煤氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張 能，喬二浪，魯?shù)鸣i，高虎飛

（陜西榆能化學(xué)材料有限公司，陜西榆林 719100）

煤氣化技術(shù)在現(xiàn)代煤化工行業(yè)內(nèi)具有極為重要的作用[1]，鑒于我國未來能源格局依然是富煤、貧油、少氣。要實現(xiàn)對煤炭綠色高值化利用，有必要對數(shù)量眾多的煤氣化技術(shù)進(jìn)行分析，比較其工藝的先進(jìn)性和不足之處，以期能為煤氣化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

目前已發(fā)表的關(guān)于煤氣化最新論述有程曉磊等[2]提出的氣化爐技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化應(yīng)綜合使用計算流體力學(xué)、有限元等先進(jìn)數(shù)值模擬方法來提高開發(fā)效率。趙樂等[3]提出在實際應(yīng)用的過程中，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)流程，結(jié)合生產(chǎn)產(chǎn)品的相關(guān)要求合理選擇相關(guān)氣化技術(shù)。高明等[4]簡要分析了煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀并提出了優(yōu)化煤氣化設(shè)備裝置、采用新型污水處理技術(shù)和提升煤炭氣化轉(zhuǎn)化率的發(fā)展趨勢。為全面概述國內(nèi)主流氣化工藝的運行情況和未來發(fā)展方向，本文從主流煤氣化技術(shù)的發(fā)展歷程和工藝特點入手，通過分析最近關(guān)于提升煤氣化技術(shù)和煤種適應(yīng)性、氣化黑水和灰水余熱利用和處理技術(shù)新路徑，以及氣化廢渣處置技術(shù)及資源化利用研究進(jìn)展方面闡述了煤氣化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 主流煤氣化技術(shù)

1.1 Lurgi（魯奇）和BGL加壓氣化技術(shù)（固定床）

由德國魯奇（Lurgi）公司開發(fā)的魯奇爐[5]加壓氣化技術(shù)是煤化工行業(yè)最早應(yīng)用的工業(yè)化氣化技術(shù)之一，其結(jié)構(gòu)如圖1a 所示。由于魯奇爐后期處理復(fù)雜、生產(chǎn)流程長、且在選擇氣化用煤時對煤的灰熔點和反應(yīng)性要求較高難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。1975—1981年，英國燃?xì)夤竞偷聡鳯urgi 公司為了提高生產(chǎn)能力和減少蒸汽消耗，成功將1臺直徑為1.8m 魯奇氣化爐改造成液態(tài)排渣的熔渣魯奇爐（BGL 或Slagging Lurgi），其結(jié)構(gòu)如圖1b 所示，其處理能力為300t/d，操作壓力2.5MPa。兩種相關(guān)固定床氣化爐煤質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 魯奇爐和BGL爐煤質(zhì)指標(biāo)

圖1 不同氣化爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 灰熔聚煤常壓氣化技術(shù)（流化床）

流化床煤氣化可在高速氣化劑氣體的吹動下使原料煤形成流態(tài)化床層而進(jìn)行氣化反應(yīng)，流態(tài)化的形成可以使床層固體物料混合更加均勻。灰熔聚煤氣化工藝雖然具有煤種適應(yīng)范圍寬、氣化溫度適中、流程簡單等優(yōu)點，但其處理能力小，管路易堵塞和腐蝕，氣化裝置運行周期較短。

流化床和氣流床粉煤氣化相比，最大的特點是可以將灰熔點大于1 500℃的原料煤氣化。但是，如果原料煤的黏結(jié)性較強(qiáng)或容易粉化，采用流化床氣化時難以形成均勻的流態(tài)化分布，在操作方面存在著較大的問題，而且產(chǎn)生的合成氣中CO2和CH4含量較高，含塵量大，對該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用存在著較大的制約。

1.3 GE水煤漿加壓氣化技術(shù)（氣流床）

1978 年推出的GE 氣化技術(shù)來源于德士古水煤漿氣化，氣化爐的結(jié)構(gòu)為頂噴式布置燒嘴，垂直安裝在氣化爐頂部，烘爐燒嘴和煤漿燒嘴共同使用一個安裝位置，在運行過程中根據(jù)不同需求更換不同的燒嘴。雖然水煤漿相比粉煤氣化工藝具有輸送優(yōu)勢明顯、生產(chǎn)能力較大、煤種適應(yīng)性寬的特點，但是水煤漿氣化技術(shù)在高濃度水煤漿制備、噴嘴磨損、耐火材料壽命以及廢熱鍋爐易腐蝕等方面存在較大的問題。

1.4 GSP干煤粉加壓氣化技術(shù)（氣流床）

1975德國GDR 燃料研究所開發(fā)出GSP 氣化工藝，GSP 氣化爐采用單噴嘴下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣結(jié)構(gòu)和水激冷流程，由于直接用水冷代替了余熱回收鍋爐，因此相比Shell 氣化爐的投資較低，其結(jié)構(gòu)如圖1c 所示。雖然GSP 氣化爐有效合成氣組分高、冷煤氣效率高以及采用水激冷流程投資低的優(yōu)勢，但其在運行過程中渣口磨損較大、維修頻率高且合成氣中含灰量較大，導(dǎo)致下游工段難以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。另外，煤燒嘴和氣化爐反應(yīng)室匹配不佳，導(dǎo)致在運行過程中氣化爐膜式水冷壁燒損較嚴(yán)重。

1.5 殼牌干煤粉加壓氣化技術(shù)（氣流床）

1993 年在荷蘭推出用于燃?xì)獍l(fā)電的殼牌（Shell）氣化工藝，干煤粉從氣化爐底部進(jìn)入，屬于多燒嘴上行制氣，采用廢熱鍋爐冷卻回收煤氣的顯熱，其結(jié)構(gòu)如圖1d 所示。殼牌（Shell）氣化技術(shù)可將次煙煤、無煙煤、高硫煤及低灰熔點的劣質(zhì)煤等用作原料煤使用，即使含灰量在30%左右也能在Shell 氣化爐內(nèi)成功進(jìn)行氣化反應(yīng)。Shell 爐運行過程中具有煤種適應(yīng)性寬、碳轉(zhuǎn)化率高、運轉(zhuǎn)周期長和環(huán)境效益好的特點。但其投資和能耗較大，系統(tǒng)中使用的廢熱鍋爐、高溫高壓陶瓷過濾器和激冷循環(huán)氣壓縮機(jī)等設(shè)備價格昂貴，用于激冷使用的循環(huán)合成氣需要進(jìn)一步加壓，造成能耗較大。

1.6 科林爐（CCG）干煤粉加壓氣化技術(shù)（氣流床）

科林CCG粉煤加壓氣化工藝的發(fā)展始于1979 年，其結(jié)構(gòu)如圖1e 所示。2007年，貴州開陽化工合成氨50萬t/a 的項目中采用了2套投煤量為1 500t/d 的科林CCG 粉煤加壓氣化爐。科林CCG 氣化技術(shù)為貴州當(dāng)?shù)厣踔寥珖吡淤|(zhì)煤的綜合高效利用開創(chuàng)了先例。

科林爐和Shell 爐相比采用了全激冷流程、水冷壁盤管中使用水進(jìn)水出，循環(huán)后的熱水在廢鍋內(nèi)經(jīng)過與鍋爐給水換熱后可副產(chǎn)低壓飽和蒸汽，去掉了Shell 爐造價昂貴的對流廢鍋、陶瓷過濾器和循環(huán)氣壓縮機(jī)。且在爐頂采用多噴嘴頂置下噴、同向布置可克服對置噴嘴互相磨蝕，保證粉煤在反應(yīng)空間分布均勻。

表2 主要工業(yè)化粉煤加壓氣化爐煤質(zhì)要求及主要氣化參數(shù)

2 煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 提升煤氣化技術(shù)和煤種適應(yīng)性

目前，國內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的不同煤氣化技術(shù)各有特點，對煤質(zhì)要求不盡相同，不存在適用于所有煤種的氣化技術(shù)。所以在未來的發(fā)展過程中應(yīng)參考不同的氣化技術(shù)對煤質(zhì)的不同要求，有針對性地改進(jìn)現(xiàn)有煤氣化技術(shù)或開發(fā)適用于相關(guān)煤種的煤氣化技術(shù)。通過對比分析寧東地區(qū)煤質(zhì)特點和在用的氣化工藝發(fā)現(xiàn)，寧東地區(qū)煤種屬于煤階較低的長焰煤，礦區(qū)大部分煤種的特點難以達(dá)到水煤漿氣化爐要求的高濃度水煤漿，更適合采用GSP 干煤粉氣化技術(shù)。通過查閱織金礦區(qū)高階無煙煤地質(zhì)勘探資料發(fā)現(xiàn)，織金礦區(qū)高階無煙煤與粉煤加壓氣化技術(shù)更加匹配，可以有效避免降低織金無煙煤利用價值和增加額外的經(jīng)濟(jì)投入。

在未來煤氣化發(fā)展過程中應(yīng)注重提升技術(shù)適用性，而不應(yīng)該盲目注重技術(shù)先進(jìn)性。同時可考慮將三高煤與優(yōu)質(zhì)煤進(jìn)行配煤使用，提升經(jīng)濟(jì)性。還可通過加入石灰石、石英砂等黏土助熔劑來對煤灰黏溫特性及灰熔融溫度進(jìn)行改善，進(jìn)而有利于液態(tài)排渣過程。

2.2 開發(fā)氣化黑水和灰水余熱利用和處理技術(shù)新路徑

目前各種氣化技術(shù)渣水處理系統(tǒng)大多采用三級閃蒸工藝，普遍存在真空閃蒸氣量大、真空閃蒸冷凝器循環(huán)水用量多、黑水余熱無法再利用的問題。為此，通過Aspen Plus 軟件建模分析發(fā)現(xiàn)，主要原因在于進(jìn)入真空閃蒸罐的低壓黑水溫度過高。并提出了兩種低壓黑水余熱利用方案，可通過黑水加熱低壓灰水（低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐之間增設(shè)黑灰水換熱器）和黑水余熱發(fā)電（有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)），并利用Aspen Plus 軟件建模和模擬計算對兩種余熱利用方案進(jìn)行了可行性和預(yù)期效果驗證。

2.3 優(yōu)化氣化廢渣處置技術(shù)及資源化利用

結(jié)合氣化灰渣的固有屬性，國內(nèi)外對于氣化渣資源化利用的相關(guān)研究主要集中于以下4個方面。①建工建材制備：骨料、墻體材料、免燒磚等；②土壤、水體恢復(fù)：改善土壤、水體修復(fù)等；③殘?zhí)祭茫貉h(huán)摻燒；④高附加值材料制備：鋁硅復(fù)合材料、催化劑載體、陶瓷材料等。實際應(yīng)用中主要以低端建工建材和高端陶瓷等鋁硅復(fù)合材料制備兩大方面為主，但由于我國基礎(chǔ)設(shè)施已逐漸完善，低端建工建材供大于求，氣化渣難以大規(guī)模應(yīng)用。

3 結(jié)論

國內(nèi)應(yīng)用的煤氣化技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已形成了獨具特色的局面，為實現(xiàn)我國煤氣化技術(shù)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)不斷加強(qiáng)高效、節(jié)能和廢棄物資源化利用等技術(shù)的研發(fā)，緩解煤氣化技術(shù)在促進(jìn)現(xiàn)代煤化工發(fā)展過程中與破壞生態(tài)環(huán)境之間日益突出的矛盾。

1）在工業(yè)化應(yīng)用過程中，應(yīng)加強(qiáng)煤氣化技術(shù)和煤質(zhì)條件、應(yīng)用場景、工藝要求等方面的匹配程度并拓展煤種適應(yīng)性，保證運行穩(wěn)定性和投資經(jīng)濟(jì)性。

2）改變處理煤氣化黑水和灰水余熱利用思路和處理技術(shù)新路徑，使用先進(jìn)軟件建模方法用以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存問題原因以及驗證新技術(shù)可靠性。

3）促進(jìn)氣化廢渣處置技術(shù)及資源化利用，從氣化渣自身元素/物質(zhì)組成的穩(wěn)定性、微觀形貌以及元素賦存狀態(tài)等方面入手，加強(qiáng)對高端陶瓷等鋁硅復(fù)合材料方面的研究，減少對環(huán)境造成污染，促使我國煤氣化技術(shù)朝著“零碳排放量”的綠色煤氣化目標(biāo)持續(xù)邁進(jìn)。