固定床固态排渣碎煤加压气化技术在国内应用现状

郭 良 元

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013；3.煤基节能环保炭材料北京市重点实验室，北京 100013)

0 引 言

2022年我国原煤产能45.6亿t[1]，在2021年我国已探明的一次能源生产总量中，原油天然气资源占比约为12.7%，而煤炭占比约为67.0%[2]，说明煤炭仍是我国自主保障最可靠的能源类型，因而长期坚持煤炭清洁高效与可持续开发利用是应有之义[3]。

我国是煤炭生产和利用的大国，目前我国煤炭利用的方式主要包括直接燃烧、炼焦和气化，在该3种煤的利用方式中以煤炭的气化相对最为清洁。

国家“十四五”规划中要求实施能源资源安全战略，做好煤制油气战略基地规划布局和管控[4]，稳妥推进煤制油气，规划建设煤制油气战略基地[5]。上述2种技术中，煤制油中的间接液化工艺以及煤制气均以煤气化技术为龙头，因此煤气化技术是保障我国能源安全的关键技术。

煤炭气化是煤炭清洁高效转化的核心，是发展煤基大宗化学品、煤基清洁燃料、IGCC发电等工业的基础。我国煤气化技术的基础研究和技术开发均已进入国际先进行列，部分技术处于国际领先水平，即煤气化的发展有力支持了我国现代煤化工产业的发展。经过数十年的应用发展，煤气化技术在我国已从直接引进国外技术发展到拥有自主知识产权的气化炉，目前我国已经成为全球最大的煤气化市场。我国气化技术已实现大型化、清洁化和规模化发展，气流床气化技术单炉投煤量规模已达3 000 t/d[6]，固定床气化技术单炉投煤量规模已超过1 000 t/d。面对国家能源安全和煤炭与水资源在地势上呈逆向分布的现状[7]，中国既要大力发展煤化工产业，又要解决煤转化工业因巨大耗水量而带来的严峻挑战，煤化工废水的“零液排放”俨然成为亟待解决的关键问题之一[8]。

将来，我国还需要更多具有原创性、适应性的煤气化新技术[9]。作为国内乃至国际上应用最久且已完全国产化的1种加压煤气化技术，固定床固态排渣碎煤加压气化技术在国内市场有其适应性，同时也存在着一些改进的空间。

1 固定床固态排渣碎煤加压气化技术概述

1.1 固定床气化特性简述

固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床(Fixed-bed)气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床(Moving-bed)气化。

固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。

固态排渣指排渣方式采用干法排渣，控制气化温度在灰渣流动温度以下。

1.2 国内主要固定床气化炉炉型

国内固定床固态排渣碎煤加压气化炉主要炉型有：鲁奇炉、赛鼎炉、晋城炉(JM-S)等。

鲁奇炉(Lurgi)：鲁奇气化技术属于典型的固定床气化技术，经过不断地升级改进，从MARK-Ⅰ到MARK-Ⅴ，以及MARK+。Lurgi气化技术炉型结构较为复杂，采用固态排渣方式，炉渣含碳量一般在5%左右。气化炉内的最高温度一般可达1 300 ℃，因此在选择气化原料时不宜选用灰熔点较低的煤种[10]。

赛鼎炉：1970年代开始，山西化肥厂引进德国鲁奇公司鲁奇炉，赛鼎公司的前身化工部第二设计院(后简称化二院)实施了工程项目的设计工作，积累了大量经验；1980—1985年，“六五”期间化二院完成了国家重点科技攻关项目《Φ2.8 m加压气化炉科技攻关》；1986—1990年，列入国家“七五”重点攻关项目，国产碎煤加压气化技术进入应用阶段；1986年，Φ2.8 m气化炉投产；1991年，“七五”国家重点科技攻关项目验收，化二院获得科技进步奖集体奖；1993年，哈尔滨依兰煤气厂PKM炉投产，获国家科技进步奖银奖，改变了气化剂分布及流速，增加了煤锁气回收系统，取消耐火砖；1998年12月17日，天脊国产炉投产，全部采用国产材料，相当于鲁奇Mark-Ⅲ；2004年，义马第3台完全国产化炉建设；2006年，义马二期2台Φ3.8 m，3.0 MPa投产，标志着碎煤加压气化技术的完全国产化，并且标志着国内技术全面开始推广；2008年，山西潞安煤制油投产；2010年，国电赤峰3052项目投产；2012年，新疆广汇120万t/a甲醇投产；2013年，大唐克旗煤制天然气项目投产(国际首台4.0 MPa碎煤加压气化炉成功运行)；2014年，新疆庆华煤制气投产；2015年，河南晋煤天庆投产；2015年，赛鼎5 000气化炉示范列入科技部“863”计划《大规模碎煤加压气化技术与示范》，内径5.0 m，压力6.0 MPa，在义马气化厂动工建设[11]。

晋城炉(JM-S)：晋控天庆是晋能控股装备制造集团有限责任公司(简称晋能控股集团)的下属控股子公司，气化装置现有6台鲁奇炉(1～6号炉)和1台在鲁奇炉基础上升级改造而成的JM-S炉(7号炉)，其中JM-S炉是晋能控股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，用于匹配其旗下28家化工企业的气化技术需求，牵头与赛鼎工程有限公司合作研发的新型气化炉。1～6号鲁奇炉自2015年投料试车以来一直运行稳定。2020年11月晋控天庆建成投运1台JM-S炉(7号炉)，其炉体在第4代鲁奇炉基础上加高1.5 m，炉出口新增旋风分离器及中压废锅回收粗煤气热量，粗煤气再经冷却降温以及低压废锅回收热量后送至变换冷却系统；相较于第4代鲁奇炉，JM-S炉产气量明显增加，且可副产5.0 MPa的中压蒸汽约10 t/h，余热回收利用率大幅提高，具有单炉发气量大、运行稳定、 消耗低的优点，具有明显的竞争优势，JM-S炉运行状况良好[12]。

2 固定床固态排渣碎煤加压气化技术发展

2.1 技术起源

最早的固定床固态排渣碎煤加压气化技术起源于德国鲁奇(Lurgi)公司干底式工艺(Dry Bottom Process)，于1927年获得专利“在一定压力下用蒸氧混合物使褐煤气化”。

1931年，鲁奇开始研发1种在现有空气气化技术的基础上，在加压条件下采用氧气鼓风进行反应的气化技术。该项研究是在有着现代气化之父之称的Rudolf Drawer教授的指导下，与柏林工业大学紧密合作进行的。

1936年鲁奇公司开发出应用于商业化煤气化项目的碎煤固定床加压气化技术，项目位于德国Hirschfelde。后经过不断发展，此项技术被称作萨索尔-鲁奇干底式气化炉(Sasol-Lurgi Dry Bottom Gasifier)[13]，国内俗称鲁奇炉。

经过几十年持续不断的改进与创新,鲁奇公司先后开发出第1代鲁奇炉(1936—1954年)、第2代鲁奇炉(1952—1965年)、第3代鲁奇炉Mark-Ⅳ和Mark-Ⅴ(1969～2008年)。第3代炉型可大幅提高气化能力并有效扩大煤种的应用范围,从而满足现代化大型工厂的需要,其炉内径3.8 m,采用双层夹套外壳,内壁不衬耐火砖,炉内设有转动的煤分布器及搅拌器,气化能力50 000～55 000 m3/h 粗煤气。目前在世界范围内主要建设、运行的鲁奇炉即为第3代炉型。在此基础上又推出第4代鲁奇炉Mark+。同时,为满足气体排放标准、解决废水达标排放难题,鲁奇公司相继开发出高效的煤气化尾气处理和酚氨废水处理工艺技术[14]。鲁奇公司于2007年7月被液化空气集团收购。

2.2 技术国内发展

我国对固定床加压煤气化技术的研发始20世纪于50年代。1956年，煤炭工业部北京煤化学研究所(现煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院)成立之初，设立了煤气化研究室，主要开展固定床煤气化技术的研究工作。同年成立的化学工业部上海化工研究院在化肥研究室也设立了煤气化技术研究小组研究固定床气化技术。1958年开始，东北煤气化设计研究所(现沈阳煤气热力研究设计院)、大连化学物理研究所(现中国科学院大连化学物理研究所)开展了加压煤气化过程的单管小试试验[15]，1959年石油工业部石油六厂研究所进行最高2.0 MPa的间歇式小型加压气化炉试验[16]。1963 年在沈阳建成1 120 mm 的褐煤加压固定床中试装置。

1978年煤炭科学研究院北京煤化学研究所开始固定床加压煤气化技术的研发。1983年10月建成直径650 mm的加压气化炉试验装置，该装置的运行压力2.0～2.5 MPa、投煤量200～500 kg/h、产气量280～500 Nm3/h，经过多煤种固定床加压气化试验后，于1984年通过当时煤炭部组织的技术鉴定。后北京煤化学研究所与美国Foster Wheeler公司于1985年在北京合作建设运行成本更低的内径100 mm的加压固定床试验装置，设计压力5.0 MPa，实际运行压力3.0 MPa。在该装置上完成了数十个国内外典型煤种以及生物质、成型垃圾的试烧，取得了样品在加压条件下的气化特性数据[17]，笔者也在此试验炉上主持多次试烧。华东理工大学等合作单位开展加压下条件煤气化特性的研究，并建立了加压固定床气化炉的数学模型。

1980年，化学工业部第二设计院(现赛鼎工程有限公司)与太原重型机器厂合作，以解放军化肥厂的 Mark-Ⅰ型 Lurgi 加压气化炉为基础，开展直径2 800 mm的固定床加压气化炉研制[9]。

1986年，东北煤气化设计研究所建成直径1 000 mm的加压固定床试验装置，其设计压力 2.8 MPa、产气量1 000～1 300 Nm3/h，完成了沈北褐煤和鸡西弱黏结性煤的气化试验，为加压固定床气化技术在我国的应用和发展奠定重要的基础。

3 具有甲烷含量高的气化技术特点

作为最早的固定床气化加压技术，固定床固态排渣碎煤加压气化技术有着自身的特点：

(1)气化原料一般采用5～50 mm的块煤进料，且下限率不能过高。通常要求煤的反应性好、无黏结性或弱黏结性、机械强度较高、灰熔融性温度较高。因此适宜的煤种为褐煤、次烟煤、贫煤和无烟煤，对一些水分较高(20%～30%)和灰分较高(如不小于30%)的劣质煤也适用。

(2)气化为干法排灰，使用纯氧气化，为防止结渣，采用较高汽氧比，因此氧耗相对较低，可在空分制氧设备上节省部分投资。

(3)煤气中CH4含量较高，达8%～10%，适合于生产城市煤气和代用天然气(SNG)，将CH4转化为CO和H2后也可以用于生产化工产品，如煤制甲醇和合成氨。固定床碎煤加压气化技术由于此特点而在煤制天然气项目中占比很高，从而在现代煤气化技术中占气化市场份额约10.9%(含碎煤加压熔渣技术)[18]。

(4)粗煤气中H2/CO约为2.0，不经变换或少量变换即可用于F-T合成、甲醇合成、天然气合成等产品生产。

(5)固定床气化气、固两相逆流接触，通过逆流操作实现高的“冷煤气”效率，逆流操作使粗煤气和灰渣均以较低的温度离开气化炉。

(6)气化工艺成熟，设备国产化率多年前已达100%[19]，造价较低，在投资上有一定优势。

(7)在加压下进行气化，气化强度大，反应速度较快，气化剂与煤逆向接触反应，反应停留时间长达1 h，因此碳转化率较高，一般达95%以上。

(8)反应炉的操作温度和炉出口煤气温度比较低，因此气体带走的显热较少，气化效率较高。一般气化效率可高达88%～90%。

(9)气化和煤气冷却过程水耗较高，会产生一定数量的含有重焦油、轻焦油和酚的煤气水，煤气水处理流程复杂，处理费用高，且蒸汽分解率较低。相较于其他气化技术，存在废水产量大难处理的缺点[20]，废水产量约1.0 m3/t煤，某典型40亿方煤制天然气项目气化废水占总有机废水量约70%[21]此特点为固定床固态排渣技术最主要的不利之处，但其中含有高附加值的焦油、酚、氨等有用的化工产品，当装置规模较大时，由于规模效应可收回部分成本[22]。且国内外有各种对气化炉的废水处理技术，都在为解决固定床固态排渣碎煤加压气化炉的弊端进行努力[23-25]，并不断对技术进行革新和改进[26]。煤炭科学技术研究院有限公司也研发了1种煤气水减量化技术，已进入工业化安装调试阶段。

4 国内技术应用处于自我完善与增长阶段

按照建设时间先后顺序，固定床固态排渣碎煤加压气化技术在国内应用情况如下：首先是技术引进阶段，接下来是消化国产化阶段，然后是受到政策和技术成熟期双重刺激下的爆发式增长阶段，到目前的技术处于自我完善与增长阶段。

1974年云南解放军化肥厂在我国国内最早采用Lurgi加压固定床气化技术用于生产合成氨，炉型为第1代Lurgi炉，属于Mark-I型，以褐煤为原料，气化炉内径为2 600 mm，单炉产气量约为8 000 Nm3/h。

20世纪80年代中后期开始，我国先后引进1批碎煤加压气化技术，其中1991年兰州煤气厂采用Mark-II炉型(单炉产气量约14 000 Nm3/h)，1993年哈尔滨煤气厂采用Mark-III炉型(单炉产气量约32 000 Nm3/h)，均用于生产城市煤气。

1987年山西天脊集团采用Mark-Ⅳ炉型，气化炉内径3 848 mm，单炉产气量约56 000 Nm3/h，用于生产合成气(CO+H2),配套生产合成氨30万t/a(尿素52万t/a)。鲁奇炉技术用于我国山西天脊集团生产大规模合成氨在当时属世界首例，天脊集团的此套装置从投产到最终稳定运行历经10余年，期间对原工艺先后进行了400多项的改进[27]。以上均为技术引进阶段与消化国产化阶段。

2000年义马煤气厂一期投产，2004年义马第3台固定床固态排渣气化炉完全国产化，2006年义马二期完全国产化[14]。

2006年后，国内天然气供需矛盾日益突出，20世纪80年代受美国大平原建立煤制天然气工厂的启发，我国技术界、工程界和产业界也开始酝酿建设煤制天然气装置，先后采用Lurgi固定床碎煤加压气化技术建成了大唐克旗、新疆庆华、伊犁新天等工业项目，此阶段属于爆发式增长阶段。

国电赤峰化工有限公司一期工程30万t/a合成氨52万t/a尿素项目中，以平庄矿区元宝山露天煤矿褐煤为原料，采用碎煤加压气化技术，使用2台鲁奇气化炉，生产大颗粒尿素。2012年4月9日投料试车，5月6日打通气化流程，8月3日打通全部生产流程，制出合格尿素产品。后因各种原因于2016年停车，并进行破产重组，转为内蒙古大地云天化工有限公司[28]。

2012年新疆广汇年产120万t甲醇/80万t二甲醚(煤基)项目投产采用14台碎煤加压气化装置[29]。

内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司(下称“大唐克旗”)的煤制天然气一期工程项目气化装置为世界首套操作压力4.0 MPa的碎煤加压气化装置，于2012年5月投料试车成功，自2013年12月投产以来，煤气化装置经过考验。气化炉设计15开1备，实际运行13台气化炉可以达到日产400万 Nm3SNG能力。保持“14台运行1备1大修”连续运行方式，最高产量460万 Nm3/d(达到设计值的115%)[30-31]。

新疆庆华能源集团有限公司55亿Nm3/a煤制气一期项目在新疆伊宁县建设，2012年7月通过国家发改委正式核准，是新疆首个获得国家核准的煤制气示范项目，2013年12月打通工艺流程正式供气[32-33]。

中煤平朔劣质煤综合利用示范项目位于山西省朔州市平鲁北坪循环经济园区，项目以平朔“四高一中低”的劣质煤为原料，年产30万t合成氨、40万t硝酸铵，并副产液化天然气。项目配套的生产装置的规模是：1套30万t/a合成氨装置，2套18万t/a的硝酸装置、2套20万t/a硝酸铵装置。其中，气化装置采用鲁奇炉气化技术，由6套单独的气化炉(包括加煤、废热锅炉和排灰)和1套公用的煤锁气洗涤设备与开车气的设备组成。气化炉按照4开1备1检修设置。2016年更名为中煤平朔能源化工有限公司，2016年9月29日打通全流程[34]。

伊犁新天煤化工有限责任公司年产20亿Nm3煤制天然气项目加压气化装置由赛鼎工程有限公司负责设计，采用原德国鲁奇公司Mark-Ⅳ型鲁奇炉基础上改进的碎煤加压气化炉，运行方式为18开4备。于2017年3月开车顺利产出合格天然气,且生产企业对生产中发现的问题在进行持续的改进[35]。

晋煤金石藁城分公司的气化装置采用国内较为先进的碎煤加压气化炉，项目分 2 期建设，一、二期各 4 台碎煤加压气化炉(1～4号炉)，以“三高”劣质煤晋城15号煤为原料，2013年10月气化炉点火成功，2014年5月30日打通整个合成氨系统流程。证明碎煤加压气化技术可单独处理晋城无烟块煤[36]。

河南晋煤天庆煤化工有限责任公司30万t/a合成氨、52万t/a尿素副产、5亿Nm3/a工业燃气建设气化炉示范项目，一期项目2015年1月18日投产，二期项目于2016年8月1日与一期项目并网运行，2017年气化炉由五开一备改为六开无备[37]，优化升级1台气化炉开展无烟块煤纯氧加压连续气化技术[38]。

辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司煤制天然气项目(一期)于2011年7月开工建设，2014年因故停建，2018年4月27日正式恢复施工，2020年已投产[9，39]。

内蒙古矿业(集团)兴安能源化工有限公司的煤制气项目(简称兴安能源煤制气项目)位于内蒙古兴安盟科右中旗百吉纳工业循环经济园区，建设规模40亿Nm3/a煤制天然气(含5亿方天然气液化)+50万t焦油加氢及相应附属产品。项目年用褐煤2 150万t，煤源来自内蒙古白音华煤田。项目的设计已经完成[40]。

截至2021年，国内在建或运行的Lurgi固定床碎煤加压气化炉共146台，其中18台用于城市煤气生产，24台用于合成氨生产，其余均用于煤制天然气生产[9]。当前的技术属于处于自我完善与增长阶段。

5 结 论

(1)固定床固态排渣碎煤加压气化技术起源于德国鲁奇，在国内经过六十余年的发展，历经引进、国产化、爆发式增长3个阶段，现在处于完善及与时俱进的时期。国内工业化的固定床固态排渣碎煤加压气化炉主要炉型有鲁奇炉、赛鼎炉、晋城炉(JM-S)等。固定床固态排渣碎煤加压气化炉技术在国内，尤其在煤制天然气方向，有着广阔的适用空间。

(2)与其他气化技术相比，固定床固态排渣碎煤加压气化技术最显著的优点在于煤气中CH4含量较高，可达8%～10%，因此在国内更多应用于煤制天然气；最主要的不利之处在于废水产量大、难处理。

(3)通过对气化废水处理、减量化技术的研发和应用,可为固定床固态排渣碎煤加压气化技术节约成本及减少水资源的使用,使之符合要求越来越严格的环保政策,为技术未来发展增添新的生命力。