我国煤气化技术的特点及应用

1、我国煤气化技术的特点及应用刘卫平（山东红日阿康化工股份有限公司， 山东临沂市 276021）摘 要： 介绍了我国主要的煤气化技术发展状况，不同煤气化技术的工艺特点，各技术的优势及不足。提出了在煤气化技术的选择方面应注意的几个主要方面。 关键词：煤气化，固定床，流化床，气流床，恩德炉，灰熔聚，德士古，Shell，水煤浆 一 序言国内的合成氨与甲醇工业经历了多年的发展，目前在原料的采用上有煤、天然气、焦炉气等多种原料，同时由于我国能源特点是缺油少气，煤炭资源相对丰富，因此煤在国内合成氨和甲醇工业原料中仍占据主导地位。 对于煤气化炉类型，目前主要有固定床、流化床和气流床三种，对于不同的炉型，相应的有

2、固定床间歇气化炉、灰熔聚、德士古、恩德炉等多种造气方式，不同造气方式均有各自不同的特点，在国内也有不同厂家采用，下面进行具体介绍。二 国内煤气化技术概况 固定床间歇气化（UGI）1 技术概况这是我国采用最早的煤气化方式，也是目前在国内甲醇与合成氨装置中应用最普遍的一种造气方式，占目前合成氨生产能力的70以上。经过多年的发展，该技术已经基本成熟，且装置已经完全国产化。固定层间歇气化造气系统，主要包括原料煤的配置、造气、气体净化除尘、废热回收等装置。生产工艺为常压间歇气化，每个造气循环主要由吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净五部分组成，循环时间一般在120150秒之间。根据不同的控制工艺可生产成分不

3、同的水煤气和半水煤气。该技术采用固态排灰方式，由于采用空气作为氧化剂，碳利用率较低，入炉蒸汽分解率，低灰渣含碳量较高，一般在20左右。因为是常压间歇制气，单台设备生产能力较低，根据炉子规格不同，单台设备产气量在4000Nm3h12000 Nm3h之间，所产煤气有效气含量在6085之间。该造气方式采用山西无烟块煤为原料，要求块煤粒度在2080mm之间，水分含量8，目前在国内有600家以上企业采用该技术。2 技术的优势与不足：该技术投资小，建设周期短，这是该技术最大的优点，由于采用空气与碳反应，省去了昂贵的空分装置，使该技术投资是目前所有煤气化技术中最低的，一般10万吨合成氨装置所需的煤气化系统投

4、资在3000万左右，从而生产成本的折旧费用降低低。由于采用无烟块煤为原料，而该煤种价格较高，来源受到限制，同时原料利用率低，能耗高，使生产成本较高，这也是该技术的最大不足。造气采用常压、间歇气化，使装置大型化受到限制，同时由于设备连续运行时间短，使装置检修工作量大，而且一般采用两台或以上的备用炉。装置环境污染较大，现场粉尘量较大，操作环境差，工艺相对落后。 恩德炉1 技术概况恩德炉粉煤流化床气化技术是朝鲜咸竟北道恩德郡的七七化工厂在原温克勒粉煤流化床气化炉的基础上，逐步改进和完善的一种煤气化工艺。该煤气化技术由辽宁恩德工程建设有限公司90年代引进中国，该炉型以粉煤为原料，采用不同的气化剂，可生

5、产空气煤气、半水煤气和水煤气，分别用于工业加热炉煤气、民用燃料和化工合成气。目前该装置已经全部做到国产化。恩德炉的造气系统，主要包括原料煤配置、造气、气体的初步净化以及配套的空分装置构成。生产工艺为常压气化，操作温度在9001000之间，采用固态排灰方式，灰渣含碳量10，所产煤气有效气含量为6570。对于气量40000Nm3h的装置，如果采用一台造气炉，整套煤气化系统投资约8000万，其中恩德炉投资约3200万，空分系统投资3000万。如果采用2台20000Nm3h的造气炉，整套系统投资约9000万。该技术采用的原料主要是褐煤、长焰煤、不粘性和弱粘性烟煤，要求煤的灰分小于25%30%，灰熔点高

6、（ST大于1250）、低温化学活性好（在950时，应大于85%，1000时，应大于95%）。该设备目前生产能力主要有10000Nm3h、20000Nm3h、40000Nm3h三种，考虑到设备的检修对装置运行稳定性的影响，一般一套装置要采用两台或以上的造气炉，从而在一台设备出现故障时不会造成装置停车。目前已在国内应用有18套装置，其中有7套以上用于合成氨装置。国内第一套恩德炉的造气装置于2001年在江西景德镇投产，装置规模为10000Nm3h，随后又有黑龙江黑化集团有限公司，吉林长山化肥集团有限公司，安徽淮化集团有限公司，黑龙江倍丰集团宁安化工公司，吉林北方气体等化工企业的恩德炉煤气化装置相继建

7、成投产。2 技术的优势与不足：由于恩德炉造气技术可全部做的国产化，因此它的投资较小，10万吨/年合成氨装置投资约78千万，相对于其它连续造气方式，投资较低。原料方面：该炉型采用褐煤和长焰煤为原料，价格比山西白煤低，从而可以降低造气成本，但对原料煤的粘性等指标要求较严格，目前该煤种主要分布在吉林、内蒙古、广西、云南、河南义马等地，在国内的分部并不广泛，因此该造气方式由于原料的限制在较大程度山影响了它的推广，这也是该炉型一个较主要缺陷。目前最大能力发气量为40000 Nm3h，由于为常压气化方式，一方面对于取代国内普遍应用的固定床间歇气化造气炉有较大优势，另一方面也使该炉型在装置的大型化方面受到一

8、定限制， 考虑装置的运行稳定性，一般一套装置采用两台以上造气炉，从而使投资、占地增大，操作复杂程度增加。 灰熔聚煤气化技术1 技术概况灰熔聚技术是中国科学院山西煤炭化学研究所和陕西秦晋科技有限公司等单位联合开发的具有国内自主知识产权的煤气化技术。 该技术为国内自主开发的较新的煤气化技术，目前在国内已有多家企业采用该技术生产合成氨或甲醇。灰熔聚流化床粉煤气化系统主要包括原料煤配置、进煤系统、气化炉、排灰系统、除尘系统、废热回收系统和洗涤净化设备等。该技术采用富氧或纯氧连续制气，采用造气压力在0.03MPa1.0 MPa之间，操作温度一般控制在1100左右，应比灰熔点低100。采用固态排灰方式，灰

9、渣含碳量<10%，碳转化率超过90，有效气含量7278%，气体中无焦油及重质烃类等物质，酚含量低，废水量少。单台设备生产能力按合成氨计算，从3万吨/年至10万吨/年不等。考虑到设备检修较频繁，一般一套装置要配套两台以上造气炉，从而保证装置运行连续性和稳定性。对于10万吨/合成氨装置，灰熔聚造气系统的投资1.52.5亿元，其中空分系统的投资约占40以上。该技术对于原料煤的预处理要求达到粒径范围06mm（其中:大于6mm的1%，小于1mm的40）。要求煤灰份从10%40%，焦渣特性16(以24为好)。外在水分5%，灰熔点(ST)：1250，采用的煤种有褐煤、烟煤、贫瘦煤、无烟煤、焦粉等，适应

10、性较广，目前在工业装置应用的煤种有甘肃华亭烟煤、陕西彬县烟煤、山西大同粘结性烟煤、山西唐安无烟煤以及平顶山高灰分烟煤等煤种。该气化技术的主要消耗指标如下：项 目常 压 气 化低压（1.0MPa）气化比煤耗：Kg/1000Nm3(CO+H2)650700500600比氧耗： Nm3/1000Nm3(CO+H2)300350270320比蒸汽耗：Kg/1000Nm3(CO+H2)5405904004502 技术的优势与不足：该技术是国内开发的具有完全知识产权的新型煤气化技术，因而设备可全部国产化，相对投资较低。由于该技术属较新的煤气化技术，目前该技术也不断的改进和成熟，有较好的市场前景，但因其推广

11、应用时间较短，应用厂家较少，使该技术相应的设计、制作、应用经验较少。该技术摆脱了原料对山西白煤的依赖，但对煤种的灰熔点、灰份等性质仍有一定要求，对于原料仍有较多限制，从而也影响了该技术的推广。该技术目前以常压气化为主，低压气化正处于推广应用时期，单台设备产能较低，大型化还有待时日。该设备目前由于中心管使用周期较短，一般运行三个月至半年需更换中心管，从而使设备连续运转周期较短，设备开停车频繁，同时为了保证装置运行稳定性，一套装置需配套两台以上造气炉。该造气炉所产煤气中CO2含量一般超过20，比目前固定床煤气化方式所产半水煤气中CO2含量高一倍以上，从而使后续脱碳工段能力相应有较大增加。 壳牌煤气

12、化技术1 技术概况 Shell煤气化技术从上世纪70年代开始研究，在进行了多次小试、中试、示范化装置建设基础上于1989年在荷兰德姆克勒联合循环发电厂建造了2.5×105 kW工业化装置，该装置于1993年投入运行。该技术属于气流床技术，工艺流程主要包括原料煤的预处理、煤的加压和投料、煤的气化、除灰、煤气净化、脱硫以及配套的水处理、空分、氮气系统等。采用的造气压力为2.04.0MPa，操作温度14001600之间，采用液态排渣技术，渣中含碳量1，干煤粉进料，碳转化率达99，煤气中有效气含量约90。有效气比氧耗约340Nm3/1000Nm3(CO+H2)，比煤耗约590Kg/1000N

13、m3(CO+H2) 。对于壳牌的煤气化技术，目前除国外的一套工业化装置以外，国内从2001年起，已经有广西柳州化肥厂、中石化湖南洞庭氮肥厂、中国神华煤制油有限公司、中石化湖北枝江化肥厂、中石化安徽安庆化工总厂、大连大化公司合成氨厂、云南云天化集团、云南云沾化集团等多家单位引进了12套13台Shell炉工艺，生产能力从20万吨/年50万吨/年不等，基本应用于合成氨和甲醇装置。涉及到专利技术转让、设备国产化率低、关键设备需进口等因素，使该技术成为目前国内投资最大的煤气化装置，20万吨/年合成氨装置配套的煤气化系统，投资约3.54亿元，其中空分系统投资约1亿元。2 技术的优势与不足：煤种适应性较广，

14、对原料煤几乎没有要求，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦化均可气化，对煤的灰熔融性适应范围宽，即使高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应，这也是其它煤气化技术难以比拟的，但对于灰熔点较高的煤需加入助熔剂（石灰）来降低煤的熔点，因此从经济运行角度考虑，煤种还是要有所选择。采用加压气化，氧耗低，单炉生产能力大，适合大型化生产，目前单台设备投煤量可达到2000 td，相应合成氨生产能力可达1500 1600td由于采用了水冷壁结构，无需耐火砖衬里，同时气炉内无运转部件，配套气化炉烧嘴使用寿命长，一般可达一年以上，使该设备连续运转周期长，无需备炉，这也是和其它煤气化技术的一个较大不同点。但由于国内同类型装

15、置的开车时间较短，因此这一点还需要通过实际运行情况来验证。Shell气化炉使用多个喷嘴，数量一般为46个，采用成双对称布置，使装置的操作弹性较大。高温制气使气化反应进行的很彻底，因此所得煤气中副产物很少，不含重烃，对环境污染小。该气化技术的关键设备需要在国外制造，同时喷嘴、煤粉阀等需完全依赖进口，装置国产化率低，使该气化装置的投资在目前国内煤气化技术中投资最高，使产品成本中折旧占较大比例。同时装置建设周期较长，一般建设周期要三年甚至更多。这是该技术的一个最大不足。由于采用干法进料，碳转化率高，热效率高，热损失小，能耗低，有效气含量高。但虽然有效气含量高，但由于气化炉热利用采用废锅流程，使所产煤

16、气中氢碳比约0.5，氢碳比太低，而生产甲醇所需氢碳比超过2，生产合成氨要求全部CO和CO2进行变换，因此该装置所产煤气需后续的变换工段消耗大量蒸汽来完成CO的变换。因此从气体成分角度考虑，该技术更适合于发电装置，而不适合生产甲醇和合成氨等化工产品。该技术目前国外仅有一套工业化装置用于联合循环发电，没有用于合成氨和甲醇的实际生产装置，因此对于国内引进该技术用于生产合成氨和甲醇，相应缺乏有针对性的设计和生产经验，从而使装置投资加大，工艺复杂，使该装置的优势难以充分发挥。 德士古水煤浆加压气化1 技术概况： GE德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术是50年代初期，由美国德士古公司在重油部分氧化气

17、化基础上开发成功的，随后在日本、瑞典和意大利等国工业应用。1998年该公司和中国水煤浆气化及煤化工中心合资成立德士古气化服务有限公司，介绍推广该公司得水煤浆加压气化技术。该技术属气流床加压气化技术，工艺流程主要包括煤的研磨和煤浆制备、煤浆储运、煤气化及合成气洗涤、渣水处理系统以及配套的空分等部分。气化炉热量利用有激冷、废锅、激冷和废锅结合三种流程，可以根据产品选择合适的流程，对于生产合成氨和甲醇的生产装置，一般采用激冷流程，所得煤气的汽气比和氢碳比均较高。气化炉采用湿法进料，液体排渣技术，煤浆含水量约3040。装置的造气压力在2.56.5MPa之间，一般4.0MPa装置较为普遍。气化炉一般操作

18、温度为1 3001 400，比原料煤的灰熔点高50100。有效气比氧耗为336410m3/ km3，比煤耗为550620kg/km3。气体有效成分8084，碳转化率超过97，由于是高温气化，气体中含甲烷很低(CH4含量0.1)，无焦油，对环境影响小，便于气体净化。我国于1989年在兖矿鲁南化肥厂引进了第一套德士古水煤浆加压气化装置，目前有上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、淮南化肥厂、吉化公司化肥厂和金陵石化等十多家企业采用德士古煤气化技术用于生产合成氨和甲醇等化工产品。由于采用加压气化，气化炉结构简单，因此单炉生产能力高，目前国内装置最大投煤量1000t/d，国际最大装置投煤量为2000t/d，1台

19、气化炉可年产甲醇2030万t。由于该装置已经在国内有多年使用经验，设备国产化率较高，可达90以上，因此装置投资相对较低，一套投煤量500t/d、气化压力为4.0MPa的气化炉系统投资约7000万元；一套投煤量1000t/d，气化压力为4.0MPa的气化炉系统投资约11000万元；该技术的特点之一是对煤种的适应性广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均能用作气化原料。但并不是所有煤种均适合，为了保证系统长周期稳定运行，一般说来灰分低、灰熔点低、粘温特性好的煤比较适应该技术，所以一般要求原料煤灰分控制在到20以下，灰熔点在1300以下。 2 技术的优势与不足德士古工艺在

20、我国有应用有十多年的年的经验，因此对于该工艺技术涉及到的设计、设备制作、安装、装置开车、操作等方面均具有丰富经验，技术成熟可靠，设备国产化率高。目前影响德士古气化装置长周期稳定运行的关键因素是气化炉烧嘴运行周期短。气化炉烧嘴运行周期一般不超过两个月，烧嘴即因为喷头磨损、裂纹等问题而需要更换，这也是造成德士古气化装置必需有备炉的主要原因，从而造成装置投资增加，运行费用增加。目前国外向火面耐火砖使用寿命达两年，国内耐火砖使用寿命一年左右，耐火砖更换费用占整个装置维修费用的一半以上，时间也超过一个月以上，此外还存在黑水系统结垢、气化炉带水等问题影响装置的连续稳定运行。该技术的煤气化炉仅有一个烧嘴，因

21、此相应操作弹性较低， 四喷嘴对置式水煤浆气化技术1 技术概况该气化炉是华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司等单位联合开发的，具有国内自主知识产权的煤气化技术。是在德士古水煤浆气化技术的基础上进行改进的一种气流床加压气化技术，相当于国产德士古技术。该技术第一套示范化装置于2005年10月在兖矿鲁南化肥厂正式投入运行，装置配套两台气化炉，日投煤量1000吨，年产甲醇24万吨并配套发电项目，目前已正常运行一年多，属较新的煤气化技术。目前除兖矿鲁南化肥厂采用该技术生产甲醇以外，2004年在华鲁恒生建设了第二套日投煤量650吨，操作压力6.5MPa的煤气化装置，目前运转正常，同时国内多家企

22、业也已采用或拟采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术建设煤化工装置或IGCC发电装置，拟建装置有江苏灵谷集团年产40万吨合成氨项目、滕州凤凰化肥有限公司60万吨醇氨项目、镇江索普集团60万吨醋酸配套造气项目，可以看出该技术目前在国内推广速度较快，使用前景较好。该技术属气流床加压气化装置，湿法进料，液态排渣。煤气化系统主要由水煤浆制备装置、四喷嘴对置煤气化装置、煤气初步净化装置、含渣水处理装置及配套空分装置等部分组成。气化压力3.06.5MPa，操作温度12001300，残渣含碳量5%，有效气含量83%，碳转化率98%，有效气(CO+H2)比氧耗360380m3/km3，有效气比煤耗540570kg /

23、km3。2 技术的优势与不足由于该技术是在原德士古煤气化技术的基础上发展起来的，因此，德士古技术的一些优点如：原料煤适应性较广，单台设备生产能力大等优势均得到较好继承。该技术是在德士古水煤浆气化炉基础上，针对德士古技术存在的主要问题进行了技术改进的煤气化技术，对德士古技术存在的如单喷嘴造成开车率低、操作弹性小，耐火砖寿命短造成运行费用高，气化炉带水等主要问题进行了改进，从目前运行情况来看，上述问题均有明显改善。该技术是拥有自主知识产权的技术，因此比引进技术的专利使用费大幅降低，同时在设备、材料国产化方面也有较大提高。该技术采用的喷嘴、耐火砖均为国产，相应降低运行费用和供货周期。由于采用四喷嘴技

24、术，煤气化装置投资较大，要超过德士古技术的2030。 装置运行过程中出现气化炉拱顶砖冲刷严重和拱顶超温问题，从而影响装置的运行稳定性。该技术属新开发的技术，目前工业化装置运行时间相对较短，相应设计、操作经验较少，有些数据需经过较长时间的运行后才能较真实的体现出来。 其它煤气化技术1 两段式干煤粉加压气化技术两段式干煤粉加压气化技术是有西安热工研究院开发的具有自主知识产权的煤气化技术，该技术在国内电力公司和科技报资助下，于1994年开始研究，1997年建成试验性装置，2004年建成处理量3640 t/h 的中试装置，目前正在进行投煤量1000t/d的示范性装置建设，从目前情况看来，该技术是基于煤

25、发电装置为基础进行设计的，目前的示范性装置也是用于发电项目，用于合成氨和甲醇的工业化装置还有待时日。2 GSP气流床气化技术GSP气流床气化技术是由原民主德国的德意志燃料研究所(DBI)于1975年开始开发的煤气化技术，主要适用于尤其是低品位褐煤。1991年，该技术被德国的诺尔公司获得，并对它进行了系统性的改进。该技术属于气流床加压气化技术，以干煤粉为原料，采用单烧嘴下行制气，气化炉内有水冷壁内件，操作压力2.8MPa，操作温度1400，有6年采用褐煤为原料进行气化的经验。目前最大的GSP气化炉是每天投煤量720t。因采用水激冷流程，所以投资比Shell炉要省得多，更适用于煤化工生产。世界上目

26、前采用GSP气化工艺技术的有3家，但是现在都没有用来气化煤炭，只有一套装置有6年气化褐煤的业绩，没有长期气化不同特性的煤种的业绩。缺乏实际设计、运行等工程化经验，有待建立示范装置作长期运行考验。3 鲁奇（LURGI）加压气化技术鲁奇气化法是世界上最早采用的加压气化法，由德国鲁奇公司首先提出，1936年第一座工业性装置在德国投产。它是是一种工作压力为2.53.5MPa，采用干排灰方式的固定床型气化器。鲁奇气化法主要用于气化褐煤、不粘结性或弱粘结性的煤，要求原料煤热稳定性高、化学活性好、灰熔点高、机械强度高、不粘结性或弱粘结性，而且需要使用块煤，在使用煤种和煤料上有限制。鲁奇工艺虽然工业装置较多，

27、技术成熟，生产操作经验也比较丰富，但由于气化温度低，煤气中有效成分（CO+H2）含量低，煤气中苯、酚及焦油含量高，污水处理复杂，煤气中甲烷含量高，更适用于城市煤气，不宜用来生产合成氨和甲醇的原料气。4 多元料浆加压气化技术多元料浆加压气化技术是西北化工研究院提出的，具有自主知识产权的煤气化技术。该技术的研究，开始于20世纪60年代后期，历时三十多年，属于湿法气流床加压气化技术，它是指固体或液体含碳物质（煤/石油焦/石油沥青/油/煤液化残渣等）与流动相（水/废液/废水）通过添加助剂（分散剂/稳定剂/pH值调节剂/湿润剂/乳化剂）所制备的料浆，与氧气进行部分氧化反应，生成以CO和H2为有效组分的原料气，可用于合成氨、合成甲醇、制氢、合成油品、联合循环发电等。其基本生产装置与水煤浆加压气化技术相仿，属气流床单烧嘴下行制气。典型的多元料浆组成为煤60%65%，油料10%15%，水20%30%，粘度不大于2500cP。截至2006年6月底，多元料浆气化技术已在中国大陆十多套工业装置上实现工业应用，涉及330万吨/a合成氨、2060万吨/a甲醇和50万吨/a煤制油装置。已有三套工业装置