煤气化技术的现状及发展趋势研究

栾运加（山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253000）

0 引言

煤炭资源是我国重要资源，在我国经济建设与社会发展中发挥着至关重要的作用。据统计我国煤炭年消耗量高达40 亿吨以上，超过能源消耗总量56%，位居世界首位；我国煤气产量由2015 年6 800 多亿立方米增长至2021 年的15 500 多亿立方米，被广泛应用到钢铁、建材、机械、采暖等众多领域。在煤炭消耗量、煤气需求量不断增多背景下，加强煤资源相关技术研究，提高煤资源高效利用率，降低煤资源开发利用污染性，具有非常重要的现实意义。煤气化技术作为清洁净煤技术，主要是借助各种装置，在特定条件下，将煤炭转换为清洁可燃烧气体。将该技术应用到煤化工行业，可有效促进行业健康、稳定、可持续发展。经多年研发，煤气化技术水平大幅度提高，煤气化技术类型日渐丰富，可满足多产业发展需求，但从整体层面来看，仍存在诸多不足，需要在不断研究中完善、强化。本文旨在通过分析煤气化技术的现状及发展趋势为煤气化技术应用与研发提供参考，促进煤气化技术应用价值不断提升。

1 煤气化技术发展现状分析

煤气化技术作为煤炭资源转化应用技术，在工业燃气领域、民用煤气领域、化工原料合成领域、电力生产领域等众多领域得到广泛应用。随着煤气化技术应用范围不断扩大，应用需求不断提高，煤气化技术类型不断增多。目前，主流技术有气流床气化技术、流化床气化技术、固定床气化技术。

1.1 气流床气化技术

气流床气化技术是目前世界范围内应用最为广泛的煤气化技术，该技术最早发展于上世界五十年代，以K-T 炉为典型代表，后在不断发展中形成了Shell 工 艺、Texaco 工 艺、Prenflo 工 艺、E-Gas 工 艺、GSP 工艺等（表1 为部分气流床气化技术情况）。气流床气化技术理论上适用于任何煤种，但考虑到技术应用综合效益，建议选取粒径较小、比表面积较大、灰熔点较低的煤种。气流床气化技术反应温度高，以氧气为气化剂，反应过程中可适当加入水蒸气，控制炉膛温度，减少氧气消耗量。气流床气化技术根据原料输送性能可分为湿法气流床气化技术与干法气流床气化技术两种类型。湿法气流床气化技术主要是指原料以水煤浆或水炭浆形式同气化剂一起进入炉内，在气化剂作用下发生各种反应。优点在于：原料选择范围广，进料参数可控性较强，操作流程简单，碳化转化率较高，粗煤气质量高，煤气化过程中产生的污染物较少；缺点在于：喷嘴、耐火砖应用周期较短，煤耗量与氧耗量较高，系统材料质量与性能要求较高。干法气流床气化技术主要是指原料以粉煤形式同气化剂一起进入炉内，在气化剂作用下发生各种反应。优点在于：煤种适应范围广，气化强度大，气化效率高（最高可超过99%），氧耗、煤耗量低（约是湿法气流床气化技术的70%～85%），维修成本低，运转周期长，热效率高（最高可超过98%），生产条幅能力强等；缺点在于：气化压力低（约是湿法气流床气化技术的37%～50%），运行稳定性较差，气化炉结构复杂，粉煤制备投资成本高等。实践中需要根据具有情况合理选择气流床气化技术，以满足企业生产需求。

表1 部分气流床气化技术情况

1.2 流化床气化技术

流化床气化技术以细粒煤（如：褐煤、烟煤、次烟煤等）为原料，以空气、氧气、富氧等为氧化剂，以蒸汽、二氧化碳等为气化剂，反应过程中煤粒在反应装置中呈现悬浮（流化）状态，气体与固体能够充分混合。通常情况下，流化床气化技术多用于民用燃气、工业染料、合成气体等大中规模生产，操作压力为常压3.0 MPa，单台最大处理量150～2 000 t/d，单台有效气产量10 000～80 000 Nm3/h[1]。目前，应用较为广泛的流化床气化技术有三种：（1）灰熔聚流化床煤气化技术：技术成熟度较高，适用褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、石油焦等，气化反应区域内温度均匀性较高，气化温度较高，约为1 000～1 100 ℃。某企业配套煤气工程中应用3 台灰熔聚流化床气化炉，单台气化炉处理量达到450 t/d，单台产气量达到30 000～38 000 Nm3/h。（2）复合流化床气化技术：该技术是灰熔聚流化床气化技术创新下形成的一种新流化床气化技术。该技术将灰熔聚流化床与干煤粉气流床气化炉相结合，使系统具备灰熔聚流化床工艺与干煤粉气流床气工艺优势，有效提高了流化床气化技术碳转化率，增加了有效气体产量。（3）多段分级转化流化床气化技术：该技术是针对合成天然气大规模生产研发的流化床气化技术。该技术汲取不同流化床气化技术优势，在工艺与设备创新下，实现煤热解过程、气化过程、燃烧过程有机结合。多段分级转化流化床气化技术以长焰煤、褐煤为主要原料，碳转化率可达到90%以上，冷煤气效率可达到72%以上。

1.3 固定床（移动床）气化技术

固定床（移动床）气化技术是一种技术较为成熟的煤气化技术，主要以块煤为原料（如：褐煤、烟煤、无烟煤、焦炭等），以空气、氧气、蒸汽为气化剂。固定床（移动床）气化技术根据运行方式可分为连续式固定床（移动床）气化技术与间歇式固定床（移动床）气化技术；根据加压情况可分为常压连续式固定床（移动床） 气化技术与加压连续式固定床（移动床） 气化技术。固定床（移动床）气化技术一般特征有：操作简单，容量较小，逆流接触反应，以固态排渣为主，碳转化率较高，出口气温度较低等。目前，技术成熟且应用较为广泛的固定床（移动床）气化炉有3M-21 混合煤气发生炉、W-G 气化炉、Mark-IV 鲁奇加压气化炉、BGL 业态排渣鲁奇炉等。某企业煤化工程项目建设中，设计构建3～4 MPa 固定床气化炉，以褐煤、长焰煤、无烟煤等材料为原料，单台最大处理量达到420～1 600 t/d，单台有效气产量达到4 000～12 000 Nm3/h。

气流床气化技术、流化床气化技术、固定床气化技术作为煤气化技术主流技术，因原料不同、工艺要求不同，应用效果也不同，对比三种技术基本情况，见表2。

表2 部分气流床气化技术情况

2 煤气化技术发展趋势分析

纵观煤气化技术研发与应用情况，可知煤气化技术虽然取得了一定成绩，但在实践中仍存在诸多不足。例如，技术层面，煤气化技术运行稳定性仍有待提升，气化效率存在较大提升空间，能耗节约与环境保护水平有待进一步提高，单炉产能仍有增加余地；经济层面，投资成本、运行维护成本需要在不断改进中降低；技术研发层面，受专业人才制约较大，部分企业多缺乏自主创新能力，多通过借鉴、照搬等方式进行技术研发与应用。要想有效解决改善上述问题，促进煤气化技术优化发展，未来需要从以下几方面着力，推动煤气化技术向高效化、环保化、节能化、规模化、科学化、低成本化等方向发展。

2.1 拓展技术应用对煤种的适应性

当前主流煤气化技术多以活性较高的褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、焦炭等是原料，对于反应活性差、煤气有效成分含量少的“三高”煤（高硫煤、高灰煤、高灰熔点煤）而言，适用性较差[2]。但是从我国煤炭储存与生产整体情况来看，“三高”煤占比较高，仅以山西省为例，33% 以上煤炭资源为“三高”煤。因此，如何提高“三高”煤利用率成为相关企业以及工作人员关注与研究的重点问题。煤气化技术应用下，要想以“三高”煤为原料，技术创新与改进势在必行。对此，可根据煤气化技术原理，联系气流床气化技术、流化床气化技术、固定床气化技术等工艺特征，从气化炉结构优化、原料性能改善、新型添加剂研发与应用、系统优化、反应参数调整等多方面入手，提高煤气化技术对煤种的适应性。例如，以高碱煤为原料生产煤气时，可能产生腐蚀性物质损坏反应装置，对此在技术改进时，根据碱金属、煤气化炉材质反应原理，进行反应流程优化，以减轻高碱热煤气腐蚀程度。

2.2 提高技术应用对能源的节约性

按照当前煤化工发展情况来看，“十四五”时期我国现代煤化工产业煤炭消耗量仍将继续增长，预计2025 年原煤消耗总量将超过27 000 万吨，现代煤化工产业增长幅度将达到3%，煤制油产能将达到1 500 万吨/年，煤制天然气产能将达到110 亿立方米/年，煤制烯烃产能将达到1 050 万吨/年，煤制乙二醇产能将达到1 000 万吨/ 年。在此背景下，煤气化技术高效化、规模化将成为新时期发展趋势之一。考虑到“碳达峰、碳中和”战略决策要求，在进行煤气化技术高效化、规模化发展时，需要高度重视能源节约与环境保护问题。这就需要相关企业以及工作人员在进行煤气化技术研发时，能够根据实际情况与技术应用需求，从多方面探寻资源利用率提高、氧耗量减少、水蒸气耗量减少、余热回收利用、黑水回收利用等办法，以实现煤气化技术高效化、节约化、规模化发展。

2.3 提高技术应用对环境的保护性

煤气化技术应用过程中会产生一定污染物，如处理不当将对生态环境造成严重污染。例如，煤气化技术应用过程中，未完全反映的原料将随合成气体排放到空气中，加剧空气污染。研究发现气化反应过程中所产生的飞灰，稳定性较强，采用传统方式进行处理难度较大且效果并不理想。这就需要加强气化飞灰处理技术研究，降低飞灰回收率、污染率，提高气化飞灰、气化残渣再利用率。利用通过改性技术有效应用，将气化飞灰、气化残渣转变为可再利用的建筑原料、土壤改良原料、高分子聚合物填料等。一方面降低废物污染，另一方面提高废物附加值，丰富资源种类与数量。

2.4 提高技术应用对管控的科学性

煤气化反应过程复杂，对反应温度、压力等具有较高要求。要想实现煤气化技术规模化、高效化、节能化、环保化发展，提高反应条件控制水平势在必行。随着计算机技术、数据分析技术、模拟仿真技术等在现代煤化工领域中的推广使用，煤气化系统自动化、智能化水平大幅度提高。相关人员可通过数值模拟了解煤气化技术应用流程，掌握不同工况下煤气化技术应用效果，进行系统设计调整、系统控制参数调整等。例如，在气化炉设计中，利用Aspen Plus、ANSYS Fluent、CFX、CFD-DEM 等软件辅助研究煤气化系统换热器优化方案、气化炉体结构优化方案、气化率热传导情况、烧嘴热应力情况、熔渣流动特性等，根据软件分析结果，结合系统应用要求，合理设计与研究系统，保证系统应用科学、合理、有效。目前，先进科学技术在煤气化系统研发与监管中的应用有限，需要在后续研究中不断拓展先进科学技术应用范围，让技术服务技术，让技术推动创新。

3 结语

煤气化技术类型多样且应用范围广阔，在推动我国煤化工业发展，促进我国煤炭资源经济效益、社会效益、生态效益提升等方面存在积极影响。气流床气化技术、流化床气化技术、固定床气化技术是当前应用较为广泛的煤气化技术，各具优势，实践中需要根据具体情况合理选择煤气化技术，保证技术应用合理、高效、经济、可靠。纵观煤气化技术研发与应用现状，系统效率仍具有较高提升空间，能源节约、环境保护等方面仍存在改进余地，因此在未来发展中，需要加强创新力度，持续提高煤气化技术适应性、节约性、科学性、环保性等。