文/李東周

《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》將煤氣化技術列為重要研究方向?！?73”計劃項目首席科學家、華東理工大學教授王輔臣指出，煤的燃燒以利用其熱量為主，污染控制困難；煤氣化則是利用其中的碳、氫等元素，實現(xiàn)能量梯級利用，污染控制相對容易。煤氣化技術一是做合成氣，這是現(xiàn)代煤化工的基礎；二是制氫氣，目前中石化、中石油的很多煉廠都改用煤制氫，以降低成本；三是作為燃氣，用于工業(yè)、民用、IGCC發(fā)電等；四是用于還原煉鋼（鐵）。

“老”技術 煤氣化獨挑大梁

技術現(xiàn)狀——競相發(fā)展

近10年來，我國煤氣化技術開發(fā)明顯加快，相繼開發(fā)成功清華氣化爐、多噴嘴對置式水煤漿氣化爐、航天加壓粉煤氣化爐、兩段式干粉煤氣化爐以及灰熔聚流化床粉煤氣化爐等煤氣化技術，形成了與國外技術競相發(fā)展的局面。

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐采用四噴嘴對置設計，不存在短路物流現(xiàn)象，高效節(jié)能、碳轉化率高等優(yōu)點。

清華水冷壁氣化爐:解決了水煤漿氣化技術的煤種限制和高能耗點火問題，具有氣化爐操作溫度不再受耐火磚的限制，可以使用灰熔點更高的煤作為原料，煤種適應性更寬，覆蓋了褐煤、煙煤到無煙煤全煤階。

兩段式干煤粉加壓氣化爐創(chuàng)新采用兩室兩段多噴嘴反應、分級氣化，有效氣含量可達90%以上，碳轉化率可達99%，而且煤種適應性好。

HT-L航天粉煤加壓氣化爐:匯集了水煤漿及粉煤氣化技術的優(yōu)點，有效氣含量可達90%以上，碳轉化可達99%，單位氧耗低，對煤種要求低，而且設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

灰熔聚流化床粉煤氣化爐已先后完成系列中試、低壓工業(yè)應用，并邁向加壓技術示范。該工藝為解決劣質無煙煤氣化難題提供了新的技術路徑，達到國際領先水平。

發(fā)展趨勢——裝置大型化

王輔臣指出，裝置大型化是煤氣化技術發(fā)展的主要趨勢，也是相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。氣流床技術符合裝置大型化的要求，碳轉化率較高，目前這方面展最多。

“相關技術發(fā)展也需要大型煤氣化技術?！彼e例說，對一個500萬噸／年的煤間接液化制油裝置，按每年需2500萬噸原料煤計算，則需3000噸／天的氣化裝置25臺左右。假如煤氣化裝置規(guī)模小，則所需裝置數(shù)量多，操作、管理也很麻煩。

他同時指出，拓展原料適應性是大型煤氣化技術發(fā)展的內在要求，掌握煤氣化過程中污染物的遷移轉化機理、實現(xiàn)煤氣化技術的近零排放也是必然要求。尤其是微量有害元素（如鎘、汞等）的影響不容忽視，如一些地方的煤進對爐壁的腐蝕十分嚴重，需要花費極大的精力和時間去解決。

王輔臣表示，煤種適應性強、氣化指標先進，氣化爐與噴嘴壽命長、氣化爐啟動迅速的煤氣化技術，是市場迫切需要的。

對于正在開發(fā)的一些新的煤氣化技術，王輔臣認為從長遠來看前景不錯，但目前還需要做很多工作。例如，對地下煤氣化技術就有兩個必須解決的問題：一是如何實現(xiàn)穩(wěn)定控制，二是如何監(jiān)控、控制煤焦油對環(huán)境（水）的影響。而對催化氣化技術，如何開發(fā)廉價催化劑、如何與合成天然氣耦合則是兩個不可忽視的問題。

選擇依據(jù)——五大原則

王輔臣認為，目前煤氣化技術的選擇要堅持先進性、適應性、可靠性、環(huán)保性原則，同時要注意知識產(chǎn)權保護。

·先進性原則 王輔臣表示，技術的先進性體現(xiàn)在產(chǎn)品質量性能、工藝水平和裝備水平等方面。現(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展的重要趨勢就是大型化、單系列，煤氣化技術也不例外，大型化是先進性的重要標志之一。他說：“從大型化角度看，氣流床有優(yōu)勢，從氣流床本身的大型化看，多噴嘴比單噴嘴有優(yōu)勢?！?/p>

·適應性原則 王輔臣說，適應性原則表現(xiàn)在兩個方面，一是對原料煤的適應性，什么樣的煤就選擇什么樣的氣化技術；二是與下游裝置的配套性，做不同的產(chǎn)品選擇的氣化技術也不同。

·可靠性原則 可靠性的體現(xiàn)是氣化裝置能夠安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷運行。王輔臣表示，一般應該采用已經(jīng)充分驗證并有商業(yè)化運行業(yè)績的技術。當然對于新技術、新工藝，也要在充分試驗成功的基礎上大膽采用，但前提是對可能的風險要有分析和應對措施。對于尚在試驗階段的新工藝、新設備等，則要采取積極和慎重的態(tài)度。

·環(huán)保性原則 煤的固有特性決定了煤氣化過程會產(chǎn)生廢渣、廢水和廢氣，有些處理難度比較大。因此王輔臣建議企業(yè)在選擇煤氣化技術時還要結合當?shù)氐沫h(huán)境狀況（如水資源、大氣污染物的環(huán)境容量），選擇清潔高效的煤氣化技術，保證清潔生產(chǎn)。

·知識產(chǎn)權安全原則 要注意保護工藝技術來源和所有者的權益?！皩τ趯＠夹g則要研究其產(chǎn)權問題，包括其使用范圍和有效期限。不要為了貪圖小利而侵犯別人的知識產(chǎn)權。”王輔臣提醒說。

清華大學熱能工程系教授張建勝也指出，煤氣化氣化爐技術的選擇必須考慮投資、可靠性、可用率、運行成本、環(huán)保、全流程能耗等各個要素。企業(yè)在應用煤氣化技術時，應選擇經(jīng)過實際生產(chǎn)檢驗、有較好的的工業(yè)化業(yè)績和運行經(jīng)驗，能達到長周期穩(wěn)定運行，成熟可靠的技術，在此前提下再考慮先進性。如果不能長周期穩(wěn)定運行，就失去先進性的意義，經(jīng)濟性也就無從談起。

“新”技術 火花相繼迸射

褐煤提質與制油新思路：水介質合成氣加氫液化

褐煤因其含水量高、熱值較低且熱穩(wěn)定性較差，曾被貼上“劣質煤”的標簽。然而，世界褐煤儲量約為4萬億噸，占煤炭總儲量40%以上；我國褐煤已探明儲量約為1900億噸，占我國煤炭總儲量的15%～20%，且分布相對集中，如能實現(xiàn)褐煤的有效利用，則必將為中國“能源夢”和“化工夢”的實現(xiàn)打下厚實的基礎。

華東理工大學能源化工系教授張德祥應用非蒸發(fā)式褐煤水熱處理工藝，開發(fā)了一種褐煤水介質合成氣加氫液化新技術，為褐煤提質與制油引出新思路。

褐煤中含氧量高達20%左右，主要基團為羧基和羥基，容易被氧化，可使煤的燃點和粘結性顯著下降。氧碳原子比高，對煤液化時氫耗、轉化率和油產(chǎn)率都產(chǎn)生負面影響。傳統(tǒng)的煤液化需要將煤中水分干燥到2.5%以下，此過程會消耗大量能源。

張德祥團隊研究人員將煤樣／水按5∶3混合，在300℃高壓反應釜中采用非蒸發(fā)式水熱處理煤，使煤中水分以液態(tài)水析出，能耗低，且煤中揮發(fā)分含量明顯降低。

元素分析表明，處理后的煤與原煤相比，碳元素含量增大，氧元素含量有所減少，可知水熱處理對原煤具有脫氧提質效果。處理后的煤樣經(jīng)熱解得到的煤焦油，產(chǎn)率較原煤熱解的提高了14%左右。

同時，研究人員直接將新采褐煤濕磨制成水煤漿，用水煤漿替代油煤漿，用一氧化碳或合成氣取代純氫氣。高活性新氫生成提高了加氫反應速率，獲得較高的液體產(chǎn)品收率，降低了液化成本，取得了褐煤直接加氫液化技術的新突破。

該優(yōu)化集成的褐煤水介質合成氣加氫液化新技術，實現(xiàn)了低氫耗、低能耗、低成本和高產(chǎn)油率。

煤氣化聯(lián)產(chǎn)新系統(tǒng)：適度氣化實現(xiàn)氣固兼用

大連理工大學教授張巖提出了一種可聯(lián)產(chǎn)活性炭的適度煤氣化新思路，可應用于IGCC系統(tǒng)或以生產(chǎn)合成氣為目的的煤氣化系統(tǒng)，聯(lián)產(chǎn)活性炭可用于電廠及城鎮(zhèn)給水凈化、各種廢水深度處理以及燃煤電廠煙氣脫汞等。

傳統(tǒng)的煤氣化聯(lián)產(chǎn)技術基于煤的完全氣化，利用煤氣產(chǎn)品，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)液體燃料和化學品合成等?？偨Y目前已經(jīng)商業(yè)化的幾種大規(guī)模煤氣化爐特性，可以發(fā)現(xiàn)其共同特點是都以煤的完全氣化為目標，追求碳轉化率的最大化（可達99%甚至更高）。然而，張巖認為，碳轉化率的最大化未必就意味著能夠實現(xiàn)能源效率的最優(yōu)化，過度追求高碳化率可能導致高能耗和低回報。

張巖以日本剛剛開發(fā)的CCP兩段式空氣氣化技術舉例：其冷煤氣效率隨著碳轉化率的增加而降低，達到一定程度時就導致發(fā)電效率降低。雖然該技術碳轉化率高達99.9%，但其冷煤氣效率只有70%～75%。他介紹說，氣化反應后期，當氣化溫度一定的時候，單純延長反應時間對提高碳轉化率是沒有幫助的，只能通過增加氧煤比或者提高反應溫度。

張巖提出了對煤進行適度氣化的新思路，通過過程優(yōu)化和系統(tǒng)集成，實現(xiàn)氣固兼用，構建以生產(chǎn)低中熱值煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或化學品合成為主干，聯(lián)產(chǎn)高附加值活性炭產(chǎn)品的煤電化工及環(huán)境材料生產(chǎn)一體化的新型煤氣化聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型。

經(jīng)實驗測算，預計煤氣化效率將低于傳統(tǒng)煤氣化技術1～3個百分點，煤氣熱值在1000～2000kcal/Nm3，基于250MW聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)估算，活性炭生產(chǎn)規(guī)模將大于3萬噸／年，生產(chǎn)成本預計低于500元／噸。此外，該技術環(huán)境效益顯著，可實現(xiàn)活性炭生產(chǎn)過程的近零排放；同時活性炭成本降低，將間接降低水體凈化的環(huán)保治理成本。然而，該技術目前尚處于實驗室階段，只能用來生產(chǎn)低中檔產(chǎn)品，且煤種適應性較窄。

活性炭是環(huán)保的有效產(chǎn)品，但其生產(chǎn)本身又是高能耗、高污染的過程。聯(lián)產(chǎn)法活性炭沒有這些缺陷，同時對部分類型污水（如腐殖酸廢水）的凈化效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

近年來，活性炭的應用領域不斷擴大，不僅在石油、化工、冶金、食品等行業(yè)中應用廣泛，而且在環(huán)境保護、控制污染等方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。

高效清潔利用新方法：讓火焰在超臨界水中閃耀

西安交通大學能源與動力工程學院教授王樹眾認為，對煤的高效清潔利用并非沒有辦法，現(xiàn)有技術完全可以實現(xiàn)，只是成本太高。他舉例說，就現(xiàn)有技術而言，要控制二氧化碳排放，就會使電廠發(fā)電效率下降10%，經(jīng)濟性很差；而要實現(xiàn)脫硫脫硝，一年就要花費900億～1000億元?！坝袥]有一種技術，不采用復雜的末端控制，而在煤的轉化利用過程本身就不生成硫氧化物、氮氧化物和飛灰，同時能夠控制二氧化碳排放呢？”他提出了這樣的問題。

超臨界水可能成為解決這一問題的“鑰匙”。

當氣壓和溫度達到臨界點( 22.05MPa，374.3℃)時，因高溫而膨脹的水和因高壓而被壓縮的水蒸氣會形成一種特殊形態(tài)——超臨界水(SCW)。此時水的液態(tài)和氣態(tài)沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。據(jù)王樹眾介紹，超臨界水的密度、黏度、離子積和介電常數(shù)均明顯下降；其擴散系數(shù)較高，約是常溫常壓下水的100倍，傳質性能好；與非極性氣體和烴類物質安全互溶，而對無機鹽幾乎不溶解。

王樹眾說，目前電廠中應用的超臨界機組和超超臨界機組均利用了超臨界水的這一特點，但并沒有利用好超臨界水的其他特有性質。他研究的煤的超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng)恰恰利用了這些特點。

“超臨界水氣化、超臨界水氧化、超臨界水熱燃燒這是三個需要講清楚的概念?！蓖鯓浔娊忉屨f，超臨界水氣化利用超臨界水的特殊性質，不加入氧化劑，將反應物加入超臨界水反應器內進行熱解氣化反應，制取高熱值氣體如氫氣、甲烷等。該技術的優(yōu)勢在于不生成焦炭，不產(chǎn)生污染性氣體。高溫氣化會產(chǎn)生硫化氫，而在超臨界水中，硫以離子的形式存在。超臨界水氣化的發(fā)展方向是耦合其他技術，或者添加催化劑。

超臨界水氧化則是指使有機物、煤及氧化劑完全混溶于水中，有機物將被氧化分解為小分子物質，通常為二氧化碳和水；雜原子（氯、硫、磷）則被轉化為對應的無機酸根；廢水中的陽離子和酸根離子一起形成無機鹽或氧化物。雜原子都變成了鹽，而鹽在超臨界水中的溶解度極低。

超臨界水熱燃燒與常見燃燒現(xiàn)象類似，反應燃料在水熱燃燒反應器內著火并形成“水火相容”的水熱火焰。這也是一個氧化反應，但在水中帶有火焰。而超臨界水氧化通常不產(chǎn)生火焰。

據(jù)王樹眾介紹，煤在超臨界水熱燃燒后，硫轉化為硫酸鹽的形式，氮形成氮氣，沒有二氧化硫和氮氧化物的排放。因為煤在超臨界水中的存在類似水煤漿，燃燒后不會形成飛灰，只會形成泥渣。所以，該技術本身不會產(chǎn)生硫氧化物、氮氧化物和飛灰，更加不會形成PM2.5，且只需要一個簡單的脫泥渣過程。同時，因為二氧化碳完全溶于超臨界水中，且在獲取能量的過程中，也不需要復雜的控制技術。

超臨界水熱燃燒技術特別適于能源的潔凈燃燒及能量的高效回收，其優(yōu)勢十分明顯，燃料在極短的時間內即可燃盡，燃燒啟動溫度低，解決了鹽沉積和腐蝕問題，反應器內的能量密度大，能量回收效率高。

王樹眾表示，雖然超臨界水氣化技術對有機物、生物質等比較適用，但對煤而言效果不佳，整個過程能量轉化效率仍然很低，所以，需要與水熱燃燒技術相耦合。

固相產(chǎn)物（半焦）超臨界水熱燃燒試驗結果表明，顆粒表面溫度高于1090K，傳質過程是氧化燃燒的控制步驟時，半焦顆粒才可能迅速燃盡。對于毫米級的半焦，完全燃盡的時間在5～7分鐘，低于微米級的半焦顆粒，4～7秒內完全燃燒，反應溫度比目前氣化爐溫度要低得多。

王樹眾說，應用該技術構建一個超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達53%，有望成為煤高效清潔利用的一條新途徑。