典型煤气化技术介绍及选择要点分析

杨 益

（山西省能源发展中心，山西 太原 030006）

随着我国国民经济的持续发展，我国的能源消耗量也在持续增加。煤炭作为能源来源之一，在能源的消耗量中占有相当的比重，尤其是在我国能源消费结构中，煤炭更是占有绝对重要的地位。

煤气化技术是煤炭洁净化利用的重要途径之一，也是现代煤化工项目的龙头技术。煤气化是以进入气化炉的煤为气化原料，以空气、氧气、二氧化碳或水蒸气为气化剂，在气化炉内一定的温度、压力等条件下进行反应，生产以一氧化碳、氢气为主要成分的煤气的工艺过程。近年来，煤炭气化技术得到了的长足的发展和应用[1-3]，在实现煤炭资源的高效洁净利用的同时，还有效降低了对环境的污染。

煤气化技术按照煤在气化炉内运动方式的不同，一般分为固定床、流化床和气流床等形式。

1 典型煤气化技术

1.1 固定床气化技术[2，4]

固定床气化技术是最早开发的气化技术。在气化炉的下部有炉箅子，用以支撑气化炉内的煤层。固定床气化中，原料煤自气化炉的顶部加入，依靠自身的重力逐步向下缓慢移动，依次经过干燥层、干馏层、气化层和燃烧层。气化剂则是自气化炉下部进入，并逐渐自气化炉下部向气化炉上部流动，与煤层呈逆流接触的形式。

固定床气化炉以5 mm～50 mm 的块煤为原料，气化后剩余的灰渣从气化炉底部排出，排渣的碳含量较低。由于气体和煤层的逆流接触，煤气在流出气化炉前，被原料煤冷却，煤气在出口的温度一般为400 ℃～500 ℃，同时由于煤在热煤气的作用下进行热解反应，生产的煤气中含有较高的甲烷含量，同时煤气中夹带着有大量的焦油、酚类以及氰化物等物质，导致后续的煤气净化及水处理系统工艺复杂、设备多。

1.1.1 Luigi 气化技术

Luigi 气化技术属于典型的固定床气化技术，经过不断地升级改进，目前已经推出了第五代炉型。Luigi 气化技术炉型结构较为复杂，采用固态排渣方式，炉渣含碳量一般在5%左右。气化炉内的最高温度一般可达1 300 ℃，因此在选择气化原料时不宜选用灰熔点较低的煤种。

1.1.2 BGL 气化技术

BGL 气化技术也是典型的固定床气化技术之一。BGL 气化技术采用液态排渣的方式进行排渣，气化炉结构比传统的Lurgi 炉简单，由于气化炉内最高温度可达1 500 ℃，BGL 气化炉煤种适应性强，气化强度高，生产能力大，煤气中可燃组分提高，碳转化率、气化效率和热效率均较高，对环境的污染也减小。但其高温的操作条件和液态排渣的方式对BGL 固定床气化炉设备提出了更高的要求。同时，由于排渣采用液态排渣的方式，在选用气化原料时，不宜选用高灰含量和高灰熔点的煤种。

1.2 流化床气化技术[4-5]

流化床气化炉底部有一气体分布板，进行反应时，气化剂自分布板之下进入分布板上面，分布板上面的反应煤层中的粉煤在气化剂的作用下呈悬浮状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。

流化床气化以碎煤为原料（一般小于6 mm），煤气中几乎不含焦油、酚和烃类，流化床反应器的混合特性有利于传热、传质及粉状原料的使用，传统流化床为降低排渣的碳含量，必须保持床层物料的低碳灰比；而在这种高灰床料工况下，为维持稳定的不结渣操作，传统流化床必须控制在较低的操作温度（低于950 ℃），因而只适用于高活性的褐煤或次烟煤。

为克服传统流化床气化技术的缺点，开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术。灰熔聚流化床粉煤气化技术根据射流原理，设计了独特的气体分布器和灰分离装置，在气化炉内形成局部的高温区（1 200 ℃～1 300 ℃），并采用选择性排渣提高了床内碳浓度，降低了结渣风险，从而提高了操作温度（可达1 100 ℃），使其可气化的煤种由褐煤、次烟煤等高活性煤种，拓宽到烟煤甚至无烟煤等低活性的煤种。

流化床气化技术工艺操作温度适中，投资较低，原料适应性宽，因此愈来愈受到重视。

1.2.1 温克勒煤气化技术

温克勒煤气化技术属于典型的传统流化床煤气化技术，最早用于工业生产，气化原料煤的粒度范围较宽，气化炉的结构简单、造价低。温克勒气化炉为常压操作，这种炉型的缺陷是仅适用于褐煤、次烟煤等反应活性高的煤种，气化温度低，排渣含碳量高，飞灰带出物造成的碳损失大，致使碳利用率低，煤耗高。针对这些问题开发了高温温克勒气化技术（HTW）。

相较于温克勒气化技术，高温温克勒气化技术提高了操作压力和温度，增加流化床带出细粉循环入炉系统，从而提高了气化炉的气化强度和碳转化率，煤气中甲烷含量相较于温克勒气化技术也得到了降低。但高温温克勒气化技术原料煤种依然局限于褐煤等高活性煤种。

1.2.2 ICC 灰熔聚流化床气化技术

ICC 灰熔聚流化床气化技术属于典型的改进型的流化床气化技术。由中国科学院山西煤炭化学研究所开发的ICC 灰熔聚流化床气化技术低压工业装置目前已经投入生产运转，成功应用于工业合成项目和工业燃料气项目。ICC 灰熔聚流化床气化技术的煤种适应性强，可以气化褐煤等高活性煤种，也可气化无烟煤、甚至石油焦等低活性煤种，对应高灰、高灰熔点、高硫等劣质的三高煤也可以实现很好的气化。ICC灰熔聚流化床气化技术工业装置在工业燃料气项目中表现出了良好的应用业绩，但在应用于工业合成项目时，其操作压力有待于进一步的提高，相对于气流床气化技术，单台气化炉的处理能力也需要进一步的提高。

1.3 气流床气化技术

气流床气化技术在进行煤气化过程中，在气化炉内气化剂夹带着原料煤粉一起流动，气化剂和煤粉呈并流流动的状态。气流床气化技术原料细煤粉的粒径必须达到＜0.1 mm 的要求，且以液态排渣的方式排渣。气流床气化操作压力高，气化操作温度高，可达1 500 ℃，煤气中不含焦油、酚和烃类，甲烷含量很少，气化强度高，但同时投资高，氧耗量高，由于以液态排渣方式排渣，必须采用较低灰熔点和低灰含量的煤作原料，否则需加助熔剂而进一步增加氧耗，这对我国近50%的高灰熔点和高灰煤是非常不利的。

气流床气化技术根据进料时，原料细煤粉进料形态的不同，又可细分为两种，具体为以干细煤粉为原料的干法气流床气化技术或者干粉进料气流床气化技术，以细煤粉制备的水煤浆为原料的水煤浆气化炉气化技术或者湿法进料气流床气化技术。德士古Texaco 气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术、多原料浆气化技术等属于水煤浆气化技术，壳牌Shell气化技术、GSP 气化技术等属于干粉气化技术[1，3，5]。

1.3.1 德士古Texaco 气流床气化技术

德士古气流床气化技术属于典型的水煤浆气流床气化技术。德士古气流床气化技术是在重油气化的基础上发展而来了，是一种率先实现工业化的气化技术，其进料方式简单，工程问题较少，具有大的气化能力，近些年来得到了长足的发展。德士古气化炉使用的典型煤浆质量分数是60%～70%，由于煤浆具有液体的特性，加压进料容易，所以可以实现更高压力（8 MPa～10 MPa）操作。其操作温度一般在1 350 ℃～1 450 ℃，当所用煤种的灰熔点和灰熔融流动温度较高时，需要添加助熔剂。

1.3.2 壳牌Shell 气化技术

壳牌气流床气化技术属于典型的干粉气流床气化技术。壳牌气化技术采用干煤粉进料，煤粉通过高压氮气或二氧化碳被传送到气化炉内，煤粉、氧气和水蒸气在气化炉内反应，气化炉操作温度保持在1 400 ℃～1 500 ℃，煤灰熔融并以液态形式排出。壳牌气化技术原料干煤粉必须经过干燥后达到水分质量分数小于2%，以免煤粉结团而无法正常运转。由于采用干煤粉进料，相对水煤浆进料而言干煤粉进料的氧耗低，冷煤气效率高，但同时产品煤气中的一氧化碳体积分数高达约60%，对于后续以煤气进行化工合成为目的时，煤气变换的压力增加很多。当所用煤种的灰熔点和灰熔融流动温度无法满足炉内操作温度时，需要添加助熔剂。

2 气化技术的选择

不同的气化技术具有不同的特点，在实施不同的项目时，应根据实际情况选择合适的气化技术[3，6-8]。在当前“双碳”目标的大背景下，选择合适的气化技术，优化项目工艺，降低过程能耗，即实现了节能减排的效果，也提高了项目的经济效益。

2.1 煤气用途

选择气化技术时，首先应根据煤气是作为合成气使用，还是作为燃料气使用。以合成氨、甲醇等为目标产品时，气化技术的产品煤气中应尽量减少甲烷含量，并保持合理的一氧化碳和氢气体积分数，这样可以减轻后续的甲烷转化、一氧化碳变换等工序的负荷和能耗；以合成天然气为目标产品时，则可以选择产品煤气中甲烷含量相对较高的气化技术。当煤气作为燃料气使用时，需要考虑煤气的热值，后续使用的压力，以及负荷波动等。

2.2 气化原料

在选择气化技术时，需要考虑气化原料的水分含量、灰含量、灰熔点、成浆性、反应活、粒度等因素。原料煤水分含量高且不易干燥，不易选择干煤粉气流床气化技术。原料煤的灰含量高对于以液态形式排渣的气化技术会带来额外的运行能耗和费用。原料煤的灰熔点高，不易选择液态排渣的气化技术，否则需要添加助溶剂，相当于增加了煤的灰含量。原料煤是否易于制备成水煤浆，决定了是否可以选用水煤浆气化技术。对于反应活性差的原料煤不能选择高温温克勒气化技术（HTW）等传统流化床气化技术[6-8]。原料煤的粒度分布决定了选择气化技术的大方向，原料煤为块煤时固定床气化技术可以作为选择方案之一，当原料煤为粉煤时则不能选择固定床气化技术。

2.3 用气规模

在进行气化技术选择时还需要考虑煤气规模的影响。为了保持项目连续运转，在项目运行时不能出现煤气断供或者出现大幅波动的情况，因此在确定气化技术时应考虑单台气化炉的规模，并设置有备用气化炉。

2.4 原料来源

当项目所在地生产煤时，则尽量选择以当地煤为气化原料，选择适合当地煤的气化技术。否则，就需要到外地购买原料煤，这在一定程度上增加了原料煤采购的费用

3 结语

煤气化技术是实现煤炭清洁高效利用的龙头技术之一，也是现代煤化工的关键技术之一。不同的煤气化技术都有其独特的气化技术特性，有其一定的适应性和局限性。选择煤气化技术应根据煤气用途、气化原料、气化规模和原料来源等选择合适的气化技术，以实现节能降耗减排的同时，提高整体的经济效益。