煤氣化技術應用現狀及發展趨勢

張 能，喬二浪，魯得鵬，高虎飛

（陜西榆能化學材料有限公司，陜西榆林 719100）

煤氣化技術在現代煤化工行業內具有極為重要的作用[1]，鑒于我國未來能源格局依然是富煤、貧油、少氣。要實現對煤炭綠色高值化利用，有必要對數量眾多的煤氣化技術進行分析，比較其工藝的先進性和不足之處，以期能為煤氣化技術的工業化應用提供參考。

目前已發表的關于煤氣化最新論述有程曉磊等[2]提出的氣化爐技術開發和優化應綜合使用計算流體力學、有限元等先進數值模擬方法來提高開發效率。趙樂等[3]提出在實際應用的過程中，根據生產環境與生產流程，結合生產產品的相關要求合理選擇相關氣化技術。高明等[4]簡要分析了煤氣化技術的現狀并提出了優化煤氣化設備裝置、采用新型污水處理技術和提升煤炭氣化轉化率的發展趨勢。為全面概述國內主流氣化工藝的運行情況和未來發展方向，本文從主流煤氣化技術的發展歷程和工藝特點入手，通過分析最近關于提升煤氣化技術和煤種適應性、氣化黑水和灰水余熱利用和處理技術新路徑，以及氣化廢渣處置技術及資源化利用研究進展方面闡述了煤氣化技術的未來發展趨勢。

1 主流煤氣化技術

1.1 Lurgi（魯奇）和BGL加壓氣化技術（固定床）

由德國魯奇（Lurgi）公司開發的魯奇爐[5]加壓氣化技術是煤化工行業最早應用的工業化氣化技術之一，其結構如圖1a 所示。由于魯奇爐后期處理復雜、生產流程長、且在選擇氣化用煤時對煤的灰熔點和反應性要求較高難以大規模推廣應用。1975—1981年，英國燃氣公司和德國Lurgi 公司為了提高生產能力和減少蒸汽消耗，成功將1臺直徑為1.8m 魯奇氣化爐改造成液態排渣的熔渣魯奇爐（BGL 或Slagging Lurgi），其結構如圖1b 所示，其處理能力為300t/d，操作壓力2.5MPa。兩種相關固定床氣化爐煤質指標如表1所示。

表1 魯奇爐和BGL爐煤質指標

圖1 不同氣化爐結構圖

1.2 灰熔聚煤常壓氣化技術（流化床）

流化床煤氣化可在高速氣化劑氣體的吹動下使原料煤形成流態化床層而進行氣化反應，流態化的形成可以使床層固體物料混合更加均勻?；胰劬勖簹饣に囯m然具有煤種適應范圍寬、氣化溫度適中、流程簡單等優點，但其處理能力小，管路易堵塞和腐蝕，氣化裝置運行周期較短。

流化床和氣流床粉煤氣化相比，最大的特點是可以將灰熔點大于1 500℃的原料煤氣化。但是，如果原料煤的黏結性較強或容易粉化，采用流化床氣化時難以形成均勻的流態化分布，在操作方面存在著較大的問題，而且產生的合成氣中CO2和CH4含量較高，含塵量大，對該技術的大規模推廣應用存在著較大的制約。

1.3 GE水煤漿加壓氣化技術（氣流床）

1978 年推出的GE 氣化技術來源于德士古水煤漿氣化，氣化爐的結構為頂噴式布置燒嘴，垂直安裝在氣化爐頂部，烘爐燒嘴和煤漿燒嘴共同使用一個安裝位置，在運行過程中根據不同需求更換不同的燒嘴。雖然水煤漿相比粉煤氣化工藝具有輸送優勢明顯、生產能力較大、煤種適應性寬的特點，但是水煤漿氣化技術在高濃度水煤漿制備、噴嘴磨損、耐火材料壽命以及廢熱鍋爐易腐蝕等方面存在較大的問題。

1.4 GSP干煤粉加壓氣化技術（氣流床）

1975德國GDR 燃料研究所開發出GSP 氣化工藝，GSP 氣化爐采用單噴嘴下噴式加壓氣流床液態排渣結構和水激冷流程，由于直接用水冷代替了余熱回收鍋爐，因此相比Shell 氣化爐的投資較低，其結構如圖1c 所示。雖然GSP 氣化爐有效合成氣組分高、冷煤氣效率高以及采用水激冷流程投資低的優勢，但其在運行過程中渣口磨損較大、維修頻率高且合成氣中含灰量較大，導致下游工段難以穩定運轉。另外，煤燒嘴和氣化爐反應室匹配不佳，導致在運行過程中氣化爐膜式水冷壁燒損較嚴重。

1.5 殼牌干煤粉加壓氣化技術（氣流床）

1993 年在荷蘭推出用于燃氣發電的殼牌（Shell）氣化工藝，干煤粉從氣化爐底部進入，屬于多燒嘴上行制氣，采用廢熱鍋爐冷卻回收煤氣的顯熱，其結構如圖1d 所示。殼牌（Shell）氣化技術可將次煙煤、無煙煤、高硫煤及低灰熔點的劣質煤等用作原料煤使用，即使含灰量在30%左右也能在Shell 氣化爐內成功進行氣化反應。Shell 爐運行過程中具有煤種適應性寬、碳轉化率高、運轉周期長和環境效益好的特點。但其投資和能耗較大，系統中使用的廢熱鍋爐、高溫高壓陶瓷過濾器和激冷循環氣壓縮機等設備價格昂貴，用于激冷使用的循環合成氣需要進一步加壓，造成能耗較大。

1.6 科林爐（CCG）干煤粉加壓氣化技術（氣流床）

科林CCG粉煤加壓氣化工藝的發展始于1979 年，其結構如圖1e 所示。2007年，貴州開陽化工合成氨50萬t/a 的項目中采用了2套投煤量為1 500t/d 的科林CCG 粉煤加壓氣化爐?？屏諧CG 氣化技術為貴州當地甚至全國三高劣質煤的綜合高效利用開創了先例。

科林爐和Shell 爐相比采用了全激冷流程、水冷壁盤管中使用水進水出，循環后的熱水在廢鍋內經過與鍋爐給水換熱后可副產低壓飽和蒸汽，去掉了Shell 爐造價昂貴的對流廢鍋、陶瓷過濾器和循環氣壓縮機。且在爐頂采用多噴嘴頂置下噴、同向布置可克服對置噴嘴互相磨蝕，保證粉煤在反應空間分布均勻。

表2 主要工業化粉煤加壓氣化爐煤質要求及主要氣化參數

2 煤氣化技術發展趨勢

2.1 提升煤氣化技術和煤種適應性

目前，國內實現工業化應用的不同煤氣化技術各有特點，對煤質要求不盡相同，不存在適用于所有煤種的氣化技術。所以在未來的發展過程中應參考不同的氣化技術對煤質的不同要求，有針對性地改進現有煤氣化技術或開發適用于相關煤種的煤氣化技術。通過對比分析寧東地區煤質特點和在用的氣化工藝發現，寧東地區煤種屬于煤階較低的長焰煤，礦區大部分煤種的特點難以達到水煤漿氣化爐要求的高濃度水煤漿，更適合采用GSP 干煤粉氣化技術。通過查閱織金礦區高階無煙煤地質勘探資料發現，織金礦區高階無煙煤與粉煤加壓氣化技術更加匹配，可以有效避免降低織金無煙煤利用價值和增加額外的經濟投入。

在未來煤氣化發展過程中應注重提升技術適用性，而不應該盲目注重技術先進性。同時可考慮將三高煤與優質煤進行配煤使用，提升經濟性。還可通過加入石灰石、石英砂等黏土助熔劑來對煤灰黏溫特性及灰熔融溫度進行改善，進而有利于液態排渣過程。

2.2 開發氣化黑水和灰水余熱利用和處理技術新路徑

目前各種氣化技術渣水處理系統大多采用三級閃蒸工藝，普遍存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環水用量多、黑水余熱無法再利用的問題。為此，通過Aspen Plus 軟件建模分析發現，主要原因在于進入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度過高。并提出了兩種低壓黑水余熱利用方案，可通過黑水加熱低壓灰水（低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐之間增設黑灰水換熱器）和黑水余熱發電（有機朗肯循環發電技術），并利用Aspen Plus 軟件建模和模擬計算對兩種余熱利用方案進行了可行性和預期效果驗證。

2.3 優化氣化廢渣處置技術及資源化利用

結合氣化灰渣的固有屬性，國內外對于氣化渣資源化利用的相關研究主要集中于以下4個方面。①建工建材制備：骨料、墻體材料、免燒磚等；②土壤、水體恢復：改善土壤、水體修復等；③殘碳利用：循環摻燒；④高附加值材料制備：鋁硅復合材料、催化劑載體、陶瓷材料等。實際應用中主要以低端建工建材和高端陶瓷等鋁硅復合材料制備兩大方面為主，但由于我國基礎設施已逐漸完善，低端建工建材供大于求，氣化渣難以大規模應用。

3 結論

國內應用的煤氣化技術經過多年的發展已形成了獨具特色的局面，為實現我國煤氣化技術持續健康發展，應不斷加強高效、節能和廢棄物資源化利用等技術的研發，緩解煤氣化技術在促進現代煤化工發展過程中與破壞生態環境之間日益突出的矛盾。

1）在工業化應用過程中，應加強煤氣化技術和煤質條件、應用場景、工藝要求等方面的匹配程度并拓展煤種適應性，保證運行穩定性和投資經濟性。

2）改變處理煤氣化黑水和灰水余熱利用思路和處理技術新路徑，使用先進軟件建模方法用以發現現存問題原因以及驗證新技術可靠性。

3）促進氣化廢渣處置技術及資源化利用，從氣化渣自身元素/物質組成的穩定性、微觀形貌以及元素賦存狀態等方面入手，加強對高端陶瓷等鋁硅復合材料方面的研究，減少對環境造成污染，促使我國煤氣化技術朝著“零碳排放量”的綠色煤氣化目標持續邁進。