国内粉煤气化工艺现状及研究进展.docx

1、国内粉煤气化工艺现状及研究进展国内粉煤气化工艺现状及研究进展摘要 简要总结了国内粉煤气化工艺的现状，重点介绍了国内流化床气化、气流床气化和复合粉煤气化中最具有代表性的工艺流程、优点、存在的问题和国内应用情况，最后展望了我国粉煤气化工艺的意义及发展趋势。关键词 粉煤 气化 流化床 气流床 复合我国是以煤炭为主要能源的国家，在众多的煤炭利用方式中，煤气化是最为清洁、高效的工艺，对保障国家能源安全、经济和社会可持续发展具有重大意义。国内开采的动力煤中平均灰含量约23%，灰熔点在1400以上的煤炭约占50%以上。在一些主要产煤矿区，总储量的20%40%组煤均为高硫煤。针对我国煤炭资源自身的特点决定了国

2、内单一气化工艺无法满足我国煤气化市场的需求。目前煤气化工艺根据原料形态的不同可分为块煤气化、粉煤气化和水煤浆气化等工艺。块煤气化工艺存在煤种要求高、气化效率低、环境友好性差等缺点；水煤浆气化工艺虽然技术成熟，但对煤种要求比较高，而且该工艺多采用耐火砖使用寿命较短；而粉煤气化工艺具有更广的煤种适应性（可以气化褐煤）、耗能低、碳转化率高、水冷壁寿命长等技术优势，有更好的适用性和竞争力。我国煤气化技术研发始于20世纪50年代末，虽然国内煤炭资源位于能源的主要地位，但在相当长的一段时间内没有将煤气化工艺的开发放在特别重要的位置。国内在80年代初引进国外煤气化工艺，并为此支付了高额的工艺设备专利费，同时

3、，随着石油的重质化、劣质化，国内对煤气化工艺的重视程度和需求与日俱增，国家给与煤气化工艺的支持力度也越来越大，国产化大型煤气化工艺和设备打破了国外在先进煤气化工艺的垄断，对国内煤气化、氮肥行业技术革新有重要的现实意义。1 流化床粉煤气化工艺流化床粉煤气化工艺利用小粒度煤为原料，气化剂同时作为流化剂。在气化过程中，气固相的接触面大，气化强度高、单炉处理能力大；炉内同时进行干馏及大分子有机物的裂解，使其洗涤水中没有焦油、酚等有机物质；运行比较可靠，负荷变化率较大1。国内流化床粉煤气化具有代表性的有恩德流化床粉煤气化、灰熔聚流化床气化和黄台循环流化床粉煤气化。1.1 恩德流化床粉煤气化工艺恩德流化床

4、粉煤气化工艺2最早是由朝鲜恩德“七七”联合企业在温克勒气化工艺基础上改造完善起来的，1996年我国抚顺恩德机械有限公司在该工艺基础上，结合我国国情加以改进、完善，并获得具有我国自主知识产权的新型恩德流化床粉煤气化工艺。该工艺由备煤系统送来的粉煤（粒径小于10mm，水分小于8%）经皮带送至下料口，粉煤受其自身重力作用，下落至通有氮气（纯度99.9%、压力0.04MPa）做保护气的煤仓。通过螺旋供煤机，将粉煤送入气化炉下部锥体段。由离心式风机吸入的氧气或空气加压至0.04MPa与过热蒸汽混合作为气化剂和流化剂，分两路从上层喷嘴（24个）和下层喷嘴（6个）进入气化炉，使粉煤在炉内沸腾流化气化。气化炉

5、下部为密相段，上部为稀相段，下层喷嘴喷入的气化剂与上部稀相段进一步发生气化反应。气化炉顶部粗煤气温度900950，经旋风分离器除尘后进入废热锅炉回收余热并副产过热蒸汽，降温后的煤气经水洗塔冷却得到产品煤气。旋分器分离下的未反应的煤粉及细灰经回流管返回气化炉底部进行二次气化，提高碳转化率。气化炉底部灰渣经螺旋除灰机排入灰斗。图1 恩德流化床粉煤气化工艺流程简图该工艺的特点3有：（1）适用煤种较宽，原料价格相对低廉。（2）技术成熟可靠、开工率高、操作弹性大。（3）运行成本、设备国产化装置投资较低、维护费用较低，装置运行周期在90%以上。（4）产品用途多样化，采用不同的气化剂（如空气、富氧或氧气+蒸

6、汽为气化剂），可以生产出民用燃料气、工艺合成气、水煤气等气体产品，满足不同的使用要求。该工艺的缺点是：（1）对原料煤CO2活性及灰熔点有严格要求：CO2活性低，易造成煤耗高、氧耗高、成本高；灰熔点低，易造成炉况不稳、灰渣量大、残碳高。（2）恩德炉是沸腾式流化床，床层压力波动大，气固接触不均匀，粉煤气化不完全，气化效率较低。（3）气化压力为0.04MPa，单炉气化能力低，大型化困难。（4）气化炉炉底及废锅飞灰量大、环境污染大。恩德流化床粉煤气化工艺是适用于我国现有中小型企业气源，可用在中小氮肥的原料路线改造优化，H2、CO等化工原料生产，城镇燃气、冶金炼铁等领域应用。目前国内恩德炉应用于16各项

7、目已建成、投运总计30台。表1 恩德流化床粉煤气化应用业绩序号公司名称项目气化炉台数1吉林长山化肥厂合成氨22黑龙江黑化集团合成氨23江西景德镇焦化总厂燃气24淮化集团甲醇15辽宁葫芦岛锌厂燃气26黑龙江宁安化肥厂合成氨27河南禅城化肥厂合成氨18锡林河煤化工公司甲醇19内蒙通辽梅花生物科技有限公司味精210内蒙古通辽金煤化工有限公司20万吨/年乙二醇311呼伦贝尔东能化工有限公司 5万吨/年二甲醚212中国东辰控股集团有限公司 100万吨/年甲醇213鞍山钢铁集团钢铁214抚顺矿业集团/215吉林康乃尔苯胺216通辽碳素厂碳素2合计301.2 灰熔聚流化床粉煤气化工艺灰熔聚流化床粉煤气化工艺

8、4是中科院山西煤化所自“六五”开始经20余年研究开发的一种具有自主知识产权的先进煤气化工艺，该工艺为发展清洁、高效、经济的中小企业气源清洁化、设备国产化奠定了基础，符合我国能源结构优化主题。该工艺是以6mm8mm的碎煤为气化原料，氧化剂O2（富氧或空气）、气化剂水蒸气分别以适当的气速喷入炉底，使床层中的粉煤处于流化状态，达到气固两相高效的传热传质效果，在9401150下进行粉煤气化反应。该炉型流化床中心射流区温度可达12001300，不仅提高了气化强度，而且促使灰渣进行团聚。气化炉所产高温煤气经两级旋风分离器除尘后进入废热锅炉换热，副产蒸汽。一级旋分器捕集的未反应的粉煤和飞灰经返料器返回气化炉

9、底部，进行二次气化；二级旋分器捕集的飞灰进入灰斗再利用。煤气经水洗塔进一步降温和除尘器气柜。底部的灰渣团聚分离装置能够将含碳量低的灰渣在重力作用下选择性排出，以此来提升床内操作温度和保持碳含量5。图2 灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程简图该工艺具有以下优点：（1）原料煤适应性较宽，烟煤、无烟煤、褐煤等均可，对灰熔点没有特殊要求。（2）该装置属于结构简单的单段流化床，操作容易、维修方便、设备国产化投资低。（3）从分布板喷入的蒸汽形成低温区，可有效避免炉内结渣现象；从炉底喷入的氧化剂形成高温区，可将灰渣团聚成球与粉煤进行有效分离，避免资源浪费。（4）解决了传统流化床“下泄”的问题，该工艺在非结渣状态下

10、可连续有选择的排出低残碳灰渣（残碳10%）。（5）产品中无焦油、酚类量少，后续处理较为简单。该工艺存在以下缺点：气化炉单炉处理能力低，产品中甲烷含量约1%2%，冷煤气效率低；由于气化反应中蒸汽是过量喷入，导致系统煤耗高；环境友好性差，飞灰没有合适的综合利用方式。灰熔聚流化床粉煤气化工艺对我国中小氮肥和甲醇厂落后的固定床煤气化装置改造有实用价值，是中小煤气化企业改革创新寻求新思路的一次革命，对煤气化工艺的国产化、提高煤炭利用率和提升环境友好性意义重大。目前国内应用灰熔聚气化工艺项目9个，气化炉21台。表2 灰熔聚流化床粉煤气化应用业绩序号公司名称项目气化炉台数1陕西城固化肥股份有限公司2万吨/年

11、合成氨12天津碱厂8万吨/年合成氨23河南平顶山化肥厂16万吨/年合成氨44山西丰喜集团临猗分公司10万吨/年合成氨15太化股份合成氨分公司4万吨/年合成氨16河北石家庄金石化肥厂合成氨17山西晋城煤制油示范工程10万吨/年合成油68天脊集团潞安化工公司30万吨/年甲醇补碳需求29云南文山铝业公司80万吨/年氧化铝用燃气3合计211.3 黄台循环流化床粉煤气化工艺黄台循环流化床粉煤气化工艺是由中国科学院工程热物理研究所和济南黄台煤气炉有限公司共同研发的。该工艺将012mm的粉煤经上煤系统从炉膛中部加入，与550650的高温预热气化剂（空气、空气+水蒸气、富氧等）进行反应，生成CO、H2和少量C

12、H4；煤气先经旋分器捕集未反应完全的燃料，通过返料器返回炉内进行高倍率循环反应；后经特制空气预热器降温至700再进余热锅炉继续降温至220，再经旋风除尘器、冷却器和布袋除尘器等设备的冷却、除尘后进入脱硫系统得到洁净煤气。图3 黄台循环流化床粉煤气化工艺流程简图该工艺最大的优势在于能够将劣质煤“吃干榨净”，黄台炉特有的高倍率循环回路可以将未反应的物料持续在炉内循环、延长粉煤在气化炉内的停留时间，完善气化反应进而提高碳转化率，而且降低了飞灰量和渣中的残碳量，后续配套的残碳炉进一步处理飞灰，碳利用率高达99%，把劣质煤吃干榨净；其次黄台炉属于散式流化态流化床，床层气固两相混合均匀，气化完全、波动较小

13、；可以实现装置大型化。目前黄台循环流化床粉煤气化应用于7个项目近20台气化炉。2 气流床粉煤气化工艺气流床粉煤气化工艺1是20世纪50年代发展起来的新一代煤气化工艺，惰性气体（N2或CO2）携带原料煤与气化剂（O2和水蒸气）通过气化炉喷嘴并流喷入气化炉，三者在气化炉内充分混合，进行燃烧和发生气化反应。国内气流床粉煤气化具有代表性的是两段式干粉煤加压气化、SE-东方炉和航天粉煤气化。2.1 两段式干粉煤加压气化工艺两段式干粉煤加压气化工艺6是由西安热工研究院消化吸收Shell气化炉基础上，开发的具有自主知识产权的新型粉煤气化工艺。该工艺有带废热锅炉和激冷罐两种配套流程，工艺流程简图分别见下图。图

14、4 带废锅的两段式干粉煤加压气化工艺流程简图图5 带激冷流程的两段式干粉煤加压气化工艺流程简图原料煤经中速磨煤机磨至粒度100m以下，在磨煤机中通入热惰性气体（N2或CO2）对粉煤进行干燥。干燥后的粉煤用来自空分的氮气加压送入贮罐，贮罐内的粉煤与氧气、中压过热蒸汽一起进入一段炉，在3.0MPa4.0MPa、15001600条件下气化；部分贮罐内的粉煤与中压过热蒸汽混合后进入二段炉，在10001200温度下气化。出气化炉的粗煤气经输气管换热器、冷却器回收热量后实现初步降温，再经文氏洗涤器和水洗塔除去剩余的飞灰降温至150后去煤气净化装置的变换工序。气化炉内产生的熔渣沿炉壁流入底部的渣池，遇水固化

15、形成玻璃态炉渣。表3 两段式干粉煤加压气化工艺与Shell气化对比表项目两段式干粉煤气化Shell气化炉体分为上炉膛和下炉膛：下炉膛为第一反应区，介质为干粉煤、氧气和蒸汽，属于部分气化；上炉膛为第二反应区，介质为粉煤和蒸汽。炉膛为一段，介质为干粉煤、氧气和蒸汽，属于部分气化炉膛气化炉下炉膛上部为燃烧室，粉煤和氧气在燃烧室反应，其下部为激冷室，温度略低气化炉炉膛上部为燃烧室，粉煤和氧气在燃烧室反应，其下部为激冷室，温度略低冷激循环气无有该工艺的优点7是（1）煤种适应性更强，对煤的灰熔点要求较低，对高灰分、高硫煤均可适用。（2）在二段炉只喷入蒸汽情况下煤发生裂解和气化反应，冷煤气效率更高、氧耗更低

16、。（3）气化温度高（约1600），碳转化率高（99%），没有焦油、酚类凝聚物的产生。（4）喷嘴冷却水保护系统延长其使用寿命；炉内为水冷壁结构，可以达到以渣抗渣的目的、无耐火砖、费用低、运行周期长；先进的控制系统操作简单9。目前国内两段式干粉煤加压气化炉应用于14个项目，气化炉近30台，最大处理量3000t/d、单炉有效气体产量可达18万Nm3/h。2.2 SE-东方炉工艺单喷嘴冷壁式粉煤加压气化工艺8（简称SE-东方炉工艺）是在华东理工大学多年的研究成果和原创专利基础上，结合中石化宁波技术研究院的成果转化、工艺系统的集成与优化能力，以及在煤气化领域和专有技术和工程技术经验，综合考虑创新开发了具

17、有自主知识产权的技术。原料煤在磨煤机干燥工段经研磨和干燥后达到气化入炉粉煤要求后送入粉煤料仓。粉煤在重力作用下由粉煤料仓流入煤锁斗，后用二氧化碳气或氮气加压将粉煤由煤锁斗输送至给料罐。粉煤料仓通过放料加压卸料泄压这样一个周期循环的工艺操作过程实现了粉煤由低压系统输送至高压系统的目的。高压二氧化碳（或氮气）携带粉煤与来自空分系统的纯氧及来自管网的中压过热蒸汽同时喷入气化炉烧嘴，三者在压力4.0MPa、温度1600下进行气化反应生成粗合成气（主要为H2、CO和少量CO2）。14001550的高温气相产物伴随熔融状态的灰渣共同向下流动，先穿过激冷水分布环，后沿激冷管进入激冷室的激冷水降温。粗合成气经

18、分布器后由多层横向分隔器破泡激冷洗涤，经激冷水水洗后的合成气出激冷室去混合器，水和粗合成气的混合物经混合器后进入三相旋风分离器进行气液固的分离，气相中绝大多数灰粉进入液相，由旋风分离器的底部连续排入灰水处理工段的蒸发热水塔。分离掉液相及细灰后的粗合成气则由旋风分离器的顶部排出进入水洗塔，在水洗除尘塔中粗合成气与蒸发热水塔的热循环灰水和塔上部加入的来自其他工序的高温冷凝液逆流接触进行传质传热，以洗涤除去气体中剩余的固体颗粒。气化炉底部的灰渣冷却后落入激冷室底部进入渣放料罐，通过渣放料罐的加压-放料-泄压-排放周期循环操作把灰渣排除系统。气化及洗涤、除渣两个单元产生的黑水进入灰水处理单元，通过闪蒸

19、分离出黑水的酸性气，回收黑水中的热量。同时通过澄清池分离出黑水中的固体颗粒，以达到污水处理单元对废水的水质要求9。图6 SE-东方炉气化工艺流程简图该工艺的优势10在于（1）以干煤粉为原料，装置能耗更低，且不受原料成浆性影响，泥煤、褐煤等均可作为气化原料，也可以多种煤掺混使用。（2）采用粉煤进料+水冷壁激冷模式，对气化炉喷嘴多物料雾化效果及气化炉内流场进行模拟、计算，开发出在高温下长使用寿命的喷嘴和气化炉结构，可以气化高灰熔融点粉煤。（3）利用合成气先激冷，后进水洗塔洗涤，最终进行渣水处理这一成熟技术模式，达到洗涤效果良好，并有高效节能、洁净的特点。（4）可视化火焰可视检测消除了投煤瞬间黑区，

20、而且配置了水冷壁炉膛可直接测温装置。随着炼油装置采用煤制氢来替代石脑油或天然气制氢，以及煤化工在国内的发展，SE-东方炉粉煤气化工艺展现了良好的应用前景。目前该工艺应用于3个项目共23台气化炉。表4 SE-东方炉气化应用业绩序号公司名称产品气化炉台数1中石化扬子石油化工有限公司H222中安联合煤化有限责任公司60万吨/年烯烃73中石化新疆能化有限责任公司80亿标方/年SNG14合计232.3 航天粉煤加压气化工艺航天粉煤加压气化工艺11（简称HT-L）由火箭研究院自2005年开始研发的一种水冷壁式的气流床粉煤加压气化工艺，是集西门子GSP气化工艺和荷兰Shell气化工艺优点于一身的气化工艺。该

21、工艺采用中速磨将煤磨成粉状（90，大于90%），并由高温惰性气流烘干（水分28%）。加压的粉煤与混有少量蒸汽的氧气按一定比例通过烧嘴进入到气化炉中，煤粉和氧气在气化室内（气化压力4.04.2MPa，气化温度13001750）进行高温气化反应，生成富含CO和H2的合成气。高温气体和液态渣离开气化室，经激冷环、下降管进入激冷室水浴，气相被激冷降温、并被水饱和，熔渣降温固化沉淀落入渣锁斗由捞渣机捞出排出界外。粗合成气出激冷室后进入文丘里洗涤器增湿后进入合成气洗涤塔，经水浴后进行气液分离，然后通过洗涤塔板，被进一步洗涤。洗涤后的合成气经塔顶部的旋流板除沫器离开洗涤塔，送下一工序。合成气洗涤黑水经高、低

22、压闪蒸和真空闪蒸除去溶解的气体。高压闪蒸蒸汽用于加热除氧后的灰水。黑水进入沉降槽，加入的絮凝剂可以加速灰渣絮凝沉降，底部的灰浆经真空过滤机过滤成滤饼后装车外运。上层澄清水由顶部溢流进入槽中，大部分循环使用，灰水系统利用少量冷却后的灰水来平衡积累的盐分。图7 HT-L粉煤气化工艺流程简图该工艺的优点有：（1）自主知识产权、设备国产化程度高，包含气化炉在内的诸多设备均为国产化，设备运行平稳、维护方便。（2）气化温度高，气化炉采用干粉煤进料和水冷壁激冷模式，气化温度高达1700。（3）投资省，结构简单，比同规模Shell气化工艺投资要少三分之一。（4）工艺先进，热效率大于96%，碳转化率大于99%。

23、（5）“自我修复式”耐火材料结构，维护量小。该工艺存在以下不足：（1）系统联锁多，试车时数据变动可能造成跳车。（2）粗渣和滤饼中含水量较高，后续处理较为困难。（3）水处理系统不完善，水温较高时易造成滤布变形跑偏或打折损坏滤布。表5 HT-L气化与Shell气化比较名称HTLShell气化比氧耗(Nm3/KNm3)330-360330-360有效气成分CO+H289%91%89%93%碳转化率99%99%冷煤气效率8083%8083%煤气化热效率 95%96%原料输送形式干粉，气体输送干粉，气体输送烧嘴寿命10年，每6个月维修头部10年，每1.5年维修头部水冷壁或耐火砖寿命结构简单，属圆筒盘管型

24、，水路简单，易制造，寿命10年呈多段竖管排列，水路复杂，合金钢材质，制造难度大，寿命10年原料煤的适应性可以实现原料煤本地化可以实现原料煤本地化电耗低较高HT-L气化工艺在设计理念上是比较先进的，受到国内煤化工行业的高度关注，该炉型适合中型气化装置，处理能力5001000t/h的情况下较为合理。目前HT-L粉煤加压气化工艺共在43个项目中得到应用，共101台气化炉，已经投入运行的有29个项目的56台气化炉（1000吨级气化炉25台，2000吨级气化炉31台），14个项目在建。3 复合粉煤气化工艺复合粉煤气化工艺12是由北京兴荣泰化工有限公司基于流化床粉煤气化工艺和高温逆流煤气煤粉气流床气化工艺

25、研究开发的一种新型复合粉煤气化工艺。该工艺原料煤经粉碎过筛后，粒度要求小于6mm，与来自空分的O2和来自管网的低压蒸汽组成的气化剂共同进入一段流化床气化炉，在9001000下完成粉煤的第一级气化，生成的高温煤气携带未反应煤粉进入二段炉，在二段炉内与气化剂（O2和水蒸气）进一步进行第二级高温气化反应，气化温度约1500（高于灰熔点100），高温熔渣在重力作用下落入激冷水中，熔渣经淬冷、降温后固化利用捞渣机将熔渣捞出。二段炉炉顶高温煤气与来自循环冷煤气风机的冷煤气换热降温至850后进入废热锅炉回收余热；一次降温后粗煤气通过省煤器进一步降温进入旋风分离器除尘，最后经除尘洗涤塔二次降温与除尘，送入气柜

26、13。图8 复合粉煤气化工艺流程简图该工艺具有以下特点：原料煤适应广泛，烟煤、褐煤、高硫煤和无烟煤均适用；二段炉气化温度可达14001600，没有焦油、酚类的产生，后续处理简单；能够充分利用煤气的显热；一段炉的排灰和二段炉的排渣残碳量低；一段炉的排灰有利于降低氧气的消耗；设备国产化投资省，运行费用较低。该工艺已在中农化工投运，在运行期间存在一系列问题：气化炉喷嘴及内部流场设计需要进一步优化；给煤工段易发生蓬煤现象；二段炉对气化温度控制要求较高、可波动范围较小；气化压力为常压、单炉处理能力小。4 结语煤气化不仅是现代煤化工的基础，更是发展以煤炭为基础的化工原料、清洁燃料和联合循环发电的根本，研发

27、具有我国自主知识产权的粉煤气化工艺势在必行。国内新型粉煤气化工艺的研发对我国煤气化工业的发展和能源利用有重要的意义。（1）粉煤气化工艺的多样性不仅保证了原料供应本地化所带来的低成本投入，而且可以满足不同行业对产品的不同需求，这些粉煤气化工艺的发展是相互补充的。（2）拥有大型粉煤气化工艺装置和技术自主知识产权，打破国外在煤气化工艺的垄断，节省了高额专利费用。（3）国有粉煤气化工艺有利于我国中小氮肥及相关行业对工艺落后、污染大的煤气化装置进行改造、升级，加快新旧动能转化的步伐。（4）国产粉煤气化工艺正在扩大原料煤种的适用性，向着大型化、高压化、国际化、环保化的趋势发展。参考文献1贺永德.现代煤化工

28、技术手册M.北京:化学工业出版社,2004.2李志坚.恩德粉煤气化技术现状及发展前景（上）J.小氮肥,2002,(5):1-5.3李志坚.恩德粉煤气化技术现状及发展前景（下）J.小氮肥,2002,(6):1-3.4王洋.加压灰熔聚流化床粉煤气化技术的研究与开发J.山西化工,2002,22(3):4-7.5徐奕中,吴晋沪,王洋.灰熔聚流化床粉煤气化技术.小氮肥,2000,(12):5-8.6任永强,许世森,张东亮.粉煤加压气化技术在中国的进展与发展趋势.中国电力,2004,37(6):49-53.7许世森,任永强.两段式干粉煤加压气化技术的研究开发J.氮肥与甲醇,2006,1(3):1-5.8中

29、石化宁波工程公司,宁波技术研究院.中国石化SE-东方炉技术单喷嘴冷壁式粉煤加压气化技术C.2014新型煤气化技术与煤质专题技术研讨会论文集,2014:132-148.9王凯.5种典型的下行水激冷粉煤加压气化技术特点比较.氮肥与合成气,2018,46(1):4-5.10张玮.SE-东方炉煤气化技术及其工业应用C.第二十二届全国大型合成氨装置技术年会,2015:1-5.11程伟.航天炉粉煤加压气化技术研究J.化工管理,2018(27):173.12安晓熙,曹月梅.气流床煤气化技术现状及研究进展J.氮肥技术,2015,36(3):3-8.13邰学林.复合粉煤气化技术.中国，201010506808.9 P.2011-02-02.