煤氣化技術在中國：回顧與展望

王 輔 臣

(華東理工大學 潔凈煤技術研究所，上海 200237)

0 引 言

煤炭是我國的基礎能源和戰略原料，煤炭的清潔高效利用是社會經濟發展和生態文明建設的客觀要求，也是保障國家能源安全的現實需要[1-2]。煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術，廣泛應用于煤基大宗化學品合成(合成氨、甲醇、乙二醇、醋酸、乙烯、丙烯等)、煤制液體燃料(汽油、柴油等)、煤制天然氣(SNG)、IGCC發電、煤基多聯產、直接還原煉鐵、制氫等過程工業[3]，是這些行業的龍頭技術和關鍵技術。

改革開放以來，我國煤氣化技術的基礎研究、技術開發、工程示范、工業應用等均取得了長足進步，成功開發了具有完全自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，實現了我國大型煤氣化技術零的突破；開發的多種煤氣化技術也實現了工業應用，使我國煤氣化技術完成了從跟跑、并跑到領跑的跨越，支撐了現代煤化工行業的快速發展[4-9]。截至2019年底，我國煤制合成氨產能約5 300萬t/a，煤制甲醇產能近7 500萬t/a，煤制油產能823萬t/a，煤制烯烴產能1 582萬t/a，乙二醇產能488萬t/a，煤制天然氣產能51億m3/a，加上煤氣化制中低熱值燃氣行業，全年通過氣化轉化的原料煤約為2.5億t，占我國煤炭消費總量的6%左右，以煤氣化技術為核心的現代煤化工技術對促進國民經濟可持續科學發展、保障國家能源安全發揮了重要作用。

據不完全統計，我國現有煤氣化專利商或聲稱擁有煤氣化技術的公司共30余家，但各主流煤氣化技術并未超出固定床、流化床、氣流床的技術范疇，也未超越熱化學轉化這一基本的工藝路線。

本文旨在總結煤氣化技術在我國發展的正反兩方面經驗，梳理發展脈絡，展望未來方向。筆者相信，在國家和企業研發投入持續增長以及行業需求依然旺盛的大背景下，我國煤氣化技術在現有的基礎上，一定會取得無愧于新時代的新突破和新發展。

1 國外煤氣化技術在我國的應用歷程

1.1 國外煤氣化技術的發展

據現存的文獻和專著記載，煤氣化技術的最早發明者是蘇格蘭人W·默多克，他于1792年采用鐵甑干餾煙煤，并將獲得的煤氣用于家庭照明。1812年，這種干餾煤氣開始用于倫敦街道照明，并成立了倫敦煤氣照明公司。隨后世界上許多國家和城市相繼采用該技術[10-11]，1816年，美國巴爾的摩市建立了煤氣生產工廠以大規模生產煤氣，并對該技術進行了進一步完善和發展。本質上，W·默多克發明的技術，采用現在的規范術語，應稱為“煤干餾”(Coal pyrogenic distillation)，屬于低溫熱解范疇。現代意義上的煤氣化技術，最早的雛形來自法國人采用的焦炭煤氣發生爐，德國西門子公司于1857年建立了工業化的煤氣發生爐[12-13]，這是現代固定床煤氣化技術的源頭，也是煤氣化技術的第1次重大突破。

1882年，第1臺常壓固定床空氣間歇氣化爐完成設計，并實現工業化。1913年后，美國聯合氣體改進公司(United Gas Improvement Company)對該技術進行完善，形成了UGI爐[13]。20世紀60年代后，該技術在國外逐漸被兩段固定床氣化技術和德國魯奇(Lurgi)公司開發的加壓固定床氣化技術替代。但由于我國的特殊國情，行業發展的技術水平參差不齊，常壓固定床氣化爐至今仍在部分企業中使用，以生產合成氨或燃氣為主。

20世紀20年代，德國人Winkler首次發現了流態化現象，并應用于煤氣化技術的開發，形成了Winkler氣化技術，1926年在德國洛伊納建成了第1個工業裝置[12,14]。流化床煤氣化技術開創了流態化技術工業應用的先河，這是煤氣化技術發展的第2次重大突破。其后，U-Gas技術、KRB技術等流化床氣化技術開發成功，并進行了工業示范。

1936年，魯奇(Lurgi)公司開發了加壓固定床氣化爐[15]，從常壓間歇進料的煤氣發生爐到加壓連續進料的固定床氣化爐，這是煤氣化歷史上第3次重大的技術突破。由于氣化爐操作壓力提高，單爐處理能力顯著增加，適應了當時快速發展的化學工業對裝置大型化的需求，煤氣化技術的發展和應用也進入了新階段。20世紀70年代，Lurgi公司與英國煤氣公司合作，完成了熔融排渣的Lurgi加壓氣化爐工業試驗[16-19]，形成了BGL氣化技術。

20世紀30年代，德國克柏斯(Koppers)公司和美國德士古(Texaco)公司開始進行氣流床煤氣化技術的研究[12,20-21]。1952年，Koppers-Totzek 氣流床氣化爐(K-T爐)成功實現了工業化，這是煤氣化技術發展史上第4次重大突破。二戰以后，由于廉價石油的大量開采，跨國巨頭Texaco公司放棄了對煤氣化技術的研發，但其在氣流床氣化方面的前期技術積累，促成了渣油氣化制合成氣技術的突破，并于1952年開發成功了渣油氣化技術。該技術的長期工業應用促進了20世紀70年代早期Texaco水煤漿氣化技術的成功開發，這是煤化工技術和石油化工技術相互促進的典型案例。

20世紀70年代初，由于第1次石油危機，殼牌(Shell)、德士古(Texaco)和陶氏(Dow)等大型跨國公司投入巨資，研究開發煤炭氣化技術，水煤漿氣化技術和粉煤加壓氣化技術逐步完成了工業示范，在煤制大宗化學品、煤炭直接液化和間接液化、煤制天然氣、IGCC發電和制氫等領域實現了大規模工業化應用。

從煤氣化技術的發展過程看，爐型從固定床到流化床，再到氣流床，入爐煤顆粒直徑從厘米級到毫米級，再到微米級，反應溫度從中溫(800～900 ℃)到高溫(1 300～1 500 ℃)，爐內反應速度逐漸增加，氣化爐單位體積處理能力不斷提升，煤中碳的轉化率不斷提高；氣化爐操作壓力從常壓變為高壓，顯著增強了氣化爐單位體積的處理能力；氣化煤種也從早期的焦炭、無煙煤逐步擴展煙煤和褐煤，煤種適應性不斷改善。總之，煤氣化技術的發展過程就是煤種適應性不斷改善、碳轉化率不斷提高、單爐規模不斷增加、污染物排放不斷減低的過程。近40年的國內外煤氣化發展可參見文獻[3，10，22-32]，本文不再贅述。

1.2 煤氣化技術在我國的早期應用

隨著鴉片戰爭后被迫的門戶開放和西方科學技術的大量涌入，煤氣化技術進入我國，早期的應用和發展以引進技術為主。我國煤氣化技術的自主研發工作，起步于新中國建立后。煤氣化技術的發展歷程，也從側面折射出國家在不同歷史階段的發展變遷。

我國最早以煤為原料生產煤氣的工廠建于上海。嚴格意義上說，該工廠采用的技術不是現代意義上的氣化(Gasification)技術，而是采用了W·默多克發明并經過工程實踐不斷改進的煤干餾技術。1861年，英國人Alex Kennedy Smith向上海英租界工部局倡議在上海生產和供應煤氣。1862年， 由C·J·金(King)牽頭向社會公開集資，籌集10萬兩白銀用于工廠的建設。1865年11月開始正式向用戶供應煤氣，該工廠最初被稱為“自來火房”(位于現在的上海西藏路橋南)，生產的煤氣主要用來照明。同年12月，上海街頭(現在的南京東路浙江路口—外灘)第1次出現了煤氣路燈。1901年，該工廠更名為上海煤氣公司。

1932年，上海英國商會開始籌建上海楊樹浦煤氣廠，并于1934年投產。該廠采用當時先進的連續直立式伍特型煤干餾生產工藝，同時建有φ1 760 mm的增熱水煤氣爐2臺(圖1)，日產煤氣11.3 m3 [33]，該廠一直運行至21世紀初。

圖1 20世紀30年代上海楊樹浦煤氣廠

我國煤氣化技術于20世紀30年代中期應用于化工行業。1934年，民族資本家范旭東先生聘請侯德榜博士主持建設永利化學工業公司硫酸铔廠(“铔”是銨的早期譯名)，選址長江北岸的六合縣卸甲鎮，并特意將開工日選為9月18日，以展示不忘國恥、建立強大民族工業的決心[34]。這也是我國民族資本全資建設的第1家合成氨廠，同時建有硝酸、硫酸和硫酸銨生產裝置，煤氣化裝置采用當時較先進的UGI固定床氣化技術(圖2，1937年，中國石化南京化學工業有限公司檔案館提供)。1937年抗日戰爭全面爆發后，南京淪陷，工廠被日本占領，硝酸裝置被拆遷至日本。抗戰勝利后，部分歸還。辛亥革命到新中國成立前的38年，工業建設舉步維艱，幾乎沒有任何自主技術的研究和發展。

圖2 永利化學工業公司南京硫酸铔廠氣化裝置

1.3 新中國建立初期煤氣化技術的應用與發展

新中國建立后，國民經濟快速恢復，農業和其他工業部門發展對合成氨的需求大幅增加，一批小型合成氨廠應運而生，20世紀50年代后期，我國提出每個縣都要建設化肥廠。由于石油匱乏，煤是主要的化工原料，大批小化肥廠的建設直接推動了煤氣化技術在我國的廣泛應用。當時采用的煤氣化技術以常壓固定床氣化爐為主，從技術細節上主要分為：解放前永利铔廠引進的UGI爐(氣化爐直徑以2 740 mm為主)和解放后從前蘇聯引進的煤氣發生爐(直徑3 600 mm)，兩者原理相同，但爐篦結構不同。20世紀50年代早期，我國從蘇聯引進了常壓沸騰床氣化爐，類似于德國溫克勒(Winkler)爐[35]，分別在蘭州石化化肥廠和吉林石化化肥廠建立了4臺氣化爐，配套生產合成氨。改進后采用O2和蒸汽連續吹風進料，制取不含氮的合成氣，以此為基礎發展了恩德爐氣化技術。

1950—1976年，為了適應國內化肥工業和燃氣工業的發展需求，工程技術界和工業界在固定床氣化方面進行了大量的消化吸收和技術改進工作，影響較大的有：① 將焦炭進料改為無煙煤進料，拓展了固定床氣化的原料范圍，降低了氣化的原料成本；② 將原來的空氣-蒸汽間歇進料，改為富氧-蒸汽連續上吹氣化，提高了系統效率；③ 針對無煙煤開采運輸后成塊率低(僅為40%～70%)，研究無煙煤粉料的成型技術；④ 開發了空氣連續氣化工藝；⑤ 針對煙煤固定床氣化產物中CH4和焦油多、難以作為合成氨原料氣的問題，提出了雙爐串聯制氣技術方案[36]。同時，還開展了如變壓氣化、變徑氣化、雙爐對吹氣化等技術的探索，均因缺乏深入的理論研究支撐，未取得應有的效果。這些基于工程實踐的技術探索和改進提升了我國常壓固定床氣化的總體技術水平，對促進我國合成氨行業的發展具有巨大的推動作用。

綜上，從新中國建立到改革開放開始的30年中，工業界采用的煤氣化技術仍以國外第1代固定床煤氣化技術為主，個別企業采用Winkler流化床氣化爐。我國學術界和工程界也進行了大量探索，為改革開放后煤氣化技術在我國的發展積累了寶貴的工程經驗，奠定了初步基礎。

1.4 改革開放后煤氣化技術的引進及應用

改革開放后，西方發達國家逐漸解除了對我國的技術封鎖，學術、技術方面的交流恢復正常。此時國外煤氣化技術已發展到第2代，以Lurgi爐為代表的加壓固定床氣化技術得到廣泛應用；同時氣流床氣化技術快速崛起，以Texaco爐為代表的水煤漿氣化技術和以Shell爐為代表的粉煤加壓氣化技術，于1978年完成了工業示范。與發達國家相比，我國煤氣化技術的研發和應用差距較大。經煤化工界強烈呼吁，我國啟動了自主知識產權的煤氣化技術的研發工作，國家科委、燃料化學工業部、煤炭工業部等組織相關專家分別赴歐洲和美國考察，了解國外先進煤技術發展狀況，并結合我國當時經濟社會發展情況，決定自主研發與引進技術并重，研究開發工作服務于引進技術的消化吸收，技術路線以Lurgi加壓固定床氣化技術和Texaco水煤漿氣化技術為主。

1.4.1固定床氣化技術的引進及應用

改革開放初期，部分中小型合成氨廠為了擴能改造，冶金、陶瓷等行業需要燃氣的部分企業為了降低成本，新建了很多常壓固定床氣化爐，以Lurgi爐為代表的加壓固定(移動)床氣化爐進入國內市場。

1)Lurgi加壓固定床氣化技術

最早采用Lurgi加壓固定床氣化技術的是云南解放軍化肥廠，爐型為第1代Lurgi爐，屬于Mark I型，以褐煤為原料，單爐產氣量約8 000 m3/h。20世紀80年代中后期，山西天脊集團、蘭州煤氣廠、哈爾濱煤氣廠、河南義馬等先后引進了新一代Lurgi碎煤加壓氣化技術，其中蘭州煤氣廠采用Mark II爐型(單爐產氣量約14 000 m3/h)，哈爾濱煤氣廠采用Mar III爐型(單爐產氣量約32 000 m3/h)，均用于生產城市煤氣。山西天脊集團采用Lurgi Mark Ⅳ爐型[37]，氣化爐內徑3 848 mm，單爐產氣量約56 000 m3/h，用于生產合成氣(CO+H2)，配套生產合成氨30萬t/a(尿素52萬t/a)。由于對煤種反應性能等研究不深入，天脊集團的煤氣化裝置于1988年建成后經長時間的調試和試生產，直至1998年完全正常運行，合成氨產量達到設計能力[38-39]。目前來看，Lurgi加壓固定床氣化不適合生產合成氣用于合成氨系統。由于氣化爐出口合成氣中CH4含量高，必須在合成氣凈化裝置后布置CH4蒸汽轉化裝置，流程復雜，且增加了整個合成氣生產系統的投資和運行成本。與山西天脊集團相比，采用Lurgi加壓氣化技術生產城市煤氣的蘭州煤氣廠和哈爾濱煤氣廠的早期運行效果更好。

2006年后，國內天然氣供需矛盾日益突出，20世紀80年代受美國大平原建立煤制天然氣工廠的啟發，我國技術界、工程界和產業界也開始醞釀建設煤制天然氣裝置，先后建成了大唐克旗、新疆慶華、內蒙匯能和伊犁新天等工業項目。大唐遼寧阜新煤制天然氣項目(一期)于2011年7月開工建設，2014年因故停建，2018-04-27正式恢復施工，目前已進入收尾階段[40]。已建成運行的項目，除內蒙匯能外，均采用Lurgi固定床碎煤加壓氣化技術。采用Lurgi固定床碎煤加壓氣化煤制天然氣裝置投運以來，出現了氣化廢水處理難度高、氣化爐內壁的腐蝕等問題。由于內蒙匯能項目在終端產品上采用液化天然氣、選擇穩定性好的水煤漿氣化技術，財務費用較低，因而基本可以盈利，而其他項目均呈虧損狀態。截至目前，國內在建或運行的Lurgi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，24臺用于合成氨生產，其余均用于煤制天然氣生產。

2)BGL固定床熔渣氣化爐

BGL氣化爐是由德國Lurgi公司和英國煤氣公司在原Lurgi加壓固定床氣化基礎上改進的爐型。2005年，英國Advantica公司授權云南解化公司(前身為云南解放軍化肥廠)將其原有的1臺φ2 300 mm的Lurgi碎煤加壓氣化爐(Mark I型)改造為熔渣式氣化爐(BGL爐)。該裝置由賽鼎工程有限公司(原化工部第二設計院)設計，單爐投煤量26 t/h，以當地褐煤為原料，并進行了2 a工業試驗[41]。該技術改造和工業試驗解決了爐內耐火襯里磨蝕等影響氣化裝置長周期運行的問題，為BGL技術在我國的商業應用積累了寶貴的工程經驗。

2007年重組后的云南煤化工集團有限公司(簡稱云煤集團)與英國勞氏工業服務有限公司簽署了碎煤熔渣氣化許可協議，在其所屬的云南解化清潔能源有限公司建設3臺φ3 600 mm的BGL爐，以褐煤為原料生產合成氣，配套20萬t/a甲醇裝置。2010年上海澤瑪克敏達機械設備進口公司獲得BGL氣化技術專利擁有權，其后云煤集團先鋒化工20萬t/a甲醇項目、云南瑞氣化工50萬t/a甲醇項目、內蒙金星化工50萬t/a合成氨項目、中煤圖克100萬t/a合成氨項目均采用BGL氣化技術[42-45]，目前我國在建和運行的BGL氣化爐共33臺。

3)兩段式固定床氣化技術

兩段式固定床氣化技術是在UGI技術的基礎上發展而來的一種固定床爐型[46-47]，于20世紀40年代在奧地利開發成功，后經意大利改進完善。該氣化爐基本反應原理與常壓固定床類似，其特點是在氣化爐上端加入一段干餾段，煤在干餾段中生成半焦，進入氣化段。氣化段生產的煤氣不含焦油，一部分上升至干餾段，作為煤干餾的熱源，干餾氣直接從氣化爐頂部引出。不含焦油的煤氣經氣化爐還原層的煤氣導管從氣化爐上側面引出[48]，側面導出的煤氣基本為水煤氣，而頂部導出的為熱值較高的干餾煤氣，混合后形成的煤氣熱值高于一般的發生爐煤氣。

1982年國家煤炭工業部為了發展礦區煤氣化技術，將遼寧阜新作為示范點，從荷蘭引進3臺兩段固定床氣化爐生產城市煤氣，并于1988年投入運行。其后阜新礦務局購置了波蘭波茲南煤氣廠停用的3臺舊氣化爐(直徑3 300 mm)，經維修后分別轉讓給威海市(1臺)和保定市(2臺)，用于城市煤氣生產，前者于1990年投產，后者于1993年投產。阜新煤氣廠兩段固定床氣化爐成功運行后，秦皇島市從法國引進了3臺φ3 600 mm的兩段固定床爐，1993年投產供氣。同期，合肥市從意大利引進了3臺φ3 600 mm的兩段固定床爐，1994年投產運行[49-50]。目前，兩段式煤氣化爐已經全部停止運行。

1.4.2流化床氣化技術的引進及應用

1)U-Gas灰熔聚氣化技術

U-Gas灰融聚流化床氣化由美國燃氣技術研究院(IGT)開發，在芝加哥建有25 t/d的中試裝置。20世紀90年代初，為了解決上海的城市燃氣短缺問題，上海焦化廠從美國引進該技術，建設由8臺U-Gas氣化爐組成的氣化裝置。1995年建成后，一直未正常運行，最后只能拆除，這是我國盲目引進國外煤氣化技術最為慘痛的教訓，主要原因為：當時美國U-Gas技術的相關試驗和中試研究，尚不足以支撐該技術大規模工業化運行，且我國在煤氣化技術領域的基礎研究積累不夠，無法解決該技術面臨的工程問題。

2000年后，我國煤化工行業進入了發展快車道，U-Gas技術專利擁有方經多次變更，最后被美國綜合能源系統(SES)有限公司收購，又以SES氣化技術的名義進入中國。2007年，SES公司與山東海化煤業化工有限公司合作，建設了示范裝置，氣化系統配置2臺氣化爐，氣化壓力0.2 MPa，單爐合成氣產氣量22 000 Nm3/h，配套10萬t/a甲醇裝置[51]。其后，SES公司又與河南義馬煤業、綜能協鑫(內蒙古)有限公司簽署了技術合作協議，與義馬煤業合資建立了1 000萬m3/d供氣量的氣化工廠，氣化壓力1.0 MPa。目前我國運行的U-Gas(SES)氣化爐共10臺。

2)KBR輸運床氣化技術

KBR輸運床氣化爐是美國Kellogg Brown and Root公司開發的流化床氣化技術[52]。該技術曾應用于美國南方電力IGCC示范電站，總體運行情況不理想。我國在2006年后曾計劃引進該技術應用于東莞燃氣電站的改造，后因技術、投資、建成后運行成本等問題擱淺。

1.4.3氣流床氣化技術的引進及應用

從煤氣化技術的發展歷史看，氣流床技術工業化起步最晚。但因其易于實現高壓連續進料、采用純氧氣化、反應溫度高、處理負荷大、煤種適應性廣，契合現代煤化工發展對煤氣化技術單系列、大型化等方面的需求，氣流床氣化技術在近40年得到了快速發展。從原料路線看，國外氣流床氣化技術主要有：以水煤漿為原料的Texaco(AP)氣化技術和E-Gas氣化技術、以粉煤為原料的Shell氣化技術、GSP氣化技術和科林氣化技術，其中GSP氣化技術和科林氣化技術均為原民主德國燃料研究所(DBI)開發的煤氣化技術。

1)德士古(Texaco)水煤漿氣化技術

1979年，我國決定引進Texaco水煤漿氣化技術，在山東魯南化肥廠(現兗礦魯南化工有限公司)建設了首套水煤漿工業化裝置，配套建設8萬t合成氨裝置[53]，僅購買了Texaco公司的專利許可權和工藝設計軟件包(PDP)，建設了3臺單爐投煤量300 t/d的水煤漿氣化爐(2開1備，圖3，1992年，兗礦魯南化學工業公司提供)，氣化壓力3.0 MPa。該裝置除煤漿泵、氧閥、工藝燒嘴、破渣機和控制系統從國外進口外，75%以上的裝備均實現了國產化。裝置于1992年投產運行，1994年通過工程驗收。之后，在上海焦化廠(現華誼能源化工有限公司)和渭河化肥廠(現陜西渭河煤化工集團有限公司)引進了該技術[54]，上海焦化廠氣化裝置配置3臺單爐投煤量500 t/d氣化爐(2開1備)，氣化壓力4.0 MPa，下游配套20萬t/a甲醇裝置。渭河化肥廠氣化裝置配置3臺單爐投煤量750 t/d氣化爐(2開1備)，氣化壓力6.5 MPa，下游配套30萬t/a合成氨裝置(尿素52萬t/a)。

圖3 國內引進的首套德士古水煤漿氣化裝置

Texaco水煤漿氣化技術在國內應用初期，暴露出燒嘴壽命短、氣化爐下部耐火磚壽命短、激冷環和下降管燒蝕、出激冷室合成帶水帶灰、合成氣洗滌系統積灰堵塞、進變換合成氣細灰含量超標、碳轉化率較低(一般在95%左右)等工程問題[55-67]，嚴重制約了裝置的長周期穩定運行，國內工程界和技術界作了大量的技術改進工作。從我國工程界發表的大量科技論文中可粗略看出，目前的Texaco水煤漿氣化工藝至少有60%以上的技術經過了中國相關企業的改進。但由于單噴嘴頂置氣化爐物料易短路、氧氣和煤顆粒(液滴)混合不均、火焰對氣化爐下部的沖蝕等結構缺陷，至今碳轉化率仍低于多噴嘴氣化技術(相差2～3個百分點)，氣化爐下部的耐火磚壽命依然偏短(4 000～5 000 h)，合成氣帶水帶灰問題也未得到很好解決[68]。

2000年后，Texaco水煤漿氣化技術的專利權從Texaco公司轉移到Chevron-Texaco公司，再轉移至GE公司，2019年轉至AP公司。由于我國煤化工行業的快速發展，Texaco(AP)水煤漿氣化技術得到了廣泛應用。據統計，截至2020年10月，我國Texaco水煤漿氣化技術在建和運行的氣化爐共206臺，單爐設計最大投料量為3 000 t/d，用于國家能源集團鄂爾多斯煤制化學品(CTC)項目。目前至少60%以上的Texaco水煤漿氣化工藝經過了我國相關企業的改進。

2)E-Gas水煤漿氣化技術

20世紀80年代初，美國Dow化學公司成功開發了E-Gas水煤漿氣化技術，1989年專利權轉移到Destec公司，2000年又轉讓給美國Globe Energy公司，最終被美國大陸石油公司收購。與Texaco水煤漿氣化技術不同，該技術采用煤漿兩段分級進料方式[3,29]。E-Gas水煤漿氣化技術曾在美國路易斯安納州的Plaquemine和Wabash River進行大型化工業示范，用于IGCC發電裝置，文獻[69]探討了該技術應用于我國合成氨工業的可能性。

1995年，Destec公司曾計劃介入我國當時正在討論的IGCC項目。2006年后，由于我國煤化工行業的快速發展，E-Gas技術再次進入中國進行技術推廣，起初計劃應用于煤制天然氣項目，后來在中海油惠州煉油項目配套建設了3臺氣化爐(2開1備)，用于制氫，單爐設計投煤能力2 200 t/d 。該項目于2016年開始建設，2018年8月試生產。運行2 a來，出現了二段加入的水煤漿熱解產生的細灰和焦油造成二段爐出口及后系統的焦油熱解器堵塞問題，制約了氣化裝置的長周期運行。至今，最長運行周期只有48 d。由于該技術采用兩段式氣化爐結構，二段氣化室加入的水煤漿主要發生熱解反應，產生的熱解半焦再與水蒸氣和CO2反應，造成二段出口CH4和焦油含量較高，配套制氫必須額外配置CH4轉化或分離裝置，增加了系統的投資與運行成本，也增加了長周期運行的風險。工程實踐表明，該技術并非煉油廠煤氣化制氫的最佳選擇。

3)Shell粉煤氣化技術

20世紀70年代石油危機后，Shell公司利用其在渣油氣化方面近20年的技術積累，與Krupp-Koppers公司合作開發了粉煤加壓氣化技術[70-72](最早也稱為Shell-Koppers技術)，該技術是在K-T粉煤氣化基礎上發展起來的。Shell粉煤氣化技術于1995年后進入中國市場，當時我國最早引進的3套(魯南化肥廠、上海焦化廠、渭河化肥廠)德士古水煤漿氣化裝置在運行中遇到了如煤種適應性、氣化爐結渣、水系統結垢堵塞等問題，而且渭河化肥廠實際投資遠超國家批復的建設預算，造成我國工程界和產業界對水煤漿氣化技術的質疑。Shell公司宣稱其技術具有碳轉化率高、氧耗低、適應所有煤種等優勢[73-74]，我國工程界盲目推崇[75-76]，大量引進Shell粉煤氣化技術，10年間簽訂了19套氣化裝置的許可合同，其中最早是中石化岳陽、安慶、枝江3套裝置。

工程實踐表明，Shell粉煤加壓氣化技術在煤粉高壓輸送、氣化爐結構、流程設置等方面有其獨特創新之處，但其工藝流程最早是為了適應IGCC系統而設計，并不一定適合生產合成氨、制氫、甲醇等下游產品。另一方面該技術的全系統投資高(為同規模水煤漿氣化裝置的2.0～2.5倍)，對煤種也有一定的限制。在運行初期，Shell粉煤加壓氣化技術由于其自身的技術缺陷、設計上的照抄照搬、運行上缺乏經驗等，出現了氣化爐堵渣、燒嘴隔焰罩燒(腐)蝕、鍋爐積灰、細灰過濾器陶瓷管斷裂等[77]影響裝置長周期穩定運行的工程問題，我國科研人員，特別是中國石化集團公司進行系統研究攻關，為Shell煤氣化技術在中國的穩定運行做出了重要貢獻。

截至2020年10月，Shell粉煤加壓氣化技術在國內共有24個項目，36臺氣化運行或在建。設計最大單爐投煤量為3 000 t/d，應用于山西潞安高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項目(簡稱潞安煤制油項目)。

4)GSP粉煤氣化技術

GSP粉煤氣化技術由前民主德國燃料研究所(DBI)開發，屬單噴嘴下行式粉煤加壓氣化爐。20世紀80年代曾在民主德國黑水泵建立工業裝置，用于氣化高灰熔點褐煤[10]，1991年，德國魯爾(Noell)公司取得了該技術的所有權，并在黑水泵裝置上進行了液體廢料和污泥的氣化[78]。20世紀80年代末，該技術在我國得到推廣[71，79-81]。安徽淮化集團(原淮南化肥廠)和江蘇靈谷化工有限公司分別于2004年和2005年與德方簽署了該技術的許可協議，但經技術調研和比對后，最終均放棄采用GSP氣化技術。淮化集團選擇了Texaco水煤漿氣化技術，江蘇靈谷化工有限公司選擇了國內自主開發的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術。

2005年，神華集團寧夏煤業集團公司(現為國家能源集團寧夏煤業集團公司，簡稱寧夏煤業)簽訂了合資協議，并在60萬t煤制丙烯項目上首次采用GSP粉煤氣化技術，投產后出現了煤粉輸送不穩定、燒嘴燒蝕、水冷壁燒損、碳轉化率低、后系統積灰堵塞嚴重等[82-83]問題。寧夏煤業采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的初步凈化和渣水處理系統，對GSP氣化裝置的合成氣洗滌系統進行全面改進，而后應用于寧夏煤業400萬t/a煤制油項目，但其合成氣激冷與洗滌系統與多噴嘴對置式水煤漿氣化的關鍵單元技術相似。

5)科林粉煤氣化技術

科林粉煤氣化技術與GSP粉煤氣化技術無本質區別，是德國統一后原民主德國燃料研究所的技術骨干成立的不同公司，推廣同一個技術[81]。兗礦集團(2020年重組為山東能源集團)貴州開陽合成氨項目曾采用該技術建設了2臺粉煤加壓氣化爐，單爐處理能力1 150 t/d，氣化壓力4.0 MPa，配套生產50萬t/a合成氨。由于該氣化裝置在建設之初，兗礦集團采用多噴嘴水煤漿氣化技術的初步凈化和渣水處理系統對氣化工藝進行改造，裝置運行初期優于GSP技術。即兗礦開陽的2臺科林粉煤氣化裝置，是科林氣化爐與多噴嘴對置式水煤漿氣化技術激冷、洗滌系統的組合。目前國內推廣的科林氣化技術，在合成氣激冷和洗滌系統的流程配置上，基本沿襲了兗礦開陽的氣化裝置。

6)國外其他氣流床煤氣化技術

德國Krupp-Koppers公司開發的K-T粉煤氣化爐、在K-T技術基礎上開發的PRENFLO氣化爐、日本電力和三菱重工開發的兩段式氣化爐、日本日立公司開發的 Hycoal氣化爐均引起過廣泛關注[84-89]，但或因與已引進的氣化技術類似(如PRENPLO氣化技術與Shell氣化技術類似)，或因只有中試試驗，尚未完成工業試驗(如三菱和日立的氣化技術)，未在我國得到推廣應用。

2 國內煤氣化技術的自主研發和應用進展

2.1 改革開放前煤氣化技術的研究開發

國內煤氣化技術的研發起步于20世紀50年代中后期，主要研究機構有建設部東北煤氣化設計研究所(現沈陽煤氣熱力研究設計院)、煤炭工業部北京煤化學研究所(現煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院)和化學工業部上海化工研究院(現上海化工研究院有限公司)[90-91]，研究開發工作主要聚焦于固定床氣化技術和常壓粉煤氣流床氣化技術，粉煤流化床氣化相關研究相對較少。

2.1.1固定床氣化技術

1956年，煤炭工業部北京煤化學研究所成立之初，設立了煤氣化研究室，主要開展固定床煤氣化技術的研究工作[90]。同年成立的化學工業部上海化工研究院在化肥研究室也設立了煤氣化技術研究小組[91]研究固定床氣化技術。1958年開始，東北煤氣化設計研究所、大連化學物理研究所開展了加壓煤氣化過程的單管小試試驗，1963年在沈陽建成了φ1 120 mm的褐煤加壓固定床中試裝置[92]。1965年，上海化工研究院煤氣化技術研究小組聯合化工部第四設計院(現中國五環工程有限公司)、上海吳淞化肥廠和化工部化工機械研究所(現天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)，開展了常壓固定床碎煤氣化研究，并完成了中試試驗[92-93]。1974年，云南解放軍化肥廠建成了φ2 600 mm的固定床加壓氣化工業裝置，配套生產合成氨[36]。

2.1.2 K-T爐常壓粉煤氣化技術

受20世紀50年代初，K-T常壓粉煤氣化技術工業化成功的啟發，在侯德榜先生的指導下， 1959年上海化工研究院建成了我國第1臺粉煤氣化試驗中試裝置，氣化爐采用K-T爐爐型，體積0.6 m3，設計投煤量160 kg/h。從1960年開始，進行阜新煤、蘭州褐煤飛灰、廣西屯里煤、福建邵武煤試燒試驗研究[94]。1966年1月，為了配合新疆生產建設兵團化肥廠的建設，化工部第二設計院(現賽鼎工程有限公司)和上海化工研究院基于該中試平臺進行了新疆蘆草溝煤試燒試驗，并于1966年3月中旬通過了化工部組織的技術鑒定[95]。1966年3—8月，進行了蘆草溝煤的補充試驗，12月完成了放大后的氣化裝置施工圖設計[96]，爐膛內徑φ2 400 mm，氣化室總體積11 m3。1969年在新疆蘆草溝建設首套工業示范裝置，1971—1974年試生產，并取得了預期效果，后因原料煤煤質變化、耐火材料供應困難等問題而停止運行，隨后改為重油原料氣化[97]。

1972年，上海化工研究院的煤氣化研究小組并入陜西臨潼的陜西化肥工業研究所(先后更名為化工部化肥工業研究所、化工部西北化工研究院、西北化工研究院)，1976年，陜西化肥工業研究所新建1臺常壓粉煤氣化工業性試驗裝置，設計產氣(CO+H2)量1 500 Nm3/h，采用K-T爐爐型[98]。

2.1.3水煤漿氣化技術

1969年，衢州化工廠建成了第1套水煤漿氣化中試裝置,投煤量約17 t/d[98]。但在技術路線上與現在的水煤漿氣化不同，其采用水煤漿蒸發后再噴入氣化爐的方式。煤漿用柱塞泵升壓，在中壓(4 MPa)過熱蒸汽(450 ℃)加熱的蒸發器內蒸發成粉煤-蒸汽懸浮物，分離部分蒸汽后進入氣化爐氣化，高溫合成氣再進行激冷洗滌，初步解決了煤漿制備、輸送、氣化爐正常排渣等問題，但無法克服蒸發器結垢、堵塞等，中試裝置難以連續運行，于1971年停止試驗。

2.1.4常壓旋流式粉煤氣化爐

1965年，廣西南寧化工廠建成了第1臺φ500 mm旋流式直筒型粉煤氣化中試裝置，投煤量120 kg/h(干基)，其合成氣產量相當于400 t/a合成氨規模[99-100]。該氣化爐由廣西化工研究所開發，借鑒了Saarberg-Otto氣化技術[101]，但在爐型和燒嘴布置上進行了較大改進。原Saarberg-Otto氣化爐的粉-氧-蒸汽經4個噴嘴噴入熔渣池，煤粉進行燃燒和氣化反應。改進后的氣化爐，摒棄了底部的熔渣池結構，采用直筒型結構，4個噴嘴布置在氣化爐下部同一平面上，類似于四角切向鍋爐的噴嘴布置，一對噴嘴同時供O2和煤，另外一對噴嘴專供蒸汽，在爐內形成旋流流動，熔渣從氣化爐下部側面排出，合成氣從爐頂排出[99-100]。由于爐內旋流，強化了混合，該氣化爐的碳轉化率高于K-T爐。在該中試裝置上進行了20次廣西屯里褐煤試燒試驗,最長運行時間184 h，于1967年12月通過了技術鑒定[99，101]。1975年，廣西邕寧氮肥廠建設一臺φ1 400 mm的工業性試驗裝置，配備一套1 000 Nm3/h制氧裝置，以解決當地褐煤氣化制合成氨問題，合成氣產量可生產1萬t/a合成氨[99-100]。

該氣化爐結構與后來的Shell氣化爐類似，但中試研究比Shell氣化爐提前近10 a，工業示范與Shell技術幾乎同步。但受限于我國當年的經濟發展條件和科研實力，這個具有有開創性的煤氣化技術開發工作沒有得到延續。

2.1.5空氣-粉煤熔渣池氣化

空氣-粉煤熔渣池氣化爐型借鑒了Saarberg-Otto氣化爐結構[101]，區別在于將氣化劑由純氧改為空氣。其以空氣、蒸汽為氣化介質，液態渣為熱載體，利用煙煤煤粉進行氣化，連續制取半水煤氣，其原理是在氣化爐下部布置一個液態渣池，以蓄熱和提高氣化反應速率。煤粉(80%通過20目(0.83 mm)))與預熱后的空氣經噴嘴噴入熔渣池進行燃燒和氣化，渣池反應溫度約為1 500 ℃。渣池內未燃燒和氣化完全的煤粉在渣池上方空間繼續燃燒和氣化。1965年，北京鍋爐廠建立了1套中試裝置，氣化爐直徑1 140 mm，底部渣池深0.6 m，完成了5～6個煤種的試燒試驗，并獲得了初步結果，但連續運行時間短、煤氣熱值低[99,102-103]。

1970—1972年，對直徑1 140 mm氣化爐進行了工藝和結構改進后，北京特殊鋼廠建設了1套直徑1 600 mm的熔渣池氣化爐試驗裝置，但仍未能解決長周期運轉的問題，生產的煤氣熱值仍較低。1974年，利用該技術在酒泉鋼廠新建1套φ2 100 mm 的工業示范裝置，并對氣化爐結構進行了較大改進，增加了渣池容積和熱容量(近8倍)，提高了渣/煤比，并優化了噴嘴數量、結構及其在爐體上布置方式。經過近3 a的試驗,連續運轉時間于1977年8月首次達到114 h[99,102-103]。

1967年，北京鍋爐廠進行了雙室粉煤-空氣熔渣池氣化研究[102-103]，該氣化爐是對單室氣化爐的改進。在氣化爐下部渣池設置機械攪拌裝置，熔渣在爐內循環流動，爐中間有一水冷隔墻自爐頂向下插入渣池液面下約0.7 m，將氣化爐內部分為2部分：一側為燃燒室，另一側為氣化室，燃燒室設有4個浸沒在液渣內的煤粉預燃噴嘴。粉煤同預熱空氣混合預燃后噴入液渣池中繼續燃燒，加熱熔渣，燃燒煙氣由燃燒室頂部排出,并經輻射式空氣預熱器后放空。在氣化室設有5個浸沒在熔渣下的氣化噴嘴，高壓過熱蒸汽(500 ℃)噴嘴高速噴出，形成負壓，將煤粉抽送至液渣池中，從爐內不斷循環流動的高溫液渣中吸取熱量，進行水蒸汽氣化反應，產生的半水煤氣，由氣化室頂部排出，再經高溫回收飛焦除塵洗滌后適當加壓送至氣柜。同年，北京鍋爐廠建設了1套爐體直徑1 100 mm×1 500 mm(橢圓形)的中試裝置，而后又對氣化爐結構進行了4次較大改進，經過近百次試驗，基本掌握了主要工藝技術，1975年中試裝置通過了技術鑒定。1976年，浙江安吉化肥廠建設了氣化爐內徑為2 000 mm的工業示范裝置，設計半水煤氣產量為1 200～1 300 Nm3/h，配套生產合成氨3 000 t/a。

2.1.6流化床氣化技術

1956—1969年，煤炭工業部北京煤化學研究所建立了一臺直徑200 mm的流化床氣化試驗爐，并開展了4種煤樣的試燒試驗，灰渣含碳量低于6%[104]。 20世紀50年代末，同濟大學也開展流化床氣化技術的研究，采用的技術路線類似于改良的Winkler爐型[105]。這些探索性的研究未查閱到工業化應用的公開資料。

2.2 改革開放以來自主煤氣化技術的研發及應用

“文革”結束后，為滿足我國化肥工業和城市燃氣行業發展的需求，我國決定引進國外先進的煤氣化技術。經過技術考察后，最終選擇2條主流的技術路線：一是Lurgi加壓固定床氣化技術，用以改造中小型合成氨廠和生產城市煤氣；二是Texaco水煤漿氣化技術，用以新建煤為原料的大型合成氨廠。同時化學工業部陜西化肥研究所(現西北化工研究院)、煤炭工業部北京煤炭化學研究所、建設部東北煤氣化設計研究所、中國科學院山西煤炭化學研究所、華東理工大學和太原理工大學等開始了煤氣化技術的研發工作。

1980年，中國科學院山西煤炭化學研究所黃克權先生撰寫了具有高價值的戰略研究報告——我國煤氣化研究若干問題[106]，其中很多建議在后來均得到了實施，對我國煤氣化領域的應用基礎研究和技術開發具有重要價值。1988年，我國開展了“中國煤炭利用新技術發展戰略和政策”研究[107-108]，其中對煤氣化技術的發展也提出了建設性意見。1994年，針對我國煤炭利用技術研發和應用狀況，結合國際煤轉化利用的發展趨勢，謝克昌院士提出了煤的優化利用技術及開發中的若干科學問題[109]，對后來我國現代煤化工及煤氣化技術的應用與發展也發揮了重要指導作用。

21世紀后，清華大學、西安熱工研究院和航天部第十一研究所等開展了煤氣化技術研究。該階段煤氣化技術的研究開發工作的驅動力來自2個方面：一是國家化工行業的發展亟需自主的煤氣化技術；二是從國外引進的各種煤氣化技術在應用中出現了影響煤氣化裝置長周期穩定運行的工程問題，需要加以解決。這些研究開發工作得到了化學工業部、煤炭工業部、國家計委、科技部、教育部和國家自科學基金委等有關部委的支持，先后列入國家重點科技項目(攻關)計劃、國家“863計劃”、國家科技支撐計劃、國家“973計劃”和國家重點研發計劃。進入21世紀，由于我國現代煤化工行業的快速發展，以多噴嘴對置式水煤漿氣化技術為代表的我國自主知識產權大型煤氣化技術進入了世界領先行列，在核心技術水平和煤炭氣化能力上均居于國際引領地位。

2.2.1固定床氣化技術的研究及應用

1)常壓固定床氣化技術

1979年，出于節省燃油的需要，山東冶金機械廠結合國內UGI爐的運行經驗，制造了4臺直徑2 000 mm的固定床煤氣發生爐，并配套了相應的煤氣凈化工藝，用于生產低熱值煤氣。1980年后，該廠陸續生產了30臺直徑2 000 mm的固定床煤氣發生爐，先后應用于化工、陶瓷、玻璃、耐火材料等行業，1984年通過了技術鑒定[110]。同時，科研院所和高校也開展了基于常壓固定床反應器的煤氣化反應特性研究[111-112]。

2)加壓固定床氣化技術

1978年，煤炭科學研究院北京煤化學研究所(現煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院)開始固定床加壓煤氣化技術的研究開發，1983年10月建成了直徑650 mm的加壓氣化爐試驗裝置(圖4，1985年，煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院提供)，1984年5月投入加壓熱態運轉，以沈北褐煤為原料進行了驗證性試驗，并取得了初步成功[113]。該裝置運行壓力2.0～2.5 MPa，投煤量200～500 kg/h，產氣量280～500 Nm3/h。在此基礎上，又進行了蔚縣次煙煤、黃縣褐煤及依蘭氣煤的固定床加壓氣化試驗，于1984年通過了煤炭部組織的技術鑒定[114-115]。由于該裝置試驗運行費用較大，煤炭科學研究院北京煤化學研究所與美國Foster Wheeler公司合作，建成了直徑100 mm的加壓固定床試驗裝置，設計壓力5.0 MPa，實際運行壓力3.0 MPa。北京煤化學研究所牽頭承擔國家“七五”重點科技攻關項目“煤炭轉化基礎工藝特性研究”，在該裝置上完成了21個典型煤種的氣化特性試驗，獲得了煤在加壓氣化條件下的結渣性、氣化活性、干餾特性等基礎數據[116-117]。華東理工大學等合作單位開展了加壓下條件煤氣化特性的研究[118-122]，并建立了加壓固定床氣化爐的數學模型[123-124]。1986年，東北煤氣化設計研究所建成了直徑1 000 mm的加壓固定床試驗裝置，設計壓力2.8 MPa，產氣量1 000～1 300 Nm3/h，完成了沈北褐煤和雞西弱黏結性煤的氣化試驗[125]，為加壓固定床氣化技術在我國的應用和發展奠定了重要基礎。

圖4 首套加壓固定床氣化中試裝置

1980年，化學工業部第二設計院(現賽鼎工程有限公司)與太原重型機器廠合作，以解放軍化肥廠的MarkⅠ型Lurgi加壓氣化爐為基礎，開展了直徑2 800 mm的固定床加壓氣化爐研制。1982年12月完成氣化爐制造，1985年9月底完成了配套裝置的建設及氣化爐安裝，1986年7、8月先后進行了2次熱態試驗，但因爐篦無法運轉而停車，并拆爐改造。1987年10月，改造后的氣化爐重新安裝就位，開始單體試車，1987-11—1988-11，開展了3次熱態試車，累計運行32 d，操作壓力2.2～2.4 MPa，產氣量約7 000 Nm3/h，后因依托工廠的公用工程無法滿足氣化爐的長期運行而停止了試驗[126-127]，這為后來山西潞安引進的φ3 600 mm Lurgi加壓固定床氣化爐的調試、改造和運行積累了重要經驗。

3)常壓兩段式固定床氣化技術

1985年，為配合引進的兩段式固定床氣化技術的穩定運行和國產化，煤炭部組織了“φ1.6 m水煤氣兩段爐及其制氣工藝的開發研制”，由煤炭科學研究院北京煤化學研究所牽頭承擔，1989年5月在新汶礦務局建成示范裝置，同年10月通過煤炭部組織的技術鑒定[128-130]。“八五”期間，煤炭部將該技術作為重點推廣的技術，同時開展了φ1.98 m和φ2.26 m水煤氣兩段爐的研發工作[48]，探究了泥煤型煤用于兩段氣化的可行性[131]，開展了兩段氣化爐模擬研究[132]。

4)加壓兩段式固定床氣化技術

1980年開始，中國科學院山西煤炭化學研究所開展了兩段固定床加壓煤氣化的小試和模試研究[133-134]，但未進行進一步的中試。

2.2.2流化床氣化技術的研究及應用

1)灰熔聚流化床氣化技術

1980年，中國科學院山西煤炭化學研究所開始研究灰熔聚氣化技術，建成了投煤量1 t/d的試驗裝置，1985年完成了基礎研究工作[135-136]。“七五”期間，在國家重點科技攻關項目支持下，開展了基礎理論研究、冷態模試，并建成了投煤量24 t/d的中試裝置(圖5，中國科學院山西煤炭化學研究所提供)。在中試裝置運行試驗的基礎上，完成了灰熔聚流化床工程放大特性研究，取得了較完整的工業放大數據和實際運行經驗[137-143]，1991年8月通過了中國科學院組織的專家驗收和鑒定[144]。1995年，完成了100 t/d示范裝置的放大與工程設計，獲得了國家“八五”攻關重大科技成果獎。隨后在陜西成化股份有限公司建設示范裝置，氣化爐結構尺寸為：下部內徑φ2 400 mm、上部內徑φ3 600 mm、高15 m，氣化壓力0.03 MPa，投煤量100 t/d，粗煤氣產量9 000 Nm3/h，配套生產合成氨2萬t/a[145]。2002年完成了小型加壓灰熔聚流化床粉煤氣化試驗裝置的建設和試驗運行，氣化爐設計壓力1.5 MPa(G)，內徑為200 mm，上部擴大段內徑為300 mm，爐體總高度約4.7 m，并研究了壓力和溫度等對氣化指標的影響[146]。中國科學院山西煤炭化學研究所和山西晉煤集團合作建成了3.0 MPa加壓灰熔聚流化床粉煤氣化中試平臺[147]，氣化爐內徑為800 mm，氣化壓力1.0～3.0 MPa，設計投煤量50～100 t/d。2006年根據晉煤集團應用“三高”無煙煤制化學品的需求，設計了6套0.6 MPa灰熔聚工業氣化爐，并于2009-04-01完成氣化裝置的冷態調試，2009-04-28進入熱態調試，經過對設備的全面消缺，于2009-08-16多臺氣化爐并氣，進入凈化和合成車間并生產出合格甲醇[148]。

圖5 首套灰熔聚氣化中試裝置

2)多段分級流化床技術

中國科學院山西煤炭化學研究所在加壓灰熔聚流化床煤氣化技術的基礎上，集成快速流態化技術，開發了多段分級轉化流化床煤氣化技術[149]，該技術將氣化爐分為下部濃相射流段和上部快速提升段2部分。氣化爐下部保持了灰熔聚流化床的高溫射流和選擇性灰分離的優勢，以提高大顆粒在濃相床中的停留時間和碳轉化率；在上部快速提升段，通過強化細粉循環以提高氣固接觸和細粉停留時間，并采取分段給氧方式以提高提升段氣化溫度，將細粉進一步轉化，進而從總體上提高氣化爐的碳轉化率和處理能力。通過大型冷態及數值模擬，揭示了常壓和加壓下流化床內氣固流動特征，掌握了爐內流體流動規律及熱質傳遞特性，開展了氣化過程的CFD模擬研究[150-156]。在此基礎上，設計并建立了氣化壓力3.0 MPa、投煤量100 t/d的多段床煤氣化中試裝置，開展了煤和半焦的加壓氣化中試研究，獲得了試驗數據和操作參數，并完成了千噸級工業示范裝置的工藝設計軟件包和經濟評估[149]。

3)循環流化床氣化技術

“七五”期間，煤炭科學研究院北京煤化學研究所開展了加壓循環流化床粉煤氣化研究，建成了直徑100 mm(擴大段直徑150 mm)試驗裝置，設計壓力3.0 MPa，開展了扎賚諾爾褐煤、蔚縣長焰煤、神木不黏煤、東山瘦煤和晉城無煙煤等5個煤種的試驗研究[157-158]。“八五”期間，煤炭科學研究院北京煤化學研究所聯合上海發電設備成套研究所繼續開展加壓循環流化床氣化技術的研究開發，1992年建成了冷模裝置，1994年建成了直徑300 mm的中試裝置，設計壓力2.5 MPa，先后對上海焦化廠高溫冶金焦、上海楊樹埔煤氣廠伍德爐半焦、陜西神木煤、山西大同煤l號、大同煤2號等5種原料進行氣化試驗，1995年通過了機械工業部組織的專家鑒定[157-163]。雖然該研究成果未得到工業化應用，但為其他單位研究循環流化床煤氣化技術提供了重要借鑒。

20世紀80年代，清華大學開始研究了循環流化床氣化工藝，提出了雙爐氣化的技術路線，并先后完成了冷模試驗和小試研究[164-165]。隨后又提出了循環流化床煤氣-蒸汽聯產工藝，并列入國家“八五”科技攻關項目。1991—1992年，在清華大學試驗電廠內建起了循環流化床煤燃燒、氣化熱態試驗裝置,并成功完成了冷、熱態試驗[166-167]。

20世紀90年代中后期，中國科學院山西煤炭化學研究所布局循環流化床煤氣化技術的開發，并開展了相關的基礎研究工作[168-171]。中國科學院工程熱物理研究所在循環流化床鍋爐燃燒領域具有長期的技術積累，2002年，在國家863計劃課題 “循環流化床加壓煤氣化”的支持下，研究循環流化床氣化技術，2004年在循環流化床常壓煤氣化熱態試驗系統CFBR100(提升管內徑100 mm)上完成了以氧氣-水蒸氣為氣化劑和空氣-水蒸氣為氣化劑的試驗研究[172-175]。而后又進行了雙流化床氣化試驗，其原理是將煤的熱解氣化和半焦燃燒分開，熱解氣化在鼓泡流化床內進行，半焦燃燒在循環流化床內進行，為鼓泡床熱解氣化提供所需的熱量[176-178]。2014年完成了循環流化床富氧氣化試驗研究[179-180]。

2.2.3氣流床氣化技術的研究及應用

1)單噴嘴水煤漿(多元料漿)氣化技術

1979—1984年，化學工業部化肥工業研究所開展了水煤漿氣化模型試驗，試驗裝置氣化壓力為2.0 MPa，設計投煤量4.8 t/d，氣化壓力為2.0 MPa，該裝置吸取了1969年衢化水煤漿氣化技術試驗失敗的經驗，采用水煤漿直接入爐的技術方案。試驗過程探索了煤漿制備、煤漿泵送、氣化爐耐火材料性能、噴嘴結構及材質、排渣、溫度測量等關鍵技術問題，獲得的主要工藝指標為：煤漿濃度58%～64%，碳轉化率95%，有效氣成分(CO+H2)65%，最長連續操作時間為26 h[181]。

在模型試驗的基礎上，1985年建成了投煤量36 t/d的中試裝置(圖6，1986年，西北化工研究院提供)，操作壓力2.5～3.3 MPa，采用輻射廢熱鍋爐和對流廢熱鍋爐串聯回收合成氣顯熱，副產4.0 MPa飽和蒸汽。中試裝置設有2臺氣化爐，一臺氣化爐耐火磚后設有水冷壁(稱為冷壁爐)，另一臺為耐火磚(稱為熱壁爐)，耐火材料由冶金部洛陽耐火材料研究所研制。1986年，在冷壁爐上完成了第1個煤種(陜西銅川煤)的氣化試驗，主要工藝指標為：煤漿濃度60.0%～61.5%，有效氣成分(CO+H2)76%，碳轉化率90%～95%，冷煤氣效率66%，最長連續操作時間82 h[182]。而后在該中試裝置上完成了煤種評價試驗、工藝條件優化、氣化爐結構及耐火材料、噴嘴及耐磨材料、廢熱鍋爐及耐腐蝕材料、測溫探頭、高壓煤漿泵、系統控制等關鍵技術的試驗研究[183-191]，1990年7月，通過了化工部組織的專家鑒定[192]，該裝置被美國德士古開發公司(TDC)授權為煤種試驗評價裝置。

圖6 首套單噴嘴水煤漿氣化中試裝置

單噴嘴水煤漿氣化中試裝置的建設和運行，是我國水煤漿氣化技術發展的重要里程碑，為我國引進和開發水煤漿氣化技術發揮了重要作用。以此為基礎，化學工業部化肥工業研究所(現西北化工研究院)形成了多元料漿氣化技術，并應用于國內部分煤化工企業。

2)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術

針對引進的氣流床氣化技術存在的大量工程問題，1988年，在中國石化集團公司的支持下，華東理工大學于遵宏教授團隊建立了直徑300 mm的氣流床氣化爐冷模裝置，揭示這些工程問題產生的科學機理，對氣流床氣化爐內的流場特征和停留時間分布進行了試驗研究[193-195]，并開展了爐內流動過程的數值模擬計算[196]，在此基礎上建立水煤漿氣化爐的區域模型和數學模型，并對水煤漿氣化過程進行了模擬計算[197-198]。1991年，在中國石化集團公司的支持下，華東理工大學建成了國內最大的氣流床氣化爐冷模試驗裝置(直徑1 000 mm，高度可變)，提出了氣流床氣化過程的層次機理模型[199]，對爐內冷態濃度分布和停留時間分布進行了系統研究，建立了濃度分布和停留時間分布的數學模型[200-201]，提出了基于爐內微觀混合和宏觀混合時間尺度的氣化爐短路混合模型，并對3種不同規模的水煤漿氣化爐進行了模擬計算，獲得了最優的工藝操作參數[202]。這些研究結果為引進水煤漿氣化裝置的優化操作和長周期穩定運行提供了重要的理論指導。

1995年，華東理工大學與山東魯南化學工業(集團)公司合作，在我國首先成功開發了水煤漿氣化噴嘴，并在Texaco水煤漿氣化裝置上得到了成功應用，1996年5月，通過了化學工業部組織的專家鑒定。

基于大量的基礎研究，1995年團隊首次提出了新型多噴嘴対置式水煤漿氣化技術方案[203]，并對水煤槳氣化工藝系統進行了全面創新，為開發自主知識產權的大型煤氣化技術奠定了基礎。1996年10月，“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發”列入國家“九五”重點科技項目(攻關)計劃。華東理工大學、山東魯南化學工業(集團)公司和化工部第一設計院(現中國天辰工程公司)聯合攻關，于1997年建成了多噴嘴對置式水煤漿氣化爐大型冷模裝置，對爐內流動和混合過程進行了系統研究[204-209]，建立了氣化爐和氣化系統的數學模型[210]，為開發中試裝置和工業示范裝置的工藝設計軟件包奠定了基礎。1998年，兗礦集團有限公司兼并重組魯南化學工業(集團)公司后，對中試裝置的建設繼續給予大力支持。2000年初，單爐日處理22 t煤的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐中試裝置建成(圖7，2000年，兗礦魯南化工有限公司提供)，氣化爐設計壓力4.0 MPa，2000年9月完成了中國石油和化工協會(現中國石油和化學工業聯合會)組織的72 h連續運行考核，2000年10月通過了中國石油和化工協會組織的專家鑒定，各項工藝指標全面超過了引進技術[211-213]。

2001年，“新型水煤漿氣化技術”列入了國家“863計劃”課題，由兗礦集團有限公司和華東理工大學共同承擔，在兗礦國泰建設2套單爐日處理1 150 t煤的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，配套24萬t/a甲醇和80 MW IGCC發電裝置。氣化裝置于2005年7月建成并首次試車成功，2005年10月正式投入運行，2005年12月通過72 h連續穩定運行考核，2006年1月通過中國石油和化學工業協會組織的專家鑒定。同期，在國家經貿委支持下，山東華魯恒升股份公司也采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，建設了1臺單爐日處理750 t煤的氣化裝置，配套生產合成氨和甲醇。工業示范裝置的運行結果表明，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工藝技術指標、關鍵設備壽命等均超過了國外引進的同類技術，實現了安全、穩定、長周期、滿負荷、優化運行[214-216]。該技術在氣化爐結構、燒嘴結構、流動與反應耦合、高溫合成氣洗滌等方面均有重大創新。其工業化的成功，標志著我國擁有了完全自主知識產權的大型煤氣化技術，打破了國外跨國公司的技術壟斷，有力支撐了我國現代煤化工行業的快速發展，是我國煤氣化技術發展史上的里程碑。

在國家“十一五”863項目、“十二五”863項目、“十三五”重點研發計劃的持續支持下，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術實現了大型化跨越。2009年6月，單爐日投煤量2 000噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在江蘇靈谷化工股份公司建成投運，配套生產合成氨和尿素，是當時國內單爐處理能力最大的水煤漿氣化裝置；2014年6月，單爐日投煤量3 000 噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在內蒙榮信化工公司建成投運，配套生產甲醇，是當時世界單爐處理規模最大的煤氣化裝置；2019年10月，單爐日投煤量4 000噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在內蒙榮信化工公司建成投運，配套生產甲醇和乙二醇，是迄今為止世界上單爐處理規模最大的煤氣化裝置。其后又在兗礦榆林能化建設單爐日投煤量2 000噸級廢鍋-激冷組合式多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，已于2020-12-10投入運行[217]。截至2020年10月底，該技術已經推廣應用于國內外61家企業，在建和運行氣化爐182臺，氣化裝置煤處理能力位列世界第一[218]。

3)晉華爐(單噴嘴)水煤漿氣化技術

自2001年，在科技部、國家發展改革委員會、國家自然科學基金委的支持下，清華大學開始研究水煤漿氣化技術，開展了從煤氣化基礎理論研究到煤氣化工藝設計，并聯合相關企業，從氣化爐裝備制造到氣化裝置工程建設等技術開發與實踐，相繼開發出第1代非熔渣-熔渣分級氣化技術、第2代水煤漿水冷壁氣化技術和第3代水煤漿水冷壁-輻射式蒸汽發生器氣化技術[219-222]，取得了良好的工業應用業績。

2001年，清華大學與山西豐喜肥業(集團)有限公司等合作，開展單噴嘴熱壁爐水煤漿氣化技術的研發，合成氣冷卻采用激冷流程。2006年1月，第1代晉華爐在陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行，單爐投煤量500 t/d，配套年產10萬t甲醇裝置，2007年12月通過中國石油和化學工業協會組織的科技成果鑒定。2008年開始研發水煤漿水冷壁氣化技術，合成氣冷卻采用激冷流程，2011年8月，國內首臺工業化水煤漿水冷壁氣化爐在陽煤豐喜集團臨猗分公司投入運行。2015年，清華大學山西清潔能源研究院與山西陽煤化工機械(集團)有限公司、陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司、北京清創晉華科技有限公司等聯合開發第3代水煤漿水冷壁氣化爐，與第2代晉華爐的區別是高溫合成氣冷卻采用輻射式蒸汽發生器和激冷結合的工藝流程，2016-04-01國內首臺采用水煤漿水冷壁耦合輻射式蒸汽發生器的工業化氣化爐在陽煤豐喜臨猗分公司投入運行[223]。

4)SE(單噴嘴)水煤漿氣化技術

針對傳統煉廠制氫方法成本高、效率低等問題，結合煉廠高硫石油焦和廢棄物處理的迫切需求，華東理工大學和中國石化集團公司合作，成功開發了SE 水煤(焦)漿氣化成套技術。該成套技術的創新點是采用雙煤(焦)漿雙氧長壽氣化噴嘴、兩路煤漿自動分配技術及以平推流流場結構為主的SE水煤(焦)漿高性能氣化爐。2014年，“SE水煤(焦)漿氣化成套技術開發及工業應用”項目入選中國石化“十條龍”科技攻關項目，在中國石化鎮海煉化建設3套單爐投煤(焦)量1 000 t/d的示范裝置。該裝置于2019-01-30投料運行，2019-11-29通過了中國石油化工股份有限公司科技部組織的鑒定。目前，正在中國石化鎮海煉化建設單爐投煤量2 500 t/d級氣化裝置。

5)華能兩段粉煤加壓氣化技術

圖8 華能兩段粉煤氣化技術中試裝置

1997年，電力部西安熱工研究院開始研究粉煤氣化技術，建成了投煤量0.7 t/d的小試裝置，氣化壓力0.5～3.0 MPa[224-225]。2003年，提出了粉煤兩段氣化的技術方案，2004年在國家“十五”863計劃項目支持下，于陜西渭化建成了投煤量36～40 t/d的中試裝置(圖8，2006年，華能清潔能源研究院提供)，氣化壓力3.0 MPa，進行了神木、華亭、黃陵、晉城、伊利等7種煤的氣化試驗[226-228]，2006年5月通過了科技部組織的驗收。2007年開始，在國家“十一五”863重大項目課題的支持下，由中國華能集團投資，在天津建設投煤量2 000 t/d的兩段式粉煤加壓氣化工業示范裝置，配套250 MW IGCC電站[229]；2009年國家發改委核準該項目建設，2012年4月裝置建成，氣化爐投料成功，2012年9月實現全流程貫通[230]，2013年4月通過科技部組織的專家驗收，2015年6月通過中國石油和化學工業聯合會組織的成果鑒定。

6)多噴嘴對置式粉煤加壓氣化技術

1998年開始，在教育部科技項目支持下，華東理工大學開始研究粉煤加壓氣化技術，建立了粉煤輸送試驗裝置和小試研究平臺[231-233]。2001年在國家“十五”科技攻關項目支持下，華東理工大學和兗礦魯南化學工業公司合作，建設多噴嘴對置式粉煤加壓氣化中試裝置，氣化爐襯里采用耐火磚結構，氣化壓力為4.0 MPa，2004年8月中試裝置建成(圖9，2004年，兗礦魯南化工有限公司提供)，同年9月底投入運行，2004-12-09通過了科技部組織的現場72 h連續運行考核，2004-12-21通過了科技部組織的專家驗收[234-235]。2005年6月，完成了我國首次CO2為輸送介質的粉煤加壓氣化試驗[236]。2006年，“高灰熔點煤加壓氣化技術開發與工業示范”列入國家“863計劃”重點項目，由兗礦集團公司和華東理工大學共同承擔，在貴州開陽建設投煤量1 000 t/d的多噴嘴對置式粉煤加壓氣化示范裝置，下游配套50萬t合成氨和甲醇。為了配合工業化示范，建成了投煤量30 t/d的水冷壁粉煤加壓氣化爐中試裝置，于2007年7月投入運行，2007年11月通過了中國石油和化學工業協會組織的72 h連續運行考核[237]。由于依托項目運行問題，投煤量1 000 t/d氣化爐制造完成后，未進行下一步的安裝和運行。目前，華東理工大學和山東能源集團(原兗礦集團)合作，正在籌劃建設投煤量3 000 t/d的多噴嘴對置式粉煤加壓氣化工業示范裝置，目前已經完成了工藝設計軟件包(PDP)的編制。

圖9 首套粉煤氣化中試裝置

7)航天爐(HTL)粉煤加壓氣化技術

2006年開始，航天長征化學工程股份有限公司開發航天(HTL)粉煤加壓氣化技術。2008年，先后在濮陽市甲醇廠和安徽臨泉化工股份有限公司建設了2套航天粉煤加壓氣化工業示范裝置，氣化壓力4.0 MPa，單爐投煤量750 t/d，配套生產甲醇15萬t/a，均于2008年9月建成，同年10月投料成功，2009年通過了由中國石油和化學工業協會組織的成果鑒定[238-239]。2012年10月，在河南晉開化工投資控股集團有限責任公司建設的投煤量2 000 t/d級氣化裝置投入運行[240-242]。2017年6月，單爐投煤量3 000 t/d級氣化爐工業示范列入國家重點研發計劃項目，依托山東瑞星集團建設示范工程，該裝置計劃于2021年初投產。截至2020年9月，該技術已推廣應用于國內51家企業，在建和運行氣化爐117臺[243]。

8)SE粉煤加壓氣化技術

2009年開始，華東理工大學聯合中國石化寧波工程公司、中國海洋石油公司開發單噴嘴粉煤加壓氣化技術(SE氣化爐)，擬在中海油內蒙天野化工建設單爐投煤量1 000 t/ d的工業示范裝置，后因故擱置。2011年8月，中國石化集團公司介入該技術的開發，并與華東理工大學簽署了合作協議，2012年4月完成了工藝設計軟件包(PDP)，2012年5月在揚子石化建設單爐投煤量1 000 t/d級的示范裝置，配套煉油裝置制氫，2013年10月完成裝置中交，2014年1月裝置一次投料成功[244]，隨后又進行了煤種適應性試驗研究[245]，于2014年8月通過了中國石化集團公司科技部組織的專家鑒定。目前已經應用于中安煤制烯烴[246]、廣東湛江中科煉油裝置制氫、中石化貴州能化等項目，在建和運行氣化爐11臺，單爐最大投煤量2 000 t/d級。

2.2.4其他氣化技術的研究開發及工程示范

近40年，國內在重點研究開發固定床、流化床、氣流床等主流煤氣化技術的同時，在地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等也進行了大量有益的探索研究。1984年以來，中國礦業大學(北京)聯合國內相關單位，在國家相關科技計劃的支持下，依托不同礦區進行了多次煤炭地下氣化試驗。2005年以來，新奧集團聯合國內相關單位，建立了催化氣化、超臨界水氣化和加氫氣化的中試裝置，并完成了催化氣化和加氫氣化工業示范裝置的建設和運行。

1)地下氣化技術的研究開發及工程示范

地下氣化最早作為煤的一種開采技術而提出，前蘇聯在煤炭地下氣化技術方面做了大量開創性的研發工作。1958—1962年，我國在大同、皖南、沈北等礦區進行了自然條件下煤炭地下氣化試驗，取得了初步的研究成果[247-248]。

自1984年，中國礦業大學(北京)開始煤炭地下氣化技術的研究，建成了我國唯一的煤炭地下氣化綜合試驗臺和測控系統，開展了長期的基礎研究，并取得了重要的研究成果[249-254]，提出了長通道、大斷面、兩階段地下氣化新工藝。1987年以來，在江蘇徐州、河北唐山、山東新汶、山東肥城、山西昔陽、黑龍江依蘭、河南鶴壁、山東新密、甘肅華亭、貴州盤江、內蒙古烏蘭察布、陜西渭南等地完成了多次地下氣化現場試驗[255-263]，為地下煤氣化技術的發展積累了寶貴的基礎數據和運行經驗。

煤炭地下氣化技術發展具有誘人的前景，但也面臨著巨大的技術挑戰。從技術本身看，到目前為止仍難以實現大規模產業化，主要原因是單個工作面產氣量小、無法長周期穩定運行、污染物在地下的擴散規律認識不清。

2)催化氣化技術研究開發及工程示范

我國從1980年開始關注并介紹國外在催化氣化方面的研究進展[264]，煤炭科學研究院北京煤化學研究所[265-266]、天津大學[267]、武漢科技大學[268]、安徽工業大學[269]、中國科學院山西煤炭化學研究所[270]、華東理工大學[271-274]、太原理工大學[275-278]、中國科學院過程工程研究所[279]、沈陽化工大學[280]、福州大學[281]等均開展了部分基礎研究工作。

2008年，新奧科技發展有限公司聯合中國科學院山西煤炭化學研究所，針對國外Exxon和GPE技術存在的問題，開展了新型催化氣化技術的開發，提出了高溫燃燒-催化氣化-催化熱解多段耦合的催化氣化分級轉化工藝路線，完成了實驗室小試研究[282]，建成了投煤量為0.5 t/d和5 t/d中試裝置，并進行了放大研究，于2014年通過了河北省科技廳組織的專家鑒定。2016年4月，在內蒙古達拉特旗建設了投煤量1 500 t/d級的工業示范裝置。2018年9月，世界首套高壓流化床催化氣化工業示范裝置建成，并打通了工藝流程，生產出合格的LNG 產品，為煤催化氣化技術商業化應用奠定了重要基礎。

3)加氫氣化技術的研究開發及工程示范

我國從1978年開始關注并介紹國外在煤加氫氣化技術方面的進展[283]，華東理工大學[284-285]、煤炭科學研究院北京煤化學研究所[286]、天津大學[287]、中國科學院山西煤炭化學研究所[288]等也開展了相關的基礎研究。

2012年3月，新奧集團公司正式啟動加氫氣化技術開發工作，并聯合國內多家高校、研究院所和工程公司進行研究[289]。2013年建成了投煤量10 t/d中試裝置，累計運行時間超過3 000 h，為技術放大積累了大量試驗數據，2015年7月，通過由河北省科技廳科技組織的專家鑒定。2016年，建成了投煤量50 t/d中試裝置建設，并實現穩定運行。2016年4月，新奧集團公司在內蒙古達拉特旗開工建設投煤量400 t/d工業示范裝置，2018年12月裝置建成并一次性打通全流程， 2019年9月完成72 h連續運行，目前正在進行系統優化和改造。

4)超臨界氣化

20世紀90年代初，大連理工大學郭樹才教授團隊在國內首先將超臨界水用于煤利用過程的研究[290]。2000年后，中國科學院山西煤炭化學研究所[291-292]、西安交通大學[293-294]等開展了相關的基礎研究工作。2012年，新奧集團在河北廊坊建成了投煤量2.4 t/d的超臨界水氣化中試裝置，完成高水褐煤氣化試驗研究，積累了大量工藝、設備和試驗運行數據，完成煤的超臨界水氣化百噸級工藝包開發。

5)等離子體氣化

1981年，清華大學周力行教授首先向國內介紹了煤的等離子體氣化技術[295]，但在2000年前，國內公開文獻中只有對國外等離子體煤氣化技術進展的介紹[296-298]，尚未見系統研究報道。太原理工大學謝克昌院士團隊是我國最早研究等離子體煤氣化技術的科研團隊，并取得了初步成果[299-304]，其后大連理工大學也開展了探索性研究[305]。2009年，新疆天業(集團)有限公司聯合清華大學和浙江大學等合作建成了5 MW煤等離子體裂解制乙炔中試裝置，并進行了連續運行試驗，2012年通過了科技部組織的專家驗收。2020年，浙江大學聯合廣東粵和泰公司在新疆建設了10 MW煤等離子體裂解制乙炔示范裝置，乙炔收率在17.4%～20.8%[306-308]。

2.2.5國家科技計劃的支持

自1980年以來，國家科技重點攻關計劃、國家“863計劃”、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃及其他科技計劃，對煤氣化技術的研究開發進行了持續支持。特別是針對技術開發過程中暴露的基礎研究薄弱問題，國家“973計劃”于1999年立項支持“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎研究”，主要涉及流化床煤氣化技術，提出先熱解后氣化的分級轉化思想[309]，該項目由太原理工大學和中國科學院山西煤炭化學研究所為首席科學家單位，中國科學院過程研究所、華東理工大學等參與了部分課題的研究。2004年，為了進一步推進我國自主知識產權大型煤氣化技術發展，國家“973計劃”又立項支持“大規模高效氣流床煤氣化技術的基礎研究”，2010年國家“973計劃”再次立項支持“煤等含碳原料大規模高效清潔氣化的基礎研究”，這2個項目均由華東理工大學作為首席科學家單位，清華大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學、中國礦業大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、西安熱工研究院等煤炭利用領域知名高校和研究院所參與了相關研究，較系統地研究了中國典型煤種在高溫、高壓條件下氣化反應機理、氣流床氣化爐內多相流動和熱質傳遞過程的基本規律、撞擊流流動及撞擊火焰的特征、超濃相氣固兩相流的流動機理、高濃度水煤漿的制備與輸送機理、高溫合成氣熱量回收及細灰洗滌分離機理、過程模擬與優化等[300-313]。這些基礎研究成果有力支撐了自主知識產權煤氣化技術的大型化，推動了國內一系列氣化技術的開發，顯著提升了我國煤氣化技術研究與工程應用在世界的地位。

3 結語與展望

3.1 結語

煤氣化技術起源于西方，在我國也有150多年的應用和發展歷史。從現有文獻看，我國對煤氣化技術的自主研發起步于20世紀50年代初，并逐漸形成了我國在煤氣化基礎研究和工程應用領域引領發展的局面。

1)要虛心向發達國家學習，但時刻不能忘記自主創新

學習和引進的目的是為了創新，要結合我國的自然資源條件、社會發展條件和行業發展需求消化、吸收、再創新。再創新是要針對引進技術中存在的各類工程問題開展基礎研究，在扎實系統的研究基礎上提出新思路、新方案、新技術，形成新工藝。再創新需要充分尊重原有知識產權，才能推動技術的不斷進步，才能趕超世界先進水平。改革開放42年來，煤氣化技術在我國的快速發展，充分說明了在學習的基礎上進行自主創新的重要性。

2)扎實系統的應用基礎研究是推動技術不斷進步的原動力

煤氣化技術是一個既陳舊又新穎的技術，陳舊是因為在工業革命后就提出了原創思想，有200多年的發展歷史；新穎是因為煤氣化技術隨著科學的整體進步而不斷進步，隨著化學工業的發展而不斷完善提升。從間歇進料到連續進料，從常壓氣化到高壓氣化，從固定床到流化床，再到氣流床，單爐處理能力不斷增加，氣化效率不斷提高，技術水平持續提升，技術進步與基礎研究的深入推進密不可分。

我國在煤氣化領域的基礎研究起步較晚，但進步迅速。20世紀50年代末開始，曾開展了K-T爐等各種煤氣化技術研究開發，有不少技術思路富有創新性，但改革開放前30年的煤氣化技術開發和工程示范，鮮有成功的案例，重要原因之一是基礎研究相對薄弱，對與工程問題相關的科學原理缺乏深入系統研究。近40年，華東理工大學通過基礎研究揭示引進技術存在的大量工程問題背后的科學原理，在煤氣化技術領域做出了創新性的貢獻，如首創了多噴嘴對置式煤氣化技術，發明了合成氣分級凈化工藝、預膜式高效長壽命水煤漿燒嘴和高效蒸發熱水塔等關鍵設備，清華大學首次將水冷壁用于水煤漿氣化爐等，無不得益于扎實系統的基礎研究，不僅解決了中國煤氣化技術從無到有的問題，也實現了我國煤氣化技術從弱到強的轉變。

3)現代煤化工行業快速發展是推動煤氣化技術進步的重要動力

改革開放前，我國煤氣化技術發展落后的另一個原因是行業需求不足，企業沒有成為技術創新的主體。實驗室的基礎研究要實現產業化，走向市場，企業是關鍵的一環。國內首套具有自主知識產權的大型煤氣化技術(多噴嘴對置式水煤漿氣化技術)的產業化，正是由于兗礦集團的大力支持才促進了該技術的廣泛推廣應用。煤氣化技術的進步支撐了我國現代煤化工行業的快速發展，而現代煤化工行業的發展又對氣化技術提出了更高的要求，從而促進煤氣化技術的不斷創新和進步。

4)煤氣化技術的選擇一定要立足企業實際

每種煤氣化技術都有其優點和不足，至今還沒有適應所有煤種的萬能煤氣化技術，企業在煤氣化技術的選擇上一定要從自身實際出發。

從技術上，原料煤的理化特性是選擇煤氣化技術的首要條件，對煤種要有充分的研究和認識，包括煤的反應活性、灰分高低、灰成分、灰熔點、半焦的熱強度、灰渣的黏度-溫度特性等。根據目前的運行經驗，若煤種適應水煤漿，在水煤漿氣化和粉煤氣化技術中應優先選擇水煤漿氣化技術。生產何種下游產品是煤氣化技術選擇的重要依據，應根據下游產品配置合適的氣化工藝流程。若下游產品是H2(合成氨)，應優先選擇合成氣激冷流程，而不應盲目選擇廢鍋流程；若下游配置IGCC發電，則應優選廢鍋流程；若下游產品是SNG，選擇固定床氣化較合理，但從長遠看，將固定床和氣流床水煤漿氣化技術結合，既可解決塊煤氣化后剩余末煤的出路問題，也可解決固定床氣化廢水難處理的問題。

對于大型的煤化工裝置，能否創造良好的經濟效益，與煤氣化裝置的“安穩長滿優”運行關系密切，安全穩定是前提，長周期滿負荷是基礎，優化運行是目標。在穩定運行的基礎上逐漸實現長周期運行，在長周期運行的基礎上達到滿負荷甚至超負荷運行，優化運行是在安穩長滿運行基礎上追求的最終目標。

3.2 展望

改革開放后，特別是近20年，我國煤氣化技術開發和應用取得了長足進步，但也存在制約技術持續發展的瓶頸問題。技術上主要表現為：裝置投資偏高，系統效率仍有提升空間，物耗、能耗還有下降余地，微量污染物控制任重道遠，含鹽廢水資源化利用亟待突破，基礎研究有待繼續深化。創新氛圍上，主要表現是行業自律缺乏，模仿、抄襲技術的案例屢見不鮮，侵犯知識產權的事時有發生，嚴重制約了煤氣化技術的創新和進步。未來煤氣化技術的發展，需加強以下工作：

1)通過過程強化，不斷提高氣化爐單位體積的處理能力，降低裝置投資

目前全世界運行的單爐處理規模最大的氣化裝置是內蒙榮信的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，單爐投煤量4 000噸級，氣化爐外直徑已達4.2 m，單純通過體積放大，增加氣化爐處理量，必然會受到設備尺寸的制約。因此通過過程強化，提高氣化爐單位體積處理能力，是氣化爐大型化并降低投資的根本途徑。回顧氣化技術發展歷程：一方面，氣化爐內平均反應時間從數十分鐘級(固定床)到分鐘級(流化床)再到十秒級(氣流床)，反應時間縮短，單位體積處理能力大幅增加；另一方面，從常壓氣化向加壓氣化發展，單位體積處理能力也大幅增加。能否將目前煤顆粒在氣化爐內的反應時間降低到一秒級甚至更低？筆者認為從理論上是可行的,但會面臨極具挑戰的科學和技術問題，需在原料制備、輸送、氣化爐結構等方面進行系統創新，這是未來研究的重要方向。

2)開發新的單元技術，優化工藝流程，降低系統物耗能耗，提升全系統效率

① 粉煤加壓氣化技術。粉煤加壓輸送系統占大部分投資，能耗也較高，開發煤粉輸送泵是工程界討論的熱點問題，但至今鮮有深入系統的試驗研究，粉煤高壓輸送技術的變革應該引起業界重視。② 水煤漿氣化技術。煤漿中水含量是影響氣化系統效率的重要因素，提高煤漿濃度，可顯著降低比氧耗和比煤耗，因此開發高濃度水煤漿制備、輸送、霧化技術，是提高水煤漿氣化系統效率、降低物耗和能耗的有效途徑。③ 全系統工藝流程的優化。由于過去20多年煤化工行業的快速發展，技術需求旺盛，工程公司沒有足夠的時間和精力在流程優化和系統能耗方面進行深入的再研究和再開發，在總體工藝流程設計上因循守舊，工藝流程缺乏變革，因此，應結合下游合成氣的變換、凈化、合成、分離等單元的具體情況，對煤氣化系統的工藝流程進行改進和優化。

3)開發環境友好技術，實現近零排放

煤中的有害元素在煤氣化過程中會發生遷移轉化，進入合成氣、循環水或廢水和灰渣，硫、氮等有害元素的遷移轉化和控制已有成熟技術，氯和微量重金屬元素遷移轉化的機理研究方面也取得了較大進展，但尚需轉化為解決工程問題的具體技術。目前存在的主要問題有：① 氯在系統的積累，造成系統腐蝕，特別是氯含量較高的煤種更為突出；② 汞、鉻、砷、鉛等重金屬元素在系統和環境中的積累，我國相關單位開展了大量基礎研究工作，部分技術也進行了中試試驗，需進一步加大對研究工作的支持力度，建立工業示范裝置，形成先進的微量重金屬脫除與控制技術；③ 廢水問題，固定床氣化廢水酚含量高，難以處理，是世界公認的難題，而氣流床氣化過程中由于熔融態灰渣激冷，大量堿金屬和堿土金屬離子進入廢水，造成系統中鹽分的積累，一方面會引起系統結垢堵塞，另一方面廢水含鹽量高，難以回收利用，我國在這方面也進行了大量研究工作，取得了重要進展，需要通過工程示范，形成先進的含酚廢水處理技術和含鹽廢水資源化利用。

4)氣化系統要從單純的“氣化島”向“氣化島+環保島”的方向發展

煤氣化本質上是高溫熱化學轉化過程，決定了其不僅能實現煤的氣化，也可實現所有含碳固體廢棄物和有機廢液的轉化。因此，可通過煤氣化裝置來處理工廠自身產生的含碳固體廢棄物、有機廢液和工廠周邊的含碳固體廢棄物和有機廢液。協同處置廢物，將單獨的“氣化島”變成“氣化島+環保島”，是未來煤氣化技術發展的重要方向。

5)依托大數據、信息化技術，保障煤氣化裝置的安穩長滿優運行

依托信息技術革命帶來的技術便利，改變工廠、車間管理運行模式，通過大數據監控，實現事故早期預警、早期處理，可大幅降低工廠故障率，提高裝置運行率。將大數據與工藝原理結合，建立機理模型，實現全系統的動態優化控制，提升系統效率，進而建立智慧工廠，是未來發展的重要方向。

6)對新思路、新方法、新技術、新工藝研究開發進行持續支持

我國煤氣化技術的發展尚未突破已有煤氣化技術的范疇。一方面，需要對地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等技術的研究給予持續支持，在中試和示范裝置運行中暴露問題、解決問題，不斷提升技術的穩定性和經濟性；另一方面也要關注太陽能與煤氣化的耦合、核能與煤氣化耦合等新技術的發展，同時關注煤氣化領域可能出現的變革性技術苗頭，在研究上予以持續支持。

7)營造尊重知識產權，保護知識產權的良好氛圍

煤氣化技術在我國150多年的發展歷史，是互相學習、互相促進的過程。但互相學習不等于相互抄襲，學習的目的是為了在前人和他人的基礎上創新。煤氣化技術專利商之間可嘗試技術互相許可，既能尊重保護已有的知識產權，促進技術創新，又能實現技術上的優勢互補，做到1+1>2。

致謝

本文撰寫過程得到了中國石化南京化學工業有限公司檔案館、上海化工研究院有限公司檔案室、西北化工研究院檔案室、煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院檔案室、兗礦魯南化工有限公司宣傳部、中國科學院山西煤炭化學研究所、中國科學院工程熱物理研究所、清華大學、新奧集團公司、航天長征化學工程股份有限公司等單位的大力支持，提供了部分寶貴資料，在此深表謝意。

由于筆者學識所限，經歷所限，時間所限，本文寫作過程中難免有所遺漏，敬請煤化工界的同仁和專家給予批評指正，不勝感激。