现代煤气化技术进展及产业现状分析

2021-12-07李鹏飞潘生杰

煤化工 2021年4期

王欢，范飞，李鹏飞，潘生杰

（兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃兰州 730314）

煤气化技术是现代煤化工产业链中的龙头技术，也是现代煤化工装置中不可或缺的关键工序，煤气化技术的先进性、稳定性直接影响煤化工项目/ 装置的先进性、稳定性。因此，推进大型洁净煤气化技术稳步发展，是推进各类现代煤化工技术进一步升级、集成、耦合及装备大型化的基础[1-2]。煤气化过程是十分复杂的热化学反应过程，其本质是通过煤炭气化的方式将煤转化为合成气，后续再进行煤化工下游产业链的加工生产[3-4]。工业上，以煤为原料生产合成气已有上百年历史，根据发展进程分析，煤气化技术可分为三代[5]：第一代为常压间歇式固定床气化技术，多以块煤和小颗粒煤为原料制取合成气，装置规模、原料、能耗及环保的局限性较大；第二代是现阶段具有代表性的加压固定床技术、气流床技术和改进型流化床技术，其特征之一是加压纯氧连续气化及高温液态/固态排渣；第三代气化技术尚处于小试或中试阶段，如煤的催化气化、加氢气化、地下气化、等离子体气化、超临界气化、太阳能气化和煤的核能余热气化等[6-8]。

本文阐述了不同先进煤气化工艺的技术进展、研发创新、产业化应用及市场布局，并对主流煤气化技术未来发展趋势进行了分析展望，以期对客户技术选型、行业技术发展具有一定指导作用。

1 煤气化产业现状及展望

我国煤质种类繁多、煤化工产品路线各异，煤气化过程中产生的合成气组分及占比根据气化时所用煤的性质、气化剂的类别、气化过程的条件以及气化反应器的结构不同而不同。煤气化技术正呈现出多元化以适应不同煤质、不同煤化工产品路线的发展趋势。“十三五”以前，我国的煤气化技术主要以常压间歇式固定床技术为主，能耗高、污染重，经济效益差，煤化工的发展受到气化技术的制约；部分项目引进了国外水煤浆或干煤粉气化技术，但由于引进的技术专利费用高，国内市场占有率较小。经过近十年的引进、消化、吸收及自主研发，我国煤气化技术呈现出蓬勃发展的态势，使我国现代煤化工产业处于世界领先地位[9]。

我国是拥有煤气化炉数量和种类最多的国家，国内外煤气化技术上百种，但实际实现工业化应用的有30 多种。目前，我国的煤气化工艺已逐渐完成了由传统的UGI 炉块煤间歇气化向先进的固定床、气流床、流化床加压纯氧连续气化工艺的过渡，其中，国内自主创新的新型煤气化技术得到快速发展。据不完全统计，我国采用国内外先进大型洁净煤气化技术已投产和正在建设的气化炉达700 余台，并且60%以上的气化炉已投产运行。其中，应用较多的主流炉型中，固定床技术有德国鲁奇公司的Lurgi 炉、赛鼎工程有限公司开发的赛鼎炉、上海泽玛克敏达机械设备有限公司的BGL 炉；流化床技术有中科院山西煤化所开发的灰融聚煤气化技术、中科院工程热物理研究所的循环流化床煤气化技术、美国综合能源系统公司的SES（原U-Gas）煤气化技术；气流床技术有Texaco 水煤浆气化技术（2019 年专利权由GE 公司转移到AP 公司）、华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆/ 干煤粉气化技术、Shell 粉煤气化技术、航天粉煤加压气化技术（航天炉）、西北化工研究院多元料浆气化技术、华能的两段粉煤加压气化技术、清华大学与相关单位开发的清华炉、神华宁煤与有关单位合作开发的干粉煤气化技术（神宁炉）、华东理工大学与中石化相关单位开发的SE 水煤浆/粉煤气化技术（东方炉）等。此外，晋煤集团面对无烟块煤的市场销路不断萎缩等问题，提出了“带着炉子去卖煤，带着炉子去卖气”的气化领域布局理念，与相关单位合作，相继研发了“晋煤H 炉”“晋煤L 炉”“晋煤S 炉”，用于匹配其旗下28 家化工企业的气化技术需求。

煤气化技术创新研发方面，以低阶粉煤为原料，研发煤的预处理、气化、合成及下游高端化学品等技术为一体的低阶粉煤分级分质多联产综合利用是行业技术趋势之一[10]。因此，大型热解-气化一体化（CGPS）技术、加氢气化联产甲烷和芳烃技术、催化气化等第三代气化技术的研发、小试、中试装置正有序推进，并且部分已实现了工业化示范。同时，日投煤量4 000 t、气化压力8.7 MPa 级的四喷嘴水煤浆气化技术、瑞星集团采用的日投煤量3 500 t、气化压力6.5 MPa级“航天超大型干煤粉气流床气化技术”的研发及应用也取得了突破；科林未来能源技术（北京）有限公司为适应更加广泛的原料煤，发展新的炉型和工艺，开始研发褐煤干燥技术以及浆料或干粉/浆料共气化技术。

除了“大型化、高压化”主流研发思路，煤气化技术的环保附属功能的研发也开始得到市场认可，即通过气化炉对高浓度化工废水、废固、生物质进行工业化处理，经济性显著。水煤浆气流床技术率先进行了“气化与废物的协同处理”工业应用，对化工行业含油废水、高浓度煤化工污水、生化污泥、有机废水等进行处理；固定床熔渣（BGL）气化技术同时处理废水及垃圾，其中垃圾种类包括塑料废料、木材废料、生活垃圾及污泥等。对于全球煤化工发展公认的废水处理瓶颈问题，绿色煤气化技术创造性地提供了一条可行途径，并且绿色煤气化技术对于客户吸引力巨大，极具市场竞争力。目前，伴随着“CO2排放量力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”重要讲话的提出，先进煤气化技术配套CO2制甲醇、CO2制油品、CO2制DMC 等绿色技术对CO2进行资源化利用，以实现“低碳排放”的绿色煤气化发展态势已成为行业趋势。

煤气化产业市场布局方面，干粉煤/水煤浆气流床煤气化技术一直践行“高压化、大型化”发展理念，将目标客户瞄准在化肥/甲醇传统煤化工、煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制氢等多个应用场景的大型煤化工、大型石油化工领域；近年来，由于不同应用领域适用压力等级不同，本着抢占市场份额的目的，部分气流床气化技术也有朝低压化研发的趋势，意图抢占工业燃气领域市场。此外，“航天炉”等气化技术已开始从工艺评价、智能控制、数字化交付/ 设计等角度进行研发，助力国内煤化工智能/智慧工厂的建设。

煤气化领域市场竞争方面，大型煤化工及石油化工项目要求气化技术作为总体设计中的一部分与项目总包方共同参与项目招标，这就使得煤气化技术专利商必须与大型专业设计院进行战略合作，否则只能参与一些中小型项目的单一气化技术招标。并且，不同类型气化技术投资额差距有逐渐缩小的趋势，未来市场竞争会更加激烈。

2 现代新型煤气化技术进展

2.1 气流床煤气化技术进展

根据进料方式不同，气流床气化技术可分为水煤浆和干粉煤两类，已得到成熟工业化应用的干粉煤气流床技术主要有Shell 气化技术、HT-L 技术、“神宁炉”技术、GSP 技术、SE 东方炉技术等；水煤浆气流床技术主要有Texaco 气化技术、多喷嘴水煤浆气化技术、“清华炉”气化技术、E-Gas 气化技术等[11]。

水煤浆气流床技术的典型干煤气成分（体积分数）：CO 43%～48%、H233%～38%、CO217%～20%；气化技术关键指标：碳转化率≥98%，冷煤气效率70%～76%，比氧耗380 m3/1 000 m3(CO+H2)～420 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～600 kg/1 000 m3(CO+H2)。需要说明的是，由于原料煤等基准不同，各气化指标会存在一定的差异，本文所给出的各种气化技术的气化指标仅供参考。水煤浆气化技术应用最新进展：多喷嘴水煤浆气化技术继完成了处理量3000 t/d 级的运行示范装置后，单炉日处理煤4 000 t 级的多喷嘴对置式水煤浆气化炉也投料成功，实现了煤气化技术日投煤量从3 000 t 级到4 000 t 级的跨越。目前，其最新研发成果为“气化与废物的协同处理”，可处理含油废水、生化污泥、有机废水等；“多样化液体及气体进料”，气体包括炼厂尾气、热解气及焦炉气，液体包括石脑油、重燃料油、沥青类及焦油。

干粉煤气流床技术的典型干煤气成分（体积分数）：CO 65%～70%、H222%～28%、CO23%～8%；气化技术关键指标：碳转化率≥99%，冷煤气效率80%～82%，比氧耗320 m3/1 000 m3(CO+H2)～360 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～650 kg/1 000 m3(CO+H2)。其技术应用最新进展：日投煤3 500 t 级、气化压力6.5 MPa的“航天超大型干煤粉气流床气化技术开发及示范项目”正在调试，将成为目前世界上最大级别、最高气化压力的干粉煤气化炉，适用于大型煤化工项目；计划于2022 年投产的“航天炉正元煤炭清洁高效利用项目”与科林公司的CCG 技术均开始采用“1+N”的烧嘴布置形式，在处理废气、废液、废固的同时，使炉内温度场更加均匀，转化效率更高，体现了最优的循环经济性、环保性。

2.2 固定床煤气化技术进展

固定床固态排渣煤气化技术主要有德国鲁奇公司开发的Lurgi 炉，赛鼎工程有限公司开发的赛鼎炉。其典型煤气成分（体积分数）：CO 20%～30%、H235%～42%、CO220%～25%、CH48%～13%。气化技术关键指标为：碳转化率≥98%，冷煤气效率85%～90%，比氧耗140 m3/1 000 m3(CO+H2)～240 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗500 kg/1 000 m3(CO+H2)～550 kg/1 000 m3(CO+H2)。赛鼎炉是赛鼎工程有限公司承担的国家“863”计划——大规模碎煤加压气化技术与示范课题。该气化炉直径5 m，气化压力4.0 MPa～6.0 MPa，投煤量1 500 t/d，预期在大型油气联产项目和无烟块煤气化领域有较好的应用前景。

采用固定床熔渣气化技术的BGL 炉是在鲁奇气化技术基础上发展而来的，结合了固定床气化特点和气流床出渣特点[12]。该技术气化层反应温度可以高于煤的灰熔融性温度，解决了干排灰气化炉低灰熔融性温度煤的适应性差的问题。固定床熔渣煤气化技术典型干煤气成分（体积分数）：CO 58%～67%、H225%～35%、CO23%～5%、CH43%～8%。气化技术关键指标：碳转化率≥99%，冷煤气效率87%～92%，比氧耗200 m3/1 000 m3～(CO+H2)260 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗450 kg/1 000 m3(CO+H2)～500 kg/1 000 m3(CO+H2)。该技术在中煤鄂尔多斯能源化工有限公司的100 万t/a 合成氨、175 万t/a 尿素等煤化工项目上得到应用。

对于固定床常压间歇煤气化技术长期以来存在原料无烟块煤价格高、无组织三废排放量大等问题[13]，国家有关部门和相关专家提出了建议淘汰该工艺路线的要求；但业内一直存在着不同的声音，认为该技术经过多年的改造升级，在能耗、环保等方面也取得许多进步，不应一刀切。中国氮肥工业协会要求UGI气化工艺必须在2 年内采取措施进行技术升级，升级方式包括原有工艺多污染源一体化环保性改造治理、先进煤气化技术气头替代及全流程重建。

技术进展方面，上海泽玛克敏达机械设备有限公司依托BGL 炉气化技术相继研发了块/ 粉一体化技术、高产油干馏一体技术以及废物/ 生物质气化技术等，并且可掺混处理所有含碳物质，包括生活垃圾、固废、生物质等。晋煤集团与外界合作，相继研发了“晋煤H 炉”“晋煤L 炉”“晋煤S 炉”等三种固定床连续纯氧加压气化炉，其中，“晋煤S 炉”（4.0 MPa）气化工艺是由晋煤集团和赛鼎工程有限公司合作研发的一种加压固定床高效热能回收固态排渣气化技术，该技术具有甲烷含量高的特点，适合于联产LNG 化工项目、工业燃气项目，工业示范装置已于2020 年底在河南晋煤天庆投料试车，目前正在进行全面可视化、智能化升级改造，预计2022 年投产运行；“晋煤H 炉”（4.0 MPa）气化工艺是由晋煤集团和西安航天六院联合研发的加压移动床低甲烷液态排渣气化技术，该技术甲烷含量低，适合化工领域应用，正在山西晋丰煤化工闻喜分公司进行中试试验；“晋煤L 炉”（6.5 MPa）气化工艺是由晋煤集团和上海倍能公司联合研发的新型加压移动床熔渣气化技术，目前处于概念设计阶段，尚未工业化。固定床未来的发展方向是实现装置大型化、减少粗合成气的煤灰夹带、对副产酚氨/ 焦油回收以及废水高效处理。

2.3 流化床煤气化技术进展

目前，国内流化床气化技术主要有中科院山西煤化所的灰融聚气化技术、中科院工热所与兰石集团共同研发的加压循环流化床煤气化技术、中科合肥及济南黄台的常压循环流化床煤气化技术（中科院工热所授权）、江苏天沃综能公司及上海浦名能源公司气化技术、安徽科达洁能公司煤气化技术等。

流化床气化技术的典型干煤气成分（体积分数）：CO 38%～45%、H232%～45%、CO212%～18%。气化技术关键指标：全系统碳转化率≥96%，冷煤气效率70%～76%，比氧耗210 m3/1 000 m3(CO+H2)～300 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～610 kg/1 000 m3(CO+H2)。其技术应用最新进展：中科院工热所与兰石集团共同研发的加压循环流化床煤气化技术已在中小型合成氨气头改造领域、煤制氢领域得到应用，其中盘锦浩业化工有限公司在10 万m3/h 煤制氢项目中采用的加压循环流化床气化炉单炉发气量20 万m3/h，单炉煤处理量2 500 t/d，操作压力1.2 MPa，将于2021 年中下旬调试投产；中科院循环流化床煤气化技术市场应用业绩已达74 台（套）。安徽科达洁能公司的模块化梯级回热式清洁燃煤气化技术经过多年的开发，已在陶瓷、氧化铝等行业工业燃气领域分别实现工业化应用，单炉产煤气量达6 万m3/h，其中河北田原化工集团有限公司18 万t/a 合成氨装置技术升级采用安徽科达洁能公司2 台煤气产量4.5 万m3/h的流化床气化炉和1 台煤气产量2 万m3/h 的气流床气化炉，这是该公司首次将两种气化技术联合应用于合成氨行业。双流化床超大型粉煤气化技术由陕西延长石油与KBR 公司联合开发，属于双循环流化床气化技术[13]，目前已完成100 t/d 工业化试验装置的建设及开发。

2.4 加氢气化、催化气化等煤气化技术研发及应用进展

煤加氢气化联产甲烷和芳烃技术是新奥集团承担的国家“863”计划——煤的清洁转化子课题[14]，该技术在温度800 ℃～1 000 ℃和压力5 MPa～10 MPa 条件下，将粉煤和H2（H2循环使用）同时加入气化炉内，依靠H2对煤快速热解阶段释放自由基的稳定作用和气化阶段与半焦中活性组分碳的加氢反应，得到富含甲烷的气体，同时副产高附加值液态芳烃产品，产品气中甲烷体积分数达70%～80%（除去通入H2），CO2体积分数仅为2%～5%，油品组成简单，苯和萘的质量分数占比达到60%～80%，其400 t/d 加氢气化示范装置已于2018 年12 月投产，产出合格LNG 产品。近年来，新奥集团也在进行催化气化技术的研发，利用其自主研制的气化催化剂开发的催化气化技术处于中试试验阶段。粉煤热解-气化一体化技术是陕西延长石油碳氢研究中心独立开发的循环流化床技术[15]，在单个炉膛实现热解-气化一体化，煤气中甲烷体积分数约6%，焦油收率约16%，目前处于工业化示范前期。