褚曉亮， 苗 陽，付玉玲，張玉斌，苗雨旺

（1.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006；2.陽煤集團淄博齊魯?shù)谝换视邢薰?，山東 淄博 255400）

20 世紀70年代全球出現(xiàn)石油危機后，人們對煤炭的研究逐漸加速，以求找到可代替石油的燃料。煤氣化是將煤炭轉化為煤氣的技術，是潔凈、高效利用煤炭的先進技術和煤炭的主要利用途徑之一，也是許多高新技術如制藥、化工等等的核心和重要環(huán)節(jié)。

1 氣流床概述

氣流床氣化是目前煤氣化技術的主流，代表著今后煤氣化技術的發(fā)展方向，具有很大的應用前景。氣流床的整體特點如下：

（1）氣、固停留時間在1s 以內，氣化溫度高，煤粉粒徑小，所以反應速度快，氣化能力大；操作溫度較高，氧耗量較高；大量煤轉化為熱能，而不是化學能，其冷煤氣效率低；除塵系統(tǒng)龐大，廢熱回收系統(tǒng)昂貴，備煤系統(tǒng)復雜，耗電量大，對爐襯的耐火材料要求高；

（2）煤粉顆粒直徑小(小于0.1mm)，爐內的氣、固停留時間在1s 左右，高于固定床和流化床，具有較高的氣化速度；

（3）高氣化溫度 (1400～1600℃)和高氧耗，保證了較高的碳轉化率；

（4）除塵系統(tǒng)龐大，廢熱回收系統(tǒng)昂貴，備煤系統(tǒng)復雜，耗電量大，對爐襯的耐火材料要求高。

2 氣流床的爐型

氣流床按照進料方式可分為濕法進料(水煤漿)氣流床和干法進料(煤粉)氣流床[2]。本文將對其

中比較重點的工藝進行介紹。

2.1 濕法進料(水煤漿)氣流床

能充分利用廠區(qū)周圍的污水源制作水煤漿，解決污水處理問題；氣化爐運行費用低，不像干法那樣，需要花費熱量干燥濕煤。濕煤氣中的水蒸汽含量較多，熱煤氣效率的提高要靠較復雜的顯熱回收設備。

2.1.1 德士古水煤漿氣化爐(Texaco、GE)

該工藝采用除含水分高的褐煤以外的大部分煙煤、石油焦等煤種作氣化原料，以60%～65%濃度的水煤漿為進料方式，用液態(tài)排渣進行加壓氣化，采用純氧作氣化劑，在高溫、高壓下反應生成合成氣。

德士古水煤漿氣化爐的技術特點如下：（1）能充分利用廠區(qū)周圍的一切污水源來制作水煤漿，有利于解決污水的處理問題；（2）氣化爐運行費用較低，不像干法供煤那樣，需要花費能量去干燥濕煤；（3）碳的轉化率不是很高，一般只有96%～98%，影響氣化效率的提高；（4）濕煤氣中的水蒸汽含量較多，熱煤氣效率的提高要靠較復雜的顯熱回收設備；（5）氣化所需的氧耗較多，大約是1kg O2/kg 干煤；（6）爐膛耐火磚的壽命短、價格高、更換時間長，水煤漿泵和噴嘴易磨損，更換頻次高，影響氣化爐運行周期。

利用水煤漿便于高壓泵送的特點，可以制備壓力很高的粗煤氣，便于氣化產(chǎn)品的后續(xù)成產(chǎn)過程的銜接，因而Texaco 氣化爐對于化工廠更具有吸引力。

2.1.2 多噴嘴（對置式）水煤漿加壓氣化爐

該工藝是由華東理工大學潔凈煤技術研究所、兗礦煤業(yè)集閉和天辰化學工程公司等3 家合作開發(fā)的[2]。2005年，以CO2作為輸送介質的多噴嘴水煤漿加壓氣流床技術在中試裝置上成功運行。2007進行了更多的新煤種的試驗工作，得到了更多有用的數(shù)據(jù)和相關的經(jīng)驗，為放大設計提供了更好的基礎條件。目前正建設千噸規(guī)模的工業(yè)化氣化爐。

氧氣和煤混合更加充分，有利于強化傳熱和傳質過程，物料在氣化爐內停留時間比其他同類技術多2～3s，提高了碳的轉化率和單位氣化爐燃燒室容積的生產(chǎn)能力。該爐型的運行參數(shù)和德士古爐基本相同，但是單位有效氣體耗氧量更低，廢水處理也更加簡單，但是運行經(jīng)驗不多，工藝的優(yōu)缺點仍需要進一步確定。

2.2 干法進料粉煤氣化爐

干煤粉氣流床以干燥后的煤粉作為氣化原料，氣化溫度和氣化壓力高，氣化負荷大，煤種適應性相對范圍廣，是目前煤氣化技術發(fā)展的主流。主要爐型有K-T 氣化爐、殼牌爐（shell、SCGP、加壓K-T）、GSP 爐等等。

懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸，可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池，而不允許在未敷設爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結渣現(xiàn)象。結渣現(xiàn)象干擾和破壞了氣化溫度的控制，影響氣化工藝過程。同時，懸浮氣化工藝本身因涉及渣滴固化點設計要求，提高氣化強度受到限制，除渣率也較低，很難達到較高的水平，增加了粗煤氣氣化凈化除塵設備的負荷。

2.2.1 K-T 氣化爐

在該爐型的工作過程中，粉碎的燃料均勻地與氣化介質氧和蒸汽混合，一起被送入氣化爐，氣化在不到1s 的時間內進行。該過程可分為4個步驟：粉煤和氣態(tài)氣化介質的預熱、粉煤熱解、固體和氣態(tài)熱解產(chǎn)物點燃和氣化。這幾個階段并非接連發(fā)生，在很大程度上是平行進行的。因為氣化過程是連續(xù)的，煤、氧混合物不停地送入氣化爐，在2000℃的高溫下迅速反應，形成二氧化碳、一氧化碳、蒸汽和氫氣。在如此高溫下，不會產(chǎn)出甲烷。進料炭、氣化介質和產(chǎn)生的煤氣朝同一個方向流經(jīng)氣化爐，由于溫度高和并流氣化，因此不產(chǎn)生蒸餾產(chǎn)物。氧耗高，常壓操作存在問題較多。

2.2.2 殼牌爐（shell、SCGP、加壓K-T）

該爐型的工藝過程為粉煤、氧氣及少量水蒸汽在加壓條件下，并流進入氣化爐內，在極為短暫的時間內完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程，氣化產(chǎn)物是以H2和CO 為主的合成氣，CO2含量很少。此爐采用加壓氣化，可氣化多種煤質，設備結構緊湊，氣化溫度高，碳的轉化率高達98%以上，氣化產(chǎn)物中的可燃成分含量高而且無煤焦油等產(chǎn)物。氣化的生產(chǎn)能力大，目前可達3000t·d-1。液態(tài)排渣，灰渣為玻璃狀固體，沒有污染，易堆放。

2.2.3 GSP 爐

該爐屬高壓氣化爐，煤以粉煤的形式，干粉進料，氣化劑為純氧，氣化段多為爐體下部，液態(tài)排渣，爐體為膜式水冷壁結構，部分高度膜式水冷壁敷有絕熱爐襯。

GSP 煤氣化技術具有其獨特的特點：（1）采用水冷壁結構，避免了因高溫、熔渣腐蝕及開停車產(chǎn)生應力對耐火材料的破壞而導致氣化爐無法長周期運行；（2）爐內沒有轉動設備，所以運轉周期長，可靠性高；（3）噴嘴火焰溫度約1800～2200℃，平均停留時間約10s，反應速率高，生產(chǎn)能力大；（4）單噴嘴，煤粉從爐頂部噴入，煤、氧均勻混合、燃燒、氣化，碳轉化率達99%；（5）激冷流程，工藝技術簡單，設備及運行費用較低。

GSP 氣化技術由于其氣化爐結構簡單，使得項目一次投資較較小。一臺套2000t·d-1投煤量的氣化裝置不足4 億元人民幣，采用該氣化技術是一種比較經(jīng)濟、現(xiàn)實的考慮。工藝技術綜合了現(xiàn)有干法和濕法加壓氣流床氣化技術的共同優(yōu)點；原料煤適應范圍寬；水冷壁采用“以渣抗渣”的結構，不需要耐火磚絕熱層，而且爐內沒有轉動設備，運轉周期長，可靠性高。

3 氣流床爐型對比

表1 從氣化溫度、氣化壓力、氣化爐特點、設備國產(chǎn)化程度等等方面比較了上述3 種不同的固定床氣化工藝。

4 結論

上述的各種干粉氣化爐，其氣化過程主要在氣室的空間內進行，煤粉懸浮在氣化劑中，可以稱之為

“懸浮氣化”。為了提高氣化爐的氣化強度和碳的轉化率，懸浮氣化都選取高溫高壓的氣化參數(shù)，氣化溫度多在1200～1500℃，此時煤中的灰分已處在熔融狀態(tài)（即液態(tài)渣）。懸浮在氣化劑和氣化產(chǎn)物中的液態(tài)渣滴在其固化前允許與帶有爐襯的水冷壁爐體接觸，可以形成渣膜在氣力作用下流入水冷固化池。不允許在未敷設爐襯冷卻段壁面上接觸而發(fā)生結渣現(xiàn)象，結渣現(xiàn)象會干擾和破壞氣化溫度的控制，影響氣化工藝過程。

表1 不同氣流床氣化工藝對比Table 3.1 Different flow bed gasification processes

另外，懸浮氣化時從氣化反應動力學的角度看，其氣化反應速度在高溫區(qū)主要是由外擴散過程控制。而粉煤與氣化劑之間的相對速度在懸浮狀態(tài)下極低，因此反應速度的制約，必然限制了氣化爐整體的氣化強度。

氣流床氣化技術在我國屬于新型氣化工藝，正處于起步階段，距離廣泛普及還有很長的一段路。針對氣化爐的具體實際應用，氣化爐向著高溫、高壓、高生產(chǎn)能力的方向發(fā)展。在應用方面，氣化爐工藝將根據(jù)其產(chǎn)氣的實際應用情況而發(fā)展為具體的類型，其具體發(fā)展有待觀察。

李志堅[3]在《新形勢化學工業(yè)潛力分析會》中指出，目前國內大約有30 臺在運，約15 臺在建，主要用于生產(chǎn)合成氨、甲醇和制氫。最大規(guī)模達到單爐2000 t·d-1投煤量,已有3～5年的工業(yè)化示范工作[4]。

[1]J.S.Gary,C.M.Russell,Gasification technologies:the Path to clean,affordable energy in the 21 century [J].Fuel Processing Technology.2011(1):79-97.

[2]李偉鋒.多噴嘴對置式煤氣化技術[J].氮肥技術，2008(6)：1-5.

[3]李志堅.煤氣化及化肥行業(yè)工藝技術發(fā)展動態(tài)[J].化學工業(yè)，2009(7)：1-5.

[4]王中剛，韓喜民.水煤漿水冷壁氣化爐項目總結[J].化肥工業(yè)，2012(1)：57-60.