建设中的多喷嘴对置式水煤浆气化技术示范装置全景图

前 言

我国的煤炭资源丰富，油气匮乏。在未来几十年内，煤炭在我国能源结构中仍将占主导地位，它是我国战略上最安全和最可靠的能源。但是，作为煤能源生产与消费大国，我国的煤炭利用技术总体上是落后的：效率低，造成能源浪费；污染严重，导致环境质量恶化。

煤炭气化，即在一定温度、压力条件下利用气化剂（O2、H2O或CO2）与煤炭反应生成洁净合成气（CO、H2的混合物），是对煤炭进行化学加工的一个重要方法，是实现煤炭洁净利用的关键。煤炭气化技术，尤其是高压、大容量气流床气化技术，显示了良好的经济和社会效益，代表着发展趋势，是现在最清洁的煤利用技术，是洁净煤技术的龙头和关键。气流床煤气化的优点并不仅仅在于减少空气排放物，它也生成许多具有商业价值的副产品，如高纯度硫、CO2和无毒炉渣。随着环境标准的日趋严格，气流床气化的优势越来越突出。

国外技术现状和发展趋势

迄今，世界上已商业化的IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）大型（250 MW以上）电站都是采用气流床煤气化炉，可见其技术上具有优势。它们是以水煤浆为原料的ChevronTexaco（Texaco）、Global E-Gas（Destec），以干粉煤为原料的Shell、Prenflo、Noell（GSP）。

ChevronTexaco气化炉

美国Texaco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3.0～8.5 MPa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。目前ChevronTexaco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2.8 MPa，氧纯度为95%，煤浆浓度68%，冷煤气效率～76%，净功率250 MW。

从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，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。

Global E-Gas气化炉

已建设两套商业装置：LGTI（气化炉容量2200 t/d，160 MW，2.8 MPa，1987年运行，1995年停运）与Wabash River（二台炉，一开一备，单炉容量2500 t/d，262MW，2.8 MPa，净发电效率（HHV）为38.9%，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，两个喷嘴呈180度对置，最高反应温度约1400 ℃。为提高冷煤气效率，在第二段中，采用总煤浆量的25%进行冷激，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。

美国Port Arthur GCC Project计划采用E-Gas气化技术气化石油焦，将于2005年建成3台气化炉，生产的煤气用于发电（1100MW）。

Shell气化炉

1988年Shell煤气化技术用于Buggenum IGCC电站。该装置的设计工作为时1.6年，1990年10月开工建设，1993年开车，1994年1月进入为时3年的验证期，目前已处于商业运行阶段。单炉，日处理煤2000吨，253 MW，发电效率（LHV）为43.2%。

Shell气化炉壳体直径约4.5米，高约30米，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500吨。

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60～80%，煤气降温至900 ℃，熔渣凝固，煤气出气化炉，沿斜管道向上进余热锅炉。煤灰总量的70～80%以熔融态流入气化炉底部，激冷凝固，自炉底排出。

粉煤由N2携带，密相输送进入喷嘴。工艺氧与蒸汽也由喷嘴进入。气化温度为1500～1700℃，压力为3.0 MPa。冷煤气效率为～81%。原料煤热值的～13%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。

国内的技术现状和发展趋势研究开发现状

中国自煤的商业化和社会化迄今已100余年，但没有形成能与国际抗衡的商业化自主产权煤气化技术。70年代起西北化工研究院研究开发水煤浆气化技术并建设了中试装置，为此后4家厂引进Texaco水煤浆气化技术提供了丰富的经验；“九五”期间就“整体煤气化联合循环（IGCC）关键技术（含高温净化）”立项，有十余个单位参加攻关；2004年科技部立项“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”正在进行中；近20年来，我国共引进10余台Texaco气化炉，国内配套完成了部分设计、安装与操作，积累了丰富的经验。

“九五”期间，华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉开发”（22吨煤/天装置），中试装置的结果表明：有效气成分～83%，比相同条件下的ChevronTexaco生产装置高1.5～2个百分点；碳转化率> 98%，比ChevronTexaco高2～3个百分点；比煤耗、比氧耗均比ChevronTexaco降低7%。“十五”期间，多喷嘴对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。“新型水煤浆气化技术”已获“十五”国家高技术研究发展计划（863计划）立项，由兖矿集团有限公司、华东理工大学承担，在兖矿鲁南化肥厂建设多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程，利用两台日处理1150吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉（4.0 MPa）配套生产24万吨甲醇、联产71.8MW发电，总投资为～16亿元。示范装置的设备订货已经结束，气化炉等框架的施工已完成，大部分设备已经到货，工程进入安装阶段。2004年底，装置建设初具规模，部分装置进入试车阶段，气化装置将于2005年上半年投入试运行。在国家发改委的支持下，山东华鲁恒升化工股份有限公司大氮肥国产化工程建设一台多喷嘴对置式水煤浆气化炉（6.5 MPa，日处理煤750吨），气化装置2004年底投入试运行。

工业运行情况

上世纪80年代末以前，我国的煤气化完全依赖常压固定床技术，国内有常压固定床气化炉数千台，配套小型合成氨生产装置及少量甲醇和联醇装置，这些气化装置中一部分至今仍在运转。80年代初，我国开始引进第二代煤气化技术，1家引进加压Lurgi技术，于山西潞城建厂，气化炉三开一备；共有5家引进ChevronTexaco水煤浆气化装置，分别建于兖矿鲁南化肥厂、上海焦化总厂、陕西渭河化肥厂、安徽淮南化工厂、黑龙江浩良河化肥厂。这五套装置均用于生产合成气，制氨或甲醇。目前正在引进的煤气化技术有多套，分别是ChevronTexaco（金陵、榆林、南京等）和Shell（应城、岳阳、柳州、枝江、安庆、大连、安宁、曲靖等）。

发展我国煤炭气化技术的战略

我国发展煤炭气化技术的总体目标是基于我国煤炭自身的特点，形成具有自主知识产权的产业化技术，为新型煤化工和能源转化提供满足不同需要的龙头技术。

常压固定床气化技术应在现有基础上挖潜改造，应有条件地放弃进一步使用。加压固定床气化技术因受到煤种资源影响和煤气处理费用高而限制其用途。使用活性高的粉煤为原料的加压流化床技术，目前在开发和使用上有些问题尚未得到很好解决。相对而言，加压气流床气化工艺在大型煤炭气化工艺研究及开发中处于优势地位，也符合目前世界上煤炭气化技术的发展趋势。

我国煤炭气化的发展要顺应国际上煤炭气化技术的发展趋势，并要结合中国的国情，重点应放在大型、高效、对环境友好、易于工业化的气流床气化技术的开发和应用。加速开发和应用具有自主知识产权的加压气流床气化技术不仅迫在眉睫，而且时机成熟。

国内自主知识产权的新型煤气化示范装置已在建设之中，技术特点是：四喷嘴对置的水煤浆气流床气化炉及复合床煤气洗涤冷却设备；分级净化的煤气初步净化工艺；蒸发分离直接换热式含渣水处理及热回收工艺。待示范成功，将扭转我国煤气化技术长期依赖进口的局面，为发展我国的洁净煤技术奠定良好的基础。