現代煤氣化技術進展及產業現狀分析

王 歡，范 飛，李鵬飛，潘生杰

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314）

煤氣化技術是現代煤化工產業鏈中的龍頭技術，也是現代煤化工裝置中不可或缺的關鍵工序，煤氣化技術的先進性、穩定性直接影響煤化工項目/ 裝置的先進性、穩定性。因此，推進大型潔凈煤氣化技術穩步發展，是推進各類現代煤化工技術進一步升級、集成、耦合及裝備大型化的基礎[1-2]。煤氣化過程是十分復雜的熱化學反應過程，其本質是通過煤炭氣化的方式將煤轉化為合成氣，后續再進行煤化工下游產業鏈的加工生產[3-4]。工業上，以煤為原料生產合成氣已有上百年歷史，根據發展進程分析，煤氣化技術可分為三代[5]：第一代為常壓間歇式固定床氣化技術，多以塊煤和小顆粒煤為原料制取合成氣，裝置規模、原料、能耗及環保的局限性較大；第二代是現階段具有代表性的加壓固定床技術、氣流床技術和改進型流化床技術，其特征之一是加壓純氧連續氣化及高溫液態/固態排渣；第三代氣化技術尚處于小試或中試階段，如煤的催化氣化、加氫氣化、地下氣化、等離子體氣化、超臨界氣化、太陽能氣化和煤的核能余熱氣化等[6-8]。

本文闡述了不同先進煤氣化工藝的技術進展、研發創新、產業化應用及市場布局，并對主流煤氣化技術未來發展趨勢進行了分析展望，以期對客戶技術選型、行業技術發展具有一定指導作用。

1 煤氣化產業現狀及展望

我國煤質種類繁多、煤化工產品路線各異，煤氣化過程中產生的合成氣組分及占比根據氣化時所用煤的性質、氣化劑的類別、氣化過程的條件以及氣化反應器的結構不同而不同。煤氣化技術正呈現出多元化以適應不同煤質、不同煤化工產品路線的發展趨勢。“十三五”以前，我國的煤氣化技術主要以常壓間歇式固定床技術為主，能耗高、污染重，經濟效益差，煤化工的發展受到氣化技術的制約；部分項目引進了國外水煤漿或干煤粉氣化技術，但由于引進的技術專利費用高，國內市場占有率較小。經過近十年的引進、消化、吸收及自主研發，我國煤氣化技術呈現出蓬勃發展的態勢，使我國現代煤化工產業處于世界領先地位[9]。

我國是擁有煤氣化爐數量和種類最多的國家，國內外煤氣化技術上百種，但實際實現工業化應用的有30 多種。目前，我國的煤氣化工藝已逐漸完成了由傳統的UGI 爐塊煤間歇氣化向先進的固定床、氣流床、流化床加壓純氧連續氣化工藝的過渡，其中，國內自主創新的新型煤氣化技術得到快速發展。據不完全統計，我國采用國內外先進大型潔凈煤氣化技術已投產和正在建設的氣化爐達700 余臺，并且60%以上的氣化爐已投產運行。其中，應用較多的主流爐型中，固定床技術有德國魯奇公司的Lurgi 爐、賽鼎工程有限公司開發的賽鼎爐、上海澤瑪克敏達機械設備有限公司的BGL 爐；流化床技術有中科院山西煤化所開發的灰融聚煤氣化技術、中科院工程熱物理研究所的循環流化床煤氣化技術、美國綜合能源系統公司的SES（原U-Gas）煤氣化技術；氣流床技術有Texaco 水煤漿氣化技術（2019 年專利權由GE 公司轉移到AP 公司）、華東理工大學多噴嘴對置式水煤漿/ 干煤粉氣化技術、Shell 粉煤氣化技術、航天粉煤加壓氣化技術（航天爐）、西北化工研究院多元料漿氣化技術、華能的兩段粉煤加壓氣化技術、清華大學與相關單位開發的清華爐、神華寧煤與有關單位合作開發的干粉煤氣化技術（神寧爐）、華東理工大學與中石化相關單位開發的SE 水煤漿/粉煤氣化技術（東方爐）等。此外，晉煤集團面對無煙塊煤的市場銷路不斷萎縮等問題，提出了“帶著爐子去賣煤，帶著爐子去賣氣”的氣化領域布局理念，與相關單位合作，相繼研發了“晉煤H 爐”“晉煤L 爐”“晉煤S 爐”，用于匹配其旗下28 家化工企業的氣化技術需求。

煤氣化技術創新研發方面，以低階粉煤為原料，研發煤的預處理、氣化、合成及下游高端化學品等技術為一體的低階粉煤分級分質多聯產綜合利用是行業技術趨勢之一[10]。因此，大型熱解-氣化一體化（CGPS）技術、加氫氣化聯產甲烷和芳烴技術、催化氣化等第三代氣化技術的研發、小試、中試裝置正有序推進，并且部分已實現了工業化示范。同時，日投煤量4 000 t、氣化壓力8.7 MPa 級的四噴嘴水煤漿氣化技術、瑞星集團采用的日投煤量3 500 t、氣化壓力6.5 MPa級“航天超大型干煤粉氣流床氣化技術”的研發及應用也取得了突破；科林未來能源技術（北京）有限公司為適應更加廣泛的原料煤，發展新的爐型和工藝，開始研發褐煤干燥技術以及漿料或干粉/漿料共氣化技術。

除了“大型化、高壓化”主流研發思路，煤氣化技術的環保附屬功能的研發也開始得到市場認可，即通過氣化爐對高濃度化工廢水、廢固、生物質進行工業化處理，經濟性顯著。水煤漿氣流床技術率先進行了“氣化與廢物的協同處理”工業應用，對化工行業含油廢水、高濃度煤化工污水、生化污泥、有機廢水等進行處理；固定床熔渣（BGL）氣化技術同時處理廢水及垃圾，其中垃圾種類包括塑料廢料、木材廢料、生活垃圾及污泥等。對于全球煤化工發展公認的廢水處理瓶頸問題，綠色煤氣化技術創造性地提供了一條可行途徑，并且綠色煤氣化技術對于客戶吸引力巨大，極具市場競爭力。目前，伴隨著“CO2排放量力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”重要講話的提出，先進煤氣化技術配套CO2制甲醇、CO2制油品、CO2制DMC 等綠色技術對CO2進行資源化利用，以實現“低碳排放”的綠色煤氣化發展態勢已成為行業趨勢。

煤氣化產業市場布局方面，干粉煤/水煤漿氣流床煤氣化技術一直踐行“高壓化、大型化”發展理念，將目標客戶瞄準在化肥/甲醇傳統煤化工、煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制氫等多個應用場景的大型煤化工、大型石油化工領域；近年來，由于不同應用領域適用壓力等級不同，本著搶占市場份額的目的，部分氣流床氣化技術也有朝低壓化研發的趨勢，意圖搶占工業燃氣領域市場。此外，“航天爐”等氣化技術已開始從工藝評價、智能控制、數字化交付/ 設計等角度進行研發，助力國內煤化工智能/智慧工廠的建設。

煤氣化領域市場競爭方面，大型煤化工及石油化工項目要求氣化技術作為總體設計中的一部分與項目總包方共同參與項目招標，這就使得煤氣化技術專利商必須與大型專業設計院進行戰略合作，否則只能參與一些中小型項目的單一氣化技術招標。并且，不同類型氣化技術投資額差距有逐漸縮小的趨勢，未來市場競爭會更加激烈。

2 現代新型煤氣化技術進展

2.1 氣流床煤氣化技術進展

根據進料方式不同，氣流床氣化技術可分為水煤漿和干粉煤兩類，已得到成熟工業化應用的干粉煤氣流床技術主要有Shell 氣化技術、HT-L 技術、“神寧爐”技術、GSP 技術、SE 東方爐技術等；水煤漿氣流床技術主要有Texaco 氣化技術、多噴嘴水煤漿氣化技術、“清華爐”氣化技術、E-Gas 氣化技術等[11]。

水煤漿氣流床技術的典型干煤氣成分（體積分數）：CO 43%～48%、H233%～38%、CO217%～20%；氣化技術關鍵指標：碳轉化率≥98%，冷煤氣效率70%～76%，比氧耗380 m3/1 000 m3(CO+H2)～420 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～600 kg/1 000 m3(CO+H2)。需要說明的是，由于原料煤等基準不同，各氣化指標會存在一定的差異，本文所給出的各種氣化技術的氣化指標僅供參考。水煤漿氣化技術應用最新進展：多噴嘴水煤漿氣化技術繼完成了處理量3000 t/d 級的運行示范裝置后，單爐日處理煤4 000 t 級的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐也投料成功，實現了煤氣化技術日投煤量從3 000 t 級到4 000 t 級的跨越。目前，其最新研發成果為“氣化與廢物的協同處理”，可處理含油廢水、生化污泥、有機廢水等；“多樣化液體及氣體進料”，氣體包括煉廠尾氣、熱解氣及焦爐氣，液體包括石腦油、重燃料油、瀝青類及焦油。

干粉煤氣流床技術的典型干煤氣成分（體積分數）：CO 65%～70%、H222%～28%、CO23%～8%；氣化技術關鍵指標：碳轉化率≥99%，冷煤氣效率80%～82%，比氧耗320 m3/1 000 m3(CO+H2)～360 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～650 kg/1 000 m3(CO+H2)。其技術應用最新進展：日投煤3 500 t 級、氣化壓力6.5 MPa的“航天超大型干煤粉氣流床氣化技術開發及示范項目”正在調試，將成為目前世界上最大級別、最高氣化壓力的干粉煤氣化爐，適用于大型煤化工項目；計劃于2022 年投產的“航天爐正元煤炭清潔高效利用項目”與科林公司的CCG 技術均開始采用“1+N”的燒嘴布置形式，在處理廢氣、廢液、廢固的同時，使爐內溫度場更加均勻，轉化效率更高，體現了最優的循環經濟性、環保性。

2.2 固定床煤氣化技術進展

固定床固態排渣煤氣化技術主要有德國魯奇公司開發的Lurgi 爐，賽鼎工程有限公司開發的賽鼎爐。其典型煤氣成分（體積分數）：CO 20%～30%、H235%～42%、CO220%～25%、CH48%～13%。氣化技術關鍵指標為：碳轉化率≥98%，冷煤氣效率85%～90%，比氧耗140 m3/1 000 m3(CO+H2)～240 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗500 kg/1 000 m3(CO+H2)～550 kg/1 000 m3(CO+H2)。賽鼎爐是賽鼎工程有限公司承擔的國家“863”計劃——大規模碎煤加壓氣化技術與示范課題。該氣化爐直徑5 m，氣化壓力4.0 MPa～6.0 MPa，投煤量1 500 t/d，預期在大型油氣聯產項目和無煙塊煤氣化領域有較好的應用前景。

采用固定床熔渣氣化技術的BGL 爐是在魯奇氣化技術基礎上發展而來的，結合了固定床氣化特點和氣流床出渣特點[12]。該技術氣化層反應溫度可以高于煤的灰熔融性溫度，解決了干排灰氣化爐低灰熔融性溫度煤的適應性差的問題。固定床熔渣煤氣化技術典型干煤氣成分（體積分數）：CO 58%～67%、H225%～35%、CO23%～5%、CH43%～8%。氣化技術關鍵指標：碳轉化率≥99%，冷煤氣效率87%～92%，比氧耗200 m3/1 000 m3～(CO+H2)260 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗450 kg/1 000 m3(CO+H2)～500 kg/1 000 m3(CO+H2)。該技術在中煤鄂爾多斯能源化工有限公司的100 萬t/a 合成氨、175 萬t/a 尿素等煤化工項目上得到應用。

對于固定床常壓間歇煤氣化技術長期以來存在原料無煙塊煤價格高、無組織三廢排放量大等問題[13]，國家有關部門和相關專家提出了建議淘汰該工藝路線的要求；但業內一直存在著不同的聲音，認為該技術經過多年的改造升級，在能耗、環保等方面也取得許多進步，不應一刀切。中國氮肥工業協會要求UGI氣化工藝必須在2 年內采取措施進行技術升級，升級方式包括原有工藝多污染源一體化環保性改造治理、先進煤氣化技術氣頭替代及全流程重建。

技術進展方面，上海澤瑪克敏達機械設備有限公司依托BGL 爐氣化技術相繼研發了塊/ 粉一體化技術、高產油干餾一體技術以及廢物/ 生物質氣化技術等，并且可摻混處理所有含碳物質，包括生活垃圾、固廢、生物質等。晉煤集團與外界合作，相繼研發了“晉煤H 爐”“晉煤L 爐”“晉煤S 爐”等三種固定床連續純氧加壓氣化爐，其中，“晉煤S 爐”（4.0 MPa）氣化工藝是由晉煤集團和賽鼎工程有限公司合作研發的一種加壓固定床高效熱能回收固態排渣氣化技術，該技術具有甲烷含量高的特點，適合于聯產LNG 化工項目、工業燃氣項目，工業示范裝置已于2020 年底在河南晉煤天慶投料試車，目前正在進行全面可視化、智能化升級改造，預計2022 年投產運行；“晉煤H 爐”（4.0 MPa）氣化工藝是由晉煤集團和西安航天六院聯合研發的加壓移動床低甲烷液態排渣氣化技術，該技術甲烷含量低，適合化工領域應用，正在山西晉豐煤化工聞喜分公司進行中試試驗；“晉煤L 爐”（6.5 MPa）氣化工藝是由晉煤集團和上海倍能公司聯合研發的新型加壓移動床熔渣氣化技術，目前處于概念設計階段，尚未工業化。固定床未來的發展方向是實現裝置大型化、減少粗合成氣的煤灰夾帶、對副產酚氨/ 焦油回收以及廢水高效處理。

2.3 流化床煤氣化技術進展

目前，國內流化床氣化技術主要有中科院山西煤化所的灰融聚氣化技術、中科院工熱所與蘭石集團共同研發的加壓循環流化床煤氣化技術、中科合肥及濟南黃臺的常壓循環流化床煤氣化技術（中科院工熱所授權）、江蘇天沃綜能公司及上海浦名能源公司氣化技術、安徽科達潔能公司煤氣化技術等。

流化床氣化技術的典型干煤氣成分（體積分數）：CO 38%～45%、H232%～45%、CO212%～18%。氣化技術關鍵指標：全系統碳轉化率≥96%，冷煤氣效率70%～76%，比氧耗210 m3/1 000 m3(CO+H2)～300 m3/1 000 m3(CO+H2)，比煤耗550 kg/1 000 m3(CO+H2)～610 kg/1 000 m3(CO+H2)。其技術應用最新進展：中科院工熱所與蘭石集團共同研發的加壓循環流化床煤氣化技術已在中小型合成氨氣頭改造領域、煤制氫領域得到應用，其中盤錦浩業化工有限公司在10 萬m3/h 煤制氫項目中采用的加壓循環流化床氣化爐單爐發氣量20 萬m3/h，單爐煤處理量2 500 t/d，操作壓力1.2 MPa，將于2021 年中下旬調試投產；中科院循環流化床煤氣化技術市場應用業績已達74 臺（套）。安徽科達潔能公司的模塊化梯級回熱式清潔燃煤氣化技術經過多年的開發，已在陶瓷、氧化鋁等行業工業燃氣領域分別實現工業化應用，單爐產煤氣量達6 萬m3/h，其中河北田原化工集團有限公司18 萬t/a 合成氨裝置技術升級采用安徽科達潔能公司2 臺煤氣產量4.5 萬m3/h的流化床氣化爐和1 臺煤氣產量2 萬m3/h 的氣流床氣化爐，這是該公司首次將兩種氣化技術聯合應用于合成氨行業。雙流化床超大型粉煤氣化技術由陜西延長石油與KBR 公司聯合開發，屬于雙循環流化床氣化技術[13]，目前已完成100 t/d 工業化試驗裝置的建設及開發。

2.4 加氫氣化、催化氣化等煤氣化技術研發及應用進展

煤加氫氣化聯產甲烷和芳烴技術是新奧集團承擔的國家“863”計劃——煤的清潔轉化子課題[14]，該技術在溫度800 ℃～1 000 ℃和壓力5 MPa～10 MPa 條件下，將粉煤和H2（H2循環使用）同時加入氣化爐內，依靠H2對煤快速熱解階段釋放自由基的穩定作用和氣化階段與半焦中活性組分碳的加氫反應，得到富含甲烷的氣體，同時副產高附加值液態芳烴產品，產品氣中甲烷體積分數達70%～80%（除去通入H2），CO2體積分數僅為2%～5%，油品組成簡單，苯和萘的質量分數占比達到60%～80%，其400 t/d 加氫氣化示范裝置已于2018 年12 月投產，產出合格LNG 產品。近年來，新奧集團也在進行催化氣化技術的研發，利用其自主研制的氣化催化劑開發的催化氣化技術處于中試試驗階段。粉煤熱解-氣化一體化技術是陜西延長石油碳氫研究中心獨立開發的循環流化床技術[15]，在單個爐膛實現熱解-氣化一體化，煤氣中甲烷體積分數約6%，焦油收率約16%，目前處于工業化示范前期。

3 結 語

3.1 我國煤氣化技術近二十年來發展勢頭迅猛，技術升級加快，大型化、高壓化趨勢明顯，研發綜合實力不斷增強；展望未來，煤氣化技術將進一步朝著安全、高效、節能、綠色環保、專業化、智能信息化等方向發展，這也將繼續促使我國煤氣化行業技術水平始終處于國際領先地位。

3.2 伴隨著我國能源格局的政策性調整，碳排放稅的征收勢在必行；CO2制甲醇、CO2制油品、CO2制DMC等CO2資源化利用綠色技術的經濟性將逐步顯現，這將促使我國煤氣化技術朝著“零碳排放量”的綠色煤氣化目標持續邁進。

3.3 現代煤氣化技術應用領域未來將朝著大型化工合成氣領域、煉油化工深加工制氫領域、綠色冶金還原氣領域發展，具有千億級市場經濟規模。