大型煤气化技术的研究与发展.pdf

2009 年第 28 卷第 2 期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 173 化 工 进 展 大型煤气化技术的研究与发展 王辅臣，于广锁，龚 欣，刘海峰，王亦飞，梁钦峰 （华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海 200237） 摘 要煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术，是发展煤基化学品合成（氨、甲醇、乙酸、烯烃等） 、液体 燃料合成（二甲醚、汽油、柴油等） 、先进的 IGCC 发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过 程工业的基础，研究和开发大型煤气化具有重要意义。本文概述了国外大型煤气化技术发展的主要情况，介绍了 国内大型煤气化技术研究开发的现状和产业化情况， 分析了煤气化技术大型化的主要趋势与应该采取的技术途径。 关键词煤气化；大型化；产业化 中图分类号TQ 546 文献标识码A 文章编号1000–6613（2009）02–0173–08 Research and development of large-scale coal gasification technology WANG Fuchen，YU Guangsuo，GONG Xin，LIU Haifeng，WANG Yifei，LIANG Qinfeng （Key Laboratory of Coal Gasification，Ministry of Education，East China University of Science and Technology， Shanghai 200237，China） AbstractCoal gasification is the key technology for clean and high-efficiency coal utilization. It also is the basis of process industry for coal-based chemicals synthesis（such as ammonia，methanol，acetic acid ， olefin etc. ） ， advanced Intergrated Gasification Combined Cycle （ IGCC ） system ， poly-cogeneration， hydrogen production， fuel cell and direct-reduction iron making. It is very important to research and develop large-scale coal gasification technology. In this paper，the status of the development of over-sea large-scale coal gasification technology is summarized. And that of research and commercialization of large-scale coal gasification in China is also been introduced. The development trend of and technical approach to commercialization of coal gasification are analyzed. Key wordscoal gasification；large-scale；commercialization 大型煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技 术，是发展煤基化学品合成（氨、甲醇、乙酸、烯 烃等） 、液体燃料合成（二甲醚、汽油、柴油等） 、 先进的 IGCC 发电系统、多联产系统、制氢、燃料 电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行 业的公共技术、关键技术和龙头技术（图 1） 。本文 将从国外煤气化技术发展的现状、国内煤气化技术 的应用与开发、煤气化技术发展的主要趋势等几个 方面进行概述。 1 国外大型煤气化技术发展的现状[1-8] 已工业化的煤气化技术可分为 3 类， 即以 Lurgi 技术为代表的固定床气化技术、以 HTW 技术为代 表的流化床气化技术和以 Texaco、Shell、多喷嘴对 置气化技术为代表的气流床气化技术。气流床气化 炉气化温度与压力高、负荷大，煤种适应范围广， 是目前煤气化技术发展的主流。国外已工业化的 煤气化气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的 特约评述 收稿日期2008–10–20；修改稿日期2008–09–02。 基金项目国家重点基础研究发展计划（国家 973 计划， 2004CB217703 ） 及 教 育 部 “ 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 ” （PCSIRT-IRT0620）项目资助。 第一作者简介王辅臣（1966） ，教授，博士生导师，国家 973 计 划项目首席科学家，中国化工学会煤化工专业委员会副主任，主要从 事能源化工研究。E–mail wfch。 化 工 进 展 2009 年第 28 卷 174 煤 气化气化 IGCC发电IGCC发电 燃料电池/炼厂燃料电池/炼厂 工业/民用燃气工业/民用燃气 合成气合成气 燃气燃气 还原气还原气 氢气氢气 化肥 甲醇 二甲醚 乙烯、丙烯 醋酸、醋酸酐 汽油、柴油 其它 化肥 甲醇 二甲醚 乙烯、丙烯 醋酸、醋酸酐 汽油、柴油 其它 直接还原炼铁直接还原炼铁 石油焦 天然气 焦炉气 石油焦 天然气 焦炉气 COHCOH2 2 煤 基 多 联 产 系 统 煤 基 多 联 产 系 统 石油焦 天然气 焦炉气 煤 气化 COH2 合成气 氢气 燃气 还原气 化肥 甲醇 二甲醚 乙烯、丙烯 乙酸、乙酸酐 汽油、柴油 其它 燃料电池/炼厂 IGCC 发电 工业/民用燃气 直接还原炼铁 煤基多联产系统 图 1 煤气化技术的地位 GE（Texaco）气化技术、Global E-Gas 气化技术， 以干粉煤为原料的 Shell 气化技术、Prenflo 气化技 术、GSP 气化技术等。 1.1 GE（（Texaco））气化技术 Texaco 气流床气化技术的开发始于 20 世纪 40 年代， 1950 年首先在天然气非催化部分氧化上取得 成功， 1956 年又应用于渣油气化。 在 50 年代 Texaco 公司就有将其技术应用于煤气化的计划，并进行了 部分研究工作。70 年代的石油危机促使 Texcao 公 司将目光再一次投向煤气化技术。 70 年代末建设了 2 套示范装置，分别为德国的 RAG 和美国加州的 Cool Water， 1983～1985 年分别在日本的 UBE 公司 和美国的 Eastman 公司建设了 3 套商业化装置。90 年代 Texaco 煤气化技术共有 9 套装置投入运转， 其 中 5 套在中国，4 套在美国。目前，在建和运转的 Texaco 气化炉约有 80 多台。 1.2 Global E-Gas 气化技术 E-Gas 气化技术最早由 Destec 公司开发，采用 水煤浆原料， 两段气化， 后被 Dow 公司收购。 E-Gas 气化技术的开发始于 1978 年， 在美国路易斯安娜州 的 Plaguemine 建立了日处理 15 t 煤的中试装置， 其 后于 1983 年建立了单炉 550 t/d 煤的示范装置，于 1987 年建设了单炉 1600 d/t 煤气化装置，配套 165 MW IGCC 电站，这两套装置均位于 Plaguemine。 基于这两套装置的经验，在路易斯安娜州的 Terra Haute建立了单炉2500 t/d的气化装置， 配套Wabash River 的 260 MW 的 IGCC 电站，该电站于 1996 年 投入运行，发电效率 40％。 图 2 为 E-Gas 气化炉示意图。 气化炉内衬采用 耐火砖，约 85％的煤浆与氧气通过喷嘴射流进入 气化炉第一段，进行高温气化反应，一段出口的高 温气体中含量分别接近 20％；15％左右的煤浆从 气化炉第二段加入， 与一段的高温气体进行热质交 换，煤在高温下蒸发、热解，残碳与 CO2和 H2O 合成气去处理 陶瓷过滤器 细灰循环 二段 气化炉 一段 气化炉 煤浆 氧气 灰渣 耐火衬里 氧气 煤浆 火管锅炉火管锅炉 合成气去处理 陶瓷过滤器 细灰循环 煤浆 氧气 一段 气化炉 二段 气化炉 煤浆 氧气 耐火衬里 灰渣 图 2 E-Gas 气化炉示意图 进行吸热反应，可以使上段出口温度降低到 1040 ℃左右。1040 ℃的合成气通过一个火管锅炉（合 成气走管内）进行降温，降温后的合成气进入陶瓷 过滤器，分离灰渣，过滤器分离出的灰渣循环进入 气化炉一段。 1.3 Shell 和 Prenflo 气化技术 Shell 和 Prenflo 气化技术十分相似， 都是在 K-T 炉基础上发展起来的， 都是多喷嘴上行干煤粉气化， 水冷壁炉，冷煤气回炉激冷热煤气，煤气冷却都用 废热锅炉。其主要差别在废热锅炉的设置上，Shell 在经过桥管后在侧边设置， 而 Prenflo 在顶部。 这是 因为当初两家公司是一起合作开发的， 后来才分开。 其技术优势在于采用的是膜式水冷壁气化炉而非 耐火砖，使高温气化（1700 ℃）可行，所以原料选 择范围较宽，而且降低了运行成本。气化后产生的 煤气中 CO2含量低，有效气体（COH2）的体积分 数约 90，氧耗比水煤浆气化约低 10。膜式壁的 设计寿命据说至少为 25 年， 喷嘴寿命为 1 年。 其存 在的问题主要是投资大，设备造价过高，干燥、磨 煤、高压氮气及回炉激冷用合成气的加压所需功耗 较大，气化炉的压力低于 4.5 MPa，不能与后续过 程相衔接（如等压合成甲醇）等。从国内目前已经开 车的几家工厂运行情况看，Shell 粉煤气化装置要达 到长周期、满负荷运行还需要解决不少的工程问题。 1.4 GSP 气化技术 GSP 气化技术是单喷嘴下喷式干煤粉加压气 流床气化技术，根据煤气用途不同可直接水激冷， 如化工合成气用户；也可用废热锅炉回收热量产 生高压蒸汽，如 IGCC 发电用户。GSP 技术采用 了干煤粉进料、盘管式水冷壁，既扩大了煤种范 第 2 期 王辅臣等大型煤气化技术的研究与发展 175 围，又避开了耐火砖的麻烦。下喷的直接激冷使 其设备造价大幅度下降，流程简单，激冷后合成 气中的水蒸气也基本能满足后工段变换使用。 不少 我国煤化工界专家对本工艺寄予厚望。必须看到， GSP 气化技术在单炉能力和长期运行方面还存在 不足，目前已运行过的装置，其单炉能力只有 720 t/d，用于煤气化的运行记录也只有短短两年。国 内存在盲目引进的趋势。 2 国内煤气化技术的发展 2.1 国内煤气化技术的引进 1978 年后，随着经济的发展，国外不同的煤 气化技术先后引进到国内，目前有 60 台 GE （Texaco）气化技术在运转或建设，有 20 套 Shell 气化装置在建设（其中 7 套在试运转） ，与 GSP 签 订引进合同的有两家企业。 煤气化技术早期的引进 的确对我国经济的发展起到了推动作用， 但由于引 进的煤气化技术并不都是完善的技术， 而且重复引 进严重，已使我国成为国外气化技术的“试验场” 。 目前， 世界上只有我国使用如此众多种类的煤气化 技术， 许多盲目和不成熟的引进令我国付出了惨重 代价。 有许多的经验教训值得科技界和工程界总结 和吸取。 2.2 国内大型煤气化技术的研究与开发历程 国内煤气化技术的研发始于 20 世纪 50 年代 末， “文革”期间因动乱而中止。近 30 年来，在国 家的支持下，国内在研究与开发、消化引进技术方 面进行了大量工作，有代表性的是70 年代起西 北化工研究院研究开发水煤浆气化技术并建设了 中试装置，为此后鲁南、渭河、上海焦化、淮化等 4 家厂引进 Texaco 水煤浆气化技术提供了丰富的 经验；“九五” 期间就 “整体煤气化联合循环 （IGCC） 关键技术（含高温净化） ”立项，有十余个单位参 加攻关；1999 年科技部立项的国家 973 项目“煤 的热解、 气化及高温净化过程的基础研究” 已完成； 2004 年科技部立项 973 项目“大规模高效气流床 煤气化技术的基础研究” 。 “九五” 期间华东理工大学、 兖矿鲁南化肥厂、 中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项 目“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发” （22 吨煤/天装置） ，2000 年完成了中试装置的运转，通 过国家验收和鉴定。 华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化 学工程公司等共同承担国家“十五”科技攻关计划 课题“粉煤加压气化制备合成气新技术研究与开 发” 。2004 年完成了热壁式气化炉中试装置运行考 核。 2007 年完成了水冷壁式气化炉中试装置的运行 考核。该技术填补了国内空白，中试工艺指标达到 国际先进水平。 目前该技术的产业化已列入国家 “十 一五” 863 计划重点项目， 将在贵州建设单炉 1000 t/d 的工业示范装置。 “十五”期间，国电热工研究院等承担 863 计 划课题，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺 的开发，建设中试装置，并通过了科技部验收，在 国家“十一五”863 计划重大项目支持下正在建设 单炉 2000 t/d 的工业示范装置， 配套 200 MW IG CC 发电。中国科学院山西煤炭化学研究所在中试的基 础上进行了流化床氧气/蒸汽鼓风制合成气的工业 示范装置开发，烟煤处理能力为 100 t/d、常压，目 前已投入生产运转。清华大学建立了富氧气流床分 级煤气化实验装置。 2.3 多喷嘴对置式水煤浆气化技术的研究开发与 产业化[9 －11] 2.3.1 工艺原理 图 3 为多喷嘴对置式水煤浆气化工艺流程示 意图。包括 4 个工序，即磨煤制浆工序、多喷嘴对 置式水煤浆气化工序、合成气初步净化工序、含渣 水处理工序。鉴于水煤浆制备为成熟的工艺技术， 研究开发工作及主要的创新点主要集中在后面 3 个工序。 2.3.2 中试装置 华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化 学工程公司承担了国家重点科技攻关项目 “新型 （多 喷嘴对置）水煤浆气化炉开发” （22 t/d 装置） ，2000 年完成了中试装置的运转与考核，运行结果表明 有效气成分约 83， 比相同条件下的 Texaco 生产装 置高 1.5～2 个百分点；碳转化率＞98，比 Texaco 高 2～3 个百分点；比煤耗、比氧耗均比 Texaco 降 低 7。 2.3.3 商业示范装置的建设和运行 从 2002 年开始，先后在山东华鲁恒升化工有限 公司和兖矿集团国泰化工有限公司建设了两套多喷 嘴对置水煤浆气化技术的商业性示范装置， 示范装置 的建设得到了国家 863 计划和其它科技计划的支持。 （1）华鲁恒升公司示范装置 山东华鲁恒升化工有限公司示范装置气化压力 6.5 MPa、单炉日处理煤量 750 t，配套每年生产 30 万吨合成氨，气化装置由中国华陆工程公司设计， 化 工 进 展 2009 年第 28 卷 176 煤浆 煤 水 煤浆 氧气 氧气 气化炉 磨煤机 混合器 煤浆 煤浆泵 锁斗 渣 合成气 冷凝液 酸气 灰水 水洗塔 旋风分离器 蒸发热水塔 图 3 多喷嘴对置式水煤浆气化技术工艺流程 装置于2004年底建成，于2004年12月1日一次投 料成功。经过调整和优化，多喷嘴对置式水煤浆气 化炉于2005年6月初正式投入运行。 截至2006年7 月31日，装置已累计运行六千多个小时。目前装置 处于安全、稳定、长周期满负荷的运行状态。 （2）国泰化工有限公司示范装置 兖矿集团国泰化工有限公司示范装置包括两台 气化压力4.0 MPa、单炉日处理煤量1000 t的气化 装置，配套每年生产240 kt甲醇、由燃气轮机和蒸 汽轮机联合生产80 MW电力。 该气化装置于2005年10月16日一次投料成 功，10月17日打通全部工艺流程，生产出合格甲 醇。至今气化装置累计运行约6000 h，运转率约 90。工业运行证实，多喷嘴对置式水煤浆气化装 置具有如下优点该装置开车方便、操作灵活、 负荷增减自如，操作的方便程度优于引进的水煤 浆气化装置；自动化程度高，全部采用集散控制 系统（DCS）控制，特别是氧煤比投料自动串级 控制，气化炉操作简单方便；整个气化系统运行 状况稳定；工艺技术指标极为先进；洗涤冷却室 液位可控，无带水带灰现象发生；合成气中细灰 含量低；含渣水系统热回收效率高，灰水温度得 到最大程度提高。 （3）示范装置主要工艺指标 华鲁恒升化工有限公司气化装置采用神府煤， 国泰化工有限公司采用北宿精煤，两种煤的煤质分 析列于表1。气化炉出口合成气典型组成列于表2。 表 1 工业示范装置煤质分析结果 煤 种 神府煤 北宿精煤 Mad/ Ad/ Vd/ 固定碳/ 总硫/ 热值/kJkg －1 元素分析（质量分数）/ C H N O S Ash 6.98 4.56 30.58 64.87 0.43 30170 71.23 6.08 1.00 14.76 0.46 4.90 3.30 7.32 50.57 42.11 2.51 31059 74.73 5.13 1.20 8.77 2.60 7.57 气化装置 华鲁恒升 兖矿国泰 表 2 气化炉出口典型合成气组成（体积分数） 单位 气化装置 华鲁恒升 兖矿国泰 H2 CO CO2 H2S CH4 N2 其它 34.85 47.78 16.80 0.03 0.02 0.43 0.09 36.33 48.46 14.21 0.71 0.05 0.24 第 2 期 王辅臣等大型煤气化技术的研究与发展 177 表3给出了采用相同煤种时多喷嘴对置气化炉 与Texaco水煤浆气化炉主要工艺指标的比较。 从表 3中可见，同样采用北宿精煤的国泰化工有限公司 多喷嘴对置气化炉与鲁南化肥厂Texaco气化炉相 比，碳转化率提高3个百分点以上，比氧耗降低约 8％，比煤耗降低2～3％；同样采用神府煤的华 鲁恒升化工有限公司多喷嘴对置气化炉与上海焦化 厂Texaco气化炉相比， 碳转化率提高3个百分点以 上，比氧耗降低约2％，比煤耗降低约8％。工业运 行结果表明，多喷嘴对置气化炉工艺指标先进，运 行稳定可靠。 表 3 多喷嘴对置气化炉中试装置与 Texaco 水煤浆气化炉 工业装置工艺指标比较 项 目 多喷嘴对置气化炉 Texaco 气化炉 煤种 北宿精煤 神府煤 北宿精煤 神府煤 单炉生产能力/t 煤d －1 1000 750 400 500 操作压力/MPa 4.0 6.5 3.0 4.0 煤浆浓度/ 约 61 约 60 约 63 约 60 有效气成分（COH2）/ 约 85 约 83 82～83约 80 碳转化率/ ＞98 ＞98 约 95 约 95 比氧耗/m3O2[1000m3COH2] －1 约 309 约 400 约 336约 412 比煤耗/kg 煤[1000m3COH2] －1 约 535 约 581 约 547约 631 2.3.4 推广应用情况 该成果已被国内外同行广泛了解、认可，目前 在国内已推广到山东滕州凤凰甲醇、江苏灵谷合成 氨、江苏索普甲醇及乙酸、兖矿鲁南化肥厂改造、 兖矿国泰第三套气化炉、神华宁煤600 kt/a甲醇项 目、 宁波万华600 kt/a甲醇项目、 山东久泰1800 kt/a 甲醇项目、山东盛大600 kt/a甲醇项目、上海华谊 600 kt/a甲醇项目、 “十一五”863计划的兖矿榆林 百万吨/年煤制油和华电IGCC发电项目等12家企 业应用， 运转和在建的气化炉32台， 已签定合同的 十余台，合计日处理煤量约30 kt，占到国内大型煤 气化装置市场的1/3左右。在国外已与美国Valero 公司（世界500强、全球最大炼油企业）签定技术 许可合同，建设5台单炉日处理2500 t石油焦的气 化装置（表4） 。开创了我国大型化工成套技术第向 发达国家出口的先河。 2.4 多喷嘴对置式干煤粉加压气化技术的研究开 发与产业化[13 －14] 2.4.1 干煤粉气化中试装置的运行 2004年末，在华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂 表 4 多喷嘴对置气化炉推广应用情况 应用企业 台数 单炉能力 /td －1 产品规模 状态 兖矿国泰 3 1150 50 万吨甲醇/年 80MW 发电 运行 兖矿鲁南化肥厂1 1150 24 万吨甲醇/年 运行 华鲁恒升 1 750 30 万吨氨/年 运行 山东滕州凤凰 3 1500 60 万吨甲醇/年 2009 江苏灵谷 2 1800 45 万吨氨/年 2009 江苏索普 3 1500 60 万吨甲醇/年 2009 神华宁煤 3 2000 80 万吨甲醇/年 2009 宁波万华 3 1500 60 万吨甲醇/年 2009 山东久泰 6 2000 180 万吨甲醇/年签约 山东盛大 3 1500 60 万吨甲醇/年 2010 上海华谊（安徽）3 1500 60 万吨甲醇/年 2010 华电杭州半山 1 2200 200MW IGCC 2010 兖矿榆林 10 2000 100 万吨油/年 签约 （水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心）、 中国天 辰化学工程公司3家单位通力合作下， 建于兖矿鲁南 化肥厂的国内首套具有自主知识产权的粉煤加压气 化中试装置顺利通过72 h专家现场考核，率先在国 内展示了气流床粉煤加压气化技术的优越性能。 中试装置气化温度为1300～1400 ℃，气化压 力为2.0～3.0 MPa，根据一对喷嘴或4个喷嘴运行 情况不同，装置操作负荷可调范围较大，为15～45 吨煤/天。氧煤比主要操作范围为0.5～0.6 m3/kg， 蒸汽煤比操作范围为0～0.3 kg/kg。 2005年以二氧化碳为输送载气进行气流床粉 煤加压气化的中试装置的运行，运行数据当时在国 际上还未见报道。采用二氧化碳为输送载气后，合 成气中的氮气含量明显降低，这对于粉煤加压气化 技术更好地应用于生产甲醇、二甲醚、乙酸、烯烃、 F-T合成等具有重要意义。试验结果表明，该气化 技术的合成气中有效气成分较水煤浆气化高出6～ 10个百分点，而与Shell、GSP技术基本一致。 2007年， 在华东理工大学、 兖矿鲁南化肥厂 （水 煤浆气化及煤化工国家工程研究中心）、中国天辰 化学工程公司3家单位通力合作下，又完成了粉煤 加压气化中试装置（水冷壁式气化炉）顺利通过 72 h专家现场考核。 2.4.2 多喷嘴对置式干煤粉气化技术产业化进展 目前该技术的产业化已列入国家 “十一五”863 计划重点项目，将在贵州建设单炉1000 t/a的工业 化 工 进 展 2009 年第 28 卷 178 示范装置，配套生产合成氨，预计示范装置将于 2010年后开始运转。 2.5 TPRI 两段干煤粉气化炉开发与产业化进展[15] 无论Shell气化炉还是Prenflo气化炉，均采用 一段气化的方式，为了让高温煤气中携带的熔融态 灰渣凝固，以免煤气冷却器堵塞，都采取后续工段 冷煤气循环激冷， 将高温煤气冷却到900 ℃左右在 进煤气冷却器。激冷过程高位能量损失较大，为了 解决这一问题，借鉴E-Gas气化炉热化学法回收高 温煤气显热的原理，国电热工研究院提出了一种两 段式干煤粉气化工艺（TPRI气化工艺） 。 在国家“十五”863计划的支持下，该工艺于 2006年完成了45 t/d煤的中试装置运行，并通过了 科技部组织的验收。目前有中国华能集团投资，规 模2000 t/d煤的工业示范装置正在天津开发区建 设，配套250 MW IGCC电站。 2.6 国内外主要的气流床煤气化技术小结 国外已产业化或文献报道已完成中试的气流床 煤气化炉主要有K-T、Shell、Prenflo、GSP、Texaco、 E-Gas、Eagle 等技术。国内气流床煤气化炉主要有 多喷嘴对置气化技术和TPRI两段干煤粉气化技术， 其中多喷嘴对置水煤浆气化技术有3套（5台气化 炉）商业化装置在运转，多喷嘴对置干煤粉气化技 术已完成中试，产业化示范装置正在建设之中。表 1～表6列出了这些气化技术的基本特点及产业化 状态。不同气流床煤气化技术的特点见表5。 表 5 国内外主要气流床气化炉 气化工艺 气化炉组合方式 进料方式 流动方式 耐火衬里 合成气冷却方式 气化介质 运行状态 K-T Shell Prenflo GSP Texaco E-Gas Eagle TPRI 多喷嘴 1 段 1 段 1 段 1 段 1 段 2 段 2 段 2 段 干粉煤 干粉煤 干粉煤 干粉煤 水煤浆 水煤浆 干煤粉 干煤粉 水煤浆/ 干煤粉 上行 上行 上行 下行 下行 上行 上行 上行 下行 水夹套 水冷壁 水冷壁 水冷壁 耐火砖 耐火砖 水冷壁 水冷壁 耐火砖 水冷壁 合成气激冷 合成气激冷 合成气激冷 水激冷 水激冷 分级气化冷却 分级气化冷却 分级气化冷却 水激冷 水激冷 氧气 氧气/蒸汽 氧气/蒸汽 氧气/蒸汽 氧气 氧气 氧气 氧气/蒸汽 氧气 氧气/蒸汽 商业装置 商业装置 商业装置 商业装置 商业装置 商业装置 中试装置 中试装置 商业装置 中试装置 3 煤气化技术的发展趋势 3.1 煤气化技术发展面临的主要问题 （1）大型化是煤气化技术发展的首要问题 现代过程工业（化工、发电、多联产、制氢等） 发展的一个显著标志就是大型化、单系列，这就对 作为龙头的煤气化技术提出了更高的要求，必须向 大规模高效的方向发展。以煤间接液化为例，生产 规模为5000 kt/a的生产装置， 气化用煤在22 000～ 25000 kt/a，需3000 t/d的气化装置25台左右，需 求十分惊人。可见，大型化既是技术本身发展的要 求，也是相关行业发展的现实需要。 （2） 实现能量的高效转化与合理回收是煤气化 过程需要解决的迫切问题 煤气化是在高温下进行的，合理回收煤气高温 显热是提高煤气化整体效率的重要环节。特别是对 整体煤气化联合循环发电（IGCC）系统，合理高效 的能量回收可显著提高整体发电效率，降低发电成 本。相对与煤化工行业，发电用煤十分巨大，合理 回收高温煤气显热关系到煤气化技术能否在发电行 业立足，是必须要解决的迫切技术问题。 回收煤气显热的技术有两种，即激冷工艺和废 热锅炉工艺，前者特别适合于煤基化学品的生产， 后者更适合于IGCC发电。激冷工艺设备简单，投 资省，但能量回收效率低。废热锅炉热量回收效率 高，但设备庞大，投资巨大，以Shell技术为例，日 处理1000 t煤气化炉废热锅炉高达50余米， 投资1.5 亿元以上。因此开发新的热量回收技术势在必行。 （3） 提高煤种适应性是煤气化技术面临的复杂 问题 相对于石油和天然气，煤炭是一种结构非常复 杂、杂质（灰分、有害元素等）比较高的原料。原 料煤的性质（水分、挥发分、灰分、黏结性、化学 活性、成浆性能、灰熔点、成渣特性、力学强度和 第 2 期 王辅臣等大型煤气化技术的研究与发展 179 热稳定性等）都会影响气化结果。 煤气化技术从固定（移动）床到流化床，再到气 流床，一方面是适应大型化的要求， 更重要的是为了 拓展气化技术对煤种的适应性。 开发一种能够适应各 种煤种的气化技术一直是研发人员梦寐以求的愿望， 也是煤气化技术发展过程中必须解决的问题。 3.2 大型化的技术途径 由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，必 须在有限的设备尺寸上， 通过提高单位时间单位体积 的处理能力和处理效率实现大规模高效， 其途径只能 是提高温度、增加压力、强化混合。因此大规模高 效煤气化过程必须在极为苛刻的高温（1300～1700 ℃） 、高压（3.0～8.5 MPa）和多相流动条件下进行， 由此产生了一系列需要解决的技术问题。 气流床的特点决定了其有提高温度、 增加压力、 强化混合的最大潜力，是大型化的必选技术。已工 业化的煤气化技术主要有固定床、 流化床和气流床， 而目前规模1000t/d以上的煤气化装置均采用高压 气流床技术（表6） ，就是一个明显的例证，可见其 优势所在。 表 6 煤气化商业装置的规模及特点 炉型 代表性 专利商 规模 /td －1 特 点 固定床 Lurgi 500 煤种要求高、气化温度低、气体处理困难 流化床 HTW 840 煤种要求高、气化温度不够高、碳转化率低 气流床 Texaco Shell Prenflo 多喷嘴 2000 2000 2600 2200 高温、高压、碳转化率比较高（95左右） 3.3 高温煤气显热回收的技术途径 为了避免激冷工艺热效率不高，废热锅炉工艺 设备复杂，投资巨大的缺陷，提出了化学法回收高 温煤气显热的技术思想及工艺方案。 其基本原理是， 利用一段大型气流床水煤浆气化产生的高温煤气 （1300 ℃以上）中含有约20％H2O和约20％CO2 这一特点，将其通入二段固定床气化炉内与煤进行 如下反应 CH2OCOH2 CCO22CO 由于以上反应为吸热反应，从而可降低一段炉 出口的温度，有效回收气体显热。初步研究表明， 冷煤气效率与水煤浆气化相比可以提约8个百分点， 与Shell干煤粉气化相比可以提高约2个百分点。 3.4 提高煤种适应性的技术途径 最早的固定床只能用活性较高、挥发分较低的 无烟块煤，而且煤的灰熔点不可太低。流化床与固 定床相比，有了一定的进步，活性较好的其它煤种 也可适应，但煤的灰熔点同样不可太低。由于固定 床和流化床气化温度较低，煤中的碳转化率一般都 低于90％， 而他们的特点也决定了难以大幅度提高 气化压力，大型化有一定的困难。与固定床和流化 床相比，气流床由于气化温度、压力显著高，煤种 适应性上进一步拓宽，特别是一些低活性的煤种也 可作为气化原料，单炉日处理能力大幅度增加。 已经工业化的气流床气化炉从原料路线上讲， 有水煤浆和干煤粉之分；从气化炉内部结构上讲， 有耐火砖和水冷壁之分。水煤浆气化要求煤种的制 浆性能要好（煤浆浓度不低于60％） ，耐火砖结构 要求煤的灰熔点要低（一般不大于1400 ℃） 。相比 较而言，干煤粉气化没有成浆性能的限制，水冷壁 结构可适应灰熔点高达1600～1700 ℃的煤种。因 此从煤种适应性而言，以粉煤为原料、水冷壁式耐 火衬里的气化技术最有前景。 拓宽煤种适应性的主要技术途径就是开发水冷 壁式气化炉。使其既可用于水煤浆气化也可用于干 煤粉气化。这样如果后系统为化工合成就选用水煤 浆原料的水冷壁气化炉 （更亦加压） ， 如果用于发电 就选用干煤粉原料的水冷壁气化炉（压力要求相对 较低） 。 参 考 文 献 [1] Cornils B， Hibbel J， Ruprecht P， et al. 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