吳 治 國

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

煤氣化原理及其技術(shù)發(fā)展方向

吳 治 國

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

煤質(zhì)的復(fù)雜性和下游工藝要求的多樣性導(dǎo)致了多種煤氣化技術(shù)的產(chǎn)生。在煤氣化原理的基礎(chǔ)上分析了當(dāng)前國內(nèi)煤氣化技術(shù)的優(yōu)劣，認(rèn)為熔渣氣流床具有氣化速率快、碳轉(zhuǎn)化率高和工藝過程綠色等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)成為煤氣化技術(shù)的主要發(fā)展方向；移動(dòng)床的熱解層使得其產(chǎn)物氣體中甲烷含量較高，有利于煤制天然氣，但其床層特點(diǎn)使氣化強(qiáng)度較低，且爐內(nèi)存在堿金屬富集的物理?xiàng)l件；流化床熱解-氣化也可以提高甲烷含量，且在合理選擇原料煤粒度的條件下，氣化強(qiáng)度高于移動(dòng)床。其它煤氣化技術(shù)還存在這樣或那樣的問題，需要繼續(xù)研發(fā)或謹(jǐn)慎考慮工業(yè)化應(yīng)用。

煤氣化 化學(xué)反應(yīng) 煤氣化技術(shù)

煤氣化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷一百多年，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用綿延至今，氣化過程的概念設(shè)計(jì)種類繁多，研發(fā)軌跡可大致分為4類：①氣化反應(yīng)床層：有移動(dòng)床(或稱固定床)、流化床、氣流床、熔渣床等；②操作溫度：從低溫氣化到高溫氣化；③壓力等級(jí)：從常壓氣化到加壓氣化；④原料煤粒度：從塊煤氣化到粉煤氣化[1]。其它不一一列舉。

以上研發(fā)軌跡隱含著對(duì)煤氣化原理的認(rèn)知過程和相關(guān)技術(shù)不同階段的發(fā)展水平。間歇式常壓、塊煤移動(dòng)床氣化爐(UGI爐)出現(xiàn)在早期。以投資少、建設(shè)周期短為優(yōu)勢(shì)，以燃燒放熱與氣化吸熱分步進(jìn)行為特點(diǎn)，缺點(diǎn)是氣化強(qiáng)度低、環(huán)境污染大。在此基礎(chǔ)上形成的魯奇爐提高了氣化壓力，也實(shí)現(xiàn)了連續(xù)操作，氣化強(qiáng)度有所提高，但同時(shí)出現(xiàn)了水蒸氣消耗量大、副產(chǎn)酚水等問題。為了節(jié)省水蒸氣并實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣，英國人又在魯奇爐基礎(chǔ)上提出了BGL爐。

流態(tài)化技術(shù)用于煤氣化可使原料煤粒度上限從移動(dòng)床的50 mm降到8 mm，同時(shí)使操作處于連續(xù)狀態(tài)。但流化床操作溫度與移動(dòng)床相似，依然低于原料煤的灰熔點(diǎn)，氣化強(qiáng)度難以大幅提高。氣流床原料煤粒度小于0.1 mm，操作溫度在灰熔點(diǎn)以上，氣化爐壓力在4.0 MPa或以上，氣化強(qiáng)度大，碳轉(zhuǎn)化率高。

在能源結(jié)構(gòu)與實(shí)際需求的作用下，國內(nèi)煤化工、煤制油與煤制天然氣前景看好，作為龍頭的煤氣化技術(shù)正在中國蓬勃發(fā)展。但是，煤氣化技術(shù)涉及面較廣，多數(shù)技術(shù)方案都是在一定的條件下優(yōu)化的，難免包含不利因素。本文試圖從煤氣化原理的角度分析典型煤氣化技術(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)或改進(jìn)方向，并對(duì)其它煤氣化技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

1 煤氣化原理

從氣化原料角度看，首先，煤具有煤巖特性，固體顆粒粒度分布是煤炭利用過程的重要指標(biāo)之一；其次，煤中含有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)和水分，具體含量和性質(zhì)又與煤化程度密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以由橋鍵連接的芳環(huán)為主，橋鍵包括—CH2—，—CH2—CH2—，—O—，—O—CH2—，—S—等，芳環(huán)則包括單環(huán)、雙環(huán)以及稠環(huán)，環(huán)中還含雜原子，如S，N，O等，無機(jī)質(zhì)種類很多，已檢測(cè)出的礦物質(zhì)達(dá)125種以上[2]，伴生元素40余種，其中26種對(duì)環(huán)境影響很敏感，如砷、鎘、鉻、汞等[3]；第三，煤氣化反應(yīng)過程復(fù)雜，熱解、燃燒和還原反應(yīng)可同時(shí)進(jìn)行，也可分步完成。

煤的熱解產(chǎn)物包括氣體、煤焦油和焦炭。在熱解的進(jìn)程中，隨著溫度的升高，橋鍵按強(qiáng)弱順序依次斷裂。煤種不同，熱解過程和產(chǎn)物均有所不同。褐煤的起始熱解溫度在200 ℃左右，煙煤約為350 ℃，無煙煤則在400 ℃左右。褐煤中羧基、羰基、羥基較多，熱解初期氣體中CO2，CO，H2O含量較高，煙煤次之，無煙煤則很少。一般地，煤化程度低時(shí)煤焦油產(chǎn)率高；煤化程度高時(shí)煤焦油產(chǎn)率低。影響熱解的因素還有煤粒度、加熱速率、終溫高低、氣氛環(huán)境等。

熱解反應(yīng)需要熱能，移動(dòng)床的熱解段由高溫?zé)釟夤幔骰埠蜌饬鞔驳臒峤鈿怏w與煤焦油參與氣化反應(yīng)，即時(shí)向熱解反應(yīng)供熱。氣化反應(yīng)主要發(fā)生在半焦或焦炭與氣化劑之間。

如果以CHm表示煤焦，則m值在0.05～0.60之間。在流化床與氣流床中，煤顆粒的熱解歷程不盡相同，所以m值不同；在移動(dòng)床中，m值與床層中空間位置和塊煤粒徑有關(guān)，從床層上部到下部，m值逐漸變小，直到趨于零的灰層。粒徑較大的煤塊，外表面最先熱解，然后向中心發(fā)展。所以，外表面的m值率先變小。高溫氣流床總的氣化反應(yīng)可表達(dá)如下：

產(chǎn)物中還包括少量CH4，H2S，NH3等。該反應(yīng)式必須滿足化學(xué)計(jì)量關(guān)系和熱平衡關(guān)系。反應(yīng)式中沒有體現(xiàn)無機(jī)質(zhì)部分。在高溫氣流床中，無機(jī)質(zhì)主要發(fā)生焙燒、熔融、氧化還原等物理化學(xué)變化。氣化反應(yīng)機(jī)理包含氣化劑在焦炭內(nèi)外表面的吸附、反應(yīng)、脫附等，因此反應(yīng)過程受氣相擴(kuò)散、顆粒比表面積、顆粒內(nèi)擴(kuò)散、壓力、溫度、各種氣體分壓等影響。

氣化反應(yīng)過程復(fù)雜，包括氣相反應(yīng)和氣固反應(yīng)。高溫條件下，許多化合物，特別是有機(jī)化合物很不穩(wěn)定，遇見氧迅速反應(yīng)。半焦趨于石墨化，部分半焦在向石墨轉(zhuǎn)化的過程中已完全燃燒或氣化。石墨(熔點(diǎn)3 652 ℃)的結(jié)構(gòu)為層狀，各層之間的結(jié)合力為范德華力，而層中結(jié)合力很強(qiáng)，存在sp2雜化軌道形成的大π鍵。因?yàn)榉兜氯A力很弱，常溫下石墨各層之間易于滑動(dòng)；高溫環(huán)境中，克服范德華力的能量很充分，所以，化學(xué)反應(yīng)只需克服層中C—C鍵鍵能，而O2，H2O，CO2，H2吸附到層狀C環(huán)境中可以為雜化軌道提供電子，因此解吸的物種包括CO，H2，CO2，CH4等，其比例關(guān)系遵循熱力學(xué)平衡關(guān)系式。主要反應(yīng)如下：

氣相反應(yīng)：

氣固反應(yīng)：

氧氣參與的反應(yīng)速率很快，特別是氧氣濃度高的區(qū)域，而2個(gè)主要的氣化反應(yīng)，即碳與水蒸氣、碳與二氧化碳的反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，受溫度影響大。溫度提高，這2個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)和反應(yīng)速率均增加。碳與二氧化碳的反應(yīng)也叫Boudouard反應(yīng)。在常壓、950 ℃條件下，平衡常數(shù)為73.77，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的氣相組成(摩爾分?jǐn)?shù))為CO 98.68%、CO21.32%；1 200 ℃下，平衡常數(shù)達(dá)到1 665，氣相平衡組成(摩爾分?jǐn)?shù))為CO 99.94%、CO20.06%?？梢姼邷叵?，氣相CO2含量可以降到很低的水平，這對(duì)提高氣化產(chǎn)物氣體中有效組分的含量十分有利。當(dāng)然，影響氣化產(chǎn)物氣體組成的因素很多，如平衡溫距等，需要綜合考慮。

煤氣化動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)過程關(guān)系密切。塊煤氣化時(shí)，反應(yīng)溫度不高，煤塊表層附近的反應(yīng)速率受本征速率控制，接近煤塊中心時(shí)，灰層擴(kuò)散控制反應(yīng)速率；粉煤熔渣氣化時(shí)，煤粒尺寸微小，能瞬間升到很高的溫度，本征反應(yīng)速率極快，無機(jī)質(zhì)的相變使煤粒表面發(fā)生快速更新，于是，宏觀反應(yīng)速率的控制步驟變?yōu)闅庀鄶U(kuò)散環(huán)節(jié)。因此，提高操作壓力、強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)有利于提高氣化強(qiáng)度。

2 典型煤氣化技術(shù)分析

從環(huán)保、高效以及現(xiàn)代煤化工的需求角度看，高溫粉煤氣化具備明顯優(yōu)勢(shì)。從煤制天然氣市場(chǎng)前景看，Lurgi(魯奇爐)煤氣化技術(shù)、熱解-氣化耦合技術(shù)以及BGL煤氣化技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.1 Lurgi煤氣化技術(shù)

魯奇爐由德國魯奇公司開發(fā)，主要用戶包括美國大平原煤氣廠(2004年停產(chǎn))、南非薩索公司以及中國多家公司。目前工業(yè)在用爐型以Mark-Ⅳ為主，外徑約3.8 m，爐內(nèi)燃料層高度4 m，總高約12.5 m，單爐投煤量約1 296 t/d。Mark-Ⅴ處于推廣階段，單爐投煤量達(dá)到1 800 t/d。

魯奇爐要求原料煤粒度在5～50 mm之間，以維持床層的透氣性。結(jié)合床層特點(diǎn)，對(duì)原料煤的黏結(jié)性、熱強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度以及其它指標(biāo)均有規(guī)定。從上到下，床層可分為干燥段、熱解段、氣化段、燃燒段和灰層等。床層底部設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)爐篦，以相應(yīng)速率排灰。因此，床層是緩慢下移的。爐篦的另一個(gè)重要作用是將氣化劑氣體均勻分布于床層，避免偏流。即便如此，實(shí)際操作中還會(huì)遇到偏流，使床層下移程度發(fā)生變化。

魯奇爐的操作熱點(diǎn)溫度小于原料煤的灰熔點(diǎn)。因此，對(duì)于灰熔點(diǎn)較低的原料煤，要求對(duì)操作溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但溫度降低時(shí)，氣化強(qiáng)度將下降。

由于床層上部存在煤的熱解段，且熱解氣體被氣流帶出，所以魯奇爐的產(chǎn)物氣體中CH4含量較高。另外，提高壓力有利于床層中形成CH4，所以，在約3.05 MPa的操作壓力下魯奇爐產(chǎn)物氣體中CH4體積分?jǐn)?shù)為8%～12%。

魯奇爐除了副產(chǎn)煤焦油外，其工藝水蒸氣用量較大，廢水產(chǎn)量約為1.0 m3/t煤。由于操作溫度低，廢水中COD為4 000～6 000 mg/L、NH3-N濃度為200～250 mg/L、總酚濃度為800～1 000 mg/L、色度在20 000倍以上、溶解性固體濃度為 3 500 mg/L、總油濃度為 200 mg/L。這種廢水的處理難度大，處理成本高。

移動(dòng)床的特點(diǎn)之一是床層頂部加煤，煤被熱氣加熱后升溫，而床層下部的爐篦上部有灰層，保護(hù)爐篦不受高溫影響。因此，床層兩頭溫度低，中間溫度高，如圖1所示，高溫區(qū)溫度可達(dá)1 200 ℃，而上層和下層溫度不超過500 ℃。這種溫度分布會(huì)導(dǎo)致堿金屬富集現(xiàn)象。對(duì)于堿金屬含量較高的原料煤，床層內(nèi)壁腐蝕更加嚴(yán)重。主要原因是，大部分堿金屬鹽的熔點(diǎn)低(見表1)，在移動(dòng)床中部熔化。液態(tài)(800 ℃以上)堿金屬鹽的腐蝕性強(qiáng)[4-5]，主要腐蝕機(jī)理是堿金屬鹽可促進(jìn)金屬氧化[6]，且溫度越高，氧化速率越快；氧化形成的金屬氧化物則在熔鹽中發(fā)生溶解[7]，加速腐蝕。由于堿金屬蒸氣壓的作用，部分氣態(tài)鹽在床層中部隨處遷移，在床層上部便會(huì)冷凝，隨固體一起下移，從而形成內(nèi)部循環(huán)。當(dāng)然，由于煤中無機(jī)物種類很多，所以還存在許多復(fù)合鹽，其熔點(diǎn)不同，部分含堿金屬鹽能夠與灰渣一起排出。同樣，由于溫度分布的特點(diǎn)，煤中鹵素形成的酸性物質(zhì)只能活躍于床層中上部，部分隨氣體一起流出氣化爐，而酸性物質(zhì)形成的無機(jī)鹽有可能與固體渣一起排出。因此，原料煤帶入的堿金屬鹽量應(yīng)小于灰渣與氣體帶出的堿金屬總量。

圖1 移動(dòng)床軸向溫度分布

表1 部分堿金屬鹽的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)

2.2 BGL煤氣化技術(shù)

BGL氣化爐是在魯奇爐的基礎(chǔ)上研發(fā)的，其概念設(shè)計(jì)是將魯奇爐的固態(tài)排渣改為液態(tài)排渣，而氣化爐中上部床層的干燥、熱解、氣化等功能基本不變，只是整體溫度提高，氣化強(qiáng)度增加，工藝水蒸氣用量減少。

液態(tài)排渣借用了熔融床煤氣化的部分技術(shù)。由于熔融床是將煤粉與氧氣通入熔融床，所以能夠維持床溫。BGL爐的熔渣系統(tǒng)主要是將床層底部的煤焦甚至煤渣燒熔，這部分燃料的有機(jī)質(zhì)大部分氣化，無機(jī)質(zhì)含量高，熱值明顯不夠，需要外補(bǔ)燃料。

熔渣池必須經(jīng)受高溫、液渣沖刷以及無機(jī)物侵蝕，所以，一方面對(duì)熔渣池材料要求很高，另一方面需要對(duì)原料煤的無機(jī)質(zhì)含量有所限制，比如堿金屬含量。BGL爐的底部熔渣區(qū)溫度很高，甚至超過堿金屬鹽或氧化物的沸點(diǎn)，氣態(tài)堿金屬化合物向床層上部遷移，在上部低溫區(qū)冷凝、下移，所以堿金屬在床層中富集的條件更加充分，腐蝕程度也更為嚴(yán)重。高鉻磚中有效成分三氧化二鉻的熔點(diǎn)為2 435 ℃，而鉻酸鈉的熔點(diǎn)為792 ℃。因此要求嚴(yán)格控制原料煤的各項(xiàng)指標(biāo)，優(yōu)選防腐材料和耐火材料。

BGL爐在對(duì)原料煤要求上與魯奇爐最大的不同是灰熔點(diǎn)，前者要求灰熔點(diǎn)小于1 500 ℃，后者要求灰熔點(diǎn)大于1 200 ℃，除此之外，其它要求基本相同。

BGL爐底部沒有爐篦，而是設(shè)置多個(gè)噴嘴。噴嘴的功能是向床層底部高溫區(qū)噴入氧氣、水蒸氣和燃料，噴射方向?yàn)閺较蚱碌膱A心。由此可見，向床層上部流動(dòng)的氣體基本上是自由分配的，在床層高度合適以及固體顆粒分布均勻的情況下，這種自由分配有可能趨于均勻。但是，在噴嘴上方不遠(yuǎn)處，氣流集中在床層橫截面的中心部位，氣化爐爐壁附近的氣量偏小，甚至由于噴嘴流場(chǎng)形成的卷吸作用，下部爐壁附近的氣流會(huì)向下流動(dòng)。這種現(xiàn)象給氣化爐操作帶來不確定性。氣量多的地方反應(yīng)速率快，具有“氣體打洞”效應(yīng)，形成的洞穴達(dá)到一定尺寸后，在重力的作用下會(huì)塌縮，使固體顆粒發(fā)生位移。這種位移是隨機(jī)的、局部的，不像轉(zhuǎn)動(dòng)爐篦形成的固體下移那樣均勻。

2.3 流化床熱解-氣化技術(shù)

德國科學(xué)家Winkle在1926年首次建成常壓流化床煤氣化爐，之后又開發(fā)出加壓高溫Winkle爐(HTW)。美國的IGT公司于1947年開始研究流化床煤氣化技術(shù)，1994年在上海焦化廠建成第一套U-Gas工業(yè)化裝置。KBR公司正在建設(shè)基于催化裂化流態(tài)化而開發(fā)的循環(huán)流化床煤氣化裝置。

流化床煤氣化是指將粒度小于8 mm的原料煤在氣化劑氣體的吹動(dòng)下形成流態(tài)化床層而進(jìn)行氣化反應(yīng)的煤氣化技術(shù)。由于流態(tài)化特點(diǎn)，床層固體物料混合均勻，所以反應(yīng)過程的出灰方式比較特別，如灰熔聚法。

流化床煤氣化操作溫度必須小于原料煤的灰熔點(diǎn)，一般在900～1 100 ℃。提高反應(yīng)壓力有利于增加反應(yīng)器氣化強(qiáng)度。合理地選擇原料煤粒度分布不僅對(duì)床層平穩(wěn)運(yùn)行有利，而且也對(duì)氣化爐的氣化強(qiáng)度產(chǎn)生影響。顆粒粒徑較大時(shí)流化床中氣-固相對(duì)速度較大，氣膜擴(kuò)散阻力小，而灰層擴(kuò)散阻力突出。反應(yīng)活性較高的煤種在1 000 ℃左右的本征反應(yīng)速率高，所以減小煤的顆粒粒徑是提高氣化強(qiáng)度的有效途徑。KBR公司的TRIGTM技術(shù)將原料煤粒度降到1 mm以下。

與氣流床粉煤氣化相比，流化床的突出優(yōu)勢(shì)是能夠氣化灰熔點(diǎn)大于1 500 ℃的原料煤。但是，對(duì)于黏結(jié)性較強(qiáng)或易粉化的原料煤，流化床氣化會(huì)遇到操作方面的問題。

流化床煤氣化產(chǎn)物氣體中攜帶少量有機(jī)化合物，因此需要配套相應(yīng)的廢水處理系統(tǒng)。

流化床熱解-氣化技術(shù)是一種將流化床熱解與流化床氣化耦合的工藝過程。通過原料煤熱解可以副產(chǎn)煤焦油，同時(shí)熱解氣體中氫氣與甲烷含量較高。熱解形成的半焦在另一流化床中進(jìn)行氣化反應(yīng)，生產(chǎn)合成氣。熱解反應(yīng)器操作溫度為500～700 ℃，氣化反應(yīng)器操作溫度為900～1 100 ℃。熱解所需熱量由來自氣化反應(yīng)器的半焦和/或高溫氣體提供。

熱解-氣化技術(shù)適合煤制天然氣項(xiàng)目。以氣化反應(yīng)產(chǎn)物氣體作為熱解床層流化氣體時(shí)，工藝過程的水蒸氣用量較少，廢水處理成本較低，且具有加氫熱解作用。

2.4 高溫粉煤氣化技術(shù)

高溫粉煤氣化技術(shù)的操作溫度大于1 300 ℃，初始氧氣濃度高。由于高溫輻射傳熱速率與熱源和受熱體兩者開爾文溫度的4次方之差值成正比，且煤粒近乎黑體，吸收系數(shù)達(dá)到0.97，所以，粉煤溫升速率非?？臁Ｋ查g熱解形成的可燃物在氧氣分壓較高的環(huán)境中燃燒放熱，因此，微小煤粒中的無機(jī)質(zhì)快速熔化，使煤粒的有機(jī)質(zhì)充分暴露，加速表面?zhèn)髻|(zhì)，促進(jìn)氣化反應(yīng)。

到目前為止，高溫粉煤氣化技術(shù)分為水煤漿氣化和干煤粉氣化兩類。

2.4.1水煤漿氣化技術(shù)水煤漿氣化技術(shù)較為成熟，主要技術(shù)瓶頸是高濃度水煤漿制備、噴嘴磨損、耐火材料壽命以及輻射廢熱鍋爐腐蝕等問題。

采用級(jí)配方法能夠提高水煤漿濃度，但是，次生問題必須同時(shí)考慮，如水煤漿黏度變化程度如何以及飛灰是否增加等。評(píng)價(jià)水煤漿的主要指標(biāo)包括固含量(濃度)、穩(wěn)定性、黏度以及經(jīng)濟(jì)性。影響水煤漿性能的因素有煤種、粒度分布、溫度、pH、添加劑等。

水煤漿氣化的最大優(yōu)勢(shì)在于制漿(不需要干燥)、泵送(壓力可達(dá)8.5 MPa)和計(jì)量等方面，其冷煤氣效率在71%～78%范圍，有效氣體含量可達(dá)到80%。但大量水入爐使得水煤漿氣化的比氧耗和比煤耗較干粉氣化時(shí)分別高約15%和8%。

水煤漿噴嘴以內(nèi)混和外混兩種類型為主，兩者的壽命相當(dāng)，均存在磨損和向火面燒蝕問題。主要是因?yàn)閲娍诹魉俣己芨撸叶加邢蚧鹈?。磨損問題可以通過材料、結(jié)構(gòu)和混合方式等途徑改善；向火面燒蝕可以借助保護(hù)層設(shè)計(jì)減輕。

影響耐火材料壽命的因素涉及原料煤中無機(jī)材料侵蝕、耐火材料配方與制備工藝、噴嘴火焰區(qū)幾何尺寸、氣化爐高徑比等方面的改進(jìn)與優(yōu)化。

采用輻射廢熱鍋爐可提高氣化單元的熱效率，但是，其工作環(huán)境惡劣，高溫、飛灰、水蒸氣、酸性氣體等對(duì)換熱管材質(zhì)要求很高。

水煤漿氣化要求原料煤的成漿性能良好，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)大于55%，否則氣化操作的消耗指標(biāo)較高，經(jīng)濟(jì)性變差。原料煤的灰熔點(diǎn)應(yīng)小于1 350 ℃，灰分小于15%。

成熟的水煤漿氣化工藝有美國GE公司的單噴嘴輻射廢熱鍋爐或激冷工藝、西北化工研究院的多元料漿單噴嘴氣化工藝、華東理工大學(xué)的四噴嘴氣化工藝以及清華大學(xué)的兩級(jí)給氧單噴嘴氣化工藝。美國的E-Gas工藝采用雙噴嘴對(duì)噴水煤漿方式提高碳轉(zhuǎn)化率，與前幾種爐型最大的不同是熔渣向下流動(dòng)，而氣體向上流動(dòng)，因此熔渣與氣體的接觸時(shí)間較短。

2.4.2干煤粉氣化技術(shù)干煤粉氣化是迄今為止溫度最高的氣流床煤氣化工藝，其碳轉(zhuǎn)化率、有效氣含量、比氧耗、比煤耗等工藝指標(biāo)均達(dá)到較理想水平。產(chǎn)物氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)小于5%，大部分碳以CO形式流出氣化爐。早期的K-T爐為常壓粉煤氣化爐，雖然操作溫度可以達(dá)到熔渣要求，但操作指標(biāo)并不理想。主要原因是壓力低，氣化反應(yīng)速率與氣流床快速流動(dòng)不匹配。

Shell爐在4.0 MPa壓力下操作，氣化反應(yīng)速率可以滿足碳轉(zhuǎn)化率要求。干煤粉氣化的特征之一是粉煤在氣化爐內(nèi)彌散，因此，提高爐內(nèi)單位空間的粉煤量是增加氣化強(qiáng)度的主要手段，例如，同樣直徑的氣化爐，四噴嘴的Shell爐較單噴嘴的GSP爐或航天爐氣化強(qiáng)度大。為了提高氣化強(qiáng)度，科林爐則采用3個(gè)頂噴嘴的方式，使噴出的3股物流相互交錯(cuò)，充分占用反應(yīng)區(qū)空間。

Shell爐以徑向側(cè)噴方式使原料煤入爐，熔渣向下通過渣口落入渣池，氣體攜帶部分煤粉或飛灰向上運(yùn)動(dòng)，氣體激冷降到900 ℃左右后進(jìn)入廢熱鍋爐換熱。爐內(nèi)氣體上升速率直接影響飛灰?guī)С隽俊怏w上升過程中不可避免地發(fā)生顆粒碰撞，而此處的碰撞極可能使顆粒黏在一起。當(dāng)合并顆粒尺寸足夠大時(shí)，其沉降速率大于氣體上升速率，于是向下運(yùn)動(dòng)。由此可見，Shell爐氣體向上流動(dòng)會(huì)在爐內(nèi)形成沉降區(qū)，這一特點(diǎn)與下噴式干粉氣化有所不同。Prenflo爐、五環(huán)爐、兩段干粉爐等也具有沉降區(qū)功能。

干煤粉氣化的冷煤氣效率可達(dá)80%以上，有效氣體體積分?jǐn)?shù)大于90%。但是，干煤粉是經(jīng)過干燥得到的，干燥過程中必須消耗一定量的燃料。

高溫粉煤氣化在高溫、加壓、純氧及微小顆粒條件下進(jìn)行，反應(yīng)速率快，碳轉(zhuǎn)化率高，有效氣體含量高，且廢水中COD在500 mg/L左右、NH3-N濃度在300 mg/L左右，不含酚類或有機(jī)化合物。從大型化和綠色工藝要求的角度看，該技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。

3 其它煤氣化技術(shù)

在漫長的研發(fā)過程中，研究人員提出過許多煤氣化方法，如除了移動(dòng)床、流化床、氣流床等氣化外，還有催化氣化、熔渣氣化、熔鹽氣化、加氫氣化、核能氣化、地下氣化、太陽能氣化等，但真正走向工業(yè)化的并不多。主要原因是煤氣化技術(shù)涉及面廣，猶如“木桶理論”，缺少一個(gè)環(huán)節(jié)就難以形成完整技術(shù)。

3.1 催化氣化技術(shù)

催化氣化是一種理想的概念設(shè)計(jì)，旨在借助堿金屬或堿土金屬的催化作用，降低反應(yīng)溫度，提高氣體中甲烷含量。催化氣化需要克服的技術(shù)難題包括催化劑作用原理、堿金屬腐蝕、催化劑回收等。目前實(shí)驗(yàn)室催化劑的加入方法主要有溶液噴淋法以及成型催化劑法。顯然，溶液噴淋法需要干燥單元，另外，噴淋于原料煤顆粒上的堿金屬經(jīng)干燥后附著于煤粒表面，進(jìn)入氣化爐后，煤粒進(jìn)行熱解、氣化，表面將發(fā)生一系列變化，如熱解油氣揮發(fā)、無機(jī)質(zhì)暴露等。在這些變化中，催化劑如何遷移、催化劑與無機(jī)質(zhì)的反應(yīng)情況、催化劑在其附近的碳與氣體反應(yīng)完成進(jìn)入氣相后的情況等都需要清楚地了解。成型催化劑法則以顆粒形式與煤粒接觸，因此顆粒之間的接觸幾率和接觸時(shí)間長短成為關(guān)鍵，可以通過提高催化劑顆粒數(shù)量與煤顆粒數(shù)量之比來提高接觸幾率，即便如此，固體顆粒的接觸時(shí)間也難以把控，因?yàn)檫@種接觸大多以“點(diǎn)觸”形式存在，且容易一觸即離，而催化過程能否在這樣的瞬間完成則需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。當(dāng)然，成型催化劑法還需要解決催化劑與煤灰的分離問題，且這種分離往往要求在高溫下完成。

催化氣化的操作溫度一般為600～1 000 ℃。在600～800 ℃操作時(shí)，過程中形成的煤焦油易包裹催化劑的活性位，出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，不利于催化作用的繼續(xù)發(fā)揮；在800 ℃以上操作時(shí)，堿金屬(一般認(rèn)為鉀、鈉的活性較好)鹽會(huì)出現(xiàn)熔化，這種熔化現(xiàn)象或許有利于催化氣化過程，但會(huì)產(chǎn)生腐蝕。

成型催化劑法中催化劑的回收相對(duì)容易。而噴淋法中催化劑的回收則需要對(duì)灰渣進(jìn)行浸泡，溶解堿金屬，灰渣的無機(jī)質(zhì)組成復(fù)雜，進(jìn)入水溶液的不僅有堿金屬，還有其它可溶物，針對(duì)這種溶液，還需要進(jìn)行沉淀、洗滌、過濾、分離、蒸發(fā)濃縮等，最后排放廢液，操作費(fèi)用較高。

3.2 加氫氣化技術(shù)

1945年美國IGT公司開始研究加氫氣化技術(shù)[8]，即HYGAS工藝。1970年10月建成一套80 t/d的中試裝置。HYGAS反應(yīng)器為流化床反應(yīng)器，一定粒度的煤粉從床層頂部加入，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置3層內(nèi)構(gòu)件，氧氣與水蒸氣從下部進(jìn)入。從下到上依次為燃燒氣化區(qū)(操作溫度約為1 010 ℃)、第二段加氫氣化區(qū)(操作溫度約為938 ℃)、第一段加氫氣化區(qū)(操作溫度為538～938 ℃)。反應(yīng)器氣體出口壓力為8.1 MPa?？梢娝^加氫氣化實(shí)際上是反應(yīng)器底部氣化形成合成氣中的氫氣與半焦進(jìn)行加氫反應(yīng)。加壓有利于加氫反應(yīng)，次煙煤氣化氣體中CH4體積分?jǐn)?shù)可達(dá)16.6%，與魯奇爐相比并不算高。由于這種逆流反應(yīng)，煤的熱解與氣化分開進(jìn)行，所以氣體中還含有煤焦油和低碳烴類。對(duì)于煤焦油在反應(yīng)器頂部是否發(fā)生黏結(jié)的問題還未見文獻(xiàn)報(bào)道，另外，廢水中有機(jī)物含量高，處理費(fèi)用大。

3.3 熔渣氣化技術(shù)

熔渣氣化是將煤粉、氧氣與水蒸氣一起通入熔融床進(jìn)行氣化的過程。物料通過噴嘴從液態(tài)床層下部噴入。噴動(dòng)使熔融床轉(zhuǎn)動(dòng)起來，希望強(qiáng)化分散和傳質(zhì)作用。這是一個(gè)氣-液-固三相床，粉煤顆粒分散于液相，氣化劑氣體則要穿過熔渣與煤粉接觸，發(fā)生反應(yīng)，與粉煤氣化相比，傳質(zhì)阻力較大。

熔渣床溫度在灰熔點(diǎn)以上，而且床層是轉(zhuǎn)動(dòng)的。對(duì)耐火材料的要求十分嚴(yán)苛。熔融灰渣不僅侵蝕耐火材料，而且不斷沖刷反應(yīng)床層。

3.4 地下氣化技術(shù)

地下氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，包括不需要開采環(huán)節(jié)、地面無廢渣、不必建設(shè)氣化爐等。但缺點(diǎn)也不容小覷，如地下水污染、采出率低、塌方等。

地下氣化過程不需要工作人員親自在地下操作，而是設(shè)計(jì)合理的通道，通入氣化劑氣體，在地面收集氣體產(chǎn)物。地下氣化前需要鉆上千甚至數(shù)千個(gè)取樣孔，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)、地下水等進(jìn)行詳查和分析，以確定某一煤礦是否適合地下氣化。理想的地下氣化通道是地質(zhì)結(jié)構(gòu)允許、無地下水污染的某個(gè)長條煤層，一個(gè)通道可氣化所有煤儲(chǔ)。對(duì)于大型煤礦來說，地下氣化需要若干通道，為了避免通道之間漏氣，水平通道需要相隔數(shù)十米，垂直通道更需要距離來克服支撐力，如此一來，間隔的煤區(qū)就留在地下，采出率降低。可見地下氣化技術(shù)需要深入、精細(xì)的研究，解決多方面問題。

4 結(jié) 論

煤氣化是氣-固反應(yīng)，顆粒粒度對(duì)反應(yīng)速率的影響較大。小于100 μm的粉煤在高溫、加壓、純氧及水蒸氣條件下的反應(yīng)速率極高，數(shù)秒內(nèi)便可完成反應(yīng)。同時(shí)，高溫氣化過程在正常操作時(shí)可使產(chǎn)物氣體、灰渣、工藝水等不含有機(jī)物，環(huán)保水平較高。所以，粉煤熔渣氣化是未來煤氣化技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

流化床熱解-氣化技術(shù)副產(chǎn)煤焦油和煤氣，適合煤制天然氣過程，但同時(shí)副產(chǎn)廢水，需要配套的水處理單元來實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

移動(dòng)床煤氣化技術(shù)以塊煤為原料，氣化溫度低于灰熔點(diǎn)，相比之下，反應(yīng)速率低，氣化強(qiáng)度小，同時(shí)副產(chǎn)廢水。由于移動(dòng)床層特殊的溫度分布，堿金屬鹽有富集于床層的物理?xiàng)l件，容易發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，所以應(yīng)該確定相應(yīng)的原料煤質(zhì)量控制指標(biāo)和采取相應(yīng)的防腐措施。

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簡 訊

美國煉油廠開工率提高，中間餾分油供應(yīng)量增大

由于美國煉油廠的原油加工能力達(dá)到近16年來的季度最大值，該國取暖用油和柴油供應(yīng)的增長是自1982年以來最多的。由于美國基準(zhǔn)油——西德克薩斯中間基原油(WTI)的交易價(jià)格處于5年來的最低點(diǎn)，使得美國煉油廠以1999年以來最大的開工率在運(yùn)行。能源部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2015年1月2日，中間餾分油庫存增加到136.9 Mbbl(1 bbl≈159 L)，是2012年3月以來的最高值，汽油供應(yīng)量增加到237.2 Mbbl，是2011年以來的最高值。原油庫存下降了310 Mbbl，為382.4 Mbbl。煉油廠在93.9%的產(chǎn)能下運(yùn)行，較上周下降了0.5百分點(diǎn)。海灣沿岸(被稱為PADD3)的煉油廠開工率上升了1百分點(diǎn)，達(dá)到95.9%。休斯敦能源咨詢公司安迪說：“中西部和海灣沿岸的煉油廠繼續(xù)在一個(gè)非常高的水平上運(yùn)營，他們把原油的過剩變成石油產(chǎn)品的過剩?！泵绹茉葱畔⑹?EIA)的數(shù)據(jù)顯示，中西部地區(qū)(PADD2地區(qū))中間餾分油庫存增加了4.24 Mbbl，海灣地區(qū)增加了3.20 Mbbl。美國基準(zhǔn)原油WTI 2015年1月7日收于47.93美元/bbl，是2009年4月以來的最低值。紐約汽油期貨價(jià)格下跌了1.9%，為1.328美元/gal(1 gal≈3.785 L)。超低硫柴油期貨下跌2.1%，為1.689 8美元/gal。普通汽油的平均價(jià)格為2.191美元/gal，是2009年5月以來的最低水平。

[許建耘摘譯自Hydrocarbon Processing，2015-01-07]

COALGASIFICATIONPRINCIPLEANDITSTECHNOLOGYDEVELOPMENTDIRECTION

Wu Zhiguo

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The complexity of coal constituent and the variety of downstream processes lead to variety of coal gasification technologies. Domestic coal gasification technologies nowadays were analyzed in this paper based on the coal gasification principle. It is thought that the entrained slagging bed is the main development direction of coal gasification technology， which possesses the advantages of high gasification reaction efficiency， high carbon conversion rate and is the best green process. The pyrolysis layer in moving bed leads to higher methane content in product gas and is good for coal to manufacture nature gas， but the problems of lower gasification intensity and alkali metals enrichment in the bed occur；Fluidized bed pyrolysis-gasification process can also raise methane content in its product gas. The gasification intensity is higher than that of moving bed if reasonable particulate size of feed coal is used. There are various problems for the other gasification technologies and need to continue to research and development or think carefully about industrial application.

coal gasification； chemical reaction； coal gasification technology

2014-08-28；修改稿收到日期： 2014-12-23。

吳治國，博士，教授級(jí)高工，主要從事油煤共煉和煤氣化新工藝的研發(fā)工作。

吳治國，E-mail：wuzhiguo.ripp@sinopec.com。