣化過程中堿金屬與床料反應產生聚團顆粒從而導致流化床出現失流現象，需從堿金屬遷移轉化特性及結渣聚團特性方面開展相關研究和優化。有機固廢、危廢、生化污泥、油泥渣、廢液等原料的研究與利用則主要集中在摻燒和制備水煤漿方面的研究。

2.2 氣化過程熱量回收

采用廢鍋流程回收氣化過程中的熱量來副產蒸汽，既可供給氣化工藝使用，又可外供部分蒸汽，在提高氣化爐系統熱效率的同時也能降低系統運行費用[32-34]。副產蒸汽主要由輻射廢鍋和對流廢鍋與煤氣換熱而來，利用對流廢鍋與熱煤氣生產蒸汽基本是氣化行業的通用工藝，而輻射廢鍋與對流廢鍋同時使用的全廢鍋流程工藝也逐漸開始應用。全廢鍋流程的廢水排放量降低，由于廢水處理裝置的減少從而能起到簡化系統的作用。以1臺2 000 t/d處理量的氣化爐為例，按照副產蒸汽70 t/h、蒸汽價格100元/t、年運行8 000 h計算，副產蒸汽年收入可達到0.56億元。目前根據實際需求，氣化爐水冷壁、輻射廢鍋、對流廢鍋在氣化爐系統中的應用越來越廣泛，全廢鍋的氣化過程熱量全回收的工藝也正在開發和示范中，此為氣化爐發展和能量梯級利用的新方向。

2.3 低壓中小規模制燃氣

煤氣化生成的煤氣主要有兩類用途：① 作為燃料氣，即燃燒提供熱量，主要用于民用、工業加熱或發電(IGCC)；② 作為合成氣用于化工生產。合成氣目前主要用于生產基礎化工產品，包括合成氨、甲醇、CO和H2，由于受下游工藝的影響，合成氣的發展應以大型化、高參數為目標，目前行業內最高至4 000 t/h處理量的氣化系統已在示范和應用。

而對于燃料氣的行業市場需求和缺口很大，受限于我國資源稟賦特點，天然氣的對外依存度超過40%，且對于工業用戶來說使用天然氣作為燃料氣的成本過高，天然氣的用氣成本一般大于3元/Nm3，煤氣化燃料氣折合成天然氣熱值后的成本約為(1.0～2.0)元/Nm3，煤氣化制燃料氣已成為優化的選擇，但先進氣化技術進入燃料氣市場的程度還相對較少[8,35-37]。燃料氣用戶集中在冶金、玻璃、陶瓷等行業，規模一般在數萬Nm3/h量級，企業建設煤制燃料氣廠供應企業內工藝使用，對氣化系統的要求則主要是規模適中、工藝簡單、投資和運行經濟性高等方面，目前市場上已有固定床和循環流化床技術在用，氣流床氣化技術僅有極少量技術項目應用，且是用于處理其他氣化技術難以處理的氣化飛灰，未形成規模化應用。氣流床氣化技術如需在燃料氣市場上有所發展，必須要解決投資經濟性問題，可通過采用低壓、短流程的系統模式以形成系統熱效率高、造價低廉、操作簡便的工業氣流床氣化爐。

2.4 煤氣化數值模擬仿真

煤氣化過程是1個復雜的熱化學反應，由于高溫、高壓反應條件的限制，無法完全獲得真實的氣化爐內情況。隨著數值模擬理論和計算機性能的提升，數值仿真技術在氣化爐系統的設計應用也越來越廣泛。氣化系統工藝模擬主要采用化工流程仿真軟件進行研究[38-39]，包括物料衡算、換熱器設計等方面，應用軟件有Aspen Plus、PRO II、Factsage等；氣化爐內流動、傳熱、化學反應等方面的研究主要采用流體力學仿真軟件進行[40-42]，目前已有的研究包括氣化爐體結構優化、熱態流場分布、氣化燒嘴冷卻、氣化燒嘴射流混合與流動、燒嘴布置方案等，應用軟件有ANSYS Fluent、CFX等；固體間作用方面的研究主要采用有限元計算方法或流固耦合模擬方法[43-45]，主要應用涵括氣化爐內結渣情況模擬、燒嘴熱應力、渣層內渣釘對傳熱的影響、襯里結構的優化、熔渣流動特性等，應用軟件有ANSYS，CFD-DEM耦合方法等。

數值模擬在氣化系統中的應用雖已較為廣泛，但仍需持續發展以適應研究和開發的需求。流體力學仿真模擬的精度主要受限于化學反應動力學參數的準確性和模型網格數量密度，還需在實踐中不斷積累各煤種、反應條件下的動力學數據；有限元和流固耦合模擬方法目前僅能應用于局部微觀結構的仿真，對整個系統的研究還有欠缺，有待于進一步深化研究。

2.5 氣化灰渣處置

氣化過程監控中應注重污染物排放的全過程處理，氣化灰渣的處置工作也是重點之一，即氣化爐渣的應用要實現資源化、減量化、無害化的處理。目前，國內外針對氣化渣應用的研究主要集中于以下4個方面[46-50]：① 建工建材制備：骨料、膠凝材料、墻體材料、免燒磚等；② 土壤、水體修復：土壤改良、水體修復等；③ 殘碳利用：殘碳性質、殘碳提質、循環摻燒等；④ 高附加值材料制備：催化劑載體、橡塑填料、陶瓷材料、硅基材料等。氣化過程中，部分未反應的碳及細渣由合成氣帶出產生的氣化飛灰，會引發固體廢棄物的處理和資源化利用問題。氣化飛灰主要以玻璃體形式存在，因此飛灰的化學性質穩定、活性較低，為飛灰再利用帶來困難。氣化飛灰的再利用需對其進行改性，通常用的改性方法有酸溶法、堿溶法和表面改性法等，通過飛灰脫水、飛灰脫碳、玻璃體的分離，殘炭可再燃燒利用或制備石墨等高附加值資源，玻璃體可摻混制備混凝土、改性土壤以及制備煙氣脫硫劑、沸石分子篩、高分子聚合物填料等，實現氣化飛灰科學高效的分離及資源化利用。

3 結 論

(1)煤氣化工藝具有多樣性和適應性，煤氣化技術要根據煤質條件、應用場景、工藝要求等方面綜合考慮選取，最終形成高效、環保、經濟和安全的先進氣化系統。

(2)煤氣化制取化工原料氣和燃料氣的市場均要重視，煤制取燃料氣行業的主要以中等規模、低壓系統、靈活操作、低投資和運行成本為目標。

(3)煤氣化技術發展需在拓展煤種適應性、提高系統余熱利用效率、促進灰渣及廢水等資源化處置和利用、使用先進數值模擬方法進行系統優化設計開發等方面不斷開拓和持續進步。