工业使用的燃料煤气及供合成化工产品的合成煤气。

煤炭气化产品燃料煤气

用作加热各种窑炉或直接加热产品，也可用于联合循环发电的可燃气体。用作燃料煤气的有低热值煤气，水煤气(煤与水蒸气反应生成的煤气)等。

煤炭气化产品低热值煤气

煤或焦炭等固体燃料气化所得的气体产物或工业炉排出的可燃气体。其组成为氢、一氧化碳等可燃组分及氮、二氧化碳等不可燃组分，热值在3.73～7.45MJ/m3之间，易燃，有毒性。主要来源为发生炉煤气、高炉煤气。

煤炭气化产品发生炉煤气

采用移动床煤气发生炉，以空气与蒸汽为气化剂，经过煤的气化过程而制得的煤气。其组成列于表1。生产发生炉煤气有热煤气站、冷煤气站两大类。热煤气站一般以烟煤为原料，生产出的煤气经干式除尘后以高温状态送到用户，热效率较高，但是煤气出口压力低，输送距离不能太远。冷煤气发生站有回收焦油和无焦油两种生产类型。无焦油冷煤气站以焦炭、无烟煤为原料，在气化过程中不产生或产生很少焦油，煤气经冷却、除尘、净化、加压后送给用户。这种煤气站的特点是系统简单、操作方便，可以远距离输送。回收焦油煤气站以烟煤为原料，在生产过程中产生一定数量的焦油和含酚废水，需要增加焦油回收及废水处理系统。除了上述移动床常压发生炉气化工艺以外，还可以使用温克勒流化床气化工艺生产低热值煤气。

表1 发生炉煤气组分

煤炭气化产品高炉煤气

由高炉冶炼过程中排出的可燃气体。在高炉中，焦炭与鼓入的空气作用转化成一氧化碳，一氧化碳除部分用于还原矿石外，其余的与其他气体组分一起从高炉排出，形成高炉煤气，其典型组分列于表2。高炉煤气多用作焦炉及冶炼加热炉的燃料气。

表2 高炉煤气组成

由煤制出的民用煤气也可作工业燃料气，但其成本较高，一般适于有特殊要求的热加工。

煤炭气化产品合成原料气

由煤或焦炭与蒸汽(或蒸汽与氧)在高温下通过气化反应而制得的煤气。其组分以氢、一氧化碳为主，还含有二氧化碳等，可广泛用于合成氨、甲醇、合成汽油及其他有机物。以煤、焦为原料生产合成原料气的气化工艺有间歇式水煤气气化、温克勒流化床气化、K-T气化和德士古气化等工艺。

间歇式水煤气气化工艺采用移动床干式排渣的水煤气气化炉。中国自行设计和制造的内径为1600、2260、3000、3600mm的一系列UGI水煤气炉，已在合成氨厂长期使用。该气化炉由美国联合煤气改进公司开发，采用常压移动床生产水煤气的气化装置，以无烟块煤、无烟煤型煤或焦炭为原料，制出的水煤气主要成分是一氧化碳和氢(见表3)。当制造合成氨原料气时，在鼓入水蒸气的同时，加入一定量的空气，或通过向水煤气掺入少量的鼓风煤气，以制出含有一定量氮气的半水煤气，其典型组成列于表3。间歇式水煤气制造工艺为在常压下操作，不需制氧设备，投资较省，但其气化强度较低，气化效率不高，而且需要块状燃料，使其应用范围受到一定限制。

表3 水煤气、半水煤气组分

煤在压力下进行完全气化的工艺。其制出的煤气甲烷含量高，经过净化处理后适于作民用煤气。其净化过程是由鲁奇加压气化炉出来的粗煤气，经喷淋冷却器、列管式冷却器冷凝分离出焦油酚(氨)水后，进入脱硫、脱二氧化碳工段。该工段广泛采用低温甲醇洗工艺，用甲醇作溶剂在低温下选择性地脱硫、脱二氧化碳、脱油，其净化度很高，出口煤气硫含量小于百万分之一，而且煤气中原含有的水分被脱除，不必再设煤气干燥脱水装置，简化了流程。经过净化后的煤气，其CO含量在某种情况下(如以褐煤或高挥发分烟煤为原料，粗煤气中的CO₂只作部分脱除)能低于20%的气化煤气质量标准，可以外输供气，但这毕竟带来不安全因素，正规的煤气生产还应当使CO达到不超过10%的人工煤气质量标准。有两种技术途径可以选择： 一种是增加一氧化碳变换过程，使净化后的煤气有一部分经过变换，降低CO含量后，再与未变换的煤气混合，制成CO低于10%的产品气外供;另一条技术途径是增加甲烷化工段，将净化后煤气进行部分甲烷化，使煤气中一部分CO或CO₂与H₂经催化反应转化为甲烷，这样既可使CO含量降至10%以下，又提高了煤气热值，使其完全符合人工煤气的质量标准。

鲁奇加压气化工艺的特点：煤种适应性广;气化强度高，产气量大，适于大型化的生产;气化炉压力高，可利用余压将煤气输往二百公里外的城市，节省输气费用;需要制氧设备，基建投资较多;含酚废水排出量大，需要严格处理。

水煤气两段炉气化制出的煤气属于水煤气与气化炉内干馏煤气的混合气，其热值比水煤气高，但CO含量约30%，需要进行甲烷化才能符合人工煤气的质量标准。该气化工艺用常压操作，不用氧气，设备简单，投资省，适于在中、小城镇和矿区发展民用煤气。2100433B

衡量煤气化过程的综合性技术参数。用于对气化过程的操作特性进行评估及作为工业煤气化站设计的依据。根据煤气化过程的热力学分析，从热平衡和物料平衡计算，确定气化技术指标，包括煤气组成、煤气热值、煤气产率、空气消耗、蒸汽消耗、冷煤气效率、热效率和气化强度，还有焦油产率、轻油产率、酚水产率及灰渣含碳、蒸汽分解率等。

煤气组成指煤气中所含CO2、CO、H2、CH4、CmHn、N2、H2S等组分的体积百分数。

煤气热值在标准状况下，1m煤气的发热量，以MJ/m表示。根据煤气中各可燃组分的体积百分数计算而得。

煤气产率1kg入炉煤所产煤气的标准状态下体积数，以m3/kg表示。

空气消耗(或氧气消耗)，1kg入炉煤气化消耗的空气(或氧气)的体积数(标准状况下)，以m3/kg表示。

蒸汽消耗1kg入炉煤所需的蒸汽量，kg/kg。

冷煤气效率气化1kg煤所产煤气的热值占该气化用煤发热量的百分数。若

气化效率气化产物的热量(包括煤气潜热、显热及副产蒸汽的热量之和)占气化用煤的热量的百分数。

气化强度指每小时单位气化炉截面积所气化的煤量或所产煤气量，分别以kg/(m·h)、m/(m·h) 表示。

在上述各项指标中，冷煤气效率和气化强度是两项综合性较强的技术指标。若气化强度、冷煤气效率的数值大，表明气化过程好。各项气化指标之间存在着密切的关系，把它们作为分析气化过程的依据时，都有各自的意义，不可忽视。

又称煤制人工煤气或城市煤气。以煤为原料，通过干馏或气化过程生产的供居民生活用的可燃气体。其成分是含有氢、一氧化碳、甲烷等可燃组分的气体，随着加工工艺的不同，其性质与组成也有差异。

煤炭气化产品干馏煤气

煤在隔绝空气的情况下加热，分解产出的煤气。其特点是甲烷和氢的含量高，一氧化碳含量低，发热值较高。干馏制气的炉型主要有焦炉、连续式直立炭化炉(简称直立炉)和立箱炉。其煤气组成列于表4。

煤炭气化产品气化煤气

煤在高温下与气化剂(氧气、空气、水蒸气)发生化学反应而获得的气体燃料。与干馏煤气相比，其产气量大，而且可以用褐煤、非粘结性烟煤、无烟煤等非炼焦用煤作原料。煤的气化方法较多，根据气化原料、气化剂、气化炉结构和操作条件的不同，可以制得氢，一氧化碳、甲烷等可燃组分含量不同的煤气。应用较多的生产民用煤气的技术是鲁奇加压气化及水煤气两段炉气化，其煤气组成见表4。

表4 几种制气工艺的煤气组分

中国制定的城市煤气质量标准对人工煤气质量的指标有明确规定：人工煤气(含煤制气)的热值不低于14.7MJ/m; 硫化氢含量小于20mg/m; 氨含量小于50mg/m;一氧化碳含量(体积百分数)小于10%。煤气应具有可以察觉的臭味，无臭或臭味不足的煤气应加臭。对气化煤气或掺有气化煤气的人工煤气，其一氧化碳含量 (体积百分数) 应小于20%。

经干馏或气化过程制出的粗煤气应进行净化加工，符合人工煤气质量的指标要求后方可作为产品气供民用。煤气净化指脱除煤气中飞灰、焦油、萘、氨、硫化氢等杂质的过程。

干馏及气化的几种制气产品如下：

(1)焦炉煤气。煤在焦炉中经高温干馏而制得的煤气。生产冶金焦的焦炉，为了保证冶金用焦的质量，一般采用粘结性较好的煤为主体的多种煤配煤炼焦。而专为生产民用煤气的焦炉，在保证焦炭有一定质量的前提下，应尽可能多掺用一些高挥发分煤，以增加煤气产量。对于复热式焦炉可以用低热值煤气作燃料，顶替出焦炉煤气来加热焦炉，以增加煤气供应量。在缺乏炼焦用煤供应条件的地区，不宜采用焦炉来发展民用煤气。

(2)直立炉煤气。煤在连续式直立炭化炉内进行干馏所产生的煤气，主要可燃成分为甲烷和氢。直立炉干馏室是垂直的，上部连续装煤，下部连续排出焦炭，中部进行煤的干馏。直立炉的理想原料是气煤或气肥煤，这两种煤的产气率都较高，每吨煤可产标准气360～380m。为了使干馏过程在炉内顺利进行，原料煤中应有一定粒度的块煤。弱粘结或不粘结的高挥发分煤的块煤，如果其热稳定性较好，也可以作为直立炉原料生产民用煤气。直立炉采用发生炉煤气加热，因而外供煤气量较多。直立炉以生产民用煤气为主，所生产的焦炭称为气焦或半焦，由于强度低，不能用于高炉冶炼，但可用于铁合金生产或作为发生炉制气原料。

(3) 立箱炉煤气。立箱炉是一种间歇生产的直立炉，其工艺特点及煤气组分与焦炉煤气厂相近，只是规模较小，适于小型煤气生产，其技术经济性不如焦炉、直立炭化炉。

煤炭地下气化缺点

1 很难控制气化过程中在地下产生的种种反应，合成气成分波动过大。

2 受煤层和地质影响大，容易造成井井之间相互漏水、通气等情况。

3 气化后出来的气体成分不稳定，有待改善气化剂种类与含量。

4 地下燃烧、气化情况不好控制，应加大地下气化过程的监控力度。

5 在该技术方面，大部分研究只注重化学工艺，很少关注行业发展动态。

煤炭地下气化作为清洁能源技术的主要研究方向和符合可持续发展战略的环境友好绿色技术，得到了国家领导人和著名科学家的关心和支持。

中国矿业大学 ( 北京校区 ) 煤炭工业地下气化工程研究中心，在国家高技术研究发展计划（ 863 计划）项目——“煤炭地下气化稳定控制技术的研究”的支持下，建成了具有世界先进水平的煤炭地下气化过程综合试验台，可完成不同煤种及不同煤层赋存条件下煤炭地下气化过程发展规律及工艺参数的模型试验研究。

1987 年完成了江苏省“七五”重点攻关项目——徐州马庄矿煤炭地下气化现场试验，获江苏省科技进步三等奖； 1994 年完成了国家“八五”重点科技攻关项目——徐州新河二号井煤炭地下气化半工业试验，首创“长通道、大断面、两阶段”新工艺，被评为国家“八五”重大科技成果。

获“矿井长通道、大断面煤炭地下气化工艺”，“两阶段煤炭地下气化工艺”，“推进供风式煤炭地下气化炉”三项国家专利。

1996 完成了河北省重点科技项目—— “唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验” ； 2000 年 9 月完成了“新汶孙村煤矿煤炭地下气化技术研究与应用”项目，并进行了民用及内燃机发电，获山东省科技进步一等奖和煤炭工业十大科技成果奖。

2005年，中国矿业大学在重庆中梁山北矿进行的煤炭地下气化试验首次实现了在高瓦斯矿井进行地下多煤层联合气化，所产煤气作为当地户居民和蒸汽锅炉燃气，这一试验的成功对今后煤炭开采过程的碳排放量控制具有重要意义。

2007年1月，新奥集团投资2亿多元组建乌兰察布新奥气化采煤技术有限公司,开展“无井式煤炭地下气化试验项目”研究，得到了内蒙古科技厅、乌兰察布市科技局的大力支持。同年10月首个无井式气化炉点火成功，并产出合格燃气实现了锅炉及发电稳定生产应用,累计发电超过470万度。2013年首个工业性气化炉建成投入试生产,单炉产能达50万方/天以上。2014年8月移动单元气化技术开发成功，实现富氧连续气化稳定产出LNG合成原料气，连续稳定运行超过3个月并通过化工生产长周期稳定运行评估，单工作面煤炭气化回采率达87.7%。取得了一批创新性研究成果，申报了232项专利。

2010年5月至11月，中国矿业大学王作棠教授煤炭地下气化团队与华亭煤业集团有限责任公司合作开发了“难采煤有井式综合导控法地下气化及低碳发电工业性试验项目”。项目于当年11月通过甘肃省科技厅的鉴定，鉴定委员会专家一致认为，该项目创新点突出，在地下煤层燃烧高效稳态蔓延导引控制技术达到国际领先水平，同意通过科技成果鉴定。项目主要技术点采用新型的窄条带虚底炉与多炉协同作业、地面导控注气与充填减沉固污、高氢燃气发电等多项产业技术集群，克服了常规地下气化存在煤气燃值低、稳定性弱、规模小、测控难等问题，所产煤气发热量大于9.0MJ/Nm3，可用于生产煤基天然气和低碳燃气发电，实现了燃烧过程可导可控、产气优质稳定、生产过程安全清洁、污染物近零排放。项目立足资源枯竭矿井中由于地质条件复杂和回采工艺限制而滞留的难采煤资源开发利用的重大技术难题进行研究攻关和工业性试验，为延长矿区服务年限，提高煤炭资源回收率，推动煤炭企业可持续发展提供了有力的技术支撑，为华亭矿区大规模物理开采过程中遗留的近6亿吨边角、零散煤炭资源的气化开采提供了实践依据。

煤炭地下气化发展建议

1，我国的地下气化技术处于工业试验转向产业示范的阶段。 因此国家和有关部门应给予大力支持，制定相应的政策，提供一定的措施和资金，推动这方 面的研究工作。并应组织协调，做好攻关工作，以期在较短的时间内，使地下气化技术真正 用于生产和应用。

2，煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。当前为了寻找煤炭的新出路，加强煤炭 综合利用的研究，很多企业都看好煤炭地下气化技术，但应在开展项目之前要落实用户。

3，提高热值和生产适合于用户的气体组分是气化技术的关键。地下气化生产的 空气煤气热值偏低，因此使应用范围受到限制。为了提高煤气热值和稳定气体组分，试验中采用生产半水煤气、水煤气和富氧煤气等工艺，部分企业已经取得突破进展。

4，对地下气化炉燃烧和运行进行有效的控制，是煤炭地下气化稳定产气和得到相对 稳定 的气体组分的保证手段。控制系统仍然比较简单，研究单位应进一步开展攻关，为地下 气化炉建立起1套行之有效的测控系统，并应重点放在燃烧位置和燃烧速度的控制技术上， 其中可靠的传感元器件是很重要的。

5，地下气化炉和地面设施的安全技术是搞好地下气化的保障。要采取充分和必要的 措施，防止泄漏。还应做好防爆和防火工作，并制定严格的规程，确保安全产气。

6，开展燃烧后地下气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究，适时解剖1～2台气 化 炉，了解燃烧后炉体内的状况和地面的塌陷规律，这对于提高对煤炭地下气化技术认识，修 改炉型设计和改进运行规律的控制将起到很大作用。

7，建立煤炭地下气化试验研究基地，选择1～2个有代表性的煤种(烟煤、无烟煤等) ，煤层(厚度、倾角等)和用户(民用燃料、发电、化工原料)作为试验基地，开展多项技术攻 关与研究，在成功的基础上进行推广应用。（中国煤炭市场网发表于2002年4月29日）

气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气（合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料），进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。

煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括干燥、燃烧、热解和气化四个阶段。干燥属于物理变化，随着温度的升高，煤中的水分受热蒸发。其他属于化学变化，燃烧也可以认为是气化的一部分。煤在气化炉中干燥以后，随着温度的进一步升高，煤分子发生热分解反应，生成大量挥发性物质（包括干馏煤气、焦油和热解水等），同时煤粘结成半焦。煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通入气化炉的气化剂发生化学反应，生成以一氧化碳、氢气、甲烷及二氧化碳、氮气、硫化氢、水等为主要成分的气态产物，即粗煤气。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。

煤炭气化技术虽有很多种不同的分类方法，但一般常用按生产装置化学工程特征分类方法进行分类，或称为按照反应器形式分类。气化工艺在很大程度上影响煤化工产品的成本和效率，采用高效、低耗、无污染的煤气化工艺(技术)是发展煤化工的重要前提，其中反应器便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着反应器的发展而发展的，为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方向，气化压力由常压向中高压（8.5 MPa）发展；气化温度向高温（1500～1600℃）发展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。

煤炭气化技术固定床气化

固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。

固定床气化的特性是简单、可靠。同时由于气化剂于煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。

固定床气化炉常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）2种。前者用于生产合成气时一定要采用白煤（无烟煤）或焦碳为原料，以降低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多；后者国内有20多台炉子，多用于生产城市煤气；该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。

（1）、固定床间歇式气化炉（UGI）

以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，已属落后的技术，其气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。我国中小化肥厂有900余家，多数厂仍采用该技术生产合成原料气。随着能源政策和环境的要来越来越高，不久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。

（2）、鲁奇气化炉

30年代德国鲁奇（Lurgi）公司开发成功固定床连续块煤气化技术，由于其原料适应性较好，单炉生产能力较大，在国内外得到广泛应用。气化炉压力（2.5～4.0）MPa，气化反应温度（800～900）℃，固态排渣，气化炉已定型（MK～1～MK－5），其中MK－5型炉，内径4.8m，投煤量（75～84）吨/h，粉煤气产量（10～14）万m3/h。煤气中除含CO和H2外，含CH4高达10%～12%，可作为城市煤气、人工天然气、合成气使用。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须是块煤；原料来源受一定限制；出炉煤气中含焦油、酚等，污水处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣含碳5%左右。针对上述问题，1984年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了液体排渣气化炉（BGL），特点是气化温度高，灰渣成熔融态排出，炭转化率高，合成气质量较好，煤气化产生废水量小并且处理难度小，单炉生产能力同比提高3～5倍，是一种有发展前途的气化炉。

煤炭气化技术流化床气化

流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化能得以迅速发展的主要原因在于：（1）生产强度较固定床大。（2）直接使用小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术发展，避开了块煤供求矛盾。（3）对煤种煤质的适应性强，可利用如褐煤等高灰劣质煤作原料。

流化床气化炉常见有温克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循环流化床（CFB）、加压流化床（PFB是PFBC的气化部分）等。

（1）、循环流化床气化炉CFB

鲁奇公司开发的循环流化床气化炉（CFB）可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是移动床的2倍，碳转化率高（97%），炉底排灰中含碳2%～3%，气化原料循环过程中返回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在（5～7）m/s之间，有很高的传热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料情况进行控制，一般控制循环旋风除尘器的温度在（800～1050）℃之间。鲁奇公司的CFB气化技术，在全世界已有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂，在世界市场处于领先地位。

CFB气化炉基本是常压操作，若以煤为原料生产合成气，每公斤煤消耗气化剂水蒸气1.2kg，氧气0.4kg，可生产煤气 （l.9～2.0）m3。煤气成份CO H2>75%，CH4含量2.5%左右， CO215%，低于德士古炉和鲁奇MK型炉煤气中CO2含量，有利于合成氨的生产。

（2）、灰熔聚流化床粉煤气化技术

灰熔聚煤气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂，粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内（1050～1100）℃的高温下进行快速气化反应，被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两极旋风分离器回收，再返回炉内进行气化，从而提高了碳转化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系统简单。粗煤气中几乎不含焦油、酚等有害物质，煤气容易净化，这种先进的煤气化技术中国已自行开发成功。该技术可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉，以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有广阔的发展前景。

U－Gas在上海焦化厂（120吨煤/天）1994年11月开车，长期运转不正常，于2002年初停运；中科院山西煤化所开发的ICC灰熔聚气化炉，于2001年在陕西城化股份公司进行了100吨/天制合成气工业示范装置试验。CFB、PFB可以生产燃料气，但国际上尚无生产合成气先例；Winkler已有用于合成气生产案例，但对粒度、煤种要求较为严格，甲烷含量较高（0.7%～2.5%），而且设备生产强度较低，已不代表发展方向。

煤炭气化技术气流床气化

气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类；从专利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度1350～1500℃；后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在1500～1900℃高温下气化，残渣以熔渣形式排出。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下，因此，其热解、燃烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，习惯上称为气流床气化。

气流床气化具有以下特点:(1)短的停留时间(通常1s)；(2)高的反应温度(通常1300-1500℃)；(3)小的燃料粒径(固体和液体，通常小于0.1mm)；(4)液态排渣。而且，气流床气化通常在加压(通常20-50bar)和纯氧下运行。

气流床气化主要有以下几种分类方式：

(1)根据入炉原料的输送性能可分为干法进料和湿法进料；

(2)根据气化压力可分为常压气化和加压气化；

(3)根据气化剂可分为空气气化和氧气气化；

(4)根据熔渣特性可分为熔渣气流床和非熔渣气流床。

在熔渣气流床气化炉中，燃料灰分在气化炉中熔化。熔融的灰分在相对较冷的壁面上凝聚并最终形成一层保护层，然后液态熔渣会沿着该保护层从气化炉下部流出。熔渣的数量应保证连续的熔渣流动。通常，熔渣质量流应至少占总燃料流的6%。为了在给定的温度下形成具有合适粘度的液态熔渣，通常在燃料中添加一种被称为助熔剂的物质。这种助熔剂通常是石灰石和其它一些富含钙基的物质。在非熔渣气流床气化炉中，熔渣并不形成，这就意味着燃料必须含有很少量的矿物质和灰分，通常最大的灰分含量是1%。非熔渣气流床气化炉由于受原料的限制，因此工业上应用的较少。

气流床对煤种（烟煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有较大的兼容性，国际上已有多家单系列、大容量、加压厂在运作，其清洁、高效代表着当今技术发展潮流。

干粉进料的主要有K-T（Koppres-Totzek）炉、Shell- Koppres炉、Prenflo炉、Shell炉、GSP炉、ABB-CE炉，湿法煤浆进料的主要有德士古（Texaco）气化炉、Destec炉。

（1）、德士古（Texaco）气化炉

美国Texaco(2002年初成为Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收购)开发的水煤浆气化工艺是将煤加水磨成浓度为60～65%的水煤浆，用纯氧作气化剂，在高温高压下进行气化反应，气化压力在3.0～8.5MPa之间，气化温度1400℃，液态排渣，煤气成份CO H2为80%左右，不含焦油、酚等有机物质，对环境无污染，碳转化率96～99%，气化强度大，炉子结构简单，能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于DOE的CCT-3，1989年立项，1996年7月投运，12月宣布进入验证运行。该装置为单炉，日处理煤2000～2400吨，气化压力为2.8MPa，氧纯度为95%，煤浆浓度68%，冷煤气效率～76%，净功率250MW。

Texaco气化炉由喷嘴、气化室、激冷室(或废热锅炉)组成。其中喷嘴为三通道，工艺氧走一、三通道，水煤浆走二通道，介于两股氧射流之间。水煤浆气化喷嘴经常面临喷口磨损问题，主要是由于水煤浆在较高线速下(约30m/s)对金属材质的冲刷腐蚀。喷嘴、气化炉、激冷环等为Texaco水煤浆气化的技术关键。

80年代末至今，中国共引进多套Texaco水煤浆气化装置，用于生产合成气，我国在水煤浆气化领域中积累了丰富的设计、安装、开车以及新技术研究开发经验与知识。

从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，主要优点：水煤浆制备输送、计量控制简单、安全、可靠；设备国产化率高，投资省。由于工程设计和操作经验的不完善，还没有达到长周期、高负荷、稳定运行的最佳状态，存在的问题还较多，主要缺点：喷嘴寿命短、激冷环寿命仅一年、褐煤的制浆浓度约59%～61%；烟煤的制浆浓度为65%；因汽化煤浆中的水要耗去煤的8%，比干煤粉为原料氧耗高12%～20%，所以效率比较低。

（2）、Destec（Global E-Gas）气化炉

Destec气化炉已建设2套商业装置，都在美国：LGT1（气化炉容量2200吨/天，2.8MPa，1987年投运）与Wabsh Rive（二台炉，一开一备，单炉容量2500吨/天，2.8MPa，1995年投运）炉型类似于K-T，分第一段（水平段）与第二段（垂直段），在第一段中，2个喷嘴成180度对置，借助撞击流以强化混合，克服了Texaco炉型的速度成钟型（正态）分布的缺陷，最高反应温度约1400℃。为提高冷煤气效率，在第二阶段中，采用总煤浆量的10%～20%进行冷激（该点与Shell、Prenflo的循环没气冷激不同），此处的反应温度约1040℃，出口煤气进火管锅炉回收热量。熔渣自气化炉第一段中部流下，经水冷激固化，形成渣水浆排出。E-Gas气化炉采用压力螺旋式连续排渣系统。

Global E-Gas气化技术缺点为：二次水煤浆停留时间短，碳转化率较低；设有一个庞大的分离器，以分离一次煤气中携带灰渣与二次煤浆的灰渣与残炭。这种炉型适合于生产燃料气而不适合于生产合成气。

（3）、Shell气化炉

最早实现工业化的干粉加料气化炉是K-T炉，其它都是在其基础之上发展起来的，50年代初Shell开发渣油气化成功，在此基础上，经历了3个阶段：1976年试验煤炭30余种；1978年与德国Krupp-Koppers（krupp-Uhde公司的前身）合作，在Harburg建设日处理150t煤装置；两家分手后，1978年在美国Houston的Deer Park建设日处理250t高硫烟煤或日处理400t高灰分、高水分褐煤。共费时16年，至1988年Shell煤技术运用于荷兰Buggenum IGCC电站。该装置的设计工作为1.6年，1990年10月开工建造，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，已处于商业运行阶段。单炉日处理煤2000t。

Shell气化炉壳体直径约4.5m，4个喷嘴位于炉子下部同一水平面上，沿圆周均匀布置，借助撞击流以强化热质传递过程，使炉内横截面气速相对趋于均匀。炉衬为水冷壁（Membrame Wall），总重500t。炉壳于水冷管排之间有约0.5m间隙，做安装、检修用。

煤气携带煤灰总量的20%～30%沿气化炉轴线向上运动，在接近炉顶处通入循环煤气激冷，激冷煤气量约占生成煤气量的60%～70%，降温至900℃，熔渣凝固，出气化炉，沿斜管道向上进入管式余热锅炉。煤灰总量的70%～80%以熔态流入气化炉底部，激冷凝固，自炉底排出。

粉煤由N2携带，密相输送进入喷嘴。工艺氧（纯度为95%）与蒸汽也由喷嘴进入，其压力为3.3～3.5MPa。气化温度为1500～1700℃，气化压力为3.0MPa。冷煤气效率为79%～81%；原料煤热值的13%通过锅炉转化为蒸汽；6%由设备和出冷却器的煤气显热损失于大气和冷却水。

Shell煤气化技术有如下优点：采用干煤粉进料，氧耗比水煤浆低15%；碳转化率高，可达99%，煤耗比水煤浆低8%；调解负荷方便，关闭一对喷嘴，负荷则降低50%；炉衬为水冷壁，据称其寿命为20年，喷嘴寿命为1年。主要缺点：设备投资大于水煤浆气化技术；气化炉及废锅炉结构过于复杂，加工难度加大。

我公司直接液化项目采用此技术生产氢气。

（4）、GSP气化炉

GSP（GAS Schwarze Pumpe）称为“黑水泵气化技术”，由前东德的德意志燃料研究所（简称DBI）于1956年开发成功。该技术属于成立于2002年未来能源公司(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子公司）。GSP气化炉是一种下喷式加压气流床液态排渣气化炉，其煤炭加入方式类似于shell，炉子结构类似于德士古气化炉。1983年12月在黑水泵联合企业建成第一套工业装置，单台气化炉投煤量为720吨/天，1985年投入运行。GSP气化炉应用很少，仅有5个厂应用，我国还未有一台正式使用，宁煤集团（我公司控股）将要引进此技术用于煤化工项目。

总之，从加压、大容量、煤种兼容性大等方面看，气流床煤气化技术代表着气化技术的发展方向，水煤浆和干煤粉进料状态各有利弊，界限并不十分明确，国内技术界也众说纷纭。