煤氣化技術的現狀及發展趨勢研究

欒運加（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000）

0 引言

煤炭資源是我國重要資源，在我國經濟建設與社會發展中發揮著至關重要的作用。據統計我國煤炭年消耗量高達40 億噸以上，超過能源消耗總量56%，位居世界首位；我國煤氣產量由2015 年6 800 多億立方米增長至2021 年的15 500 多億立方米，被廣泛應用到鋼鐵、建材、機械、采暖等眾多領域。在煤炭消耗量、煤氣需求量不斷增多背景下，加強煤資源相關技術研究，提高煤資源高效利用率，降低煤資源開發利用污染性，具有非常重要的現實意義。煤氣化技術作為清潔凈煤技術，主要是借助各種裝置，在特定條件下，將煤炭轉換為清潔可燃燒氣體。將該技術應用到煤化工行業，可有效促進行業健康、穩定、可持續發展。經多年研發，煤氣化技術水平大幅度提高，煤氣化技術類型日漸豐富，可滿足多產業發展需求，但從整體層面來看，仍存在諸多不足，需要在不斷研究中完善、強化。本文旨在通過分析煤氣化技術的現狀及發展趨勢為煤氣化技術應用與研發提供參考，促進煤氣化技術應用價值不斷提升。

1 煤氣化技術發展現狀分析

煤氣化技術作為煤炭資源轉化應用技術，在工業燃氣領域、民用煤氣領域、化工原料合成領域、電力生產領域等眾多領域得到廣泛應用。隨著煤氣化技術應用范圍不斷擴大，應用需求不斷提高，煤氣化技術類型不斷增多。目前，主流技術有氣流床氣化技術、流化床氣化技術、固定床氣化技術。

1.1 氣流床氣化技術

氣流床氣化技術是目前世界范圍內應用最為廣泛的煤氣化技術，該技術最早發展于上世界五十年代，以K-T 爐為典型代表，后在不斷發展中形成了Shell 工 藝、Texaco 工 藝、Prenflo 工 藝、E-Gas 工 藝、GSP 工藝等（表1 為部分氣流床氣化技術情況）。氣流床氣化技術理論上適用于任何煤種，但考慮到技術應用綜合效益，建議選取粒徑較小、比表面積較大、灰熔點較低的煤種。氣流床氣化技術反應溫度高，以氧氣為氣化劑，反應過程中可適當加入水蒸氣，控制爐膛溫度，減少氧氣消耗量。氣流床氣化技術根據原料輸送性能可分為濕法氣流床氣化技術與干法氣流床氣化技術兩種類型。濕法氣流床氣化技術主要是指原料以水煤漿或水炭漿形式同氣化劑一起進入爐內，在氣化劑作用下發生各種反應。優點在于：原料選擇范圍廣，進料參數可控性較強，操作流程簡單，碳化轉化率較高，粗煤氣質量高，煤氣化過程中產生的污染物較少；缺點在于：噴嘴、耐火磚應用周期較短，煤耗量與氧耗量較高，系統材料質量與性能要求較高。干法氣流床氣化技術主要是指原料以粉煤形式同氣化劑一起進入爐內，在氣化劑作用下發生各種反應。優點在于：煤種適應范圍廣，氣化強度大，氣化效率高（最高可超過99%），氧耗、煤耗量低（約是濕法氣流床氣化技術的70%～85%），維修成本低，運轉周期長，熱效率高（最高可超過98%），生產條幅能力強等；缺點在于：氣化壓力低（約是濕法氣流床氣化技術的37%～50%），運行穩定性較差，氣化爐結構復雜，粉煤制備投資成本高等。實踐中需要根據具有情況合理選擇氣流床氣化技術，以滿足企業生產需求。

表1 部分氣流床氣化技術情況

1.2 流化床氣化技術

流化床氣化技術以細粒煤（如：褐煤、煙煤、次煙煤等）為原料，以空氣、氧氣、富氧等為氧化劑，以蒸汽、二氧化碳等為氣化劑，反應過程中煤粒在反應裝置中呈現懸?。骰顟B，氣體與固體能夠充分混合。通常情況下，流化床氣化技術多用于民用燃氣、工業染料、合成氣體等大中規模生產，操作壓力為常壓3.0 MPa，單臺最大處理量150～2 000 t/d，單臺有效氣產量10 000～80 000 Nm3/h[1]。目前，應用較為廣泛的流化床氣化技術有三種：（1）灰熔聚流化床煤氣化技術：技術成熟度較高，適用褐煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、石油焦等，氣化反應區域內溫度均勻性較高，氣化溫度較高，約為1 000～1 100 ℃。某企業配套煤氣工程中應用3 臺灰熔聚流化床氣化爐，單臺氣化爐處理量達到450 t/d，單臺產氣量達到30 000～38 000 Nm3/h。（2）復合流化床氣化技術：該技術是灰熔聚流化床氣化技術創新下形成的一種新流化床氣化技術。該技術將灰熔聚流化床與干煤粉氣流床氣化爐相結合，使系統具備灰熔聚流化床工藝與干煤粉氣流床氣工藝優勢，有效提高了流化床氣化技術碳轉化率，增加了有效氣體產量。（3）多段分級轉化流化床氣化技術：該技術是針對合成天然氣大規模生產研發的流化床氣化技術。該技術汲取不同流化床氣化技術優勢，在工藝與設備創新下，實現煤熱解過程、氣化過程、燃燒過程有機結合。多段分級轉化流化床氣化技術以長焰煤、褐煤為主要原料，碳轉化率可達到90%以上，冷煤氣效率可達到72%以上。

1.3 固定床（移動床）氣化技術

固定床（移動床）氣化技術是一種技術較為成熟的煤氣化技術，主要以塊煤為原料（如：褐煤、煙煤、無煙煤、焦炭等），以空氣、氧氣、蒸汽為氣化劑。固定床（移動床）氣化技術根據運行方式可分為連續式固定床（移動床）氣化技術與間歇式固定床（移動床）氣化技術；根據加壓情況可分為常壓連續式固定床（移動床） 氣化技術與加壓連續式固定床（移動床） 氣化技術。固定床（移動床）氣化技術一般特征有：操作簡單，容量較小，逆流接觸反應，以固態排渣為主，碳轉化率較高，出口氣溫度較低等。目前，技術成熟且應用較為廣泛的固定床（移動床）氣化爐有3M-21 混合煤氣發生爐、W-G 氣化爐、Mark-IV 魯奇加壓氣化爐、BGL 業態排渣魯奇爐等。某企業煤化工程項目建設中，設計構建3～4 MPa 固定床氣化爐，以褐煤、長焰煤、無煙煤等材料為原料，單臺最大處理量達到420～1 600 t/d，單臺有效氣產量達到4 000～12 000 Nm3/h。

氣流床氣化技術、流化床氣化技術、固定床氣化技術作為煤氣化技術主流技術，因原料不同、工藝要求不同，應用效果也不同，對比三種技術基本情況，見表2。

表2 部分氣流床氣化技術情況

2 煤氣化技術發展趨勢分析

縱觀煤氣化技術研發與應用情況，可知煤氣化技術雖然取得了一定成績，但在實踐中仍存在諸多不足。例如，技術層面，煤氣化技術運行穩定性仍有待提升，氣化效率存在較大提升空間，能耗節約與環境保護水平有待進一步提高，單爐產能仍有增加余地；經濟層面，投資成本、運行維護成本需要在不斷改進中降低；技術研發層面，受專業人才制約較大，部分企業多缺乏自主創新能力，多通過借鑒、照搬等方式進行技術研發與應用。要想有效解決改善上述問題，促進煤氣化技術優化發展，未來需要從以下幾方面著力，推動煤氣化技術向高效化、環?；⒐澞芑⒁幠；?、科學化、低成本化等方向發展。

2.1 拓展技術應用對煤種的適應性

當前主流煤氣化技術多以活性較高的褐煤、煙煤、次煙煤、無煙煤、焦炭等是原料，對于反應活性差、煤氣有效成分含量少的“三高”煤（高硫煤、高灰煤、高灰熔點煤）而言，適用性較差[2]。但是從我國煤炭儲存與生產整體情況來看，“三高”煤占比較高，僅以山西省為例，33% 以上煤炭資源為“三高”煤。因此，如何提高“三高”煤利用率成為相關企業以及工作人員關注與研究的重點問題。煤氣化技術應用下，要想以“三高”煤為原料，技術創新與改進勢在必行。對此，可根據煤氣化技術原理，聯系氣流床氣化技術、流化床氣化技術、固定床氣化技術等工藝特征，從氣化爐結構優化、原料性能改善、新型添加劑研發與應用、系統優化、反應參數調整等多方面入手，提高煤氣化技術對煤種的適應性。例如，以高堿煤為原料生產煤氣時，可能產生腐蝕性物質損壞反應裝置，對此在技術改進時，根據堿金屬、煤氣化爐材質反應原理，進行反應流程優化，以減輕高堿熱煤氣腐蝕程度。

2.2 提高技術應用對能源的節約性

按照當前煤化工發展情況來看，“十四五”時期我國現代煤化工產業煤炭消耗量仍將繼續增長，預計2025 年原煤消耗總量將超過27 000 萬噸，現代煤化工產業增長幅度將達到3%，煤制油產能將達到1 500 萬噸/年，煤制天然氣產能將達到110 億立方米/年，煤制烯烴產能將達到1 050 萬噸/年，煤制乙二醇產能將達到1 000 萬噸/ 年。在此背景下，煤氣化技術高效化、規?；瘜⒊蔀樾聲r期發展趨勢之一。考慮到“碳達峰、碳中和”戰略決策要求，在進行煤氣化技術高效化、規?；l展時，需要高度重視能源節約與環境保護問題。這就需要相關企業以及工作人員在進行煤氣化技術研發時，能夠根據實際情況與技術應用需求，從多方面探尋資源利用率提高、氧耗量減少、水蒸氣耗量減少、余熱回收利用、黑水回收利用等辦法，以實現煤氣化技術高效化、節約化、規?；l展。

2.3 提高技術應用對環境的保護性

煤氣化技術應用過程中會產生一定污染物，如處理不當將對生態環境造成嚴重污染。例如，煤氣化技術應用過程中，未完全反映的原料將隨合成氣體排放到空氣中，加劇空氣污染。研究發現氣化反應過程中所產生的飛灰，穩定性較強，采用傳統方式進行處理難度較大且效果并不理想。這就需要加強氣化飛灰處理技術研究，降低飛灰回收率、污染率，提高氣化飛灰、氣化殘渣再利用率。利用通過改性技術有效應用，將氣化飛灰、氣化殘渣轉變為可再利用的建筑原料、土壤改良原料、高分子聚合物填料等。一方面降低廢物污染，另一方面提高廢物附加值，豐富資源種類與數量。

2.4 提高技術應用對管控的科學性

煤氣化反應過程復雜，對反應溫度、壓力等具有較高要求。要想實現煤氣化技術規模化、高效化、節能化、環保化發展，提高反應條件控制水平勢在必行。隨著計算機技術、數據分析技術、模擬仿真技術等在現代煤化工領域中的推廣使用，煤氣化系統自動化、智能化水平大幅度提高。相關人員可通過數值模擬了解煤氣化技術應用流程，掌握不同工況下煤氣化技術應用效果，進行系統設計調整、系統控制參數調整等。例如，在氣化爐設計中，利用Aspen Plus、ANSYS Fluent、CFX、CFD-DEM 等軟件輔助研究煤氣化系統換熱器優化方案、氣化爐體結構優化方案、氣化率熱傳導情況、燒嘴熱應力情況、熔渣流動特性等，根據軟件分析結果，結合系統應用要求，合理設計與研究系統，保證系統應用科學、合理、有效。目前，先進科學技術在煤氣化系統研發與監管中的應用有限，需要在后續研究中不斷拓展先進科學技術應用范圍，讓技術服務技術，讓技術推動創新。

3 結語

煤氣化技術類型多樣且應用范圍廣闊，在推動我國煤化工業發展，促進我國煤炭資源經濟效益、社會效益、生態效益提升等方面存在積極影響。氣流床氣化技術、流化床氣化技術、固定床氣化技術是當前應用較為廣泛的煤氣化技術，各具優勢，實踐中需要根據具體情況合理選擇煤氣化技術，保證技術應用合理、高效、經濟、可靠。縱觀煤氣化技術研發與應用現狀，系統效率仍具有較高提升空間，能源節約、環境保護等方面仍存在改進余地，因此在未來發展中，需要加強創新力度，持續提高煤氣化技術適應性、節約性、科學性、環保性等。