戴厚良，何祚云

（1.中國石油化工集團(tuán)公司，北京100728；2.中國石化長城能源化工有限公司）

20世紀(jì)末期以來居高不下的原油價(jià)格，大力推動(dòng)了國內(nèi)外企業(yè)對煤化工技術(shù)的研發(fā)，特別是由于中國“貧油、少氣、多煤”的資源稟賦特點(diǎn)，使新型煤化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在中國取得了突破性的進(jìn)展。相對于傳統(tǒng)的煤焦化、煤制電石和煤制合成氨工業(yè)，新型煤化工是以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使其轉(zhuǎn)化成燃料和化學(xué)品的過程工業(yè)。煤化工技術(shù)主要包括煤的氣化、合成氣的加工和以甲醇為原料的下游產(chǎn)品生產(chǎn)。其中煤氣化技術(shù)是新型煤化工行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在一個(gè)具體項(xiàng)目中起龍頭作用。與石油相比，煤有更加非均質(zhì)化的特點(diǎn)，加上煤氣化過程具有以固相為主及氣固液三相共存的特點(diǎn)，因而煤氣化技術(shù)非常復(fù)雜。在技術(shù)選擇時(shí)往往根據(jù)加工煤種和產(chǎn)品需求，確定氣化技術(shù)的類型。本文力求對各種氣化的技術(shù)特點(diǎn)及適用性進(jìn)行分析。

煤的氣化技術(shù)分類方法較多。按床型可分為固定床、流化床和氣流床；按進(jìn)料方式可分為水煤漿、干粉煤和塊（碎）煤；按爐壁保護(hù)方式可分為水冷壁、保溫磚和混合保溫（水冷壁加保溫磚）；按合成氣的冷卻和熱量的回收流程可分為激冷、全廢鍋和半廢鍋流程；按燒嘴布置劃分可分為單燒嘴和多燒嘴技術(shù)；按氣化溫度又分為高溫氣化和低溫氣化；按氣化壓力又分為高壓、低壓和常壓氣化。以下主要按床層分類對氣化技術(shù)進(jìn)行描述，只對工業(yè)化最多的兩類氣化技術(shù)固定床技術(shù)和氣流床技術(shù)進(jìn)行分析。表1描述了各種氣化技術(shù)分類的關(guān)系。

表1 各種氣化技術(shù)分類的關(guān)系

1 氣流床氣化技術(shù)

煤粉或水煤漿與過熱氣化劑通過特殊噴嘴高速同向或并流噴入氣化爐內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)完成升溫、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程。高溫下，氣化劑與煤的有機(jī)物分子、熱解產(chǎn)物和終極產(chǎn)物（H2和CO、CO2）以發(fā)生燃燒反應(yīng)為主，在氧氣消耗之后氣化產(chǎn)物發(fā)生碳的各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)，最終形成以CO和H2為主要成分的合成氣。煤的灰分同時(shí)發(fā)生復(fù)雜的無機(jī)化學(xué)反應(yīng)，最后以熔渣態(tài)出爐。氣流床氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工氣化的主流技術(shù)之一，相比固態(tài)排渣固定床和流化床氣化技術(shù)，特點(diǎn)如下：原料煤由氣化劑夾帶入爐并進(jìn)行燃燒和氣化，停留時(shí)間短，因此入爐煤的粒度要?。叫∮?.1mm），保證煤與氣化劑充分接觸并在高溫下快速反應(yīng)；氣化溫度高，火焰中心溫度高達(dá)2 000℃，采用液態(tài)排渣，系統(tǒng)排出的灰渣含碳量低，不造成二次污染；氣化污水不含焦油和酚等，容易處理。

國內(nèi)外開發(fā)的氣流床技術(shù)較多，包括水煤漿和粉煤氣流床技術(shù)。比較先進(jìn)且具有較多工業(yè)化業(yè)績及應(yīng)用前景的技術(shù)如下：粉煤氣流床技術(shù)有殼牌公司的SCGP技術(shù)、中國航天科工集團(tuán)的HT技術(shù)、同源于前德國燃料研究所的西門子公司GSP技術(shù)和科林公司的CCG技術(shù)、中國石化SE東方爐氣化技術(shù)；水煤漿氣流床技術(shù)有GE公司氣化技術(shù)、華東理工大學(xué)開發(fā)的對置多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、清華大學(xué)開發(fā)的水冷壁水煤漿氣化技術(shù)和美國DOW化學(xué)公司開發(fā)的E－gas氣化技術(shù)。

1.1 粉煤氣化技術(shù)

粉煤氣流床氣化特點(diǎn)是：對煤的灰熔點(diǎn)適應(yīng)范圍寬，可通過煤的混配提供合適的氣化用煤。相對于水煤漿，爐內(nèi)給煤的不穩(wěn)定是其缺點(diǎn)之一。由于爐體采用水冷壁方式，對煤的黏溫特性有要求。

粉煤氣化溫度高，碳轉(zhuǎn)化率高；產(chǎn)品中氣體甲烷含量極少，不含焦油和酚，有效氣組分（CO＋H2）體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%。與水煤漿氣化工藝相比，氧耗低15%～25%，可降低配套空氣分離裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用；熱效率高，煤氣化的冷煤氣效率可以達(dá)到80%～83%，其余約15%副產(chǎn)高壓或中壓蒸汽，總熱效率高達(dá)98%。表2是實(shí)際工業(yè)運(yùn)行的幾種粉煤氣流床氣化技術(shù)的特點(diǎn)比較。

表2 幾種典型粉煤氣流床氣化技術(shù)的比較

我國已有19家企業(yè)使用了殼牌公司氣化爐（殼牌爐），其操作的運(yùn)行周期越來越長。影響長周期運(yùn)行的爐內(nèi)部問題主要集中在氣化爐燒嘴隔焰罩泄漏造成堵渣、渣口和渣池堵塞、高溫高壓陶瓷過濾器元件破損、入口三通腐蝕和磨蝕、過濾器堵塞等方面；合成氣冷卻器十字架積灰、積灰超溫以及對后工序影響。根據(jù)多廠長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采取對煤燒嘴更好的保護(hù)措施，保持煤粉輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定，通過對煤質(zhì)的認(rèn)真分析和采用配煤技術(shù)，使氣化爐運(yùn)行周期越來越長，一般運(yùn)行周期能達(dá)到100天以上，如果控制好煤的質(zhì)量指標(biāo)如灰熔點(diǎn)、灰分等，有的裝置B級(jí)運(yùn)行周期達(dá)到了300天。

殼牌爐的最大特點(diǎn)是設(shè)有4～6個(gè)燒嘴，且在爐體內(nèi)呈切圓式分布，火焰分布好。優(yōu)點(diǎn)一是氣化溫度可以很高，煤的轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.8%；二是多燒嘴使生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)更為靈活，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為40%～100%；三是煤燒嘴設(shè)計(jì)壽命為8 000h，保證了氣化裝置能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行；四是其大型化的可能性比單噴嘴要高。

殼牌爐的缺點(diǎn)主要是采用廢鍋流程，因而系統(tǒng)復(fù)雜，氣體系統(tǒng)易堵，單爐系統(tǒng)投資大。而這種投資對于需要大量低溫蒸汽進(jìn)行變換的制氫、合成氨及天然氣項(xiàng)目必要性不大，系統(tǒng)的能效沒有明顯高于簡單的激冷流程。因而現(xiàn)在更多煤化工項(xiàng)目選用粉煤氣化時(shí)采用激冷流程，殼牌公司也正在開發(fā)激冷流程的煤氣化工藝。

除殼牌公司粉煤氣化技術(shù)外，HT、GSP和CCG技術(shù)在國內(nèi)都取得了大規(guī)模爐型的商業(yè)化成功。在過去HT技術(shù)750t/d氣化爐成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，開發(fā)的1 500t/d粉煤氣化爐4臺(tái)在河南開封晉開集團(tuán)化工公司、1臺(tái)在山東瑞星集團(tuán)都已經(jīng)工業(yè)化運(yùn)行。GSP技術(shù)5臺(tái)1 800t/d氣化爐在寧夏神華寧煤項(xiàng)目上取得了成功，單爐連續(xù)運(yùn)行最長達(dá)到95天，各爐平均運(yùn)行達(dá)到70天左右。CCG技術(shù)在貴州兗礦貴州開陽化工有限公司2臺(tái)1 200t/d氣化爐也取得了工業(yè)化的成功運(yùn)行。不同于殼牌公司技術(shù)，這3種技術(shù)都是使用激冷流程，從裝置建成投產(chǎn)到工業(yè)化運(yùn)行所用時(shí)間較短。3種氣化技術(shù)由于采取的燒嘴技術(shù)和流場分布以及給煤的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)差異，目前對煤的灰熔點(diǎn)、灰分的適應(yīng)性以及碳的轉(zhuǎn)化率、灰渣比有較大差異。就目前而言，由于CCG技術(shù)的多噴嘴設(shè)計(jì)，氣化最高溫度區(qū)火焰區(qū)竄流少，可以在較高溫度下運(yùn)行，加上改進(jìn)的飛灰處理系統(tǒng)，氣化爐能處理灰熔點(diǎn)在1 400℃、灰分達(dá)到25%以上的煤種，而且碳的轉(zhuǎn)化率較高，灰渣比低于4∶6，比較適用于灰熔點(diǎn)和灰分高的“兩高”煤，而其它粉煤氣化技術(shù)則對“兩高”煤不適應(yīng)且沒有實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。分析原因主要是由于CCG技術(shù)的多噴嘴設(shè)計(jì)帶來的好處。

中國石化和華東理工大學(xué)開發(fā)的東方爐屬于頂置式單噴嘴技術(shù)。但其噴嘴結(jié)構(gòu)做了較大改動(dòng)，噴嘴的外層為氣化劑，內(nèi)層為粉煤，形成氣包煤的物流直噴進(jìn)入爐內(nèi)，按照冷模和熱模試驗(yàn)，氣包煤流更易彌散且直噴不產(chǎn)生上竄火焰，便于提高氣化溫度。爐體再匹配較高的長徑比，理論上可以適應(yīng)高灰熔點(diǎn)和高灰煤，目前在中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司建設(shè)的1 000t/d的示范爐已具備開工條件。

1.2 水煤漿氣化技術(shù)

水煤漿氣流床氣化對煤質(zhì)的要求是成漿性好，成漿濃度一般大于60%，煤的灰熔點(diǎn)不能太高。氣化工藝特點(diǎn)是：爐體內(nèi)給煤比較穩(wěn)定，由于需要對煤漿進(jìn)行高速霧化，需要頻繁更換燒嘴，爐壁采用的保溫磚也要定期更換。

常規(guī)水煤漿氣化溫度相比粉煤氣化溫度低，合成氣中有效成分（CO＋H2）體積分?jǐn)?shù)低10百分點(diǎn)，氧耗高20%左右。雖然可以提高氣化壓力以及由于較高的氫含量需要的變換能耗少，但總能效仍然低于粉煤氣化。表3為目前實(shí)際工業(yè)運(yùn)行的幾種典型水煤漿氣流床氣化技術(shù)的比較。

表3 幾種典型水煤漿氣流床氣化技術(shù)的比較

GE公司水煤漿氣化技術(shù)是在國內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用最早使用業(yè)績最多的氣化技術(shù)。迄今在國內(nèi)已有178臺(tái)氣化爐投入運(yùn)行。相比其它的水煤漿氣化技術(shù)，該技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：一是開發(fā)和推出6.5MPa、直徑3.8m大型激冷氣化爐技術(shù)。其投煤量（干基）達(dá)到3 000t/d，產(chǎn)氣量達(dá)到21×104m3/h。該大型激冷＋廢鍋或輻射廢鍋流程氣化爐已經(jīng)在美國有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不過其生產(chǎn)的合成氣主要是與IGCC發(fā)電相配套，目前美國有6臺(tái)大型激冷無廢鍋氣化爐正在設(shè)計(jì)和建造中。相對現(xiàn)有直徑3.2m氣化爐，產(chǎn)氣量可提高67%，投資只需增加23%。二是把用于IGCC的激冷＋輻射廢鍋氣化爐（半廢鍋流程）技術(shù)應(yīng)用到煤化工項(xiàng)目上，氣化室和激冷室中間增加了輻射廢鍋。對于1.80Mt/a甲醇項(xiàng)目，氣化爐直徑3.8m、壓力6.5MPa、干基投煤量2 400t/d、有效氣產(chǎn)量為14×104m3/h，采用半廢鍋流程能效可提高5百分點(diǎn)。美國Duke電廠為IGCC配套的兩臺(tái)上述尺寸鍋爐2012年12月投產(chǎn)。以上技術(shù)用于煤化工方面還沒有工業(yè)裝置，需要驗(yàn)證其與化工裝置的匹配性和穩(wěn)定性能。

我國通過“七五”、“八五”和“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)，成功地開發(fā)出高水平的水煤漿氣化技術(shù)，如多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)、多元料漿新型煤氣化技術(shù)、水冷壁水煤漿氣化技術(shù)等，都已建成了工業(yè)化裝置。

由華東理工大學(xué)、原魯南化肥廠和原化工部第一設(shè)計(jì)院聯(lián)合開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐于2000年6月在兗礦魯南化肥廠建成了22t/d的中試裝置。新型氣化爐為四噴嘴對置結(jié)構(gòu)，煤漿以撞擊式射流形式，強(qiáng)化了熱質(zhì)傳遞過程，有利于進(jìn)行氣化反應(yīng)和延長耐火磚的使用壽命。目前運(yùn)行和協(xié)議許可使用的有38個(gè)項(xiàng)目95臺(tái)氣化爐，并向美國Valero能源公司進(jìn)行了許可。對置式多噴嘴和高的爐體長徑比設(shè)計(jì)，與其它單噴嘴技術(shù)相比，煤的氣化更加充分，氣體有效成分高，灰渣含碳量低，煤的轉(zhuǎn)化率高。

清華大學(xué)在開發(fā)兩段分級(jí)水煤漿氣化技術(shù)之后，開發(fā)了水煤漿水冷壁氣化技術(shù)。它整合了現(xiàn)有水煤漿保溫磚和干粉水冷壁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。水冷壁水煤漿技術(shù)不需要換保溫磚，提高了單爐的運(yùn)行周期，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和現(xiàn)場管理的難度，氣化溫度不受耐火材料限制，可以提高氣化溫度的操作窗口。理論上適用于高灰熔點(diǎn)煤，但提高氣化溫度后，由于大量的水存在使得能源效率有較大幅度的降低，氣化溫度提高100℃，預(yù)計(jì)能源效率降低3～4百分點(diǎn)。如果能開發(fā)出帶廢鍋流程的水冷壁水煤漿技術(shù)，就可以真正解決水冷壁水煤漿適應(yīng)高灰熔點(diǎn)煤氣化的經(jīng)濟(jì)性和能源轉(zhuǎn)化效率問題。目前有1臺(tái)氣化爐（直徑2.8m，壓力4.0 MPa，產(chǎn)氣量為3.8×104m3/h）在山西陽煤豐喜肥業(yè)集團(tuán)臨猗分公司成功運(yùn)行。已有十多個(gè)項(xiàng)目欲采用水冷壁水煤漿氣化技術(shù)。

由美國DOW化學(xué)公司開發(fā)的E－Gas氣化技術(shù)為兩段式水煤漿氣化技術(shù)，氣化爐呈倒T字型，爐內(nèi)襯耐火磚，約85%的水煤漿與氧氣通過噴嘴射流進(jìn)入氣化爐一段（水平段），進(jìn)行高溫氣化反應(yīng)；約15%的水煤漿從氣化爐二段（垂直段）進(jìn)入，與一段產(chǎn)生的高溫氣體（約1 400℃）發(fā)生氣化反應(yīng)，并使合成氣降溫至1 040℃左右。合成氣經(jīng)火管式對流冷卻器降溫后（約400℃）進(jìn)入干灰過濾器，分離出的干灰循環(huán)進(jìn)入氣化爐一段繼續(xù)反應(yīng)。通過兩段氣化反應(yīng)可充分轉(zhuǎn)換利用煤中的碳，降低煤耗和氧耗；采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)和分置的火管式合成氣冷卻器，降低了氣化單元造價(jià)和安裝難度；與其它水煤漿氣化技術(shù)相比，合成氣中甲烷含量較高（體積分?jǐn)?shù)約1.5%～4%），是較適合于煤制天然氣（SNG）項(xiàng)目的水煤漿氣化技術(shù)。但E－Gas氣化爐水平段與垂直段交接處難以承受高壓，一般氣化壓力僅能達(dá)到3.0MPa，對提高能源轉(zhuǎn)化效率不利。

20世紀(jì)80—90年代采用E－Gas技術(shù)分別在美國建設(shè)了單爐投煤量1 600t/d和2 500t/d的氣化裝置，并配套IGCC電站。近年來該技術(shù)在印度、韓國和中國都有許可，氣化爐最大投煤量可達(dá)3 000t/d以上。

1.3 氣流床技術(shù)的發(fā)展和選擇

粉煤氣化和水煤漿氣化兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，且都在發(fā)展和改進(jìn)提高中，會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中各有適宜的環(huán)境。粉煤氣化的優(yōu)點(diǎn)是對煤的灰熔點(diǎn)適用范圍寬，合成氣中有效成分含量比水煤漿技術(shù)高10百分點(diǎn)，煤的轉(zhuǎn)化效率高，能量效率也高，在穩(wěn)定煤質(zhì)和工況下操作周期長。但其大型化和高壓氣化受其本身的條件限制有較大的難度，如給煤的不穩(wěn)定性、大型化后氣流床的均勻性、容易偏燒，特別是單燒嘴偏燒問題更加嚴(yán)重，氣化爐膛局部溫度高，氣化溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)溫度。水煤漿氣化技術(shù)給料穩(wěn)定，氣流床燃燒穩(wěn)定，合成氣壓力可以實(shí)現(xiàn)高壓，大型化難度小，但現(xiàn)有技術(shù)要求煤的灰熔點(diǎn)不能過高，煤的內(nèi)水含量不能高，成漿性能要好。其過頻繁地更換燒嘴及保溫磚使得操作強(qiáng)度大，由于氣化的是煤漿，氧耗偏高，合成氣有效成分含量低，有些煤種的氣化廢水中氨氮含量高、難處理。

（1）目前用戶越來越傾向選擇激冷的粉煤氣流床技術(shù)。由于上置式廢鍋流程的粉煤氣化爐單位投資高、氣流和灰渣異向排出，合成氣冷卻易產(chǎn)生積灰，爐下部出渣口易堵渣。而下激冷流程的氣化技術(shù)，可避免上置廢鍋投資高、灰渣堵塞的問題。特別對于一些配套變換單元較大的煤化工項(xiàng)目如合成氨、制氫（需要較多的低壓蒸汽用于變換），采用廢鍋流程的必要性不大。煤化工用戶目前越來越傾向選擇激冷流程的粉煤氣流床技術(shù)，殼牌公司正在開發(fā)采用廢鍋流程的激冷粉煤氣化技術(shù)。

（2）多噴嘴粉煤氣化是粉煤氣化大型化的方向，真正適用于高灰熔點(diǎn)、高灰分煤的氣化。由于殼牌爐采用多噴嘴技術(shù)，給料和爐內(nèi)氣流相對穩(wěn)定，已經(jīng)有3 000t/d的運(yùn)行裝置。但其它幾種單噴嘴粉煤氣化技術(shù)還都沒有相當(dāng)規(guī)模的工業(yè)化裝置，要實(shí)現(xiàn)投煤量2 000t/d以上的氣化爐規(guī)模比較困難。對于單一燒嘴的粉煤氣化技術(shù)，爐尺寸增大以后火焰偏燒和熔渣掛壁的穩(wěn)定性會(huì)造成氣化溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，對于灰熔點(diǎn)高的煤，會(huì)出現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化率低、灰渣比很高等問題。從實(shí)際運(yùn)行的幾種粉煤氣化爐來看，多噴嘴的殼牌爐和科林公司氣化爐較好地解決了上述問題。華東理工大學(xué)和兗礦集團(tuán)公司聯(lián)合開發(fā)的對置式多噴嘴粉煤氣化技術(shù)已完成中試，正在開發(fā)1 000t/d的工業(yè)化示范裝置［1］。

（3）水煤漿氣化技術(shù)向提高能效和操作簡單以及更廣煤的適用性方面發(fā)展，高壓氣化和水冷壁及半廢鍋技術(shù)的相互結(jié)合是發(fā)展方向。提高水煤漿技術(shù)的效率主要圍繞以下幾個(gè)方面：一是提高氣化壓力，高壓水煤漿氣化技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)有用于煤化工裝置的經(jīng)驗(yàn)，據(jù)測算，相對于6.5MPa氣化爐，8.7MPa氣化爐可再提高煤制烯烴項(xiàng)目能效約3百分點(diǎn)。二是采用水冷壁水煤漿技術(shù)，清華大學(xué)水冷壁水煤漿技術(shù)較好地解決了換磚的操作麻煩，可以提高氣化溫度操作窗口。三是開發(fā)半廢鍋流程的技術(shù)，通過半廢鍋流程水煤漿氣化技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，可以使水煤漿技術(shù)在提高能效的同時(shí)能夠適應(yīng)高灰熔點(diǎn)的煤，是未來發(fā)展的方向，但其工業(yè)化的過程還有待驗(yàn)證。GE公司水煤漿全廢鍋和半廢鍋流程技術(shù)在電廠已有成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。據(jù)測算對于煤制烯烴項(xiàng)目，半廢鍋（輻射）流程能比純激冷流程提高能效5百分點(diǎn)。四是開發(fā)提高水煤漿濃度的技術(shù)，如采用級(jí)配成漿技術(shù)，提高原來不適宜做水煤漿的煤種的成漿濃度，擴(kuò)大水煤漿技術(shù)對煤種的適用性。

2 固定床氣化技術(shù)［2］

固定床氣化過程不同于氣流床的并流，氣化劑與煤在床層中逆流接觸。煤由氣化爐頂部加入，自上而下經(jīng)過干燥層、干餾層、還原層和氧化層，最后形成固渣或熔渣排出爐外；氣化劑由氣化爐底部進(jìn)入，自下而上進(jìn)入氧化層和還原層（合稱氣化層），合成氣繼續(xù)上行，在干餾層對原煤進(jìn)行干餾脫有機(jī)物、在干燥層對煤脫水。固定床氣化的局限性是對床層均勻性和透氣性要求較高，入爐煤要有一定的粒度及均勻性（粒徑6～50mm）。煤的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、黏結(jié)性和結(jié)渣性等指標(biāo)都影響透氣的均勻性從而影響氣化效果。

固定床氣化技術(shù)由于爐內(nèi)溫度自下而上呈高溫到低溫的分布，因而合成氣組分富含焦油、氨、酚、甲烷，且具有氫碳比高的特點(diǎn)。氣化廢水由于含酚需要特別的處理方法。根據(jù)出渣的形態(tài)，固定床氣化技術(shù)分固渣固定床氣化技術(shù)和熔渣固定床氣化技術(shù)；根據(jù)壓力不同，又可分為常壓固定床氣化技術(shù)和加壓固定床氣化技術(shù)。代表爐型為UGI公司常壓氣化爐（UGI爐）、魯奇公司加壓氣化爐（魯奇爐）、英國燃?xì)夤荆斊婀救墼鼩饣癄t（BGL爐）、云南解化清潔能源開發(fā)公司熔渣氣化爐（YM爐）。

2.1 固渣固定床氣化技術(shù)

20世紀(jì)30年代德國魯奇公司開發(fā)出碎煤固定床加壓氣化技術(shù)，第一代魯奇爐（1936—1954年）最大直徑為2.6m，主要用于褐煤氣化，20世紀(jì)50年代我國原云南解放軍化肥廠曾從蘇聯(lián)引進(jìn)此種爐型。第二代魯奇爐（1952—1965年）內(nèi)徑3.6m，用于南非薩索爾公司弱黏結(jié)性煙煤氣化。第三代魯奇爐為 Mk4和 Mk5（1969—2008年），Mk4是世界上使用最多的爐型，最新設(shè)計(jì)的Mk4內(nèi)徑為3.862m，壓力最高4MPa，可氣化除強(qiáng)黏結(jié)性煙煤以外的煤種，單爐合成氣產(chǎn)能達(dá)到6.5×104m3/h，國內(nèi)原山西化肥廠、義馬氣化廠等均引進(jìn)該爐型，目前國內(nèi)煤制天然氣大多采用該爐型。南非薩索爾Secunda合成油工廠建有80臺(tái)Mk4氣化爐。1985年投產(chǎn)的美國北達(dá)科他州大平原工廠煤制天然氣工廠建有14臺(tái)Mk4氣化爐，每年生產(chǎn)14.5×108m3天然氣，年平均運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到98.3%。Mk5氣化爐內(nèi)徑擴(kuò)大到4.7m，能力達(dá)到9×104m3/h，目前僅南非薩索爾公司建成一臺(tái)并運(yùn)行過。Mk＋是魯奇公司近期推出的第四代氣化爐，能力為Mk4的兩倍，壓力為6MPa。氣化爐能力提高將大大降低大型煤轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的投資成本。

魯奇爐對氣化原料一般要求用非黏結(jié)性煤，典型粒度分布在5～50mm之間，范圍之外比例不超過5%，煤具有一定的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性（破碎指數(shù)低于55%），經(jīng)驗(yàn)證的最低灰分為6%（干基），最高灰分為40%（干基），總水分不超過50%（收到基），揮發(fā)分含量低于55%（干燥無灰基）?？傮w來看，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮魯奇爐尤其適于低階煤和高灰煤的氣化。

魯奇公司固渣固定床氣化技術(shù)成熟可靠，煤種適應(yīng)范圍廣，投資省，操作簡單穩(wěn)定，新一代Mk＋魯奇爐，具有高產(chǎn)低耗、合成氣中CH4含量高等特點(diǎn)。

2.2 熔渣固定床氣化技術(shù)

固定床熔渣氣化技術(shù)是在魯奇固態(tài)排渣氣化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，結(jié)合了固定床氣化特點(diǎn)和氣流床出渣特點(diǎn)。氣化床層除干燥、干餾、還原、氧化層外，爐內(nèi)增加了熔渣層。不同于固渣的爐箅子排渣，其爐底部有水冷壁熔渣出口，灰渣呈熔融態(tài)排出。由于操作過程中不用保證固態(tài)出渣，氣化層反應(yīng)溫度不用考慮煤的灰熔點(diǎn)，可以高于煤的灰熔點(diǎn)操作，解決了魯奇爐不適應(yīng)低灰熔點(diǎn)煤的問題。與魯奇技術(shù)相比，碎煤熔渣氣化技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①氣化效率高、成本低?；以剂吭?.5%以下，碳轉(zhuǎn)化率大于99.5%，而魯奇技術(shù)灰渣殘?zhí)剂吭O(shè)計(jì)值為6%左右。②有效氣含量高。粗煤氣中有效氣（CO＋H2）含量高，同時(shí)保持較高的甲烷含量（褐煤在8%以上）。③蒸汽/氧氣比為1∶1左右，大大低于固態(tài)排渣技術(shù)，蒸汽耗量大幅降低，因此污水排放量大大低于固態(tài)排渣固定床技術(shù)，只有其1/3左右。碎煤熔渣氣化技術(shù)的不足之處在于：①該技術(shù)工業(yè)化裝置數(shù)量較少，需要積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。目前工業(yè)化裝置中單爐連續(xù)運(yùn)行周期最長為114天。②由于爐底部處于熔渣狀態(tài)，熔渣排出的有效控制都有待于改進(jìn)，操作不精細(xì)可造成噴嘴堵塞后偏流使床層界面混亂。③與魯奇技術(shù)相比，合成氣中甲烷含量稍低。

20世紀(jì)70—90年代，英國燃?xì)夤竞偷聡斊婀竞献?，在英國愛丁堡附近的西田煤氣化試?yàn)廠建設(shè)有3個(gè)BGL爐，操作壓力為2.5～6.6 MPa，投煤量為200～500t/d。2000年在德國Dresden附近的黑水泵建成一個(gè)內(nèi)徑3.6m的工業(yè)氣化爐，以80%生活垃圾和20%型煤為原料。該氣化爐一直運(yùn)行到2007年中期，期間最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間84天。

目前采用碎煤熔渣氣化技術(shù)在國內(nèi)建成并投入運(yùn)行的工業(yè)裝置有云南解化集團(tuán)公司150kt/a二甲醚項(xiàng)目5臺(tái)進(jìn)煤800t/d的氣化爐、呼倫貝爾金新化工有限公司500kt/a合成氨、即將投產(chǎn)的有云南解化集團(tuán)公司500kt/a甲醇項(xiàng)目8臺(tái)進(jìn)煤1 200t/a的氣化爐和中煤鄂爾多斯能源化工公司1.00Mt/a合成氨的7臺(tái)進(jìn)煤1 000t/a的氣化爐。

固定床熔渣氣化技術(shù)部分克服了魯奇爐的廢水量大、不適應(yīng)低灰熔點(diǎn)煤的缺點(diǎn)，保留了魯奇爐高含量甲烷收率大的特點(diǎn)，適用于高能源轉(zhuǎn)換效率的煤制天然氣行業(yè)發(fā)展，有較好的發(fā)展前途。未來的發(fā)展方向是：實(shí)現(xiàn)裝置大型化、減少粗合成氣的煤灰夾帶、對副產(chǎn)酚氨、焦油回收和廢水實(shí)行高效處理。

2.3 固定床煤氣化技術(shù)的發(fā)展和選擇

（1）固定床技術(shù)比較適合利用年輕煤的氣化用于制天然氣或天然氣加甲醇。年輕煤如褐煤、長焰煤，一般水含量高（最高達(dá)40%），不宜采用粉煤氣化（要求水含量小于5%）。年輕煤內(nèi)水含量高、成漿濃度低，也不適宜采用水煤漿技術(shù)。以上性質(zhì)都不影響采用固定床進(jìn)行氣化。而年輕煤種的含油量高，固定床技術(shù)能夠回收得到焦油、酚氨等副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)物能夠提高所產(chǎn)天然氣的價(jià)值0.2～0.3元/m3。固定床氣化粗煤氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)高（8%～12%），適用于生產(chǎn)城市煤氣和煤制天然氣項(xiàng)目。相對于氣流床技術(shù)，固定床技術(shù)特別是熔渣技術(shù)單爐規(guī)模還比較小，進(jìn)一步大型化是未來技術(shù)發(fā)展方向。

（2）熔渣氣化技術(shù)和固渣氣化技術(shù)各有優(yōu)勢。固渣和熔渣固定床技術(shù)的選擇對比見表4。固渣固定床氣化技術(shù)工業(yè)化時(shí)間較長，在國內(nèi)外都有較多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但其蒸汽/氧氣比高、廢水量大且難以處理和煤轉(zhuǎn)化率低是主要缺點(diǎn)，尤其對于低灰熔點(diǎn)煤。國內(nèi)采用這種技術(shù)進(jìn)行年輕煤種氣化的裝置都產(chǎn)生了以上問題，在大規(guī)模項(xiàng)目中尤為突出。熔渣固定床技術(shù)工業(yè)化運(yùn)行時(shí)間短，工業(yè)化運(yùn)行業(yè)績較少，但800t/d氣化爐已有5年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，1 200t/d氣化爐已成功工業(yè)化試運(yùn)行，相比固渣技術(shù)，其蒸汽/氧氣比低，碳轉(zhuǎn)化率高、廢水量低、灰渣含碳低，便于處理。尤其對于灰熔點(diǎn)低于1 200℃的年輕煤種的氣化是比較合適的選擇。未來熔渣固定床技術(shù)會(huì)得到較快的發(fā)展。

表4 固渣和熔渣固定床技術(shù)的選擇對比

（3）與固定床氣化相匹配的氣化污水處理、酚氨回收、焦油處理技術(shù)的發(fā)展與成熟對未來固定床技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展非常關(guān)鍵。與其它技術(shù)相比，固定床氣化技術(shù)最需要關(guān)注的問題是氣化污水的處理和副產(chǎn)物的回收利用。煤化工廢水中含有大量的多元酚、脂肪烴類物質(zhì)，采用常規(guī)水處理工藝均未很好地解決問題，制約了固定床技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓洪軍等［3］通過研究污水中污染源物質(zhì)在常規(guī)污水處理過程中發(fā)生的化學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)氧氣能使污水中多元酚和其它物質(zhì)氧化為更加難以生化降解的苯醌類物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生很多表面活性物質(zhì)，大大增加了氣浮的發(fā)泡性，使細(xì)菌脫水至死，導(dǎo)致后面污水處理工藝不能發(fā)揮作用。厭氧工藝避免了廢水色度加深、泡沫增加的問題，解決了多元酚轉(zhuǎn)化為苯醌類物質(zhì)的難題，目前已在中煤龍化哈爾濱煤化工有限公司的魯奇固定床氣化廢水處理上取得成功。

副產(chǎn)氨、酚和焦油影響固定床氣化的經(jīng)濟(jì)性。氨和酚的回收技術(shù)已經(jīng)比較成熟，高輕油收率（90%，常規(guī)為70%）的焦油加氫技術(shù)還正在開發(fā)過程中，這些技術(shù)的發(fā)展可以進(jìn)一步提高固定床技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和競爭能力。

3 結(jié) 論

各種工業(yè)化的氣化技術(shù)都有其優(yōu)勢和缺陷，就煤的適應(yīng)性和下游加工產(chǎn)品兩方面因素來考慮，沒有一種氣化工藝技術(shù)能解決所有問題，其主要原因是煤的非均質(zhì)化特點(diǎn)，其次是目標(biāo)產(chǎn)品的要求不同。煤氣化技術(shù)的選擇應(yīng)該是煤的性質(zhì)－氣化技術(shù)－下游產(chǎn)品的匹配優(yōu)化結(jié)果。

各種單一的煤氣化技術(shù)還在不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，各種技術(shù)相互取長補(bǔ)短。氣化燒嘴、爐體保溫結(jié)構(gòu)、合成氣冷卻及能量回收、出渣方式已不再是某種氣化技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)，如固定床的熔渣出料、水煤漿的水冷壁方式取得了成功、粉煤氣化的熱壁方式也正在開發(fā)中，未來不同技術(shù)相互借鑒彼此的單元技術(shù)還會(huì)發(fā)展下去。這種發(fā)展會(huì)形成各種單元技術(shù)組合的煤氣化技術(shù)，來適應(yīng)不同煤種要求的最佳化匹配要求，以提高煤的資源利用效率。

除氣化爐技術(shù)本身外，與氣化技術(shù)配套的各種技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，以完善氣化技術(shù)。如水煤漿的級(jí)配成漿技術(shù)將提高對煤種的適應(yīng)性，先進(jìn)的焦油加氫和惰性氣體氣浮和厭氧處理污水工藝將極大彌補(bǔ)固定床氣化技術(shù)的缺點(diǎn)，精確給煤技術(shù)將使粉煤氣化技術(shù)更加易于控制和操作。

總之，煤氣化技術(shù)已日臻成熟且處于不斷完善和發(fā)展過程中，技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)應(yīng)考慮在當(dāng)前石油資源日益緊張、我國煤炭資源相對充足的背景下，與石油煉制、石油化工技術(shù)的結(jié)合，實(shí)施煤油化一體化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)原料互補(bǔ)、能量互供、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)煤化工－煉油－化工產(chǎn)品生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，對于促進(jìn)我國煤炭資源合理利用、提高資源利用效率、滿足市場需求具有現(xiàn)實(shí)意義。

［1］閆鳳芹.多噴嘴對置式粉煤氣化技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用［J］.中氮肥，2013（4）：48－50

［2］付國忠，朱繼承.魯奇FBDB煤氣化技術(shù)及其最新進(jìn)展［J］.中外能源，2012，17（1）：74－79

［3］韓洪軍，王偉，馬文成，等.外循環(huán)厭氧工藝處理魯奇煤制氣廢水的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（6）：907－909，924