气流床加压煤气化技术研究进展

刘建宇

（潞安化工集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400）

0 引言

我国是一个缺油、少气、煤炭资源相对而言比较丰富的国家，煤化工是使煤转化为气、液和固体燃料及化学品的过程。近年来，利用我国煤炭资源相对丰富的优势，掀起了一股煤制合成氨、甲醇、制油、制天然气、制烯烃热，在一定程度上推动了我国煤化工的发展。发展煤化工离不开合成气的制备，煤气化工艺已成为现代煤化工洁净煤工艺的重要组成部分。气流床气化炉可用煤种要比移动床和流化床的范围更广泛，是最清洁，也是效率最高的煤气化类型。本文重点探讨气流床煤气化工艺技术及我国其他煤气化工艺与气流床的对比，以期为相关人员做参考[1-3]。

1 气流床煤气化技术

气流床加压煤气化技术的核心是在高温、高压条件下，将煤炭转化为气体，从而实现煤炭的清洁利用。这一过程中，煤料在气流床上受到高温高压气体的加热和冲击，使其迅速转化为气体。煤气化产物主要包括一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体，二氧化碳、氮气等非可燃气体。通过合理调控气化条件，可以实现高效、环保的煤气化效果。近年来，我国在气流床加压煤气化技术研究方面取得了显著进展。在煤气化装置的大型化、高温高压条件的优化、煤种适应性等方面取得了重要突破。此外，通过对煤气化过程的深入研究，研究者们还发现了一系列影响煤气化效果的因素，如煤质、气化剂类型、气体流量、床层温度等。具体单元工艺如下所述。

1.1 进料形式

干煤粉进料是一种比较常规的加压式气体床煤气化工艺，但是这种工艺采用高压气密相输送，进料采用锁斗方式，存在干粉加压和持续运输难等问题，相对而言水煤浆气化工艺可以很好地克服这个问题。通过深入研究可以看出，水煤浆气化工艺进料的稳定性和操作性优于干粉煤加压输送，因此在能耗、安全、控制层面均具有明显的优点。然而，目前的水煤浆工艺还面临着氧气和煤炭消耗偏高、冷煤气效率偏低、对煤的成浆性能有较高的需求，且煤的热值显著降低了水煤浆的供料效率等问题。

1.2 内衬材料

水冷壁和耐火砖的热炉壁都在加压气流床煤气化工艺中得到了比较广泛的应用，虽然水冷壁会导致一定的热损耗，而且成本也比较高，但是由于它拥有更长的应用时间，所以它比较适合于干煤粉气化工艺。耐火砖热炉壁是一种比较普遍的工艺，可以很好地达到气化时的热平衡，并且可以有效地减少炉壁的热损耗，但存在应用寿命较短的缺点，需要频繁地更换耐火砖。

1.3 喷嘴数量

单喷嘴直喷和多喷嘴对喷都是目前增压气流床煤炭气化工艺中应用最多的两种工艺，但单喷嘴直喷存在着容量小、运行周期短、无法满足大型化要求、气化效率偏低等缺点。多喷嘴对喷可以有效地提升传质、换热效率，提升过程的各项性能，但是也存在着一些问题，如操作繁琐、成本高昂等，需要引起足够的关注。

2 我国其他煤气化工艺与气流床对比分析

2.1 固定床气化技术

固定床气化技术是一种传统的煤气化工艺，与气流床加压煤气化技术相比，存在一些差异和优势。

首先，固定床气化技术与气流床加压煤气化技术相比，其煤气化反应速度较慢。实验数据显示，固定床气化技术的煤气化反应速度约为0.3～0.5 s，而气流床加压煤气化技术的反应速度可达到4～6 s。由于气流床反应速度更快，可以提高煤气化的生产效率和产量。

其次，固定床气化技术的产气量和煤气质量较低。根据实验数据统计，固定床气化技术处理每吨煤粉的气体产量约为2 000～2 500 m3，而气体产率则只有65%～75%。与之相比，气流床加压煤气化技术处理每吨煤粉的气体产量可达到4 500～4 800 m3，气体产率达到了82%～88%。因此，气流床加压煤气化技术在产气量和煤气质量方面更具优势。

此外，固定床气化技术对于煤质的适应性较差。由于固定床气化技术对煤粒度、煤质和水分含量的要求较高，这限制了其在不同煤种和煤质条件下的应用范围。而气流床加压煤气化技术在处理不同煤种和煤质时具有较好的适应性和灵活性，可以满足不同地区和不同煤炭资源的煤气化需求。

2.2 流化床煤气化技术

流化床煤气化技术是另一种常见的煤气化工艺，与气流床加压煤气化技术相比，也具有一些特点和优势。

首先，流化床煤气化技术的反应速度相对较快。实验数据表明，流化床煤气化技术的煤气化反应速度约为1～2 s，比固定床气化技术稍快，但比气流床加压煤气化技术较慢。由于反应速度的限制，流化床煤气化工艺在一定程度上影响了其生产效率和产气量。

其次，流化床煤气化技术的产气量和煤气质量较高。据实验数据统计，流化床煤气化技术处理每吨煤粉的气体产量可达到3 000～4 000 m3，气体产率约为75%～85%。相对于固定床气化技术而言，流化床煤气化技术在产气量和煤气质量方面具有明显的优势，但相对于气流床加压煤气化技术仍有一定差距。

此外，流化床煤气化技术对于煤粒度和煤质的适应性较好。流化床煤气化技术可以处理多种煤种和煤质，包括不同粒度的煤粉和不同煤质的煤炭。这使得流化床煤气化技术在煤气化系统的灵活性和适应性方面较为突出。与之相比，气流床加压煤气化技术也具有较高的适应性，但在煤粒度上的要求相对较高。

3 典型气流床加压煤气化技术应用——以HT-L 航天炉为例

航天炉粉煤加压气化技术是一种先进的煤气化技术，其主要技术工艺是先将粉煤和过量的氧气加压，在高温、高压条件下采用“粉煤+水激冷”流程进行反应，生成一氧化碳、氢气等气体，并进一步进行水气转化，得到高质量的合成气。工艺充分吸收了当今世界先进煤气化技术的优点，采用了盘管式水冷壁气化炉，顶烧式单烧嘴，主要装置包括备煤、粉煤加压、气化、渣水处理四个单元。

3.1 高效率、高品质和高能源利用率

航天炉粉煤加压气化技术可以髙效地将几乎任何形态的固态煤高温气化，通过对反应条件的严格控制，能够保证反应的高效率。同时，该技术采用自带空气散热式气化炉，在高温、高压的反应环境下，煤炭与过量氧气进行反应，实现了对煤炭中能量的充分利用，从而提高了合成气的产量和质量。此外，还进行水气转化，合成气中的二氧化碳含量较低，进一步提高了合成气的质量。这样产生的气体可以用于大量的氢能、合成气、液体燃料和有机合成等领域。

例如，中国石化在实现航天炉煤水混合气化技术的基础之上，开展了压式气化技术的研究和应用。它可以将煤炭、副产不能满足需求的汽油和柴油等混合物进行气化转化，从而产生高质量的合成气。该技术已成功应用于多个生产线上，年产能力达到25 亿m3，具有广阔的应用前景。日本石油化学（JX）采用航天炉粉煤加压气化工艺对重油进行气化，生产高质量的合成气。该气化反应采用约10 MPa 的高压操作，在反应条件下制备70%以上含量、高质量的合成气。

3.2 高环保效能

另一方面，航天炉粉煤加压气化技术具有较好的环保效能。该技术采用先进的冷却除尘、含硫废气治理以及废水、废渣治理等设备，能够有效降低煤气中的污染物含量，将煤气中的污染物含量降低到极低水平，并且对于一些难以处理的有害物质也能够在顶部放电等法之下通过筛分和不同材料的堆积实现全面清除。具体的，设置了脱硫装置及硫回收装置，将以前严重的污染物变成了经济价值可观的化工产品；废渣可用于生产建筑材料，除尘处理后排入大气的含尘量仅10×10-6，只有少量的废水经处理后达标排放等。比如，中国石化在航天炉粉煤加压气化过程中采用了逆流冷却式除尘器，能够有效降低煤气中污染物的含量，保护环境。

3.3 航天炉烧嘴的设备优势

航天炉粉煤加压气化工艺中的关键设备之一是航天炉烧嘴。航天炉烧嘴在煤气化过程中发挥着至关重要的作用，具有高耐磨性和长寿命、操作灵活性和容易维护性等优势。

一方面，在粉煤加压气化过程中，煤粉与气体混合物由烧嘴注入气流床中进行气化反应。由于高温和高速气流的作用，烧嘴会受到严峻的工况条件和煤炭颗粒的磨蚀，因此烧嘴材料需要具有良好的耐磨性。据实验数据表明，采用航天炉烧嘴的粉煤加压气化系统，烧嘴寿命可达到5 000 h 以上。这得益于航天炉烧嘴采用耐高温、耐磨损的合金材料制造，能够在高温和高速气流的作用下保持良好的结构完整性和耐磨性，延长设备的使用寿命。

另一方面，航天炉烧嘴设计合理，具有良好的调节和控制性能，可以根据工艺要求对煤粉和气体混合物进行精确的喷射控制。烧嘴结构紧凑，便于操作和维护。此外，烧嘴采用模块化设计，方便更换和维修，大大降低了维护成本和工作强度。据实验数据统计，航天炉烧嘴更换时间平均为2 h，维修性能得到了充分体现。

例如，在航天炉粉煤加压气化工艺中，烧嘴喷射出的煤粉和气体混合物可以实现在床层中的快速均匀分布，提高了煤气化反应的效果。此外，烧嘴还具有一定的调节能力，能够根据需要实现煤气化工艺的灵活调整，满足不同工况条件下的煤气化要求。

4 结语

与其他煤气化工艺相比，气流床加压煤气化技术作为一种先进的煤气化工艺，具有高效的煤气化反应、高产气量和煤气质量等诸多优势，尤其航天炉粉煤加压气化工艺，可以实现煤粉的高效加压气化反应，产生高品质的煤气，同时航天炉烧嘴作为关键设备，拥有高耐磨性和长寿命、操作灵活性和容易维护性等特点，在煤气化过程中发挥着重要作用。