固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術在國內應用現狀

郭 良 元

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.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；3.煤基節能環保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

2022年我國原煤產能45.6億t[1]，在2021年我國已探明的一次能源生產總量中，原油天然氣資源占比約為12.7%，而煤炭占比約為67.0%[2]，說明煤炭仍是我國自主保障最可靠的能源類型，因而長期堅持煤炭清潔高效與可持續開發利用是應有之義[3]。

我國是煤炭生產和利用的大國，目前我國煤炭利用的方式主要包括直接燃燒、煉焦和氣化，在該3種煤的利用方式中以煤炭的氣化相對最為清潔。

國家“十四五”規劃中要求實施能源資源安全戰略，做好煤制油氣戰略基地規劃布局和管控[4]，穩妥推進煤制油氣，規劃建設煤制油氣戰略基地[5]。上述2種技術中，煤制油中的間接液化工藝以及煤制氣均以煤氣化技術為龍頭，因此煤氣化技術是保障我國能源安全的關鍵技術。

煤炭氣化是煤炭清潔高效轉化的核心，是發展煤基大宗化學品、煤基清潔燃料、IGCC發電等工業的基礎。我國煤氣化技術的基礎研究和技術開發均已進入國際先進行列，部分技術處于國際領先水平，即煤氣化的發展有力支持了我國現代煤化工產業的發展。經過數十年的應用發展，煤氣化技術在我國已從直接引進國外技術發展到擁有自主知識產權的氣化爐，目前我國已經成為全球最大的煤氣化市場。我國氣化技術已實現大型化、清潔化和規模化發展，氣流床氣化技術單爐投煤量規模已達3 000 t/d[6]，固定床氣化技術單爐投煤量規模已超過1 000 t/d。面對國家能源安全和煤炭與水資源在地勢上呈逆向分布的現狀[7]，中國既要大力發展煤化工產業，又要解決煤轉化工業因巨大耗水量而帶來的嚴峻挑戰，煤化工廢水的“零液排放”儼然成為亟待解決的關鍵問題之一[8]。

將來，我國還需要更多具有原創性、適應性的煤氣化新技術[9]。作為國內乃至國際上應用最久且已完全國產化的1種加壓煤氣化技術，固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術在國內市場有其適應性，同時也存在著一些改進的空間。

1 固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術概述

1.1 固定床氣化特性簡述

固定床氣化也稱移動床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床(Fixed-bed)氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘炭的爐渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內逐漸并緩慢往下移動，因而又稱為移動床(Moving-bed)氣化。

固定床氣化的特性是簡單、可靠。同時由于氣化劑與煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。

固態排渣指排渣方式采用干法排渣，控制氣化溫度在灰渣流動溫度以下。

1.2 國內主要固定床氣化爐爐型

國內固定床固態排渣碎煤加壓氣化爐主要爐型有：魯奇爐、賽鼎爐、晉城爐(JM-S)等。

魯奇爐(Lurgi)：魯奇氣化技術屬于典型的固定床氣化技術，經過不斷地升級改進，從MARK-Ⅰ到MARK-Ⅴ，以及MARK+。Lurgi氣化技術爐型結構較為復雜，采用固態排渣方式，爐渣含碳量一般在5%左右。氣化爐內的最高溫度一般可達1 300 ℃，因此在選擇氣化原料時不宜選用灰熔點較低的煤種[10]。

賽鼎爐：1970年代開始，山西化肥廠引進德國魯奇公司魯奇爐，賽鼎公司的前身化工部第二設計院(后簡稱化二院)實施了工程項目的設計工作，積累了大量經驗；1980—1985年，“六五”期間化二院完成了國家重點科技攻關項目《Φ2.8 m加壓氣化爐科技攻關》；1986—1990年，列入國家“七五”重點攻關項目，國產碎煤加壓氣化技術進入應用階段；1986年，Φ2.8 m氣化爐投產；1991年，“七五”國家重點科技攻關項目驗收，化二院獲得科技進步獎集體獎；1993年，哈爾濱依蘭煤氣廠PKM爐投產，獲國家科技進步獎銀獎，改變了氣化劑分布及流速，增加了煤鎖氣回收系統，取消耐火磚；1998年12月17日，天脊國產爐投產，全部采用國產材料，相當于魯奇Mark-Ⅲ；2004年，義馬第3臺完全國產化爐建設；2006年，義馬二期2臺Φ3.8 m，3.0 MPa投產，標志著碎煤加壓氣化技術的完全國產化，并且標志著國內技術全面開始推廣；2008年，山西潞安煤制油投產；2010年，國電赤峰3052項目投產；2012年，新疆廣匯120萬t/a甲醇投產；2013年，大唐克旗煤制天然氣項目投產(國際首臺4.0 MPa碎煤加壓氣化爐成功運行)；2014年，新疆慶華煤制氣投產；2015年，河南晉煤天慶投產；2015年，賽鼎5 000氣化爐示范列入科技部“863”計劃《大規模碎煤加壓氣化技術與示范》，內徑5.0 m，壓力6.0 MPa，在義馬氣化廠動工建設[11]。

晉城爐(JM-S)：晉控天慶是晉能控股裝備制造集團有限責任公司(簡稱晉能控股集團)的下屬控股子公司，氣化裝置現有6臺魯奇爐(1～6號爐)和1臺在魯奇爐基礎上升級改造而成的JM-S爐(7號爐)，其中JM-S爐是晉能控股集團面對無煙塊煤的市場銷路不斷萎縮等問題，提出了“帶著爐子去賣煤，帶著爐子去賣氣”的氣化領域布局理念，用于匹配其旗下28家化工企業的氣化技術需求，牽頭與賽鼎工程有限公司合作研發的新型氣化爐。1～6號魯奇爐自2015年投料試車以來一直運行穩定。2020年11月晉控天慶建成投運1臺JM-S爐(7號爐)，其爐體在第4代魯奇爐基礎上加高1.5 m，爐出口新增旋風分離器及中壓廢鍋回收粗煤氣熱量，粗煤氣再經冷卻降溫以及低壓廢鍋回收熱量后送至變換冷卻系統；相較于第4代魯奇爐，JM-S爐產氣量明顯增加，且可副產5.0 MPa的中壓蒸汽約10 t/h，余熱回收利用率大幅提高，具有單爐發氣量大、運行穩定、 消耗低的優點，具有明顯的競爭優勢，JM-S爐運行狀況良好[12]。

2 固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術發展

2.1 技術起源

最早的固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術起源于德國魯奇(Lurgi)公司干底式工藝(Dry Bottom Process)，于1927年獲得專利“在一定壓力下用蒸氧混合物使褐煤氣化”。

1931年，魯奇開始研發1種在現有空氣氣化技術的基礎上，在加壓條件下采用氧氣鼓風進行反應的氣化技術。該項研究是在有著現代氣化之父之稱的Rudolf Drawer教授的指導下，與柏林工業大學緊密合作進行的。

1936年魯奇公司開發出應用于商業化煤氣化項目的碎煤固定床加壓氣化技術，項目位于德國Hirschfelde。后經過不斷發展，此項技術被稱作薩索爾-魯奇干底式氣化爐(Sasol-Lurgi Dry Bottom Gasifier)[13]，國內俗稱魯奇爐。

經過幾十年持續不斷的改進與創新,魯奇公司先后開發出第1代魯奇爐(1936—1954年)、第2代魯奇爐(1952—1965年)、第3代魯奇爐Mark-Ⅳ和Mark-Ⅴ(1969～2008年)。第3代爐型可大幅提高氣化能力并有效擴大煤種的應用范圍,從而滿足現代化大型工廠的需要,其爐內徑3.8 m,采用雙層夾套外殼,內壁不襯耐火磚,爐內設有轉動的煤分布器及攪拌器,氣化能力50 000～55 000 m3/h 粗煤氣。目前在世界范圍內主要建設、運行的魯奇爐即為第3代爐型。在此基礎上又推出第4代魯奇爐Mark+。同時,為滿足氣體排放標準、解決廢水達標排放難題,魯奇公司相繼開發出高效的煤氣化尾氣處理和酚氨廢水處理工藝技術[14]。魯奇公司于2007年7月被液化空氣集團收購。

2.2 技術國內發展

我國對固定床加壓煤氣化技術的研發始20世紀于50年代。1956年，煤炭工業部北京煤化學研究所(現煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院)成立之初，設立了煤氣化研究室，主要開展固定床煤氣化技術的研究工作。同年成立的化學工業部上海化工研究院在化肥研究室也設立了煤氣化技術研究小組研究固定床氣化技術。1958年開始，東北煤氣化設計研究所(現沈陽煤氣熱力研究設計院)、大連化學物理研究所(現中國科學院大連化學物理研究所)開展了加壓煤氣化過程的單管小試試驗[15]，1959年石油工業部石油六廠研究所進行最高2.0 MPa的間歇式小型加壓氣化爐試驗[16]。1963 年在沈陽建成1 120 mm 的褐煤加壓固定床中試裝置。

1978年煤炭科學研究院北京煤化學研究所開始固定床加壓煤氣化技術的研發。1983年10月建成直徑650 mm的加壓氣化爐試驗裝置，該裝置的運行壓力2.0～2.5 MPa、投煤量200～500 kg/h、產氣量280～500 Nm3/h，經過多煤種固定床加壓氣化試驗后，于1984年通過當時煤炭部組織的技術鑒定。后北京煤化學研究所與美國Foster Wheeler公司于1985年在北京合作建設運行成本更低的內徑100 mm的加壓固定床試驗裝置，設計壓力5.0 MPa，實際運行壓力3.0 MPa。在該裝置上完成了數十個國內外典型煤種以及生物質、成型垃圾的試燒，取得了樣品在加壓條件下的氣化特性數據[17]，筆者也在此試驗爐上主持多次試燒。華東理工大學等合作單位開展加壓下條件煤氣化特性的研究，并建立了加壓固定床氣化爐的數學模型。

1980年，化學工業部第二設計院(現賽鼎工程有限公司)與太原重型機器廠合作，以解放軍化肥廠的 Mark-Ⅰ型 Lurgi 加壓氣化爐為基礎，開展直徑2 800 mm的固定床加壓氣化爐研制[9]。

1986年，東北煤氣化設計研究所建成直徑1 000 mm的加壓固定床試驗裝置，其設計壓力 2.8 MPa、產氣量1 000～1 300 Nm3/h，完成了沈北褐煤和雞西弱黏結性煤的氣化試驗，為加壓固定床氣化技術在我國的應用和發展奠定重要的基礎。

3 具有甲烷含量高的氣化技術特點

作為最早的固定床氣化加壓技術，固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術有著自身的特點：

(1)氣化原料一般采用5～50 mm的塊煤進料，且下限率不能過高。通常要求煤的反應性好、無黏結性或弱黏結性、機械強度較高、灰熔融性溫度較高。因此適宜的煤種為褐煤、次煙煤、貧煤和無煙煤，對一些水分較高(20%～30%)和灰分較高(如不小于30%)的劣質煤也適用。

(2)氣化為干法排灰，使用純氧氣化，為防止結渣，采用較高汽氧比，因此氧耗相對較低，可在空分制氧設備上節省部分投資。

(3)煤氣中CH4含量較高，達8%～10%，適合于生產城市煤氣和代用天然氣(SNG)，將CH4轉化為CO和H2后也可以用于生產化工產品，如煤制甲醇和合成氨。固定床碎煤加壓氣化技術由于此特點而在煤制天然氣項目中占比很高，從而在現代煤氣化技術中占氣化市場份額約10.9%(含碎煤加壓熔渣技術)[18]。

(4)粗煤氣中H2/CO約為2.0，不經變換或少量變換即可用于F-T合成、甲醇合成、天然氣合成等產品生產。

(5)固定床氣化氣、固兩相逆流接觸，通過逆流操作實現高的“冷煤氣”效率，逆流操作使粗煤氣和灰渣均以較低的溫度離開氣化爐。

(6)氣化工藝成熟，設備國產化率多年前已達100%[19]，造價較低，在投資上有一定優勢。

(7)在加壓下進行氣化，氣化強度大，反應速度較快，氣化劑與煤逆向接觸反應，反應停留時間長達1 h，因此碳轉化率較高，一般達95%以上。

(8)反應爐的操作溫度和爐出口煤氣溫度比較低，因此氣體帶走的顯熱較少，氣化效率較高。一般氣化效率可高達88%～90%。

(9)氣化和煤氣冷卻過程水耗較高，會產生一定數量的含有重焦油、輕焦油和酚的煤氣水，煤氣水處理流程復雜，處理費用高，且蒸汽分解率較低。相較于其他氣化技術，存在廢水產量大難處理的缺點[20]，廢水產量約1.0 m3/t煤，某典型40億方煤制天然氣項目氣化廢水占總有機廢水量約70%[21]此特點為固定床固態排渣技術最主要的不利之處，但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工產品，當裝置規模較大時，由于規模效應可收回部分成本[22]。且國內外有各種對氣化爐的廢水處理技術，都在為解決固定床固態排渣碎煤加壓氣化爐的弊端進行努力[23-25]，并不斷對技術進行革新和改進[26]。煤炭科學技術研究院有限公司也研發了1種煤氣水減量化技術，已進入工業化安裝調試階段。

4 國內技術應用處于自我完善與增長階段

按照建設時間先后順序，固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術在國內應用情況如下：首先是技術引進階段，接下來是消化國產化階段，然后是受到政策和技術成熟期雙重刺激下的爆發式增長階段，到目前的技術處于自我完善與增長階段。

1974年云南解放軍化肥廠在我國國內最早采用Lurgi加壓固定床氣化技術用于生產合成氨，爐型為第1代Lurgi爐，屬于Mark-I型，以褐煤為原料，氣化爐內徑為2 600 mm，單爐產氣量約為8 000 Nm3/h。

20世紀80年代中后期開始，我國先后引進1批碎煤加壓氣化技術，其中1991年蘭州煤氣廠采用Mark-II爐型(單爐產氣量約14 000 Nm3/h)，1993年哈爾濱煤氣廠采用Mark-III爐型(單爐產氣量約32 000 Nm3/h)，均用于生產城市煤氣。

1987年山西天脊集團采用Mark-Ⅳ爐型，氣化爐內徑3 848 mm，單爐產氣量約56 000 Nm3/h，用于生產合成氣(CO+H2),配套生產合成氨30萬t/a(尿素52萬t/a)。魯奇爐技術用于我國山西天脊集團生產大規模合成氨在當時屬世界首例，天脊集團的此套裝置從投產到最終穩定運行歷經10余年，期間對原工藝先后進行了400多項的改進[27]。以上均為技術引進階段與消化國產化階段。

2000年義馬煤氣廠一期投產，2004年義馬第3臺固定床固態排渣氣化爐完全國產化，2006年義馬二期完全國產化[14]。

2006年后，國內天然氣供需矛盾日益突出，20世紀80年代受美國大平原建立煤制天然氣工廠的啟發，我國技術界、工程界和產業界也開始醞釀建設煤制天然氣裝置，先后采用Lurgi固定床碎煤加壓氣化技術建成了大唐克旗、新疆慶華、伊犁新天等工業項目，此階段屬于爆發式增長階段。

國電赤峰化工有限公司一期工程30萬t/a合成氨52萬t/a尿素項目中，以平莊礦區元寶山露天煤礦褐煤為原料，采用碎煤加壓氣化技術，使用2臺魯奇氣化爐，生產大顆粒尿素。2012年4月9日投料試車，5月6日打通氣化流程，8月3日打通全部生產流程，制出合格尿素產品。后因各種原因于2016年停車，并進行破產重組，轉為內蒙古大地云天化工有限公司[28]。

2012年新疆廣匯年產120萬t甲醇/80萬t二甲醚(煤基)項目投產采用14臺碎煤加壓氣化裝置[29]。

內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司(下稱“大唐克旗”)的煤制天然氣一期工程項目氣化裝置為世界首套操作壓力4.0 MPa的碎煤加壓氣化裝置，于2012年5月投料試車成功，自2013年12月投產以來，煤氣化裝置經過考驗。氣化爐設計15開1備，實際運行13臺氣化爐可以達到日產400萬 Nm3SNG能力。保持“14臺運行1備1大修”連續運行方式，最高產量460萬 Nm3/d(達到設計值的115%)[30-31]。

新疆慶華能源集團有限公司55億Nm3/a煤制氣一期項目在新疆伊寧縣建設，2012年7月通過國家發改委正式核準，是新疆首個獲得國家核準的煤制氣示范項目，2013年12月打通工藝流程正式供氣[32-33]。

中煤平朔劣質煤綜合利用示范項目位于山西省朔州市平魯北坪循環經濟園區，項目以平朔“四高一中低”的劣質煤為原料，年產30萬t合成氨、40萬t硝酸銨，并副產液化天然氣。項目配套的生產裝置的規模是：1套30萬t/a合成氨裝置，2套18萬t/a的硝酸裝置、2套20萬t/a硝酸銨裝置。其中，氣化裝置采用魯奇爐氣化技術，由6套單獨的氣化爐(包括加煤、廢熱鍋爐和排灰)和1套公用的煤鎖氣洗滌設備與開車氣的設備組成。氣化爐按照4開1備1檢修設置。2016年更名為中煤平朔能源化工有限公司，2016年9月29日打通全流程[34]。

伊犁新天煤化工有限責任公司年產20億Nm3煤制天然氣項目加壓氣化裝置由賽鼎工程有限公司負責設計，采用原德國魯奇公司Mark-Ⅳ型魯奇爐基礎上改進的碎煤加壓氣化爐，運行方式為18開4備。于2017年3月開車順利產出合格天然氣,且生產企業對生產中發現的問題在進行持續的改進[35]。

晉煤金石藁城分公司的氣化裝置采用國內較為先進的碎煤加壓氣化爐，項目分 2 期建設，一、二期各 4 臺碎煤加壓氣化爐(1～4號爐)，以“三高”劣質煤晉城15號煤為原料，2013年10月氣化爐點火成功，2014年5月30日打通整個合成氨系統流程。證明碎煤加壓氣化技術可單獨處理晉城無煙塊煤[36]。

河南晉煤天慶煤化工有限責任公司30萬t/a合成氨、52萬t/a尿素副產、5億Nm3/a工業燃氣建設氣化爐示范項目，一期項目2015年1月18日投產，二期項目于2016年8月1日與一期項目并網運行，2017年氣化爐由五開一備改為六開無備[37]，優化升級1臺氣化爐開展無煙塊煤純氧加壓連續氣化技術[38]。

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司煤制天然氣項目(一期)于2011年7月開工建設，2014年因故停建，2018年4月27日正式恢復施工，2020年已投產[9，39]。

內蒙古礦業(集團)興安能源化工有限公司的煤制氣項目(簡稱興安能源煤制氣項目)位于內蒙古興安盟科右中旗百吉納工業循環經濟園區，建設規模40億Nm3/a煤制天然氣(含5億方天然氣液化)+50萬t焦油加氫及相應附屬產品。項目年用褐煤2 150萬t，煤源來自內蒙古白音華煤田。項目的設計已經完成[40]。

截至2021年，國內在建或運行的Lurgi固定床碎煤加壓氣化爐共146臺，其中18臺用于城市煤氣生產，24臺用于合成氨生產，其余均用于煤制天然氣生產[9]。當前的技術屬于處于自我完善與增長階段。

5 結 論

(1)固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術起源于德國魯奇，在國內經過六十余年的發展，歷經引進、國產化、爆發式增長3個階段，現在處于完善及與時俱進的時期。國內工業化的固定床固態排渣碎煤加壓氣化爐主要爐型有魯奇爐、賽鼎爐、晉城爐(JM-S)等。固定床固態排渣碎煤加壓氣化爐技術在國內，尤其在煤制天然氣方向，有著廣闊的適用空間。

(2)與其他氣化技術相比，固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術最顯著的優點在于煤氣中CH4含量較高，可達8%～10%，因此在國內更多應用于煤制天然氣；最主要的不利之處在于廢水產量大、難處理。

(3)通過對氣化廢水處理、減量化技術的研發和應用,可為固定床固態排渣碎煤加壓氣化技術節約成本及減少水資源的使用,使之符合要求越來越嚴格的環保政策,為技術未來發展增添新的生命力。