王 利 峰

(中國煤炭科工集團 安標國家礦用產(chǎn)品安全標志中心有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤氣化是在高溫條件下以空氣或氧氣為氣化介質(zhì)，通過化學反應將煤或煤焦轉(zhuǎn)變?yōu)镃O、CH4、H2等可燃性混合氣體的過程[1-2]。我國現(xiàn)代煤化工經(jīng)20多年的發(fā)展已形成較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，截至2020年底，我國現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能包括煤制油、烯烴、氣、乙二醇等四大類主要煤化工產(chǎn)品約2 647萬t，年轉(zhuǎn)化煤炭約9 380萬t標準煤[3]。其中，煤炭氣化是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭，是煤化工發(fā)展的關鍵過程之一[4]。截至2020年全年通過煤氣化轉(zhuǎn)化的原料煤近3億t，占我國煤炭消費總量的6%左右[5]。以煤氣化技術為核心的現(xiàn)代煤化工技術是煤炭高效清潔利用的有效途徑，是煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的現(xiàn)實路徑，對增強我國能源戰(zhàn)略保障能力發(fā)揮重要作用[6-7]。

筆者介紹了不同煤氣化技術的發(fā)展脈絡、產(chǎn)業(yè)化應用和市場布局，并對主流煤氣化技術未來發(fā)展趨勢進行了展望，以期能為煤氣化技術的發(fā)展應用提供借鑒。

1 煤氣化技術開發(fā)及應用

煤氣化工藝技術的發(fā)展持續(xù)了近140余年，煤氣化技術開發(fā)涉及煤炭、化工、材料、控制等多學科多要素之間的協(xié)同，作為煤化工的龍頭技術其先進性影響著煤化工整體技術的效率、成本和發(fā)展[8-9]。自新中國建立到改革開放起始的30 a期間，西方發(fā)達國家對我國進行了學術和技術方面的封鎖，我國工業(yè)界的煤氣化裝置幾乎完全依賴常壓固定床氣化技術，裝置規(guī)模普遍較小且原料適應性差，環(huán)境污染情況嚴重，經(jīng)濟效益有限[10]。改革開放后，在面臨與西方煤氣化技術巨大差距的形勢下，我國結合當時經(jīng)濟社會發(fā)展的情況開啟了煤氣化技術開發(fā)工作，相繼在固定床、流化床和氣流床方面進行了深入的技術開發(fā)工作，特別是在氣流床氣化技術方向開發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿/粉煤氣化、航天爐粉煤加壓氣化技術、SE粉煤加壓氣化等先進煤氣化技術，打破了跨國公司的技術壟斷，有力支持了我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展[11-12]。

隨著1882年第1臺固定床空氣間歇式氣化和連續(xù)式固定床加壓氣化技術的成功工業(yè)化到流化床煤氣化的工業(yè)化應用，再到氣流床氣化技術的成功開發(fā)，煤氣化技術在煤炭資源高效利用領域中承擔了重要角色。我國煤氣化技術發(fā)展歷史較短，20世紀50—60年代以后我國煤氣化技術開發(fā)工作取得實質(zhì)性進展，我國煤氣化技術開發(fā)與國外煤氣化發(fā)展的路徑一致，爐型開發(fā)從固定床、流化床再到氣流床，入爐煤顆粒逐漸由厘米級到微米級，反應溫度從中溫到高溫，氣化煤種由焦炭、無煙煤到煙煤和褐煤，我國現(xiàn)代煤化工的整體技術水平已位居前列，相繼實現(xiàn)了很多關鍵共性技術的突破，煤化工行業(yè)的科技創(chuàng)新取得了多項重大突破且多項技術已達到國際領先水平。筆者將3種主流氣化技術的發(fā)展結合我國實際應用和開發(fā)的情況做簡要回顧。

1.1 固定床氣化技術

固定床氣化是原料煤由上部加煤裝置加入，與底部通入的氣化劑接觸并發(fā)生化學反應生產(chǎn)煤氣的過程，產(chǎn)生的灰渣由氣化爐底部排出。煤料下降速度相對于氣化劑的上升速度非常慢，因此稱為固定床氣化爐或移動床氣化爐。固定床氣化技術最早由德國研究開發(fā)并實現(xiàn)工業(yè)化，19世紀80年代第1臺常壓固定床間歇氣化爐實現(xiàn)工業(yè)化，隨后美國聯(lián)合氣體改進公司在此基礎上進行優(yōu)化，形成了UGI爐固定床間歇式氣化技術[13-14]。UGI爐的原料為無煙煤或焦炭，氣化劑為空氣中的氧氣，可以采用連續(xù)或間歇式操作方式，產(chǎn)品為煤氣或水煤氣。UGI爐設備結構簡單、投資低，在我國化肥生產(chǎn)史上做出了重要貢獻，但由于其產(chǎn)能和熱效率低，渣中含碳量高且生產(chǎn)過程中產(chǎn)物中有大量含氰廢水，間歇的操作方式使得操作較為復雜，UGI爐各項指標不能滿足當時工業(yè)發(fā)展需要。為了解決這些問題，魯奇公司采用加壓和連續(xù)進料的方式使氣化爐單爐處理能力顯著增加，加壓固定床氣化爐使煤氣化技術取得了重大突破，滿足了快速發(fā)展的化學工業(yè)對裝置大型化的需求[15]。為提高氣化高硫、高揮發(fā)分、低活性煤種的氣化效率，BGL氣化爐在魯奇爐固態(tài)排渣氣化爐的基礎上進行了改進，對氣化爐底部進行重新設計以適應更高的氣化溫度，碳轉(zhuǎn)化率達90%以上，大幅提高了氣化效率和氣化強度，同時采用熔融態(tài)排渣，單爐生產(chǎn)能力大大提升。相較于固態(tài)排渣的魯奇爐，BGL氣化爐對水蒸氣分解率超過90%，使得氣化耗水量大幅降低，進一步降低了氣化爐的操作費用，降低了生產(chǎn)成本[16]。BGL氣化爐較高的氣化溫度加強了水蒸氣分解和CO2還原，使得煤氣組成中CH4和CO2體積分數(shù)明顯降低，CO和H2體積分數(shù)提高，這些特點都使得BGL爐更適合生產(chǎn)合成原料氣[17-18]。

固定床氣化技術從早期的常壓間歇式氣化方式發(fā)展到加壓連續(xù)進料的固定床氣化爐技術，由固態(tài)排渣到高溫氣化的熔融排渣方式，固定床氣化技術不斷發(fā)展改進，固定床氣化爐的單爐處理能力逐步提升，氣化強度和效率、煤種適應性逐步提高，污染物生成量逐步減少。盡管固定床氣化技術發(fā)展最早，但憑借其特有的成本、投資優(yōu)勢及應用特點，目前在生產(chǎn)城市煤氣和合成氨方面應用仍十分廣泛。

1.2 流化床氣化技術

流化狀態(tài)是指當氣體介質(zhì)以一定的線速度通過顆粒床層，床層發(fā)生膨脹并使各顆粒物之間保持連續(xù)運動狀態(tài)，流化床氣化爐內(nèi)固體顆粒在床層中混合程度高且均勻，因此具有較高的氣-固傳熱和傳質(zhì)速率，氣化過程易于控制，生產(chǎn)規(guī)模也便于擴大[19]。由于存在氣化爐操作溫度偏低及細粉帶出量多等問題，早期開發(fā)的常規(guī)流化床僅適用于活性高的褐煤、低階煙煤以充分保障灰渣中含碳量處在較低水平。為充分解決灰渣碳含量過高的問題，近幾十年來國內(nèi)外致力于新型流化床氣化爐尤其是灰熔聚流化床氣化爐的開發(fā)[20]。

煤灰的熔聚是指煤粉在高溫氣化過程中黏聚成塊的現(xiàn)象，當溫度在煤灰的熔融溫度附近時，流態(tài)化燃燒和氣化過程中可熔聚成為球狀或塊狀灰渣排出?；胰劬哿骰矚饣に嚰夹g的關鍵是嚴格控制氣化爐的操作條件，使煤灰在軟化而未熔融的狀態(tài)下從床層中將含碳量較低的大粒黏聚物連續(xù)、有選擇性地排出[21]?；胰劬蹥饣ㄊ敲簹饣旁闹卮蠹夹g發(fā)展，有效降低了氣化排出煤灰中的碳損失，提高了過程的碳利用率(96%～98%)。

20世紀60年代美國巴特爾實驗室開發(fā)了Battelle-Union Carbide黏聚灰法，由2個流化床分別進行原料煤顆粒的燃燒和蒸氣氣化，灰黏聚發(fā)生在稍低于煤灰熔融溫度的條件下，煤燃燒產(chǎn)生的黏聚灰循環(huán)至蒸氣段提供氣化所需熱量。該法可選擇性地脫除較大的灰塊降低灰的碳含量，解決了通常流化床中碳轉(zhuǎn)化率低這個共性問題，1976年初在西杰弗遜市建成采用25 t/d煤生產(chǎn)合成氣的中試裝置。

U-Gas氣化法的氣化爐是一種原理較簡單的灰熔聚流化床氣化爐，該技術在氣化爐底部通過將含有煤焦的灰從氣爐底部分離以較大幅度提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率。上海焦化廠在20世紀90年代初曾引進U-Gas氣化技術，建立了由8臺U-Gas氣化爐組成的大型生產(chǎn)裝置，但1995年建成后未正常運行。U-Gas技術經(jīng)過多次技術變更，以SES氣化技術進入我國，目前我國運行的U-Gas(SES)氣化爐共10臺。

1.3 氣流床氣化技術

氣流床氣化是采用粉狀煤炭作為原料與氣化劑共同送入氣化爐內(nèi)充分混合并發(fā)生氣化反應以生產(chǎn)合成氣原料的一種氣化工藝過程[22]。氣流床技術工業(yè)化起步雖晚，但在近40 a得到了快速發(fā)展，是當前煤炭氣化的重要工藝過程。氣流床技術易實現(xiàn)高壓連續(xù)進料，使單爐處理能力有較大幅度提高。同時該類技術的氣化反應溫度高，采用純氧氣化且煤種適應性廣等特點契合現(xiàn)代煤化工發(fā)展對煤氣化技術單系列、大型化等方面的需求。該技術種類豐富，按照進料方式不同分為煤粉和水煤漿進料，國內(nèi)外先進的氣流床煤氣化技術主要有：以德士古氣化技術、E-Gas氣化技術、單噴嘴和多噴嘴對置式水煤漿氣化為代表的水煤漿氣化技術；以殼牌氣化技術、GSP氣化技術、科林氣化技術、多噴嘴對置式氣化技術、航天爐粉煤加壓氣化技術、SE粉煤加壓氣化等為代表的水煤漿氣化技術[23-24]。

原料煤以粉狀或水煤漿狀噴入爐內(nèi)，煤粉微粒在高溫下(1 300～1 500 ℃)與氣化爐內(nèi)的氣化氣流接觸，經(jīng)歷熱解、氣化及形成熔渣的過程，由于煤粉微粒之間幾乎無相互作用，微粒在膨脹軟化時發(fā)生相互黏結的概率大大降低，使得氣流床氣化受煤黏結性的影響較低，操作更為穩(wěn)定可靠。同時，氣流床氣化工藝靈活，氣化壓力高使得生產(chǎn)能力提高，反應物在爐內(nèi)停留時間短，碳的轉(zhuǎn)化率可達95%～99%，合成氣不含焦油、酚類等雜質(zhì)，適用于化工合成、制氫和煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。但同時需要指出，氣流床氣化技術要求所選用原料煤的灰熔融溫度和灰含量處在較低范圍(灰熔融溫度不應高于1 500℃且灰質(zhì)量分數(shù)低于20%)以使灰渣順暢地在氣化爐底部排出，如果灰熔融溫度較高則需要加入CaO或Fe2O3等助熔劑來調(diào)整煤灰熔融溫度，將會增加氣化爐的運行成本。我國煤種的灰熔融溫度普遍偏高使得該技術在我國應用的成本增加，高溫運行環(huán)境下對耐火材料和噴嘴的要求較為苛刻，導致氣流床氣化爐的投資普遍較高，另外運行過程中比氧耗高也提高了煤氣生產(chǎn)的成本[25]。

我國在引進國外氣流床氣化技術時遇到了大量的技術問題，如在初期應用德士古水煤漿氣化技術時存在燒嘴和氣化爐耐火材料壽命偏短、激冷環(huán)和下降管燒蝕嚴重、合成氣出激冷室?guī)畮Щ覍е孪礈煜到y(tǒng)積灰堵塞，且在變換工段中合成氣細灰含量超標等問題，嚴重制約了氣化爐的長周期安全穩(wěn)定運行。E-gas技術也出現(xiàn)了二段爐出口及后系統(tǒng)的焦油熱解器堵塞問題，這是由于在該技術的兩段式氣化爐結構中第2段氣化室經(jīng)熱解反應產(chǎn)生的半焦在與水蒸氣和CO2反應時出口焦油含量過高導致，在配套氣化制氫方案時需額外配置甲烷轉(zhuǎn)化或焦油分離裝置來保障氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行，這增加了整體氣化系統(tǒng)的投資和運行成本，制約了氣化裝置的長周期運行[26]。Shell粉煤氣化技術早期在運行調(diào)試上缺乏經(jīng)驗，出現(xiàn)了氣化爐堵渣、燒嘴隔焰罩燒蝕、鍋爐積灰、細灰過濾器陶瓷管斷裂等影響裝置長周期穩(wěn)定運行的問題。GSP粉煤氣化技術也在寧夏煤業(yè)投產(chǎn)初期出現(xiàn)了煤粉輸送不穩(wěn)定、燒嘴燒蝕、碳轉(zhuǎn)化率低、后系統(tǒng)積灰堵塞嚴重等問題[27]。

針對以上國外氣流床氣化技術在國內(nèi)應用存在的大量工程問題，近30 a，針對煤種特點和技術要求，我國先后開發(fā)了多噴嘴對置式水煤漿/粉煤氣化技術、航天爐粉煤氣化技術、SE水煤漿/粉煤氣化技術、晉華爐單噴嘴水煤漿等氣化技術。一批國產(chǎn)大型化氣流床氣化技術的成功開發(fā)及在國內(nèi)企業(yè)成規(guī)模的應用標志著我國擁有了完全自主知識產(chǎn)權的氣流床煤氣化技術，打破了跨國公司的技術壟斷，有力支持了我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展。

1.4 其他氣化技術

近40 a，我國煤化工行業(yè)研究的重點主要集中在氣流床等研發(fā)設計領域，同時在等離子體氣化、催化氣化等方面的探索研究也更豐富、更常態(tài)化[28-29]。20世紀80年代后，中國礦業(yè)大學(北京)等有關單位進行了一些試驗設計，為我國煤炭地下氣化技術的高質(zhì)量發(fā)展提供了關鍵數(shù)據(jù)支撐和決策參考[30]。2005年以來，新奧集團股份有限公司建立了超臨界水氣化、加氫氣化和催化氣化的中試裝置，在加氫氣化和催化氣化工業(yè)示范裝置的運行和建設方面進行了大量開創(chuàng)性工作[31]。謝克昌院士團隊是我國在該領域進行深入探索的首個團隊，在精準研究和深度探索的基礎上形成了一些具有代表性的成果。后期大連理工大學以及新疆天業(yè)(集團)有限公司等單位開始對5 MW煤等離子體裂解制乙炔中試裝置進行了深入的探索和研究，并取得了顯著成績[32-33]。

2 煤氣化應用現(xiàn)狀

我國煤化工產(chǎn)品種類繁多，煤化工工藝過程結合各地資源稟賦特點各不相同，應根據(jù)所用煤的性質(zhì)和原料氣要求對氣化條件以及氣化反應器的結構進行調(diào)整，這必然要求煤氣化技術多元化發(fā)展以適應不同煤質(zhì)和煤化工產(chǎn)品路線的要求[34]。

在我國實現(xiàn)工業(yè)化應用的煤氣化技術約有30多種，僅占全球煤氣化技術的1/3左右，已投產(chǎn)和正在建設的氣化爐達700余臺，且60%以上的氣化爐已投產(chǎn)運行。其中應用較多的主流爐型中，固定床技術有魯奇碎煤加壓氣化爐、賽鼎碎煤加壓氣化爐、BGL熔渣氣化爐。目前國內(nèi)在建或運行的魯奇爐固定床碎煤加壓氣化爐共146臺，其中18臺用于城市煤氣生產(chǎn)，24臺用于合成氨生產(chǎn)，其余用于煤制天然氣生產(chǎn)[35]。但固定床氣化工藝的普遍問題是會排出大量含焦油、氨、酚等污染物的廢水，目前通用的處理方式是采用水氣分離的方式將酚、氨回收處理，處理難度大，難以做到達標排放，導致廢水處理投資和成本提高，一定程度上影響了固定床氣化技術的投資回報率[36]。

流化床氣化爐結構簡單、操作方便，對煤炭生產(chǎn)的部分碎煤可直接利用，因單爐處理能力高且產(chǎn)品氣中焦油等雜質(zhì)含量較低，得以廣泛推廣[37]。流化床技術主要包括中科院山西煤化所開發(fā)的灰融聚煤氣化技術、中科院工程熱物理研究所的循環(huán)流化床煤氣化技術、美國綜合能源系統(tǒng)公司的SES(原U-Gas)煤氣化技術。流化床氣化在我國屬于新型氣化工藝技術，處在起步階段，由于該技術的氣化強度不夠高，與固定床和氣流床氣化爐相比碳轉(zhuǎn)化率略低，應用競爭力有待驗證[38]。

氣流床氣化技術具有較好的原料適應性且資源利用效率高，單爐處理能力高，符合煤化工大型化的發(fā)展要求[39]。目前我國在氣流床煤氣化技術的研究上已處于國際領先地位，具有自主知識產(chǎn)權的多噴嘴對置式氣化技術和航天粉煤氣化技術已在國內(nèi)大規(guī)模成功應用并走向世界。多噴嘴對置式氣化技術已大規(guī)模應用于國內(nèi)外61家企業(yè)，在建和運行的氣化爐182臺，氣化裝置煤處理能力位列世界第1；航天爐粉煤氣化技術截至2020年底已應用于國內(nèi)51家企業(yè)，在建和運行的氣化爐共117臺[40-41]。

3 未來發(fā)展方向

隨著煤氣化技術“大型化、高壓化”主流技術的不斷發(fā)展，在“雙碳”“雙控”產(chǎn)業(yè)政策背景下，提高氣化爐的整體效率、拓寬煤種適應性、提高氣化爐單爐生產(chǎn)能力、降低停車風險保障裝置的可靠性、降低氣化技術對環(huán)境影響程度、強化煤氣化與新型煤化工的技術集成[42-43]是煤氣化技術的發(fā)展方向。

1)優(yōu)化回收煤氣化高溫顯熱，提高熱量的回收利用。結合廠區(qū)資源通過合理選擇和優(yōu)化激冷工藝、廢熱鍋爐回收氣化高溫熱量以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2)大型煤化工企業(yè)采用“坑口就地轉(zhuǎn)化”，在實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的同時可大幅降本增效，提高企業(yè)競爭力。同時根據(jù)煤質(zhì)、產(chǎn)品情況選擇合適的氣化技術，通過采用合適的配煤技術和劣質(zhì)煤預處理技術以拓寬氣化爐對煤種的適應范圍。

3)在大型化發(fā)展方面，氣流床氣化技術是優(yōu)選的技術方向，通過提高氣化反應溫度、氣化壓力和強化混合等方式提高單爐處理能力，有利于提高煤化工整體產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟性。其次在氣流床氣化技術中，通過設置合理的噴嘴數(shù)量及位置強化混合過程，形成更合理的爐內(nèi)流場結構，可進一步提高裝置的處理能力，滿足大型化需求。

4)優(yōu)化入爐煤的配煤標準保證灰熔融溫度和黏溫特性的穩(wěn)定性，同時也要通過關鍵設備、材料以及關鍵部位防護技術的突破，實現(xiàn)氣化裝置的長周期安全可靠運行；結合全廠的能量供應和消耗，從上下游全面優(yōu)化氣化工藝流程，精細化管理能量流和物料流，優(yōu)化整個氣化系統(tǒng)的效率。

5)針對煤氣化過程污染物開發(fā)綠色煤氣化技術，如煤氣化中的廢水問題是氣化技術發(fā)展的一大難題，開發(fā)有針對性的工藝對廢水進行處理，根據(jù)技術成熟度穩(wěn)妥推進新技術在解決煤氣化污水處理的問題。通過工程示范推動相關基礎研究成果落地，降低煤氣化過程中污染物的排放；對于已有設備，采用新型廢物治理和利用技術，如生物法處理廢水、廢渣資源化利用等新型技術，降低煤氣化裝置污染物排放，最后實現(xiàn)近零排放。

4 結 語

煤炭資源的高效清潔利用對我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標具有重要意義。在雙碳目標實現(xiàn)過程中，煤氣化技術是十分典型的技術類型，筆者分析了煤氣化技術在我國能源利用和發(fā)展中的重要作用，介紹了固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術及其他氣化技術的特點和應用現(xiàn)狀，分析了當前我國煤氣化技術應用的發(fā)展脈絡并提出我國煤氣化技術已逐步從早期“外延粗放式”進入到了“內(nèi)涵集約式”的發(fā)展階段，結合當下雙碳目標在節(jié)能降耗、提升煤種適應性、煤氣化裝置的改進優(yōu)化等方面進行技術提升。