煤气化技术应用现状及发展趋势

张 能，乔二浪，鲁得鹏，高虎飞

（陕西榆能化学材料有限公司，陕西榆林 719100）

煤气化技术在现代煤化工行业内具有极为重要的作用[1]，鉴于我国未来能源格局依然是富煤、贫油、少气。要实现对煤炭绿色高值化利用，有必要对数量众多的煤气化技术进行分析，比较其工艺的先进性和不足之处，以期能为煤气化技术的工业化应用提供参考。

目前已发表的关于煤气化最新论述有程晓磊等[2]提出的气化炉技术开发和优化应综合使用计算流体力学、有限元等先进数值模拟方法来提高开发效率。赵乐等[3]提出在实际应用的过程中，根据生产环境与生产流程，结合生产产品的相关要求合理选择相关气化技术。高明等[4]简要分析了煤气化技术的现状并提出了优化煤气化设备装置、采用新型污水处理技术和提升煤炭气化转化率的发展趋势。为全面概述国内主流气化工艺的运行情况和未来发展方向，本文从主流煤气化技术的发展历程和工艺特点入手，通过分析最近关于提升煤气化技术和煤种适应性、气化黑水和灰水余热利用和处理技术新路径，以及气化废渣处置技术及资源化利用研究进展方面阐述了煤气化技术的未来发展趋势。

1 主流煤气化技术

1.1 Lurgi（鲁奇）和BGL加压气化技术（固定床）

由德国鲁奇（Lurgi）公司开发的鲁奇炉[5]加压气化技术是煤化工行业最早应用的工业化气化技术之一，其结构如图1a 所示。由于鲁奇炉后期处理复杂、生产流程长、且在选择气化用煤时对煤的灰熔点和反应性要求较高难以大规模推广应用。1975—1981年，英国燃气公司和德国Lurgi 公司为了提高生产能力和减少蒸汽消耗，成功将1台直径为1.8m 鲁奇气化炉改造成液态排渣的熔渣鲁奇炉（BGL 或Slagging Lurgi），其结构如图1b 所示，其处理能力为300t/d，操作压力2.5MPa。两种相关固定床气化炉煤质指标如表1所示。

表1 鲁奇炉和BGL炉煤质指标

图1 不同气化炉结构图

1.2 灰熔聚煤常压气化技术（流化床）

流化床煤气化可在高速气化剂气体的吹动下使原料煤形成流态化床层而进行气化反应，流态化的形成可以使床层固体物料混合更加均匀。灰熔聚煤气化工艺虽然具有煤种适应范围宽、气化温度适中、流程简单等优点，但其处理能力小，管路易堵塞和腐蚀，气化装置运行周期较短。

流化床和气流床粉煤气化相比，最大的特点是可以将灰熔点大于1 500℃的原料煤气化。但是，如果原料煤的黏结性较强或容易粉化，采用流化床气化时难以形成均匀的流态化分布，在操作方面存在着较大的问题，而且产生的合成气中CO2和CH4含量较高，含尘量大，对该技术的大规模推广应用存在着较大的制约。

1.3 GE水煤浆加压气化技术（气流床）

1978 年推出的GE 气化技术来源于德士古水煤浆气化，气化炉的结构为顶喷式布置烧嘴，垂直安装在气化炉顶部，烘炉烧嘴和煤浆烧嘴共同使用一个安装位置，在运行过程中根据不同需求更换不同的烧嘴。虽然水煤浆相比粉煤气化工艺具有输送优势明显、生产能力较大、煤种适应性宽的特点，但是水煤浆气化技术在高浓度水煤浆制备、喷嘴磨损、耐火材料寿命以及废热锅炉易腐蚀等方面存在较大的问题。

1.4 GSP干煤粉加压气化技术（气流床）

1975德国GDR 燃料研究所开发出GSP 气化工艺，GSP 气化炉采用单喷嘴下喷式加压气流床液态排渣结构和水激冷流程，由于直接用水冷代替了余热回收锅炉，因此相比Shell 气化炉的投资较低，其结构如图1c 所示。虽然GSP 气化炉有效合成气组分高、冷煤气效率高以及采用水激冷流程投资低的优势，但其在运行过程中渣口磨损较大、维修频率高且合成气中含灰量较大，导致下游工段难以稳定运转。另外，煤烧嘴和气化炉反应室匹配不佳，导致在运行过程中气化炉膜式水冷壁烧损较严重。

1.5 壳牌干煤粉加压气化技术（气流床）

1993 年在荷兰推出用于燃气发电的壳牌（Shell）气化工艺，干煤粉从气化炉底部进入，属于多烧嘴上行制气，采用废热锅炉冷却回收煤气的显热，其结构如图1d 所示。壳牌（Shell）气化技术可将次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤等用作原料煤使用，即使含灰量在30%左右也能在Shell 气化炉内成功进行气化反应。Shell 炉运行过程中具有煤种适应性宽、碳转化率高、运转周期长和环境效益好的特点。但其投资和能耗较大，系统中使用的废热锅炉、高温高压陶瓷过滤器和激冷循环气压缩机等设备价格昂贵，用于激冷使用的循环合成气需要进一步加压，造成能耗较大。

1.6 科林炉（CCG）干煤粉加压气化技术（气流床）

科林CCG粉煤加压气化工艺的发展始于1979 年，其结构如图1e 所示。2007年，贵州开阳化工合成氨50万t/a 的项目中采用了2套投煤量为1 500t/d 的科林CCG 粉煤加压气化炉。科林CCG 气化技术为贵州当地甚至全国三高劣质煤的综合高效利用开创了先例。

科林炉和Shell 炉相比采用了全激冷流程、水冷壁盘管中使用水进水出，循环后的热水在废锅内经过与锅炉给水换热后可副产低压饱和蒸汽，去掉了Shell 炉造价昂贵的对流废锅、陶瓷过滤器和循环气压缩机。且在炉顶采用多喷嘴顶置下喷、同向布置可克服对置喷嘴互相磨蚀，保证粉煤在反应空间分布均匀。

表2 主要工业化粉煤加压气化炉煤质要求及主要气化参数

2 煤气化技术发展趋势

2.1 提升煤气化技术和煤种适应性

目前，国内实现工业化应用的不同煤气化技术各有特点，对煤质要求不尽相同，不存在适用于所有煤种的气化技术。所以在未来的发展过程中应参考不同的气化技术对煤质的不同要求，有针对性地改进现有煤气化技术或开发适用于相关煤种的煤气化技术。通过对比分析宁东地区煤质特点和在用的气化工艺发现，宁东地区煤种属于煤阶较低的长焰煤，矿区大部分煤种的特点难以达到水煤浆气化炉要求的高浓度水煤浆，更适合采用GSP 干煤粉气化技术。通过查阅织金矿区高阶无烟煤地质勘探资料发现，织金矿区高阶无烟煤与粉煤加压气化技术更加匹配，可以有效避免降低织金无烟煤利用价值和增加额外的经济投入。

在未来煤气化发展过程中应注重提升技术适用性，而不应该盲目注重技术先进性。同时可考虑将三高煤与优质煤进行配煤使用，提升经济性。还可通过加入石灰石、石英砂等黏土助熔剂来对煤灰黏温特性及灰熔融温度进行改善，进而有利于液态排渣过程。

2.2 开发气化黑水和灰水余热利用和处理技术新路径

目前各种气化技术渣水处理系统大多采用三级闪蒸工艺，普遍存在真空闪蒸气量大、真空闪蒸冷凝器循环水用量多、黑水余热无法再利用的问题。为此，通过Aspen Plus 软件建模分析发现，主要原因在于进入真空闪蒸罐的低压黑水温度过高。并提出了两种低压黑水余热利用方案，可通过黑水加热低压灰水（低压闪蒸罐和真空闪蒸罐之间增设黑灰水换热器）和黑水余热发电（有机朗肯循环发电技术），并利用Aspen Plus 软件建模和模拟计算对两种余热利用方案进行了可行性和预期效果验证。

2.3 优化气化废渣处置技术及资源化利用

结合气化灰渣的固有属性，国内外对于气化渣资源化利用的相关研究主要集中于以下4个方面。①建工建材制备：骨料、墙体材料、免烧砖等；②土壤、水体恢复：改善土壤、水体修复等；③残碳利用：循环掺烧；④高附加值材料制备：铝硅复合材料、催化剂载体、陶瓷材料等。实际应用中主要以低端建工建材和高端陶瓷等铝硅复合材料制备两大方面为主，但由于我国基础设施已逐渐完善，低端建工建材供大于求，气化渣难以大规模应用。

3 结论

国内应用的煤气化技术经过多年的发展已形成了独具特色的局面，为实现我国煤气化技术持续健康发展，应不断加强高效、节能和废弃物资源化利用等技术的研发，缓解煤气化技术在促进现代煤化工发展过程中与破坏生态环境之间日益突出的矛盾。

1）在工业化应用过程中，应加强煤气化技术和煤质条件、应用场景、工艺要求等方面的匹配程度并拓展煤种适应性，保证运行稳定性和投资经济性。

2）改变处理煤气化黑水和灰水余热利用思路和处理技术新路径，使用先进软件建模方法用以发现现存问题原因以及验证新技术可靠性。

3）促进气化废渣处置技术及资源化利用，从气化渣自身元素/物质组成的稳定性、微观形貌以及元素赋存状态等方面入手，加强对高端陶瓷等铝硅复合材料方面的研究，减少对环境造成污染，促使我国煤气化技术朝着“零碳排放量”的绿色煤气化目标持续迈进。