王 輔 臣

(華東理工大學(xué) 潔凈煤技術(shù)研究所，上海 200237)

0 引 言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和戰(zhàn)略原料，煤炭的清潔高效利用是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的客觀要求，也是保障國家能源安全的現(xiàn)實(shí)需要[1-2]。煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于煤基大宗化學(xué)品合成(合成氨、甲醇、乙二醇、醋酸、乙烯、丙烯等)、煤制液體燃料(汽油、柴油等)、煤制天然氣(SNG)、IGCC發(fā)電、煤基多聯(lián)產(chǎn)、直接還原煉鐵、制氫等過程工業(yè)[3]，是這些行業(yè)的龍頭技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。

改革開放以來，我國煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)、工程示范、工業(yè)應(yīng)用等均取得了長足進(jìn)步，成功開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國大型煤氣化技術(shù)零的突破；開發(fā)的多種煤氣化技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用，使我國煤氣化技術(shù)完成了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越，支撐了現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展[4-9]。截至2019年底，我國煤制合成氨產(chǎn)能約5 300萬t/a，煤制甲醇產(chǎn)能近7 500萬t/a，煤制油產(chǎn)能823萬t/a，煤制烯烴產(chǎn)能1 582萬t/a，乙二醇產(chǎn)能488萬t/a，煤制天然氣產(chǎn)能51億m3/a，加上煤氣化制中低熱值燃?xì)庑袠I(yè)，全年通過氣化轉(zhuǎn)化的原料煤約為2.5億t，占我國煤炭消費(fèi)總量的6%左右，以煤氣化技術(shù)為核心的現(xiàn)代煤化工技術(shù)對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)科學(xué)發(fā)展、保障國家能源安全發(fā)揮了重要作用。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有煤氣化專利商或聲稱擁有煤氣化技術(shù)的公司共30余家，但各主流煤氣化技術(shù)并未超出固定床、流化床、氣流床的技術(shù)范疇，也未超越熱化學(xué)轉(zhuǎn)化這一基本的工藝路線。

本文旨在總結(jié)煤氣化技術(shù)在我國發(fā)展的正反兩方面經(jīng)驗(yàn)，梳理發(fā)展脈絡(luò)，展望未來方向。筆者相信，在國家和企業(yè)研發(fā)投入持續(xù)增長以及行業(yè)需求依然旺盛的大背景下，我國煤氣化技術(shù)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，一定會(huì)取得無愧于新時(shí)代的新突破和新發(fā)展。

1 國外煤氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用歷程

1.1 國外煤氣化技術(shù)的發(fā)展

據(jù)現(xiàn)存的文獻(xiàn)和專著記載，煤氣化技術(shù)的最早發(fā)明者是蘇格蘭人W·默多克，他于1792年采用鐵甑干餾煙煤，并將獲得的煤氣用于家庭照明。1812年，這種干餾煤氣開始用于倫敦街道照明，并成立了倫敦煤氣照明公司。隨后世界上許多國家和城市相繼采用該技術(shù)[10-11]，1816年，美國巴爾的摩市建立了煤氣生產(chǎn)工廠以大規(guī)模生產(chǎn)煤氣，并對該技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步完善和發(fā)展。本質(zhì)上，W·默多克發(fā)明的技術(shù)，采用現(xiàn)在的規(guī)范術(shù)語，應(yīng)稱為“煤干餾”(Coal pyrogenic distillation)，屬于低溫?zé)峤夥懂牎，F(xiàn)代意義上的煤氣化技術(shù)，最早的雛形來自法國人采用的焦炭煤氣發(fā)生爐，德國西門子公司于1857年建立了工業(yè)化的煤氣發(fā)生爐[12-13]，這是現(xiàn)代固定床煤氣化技術(shù)的源頭，也是煤氣化技術(shù)的第1次重大突破。

1882年，第1臺(tái)常壓固定床空氣間歇?dú)饣癄t完成設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。1913年后，美國聯(lián)合氣體改進(jìn)公司(United Gas Improvement Company)對該技術(shù)進(jìn)行完善，形成了UGI爐[13]。20世紀(jì)60年代后，該技術(shù)在國外逐漸被兩段固定床氣化技術(shù)和德國魯奇(Lurgi)公司開發(fā)的加壓固定床氣化技術(shù)替代。但由于我國的特殊國情，行業(yè)發(fā)展的技術(shù)水平參差不齊，常壓固定床氣化爐至今仍在部分企業(yè)中使用，以生產(chǎn)合成氨或燃?xì)鉃橹鳌?/p>

20世紀(jì)20年代，德國人Winkler首次發(fā)現(xiàn)了流態(tài)化現(xiàn)象，并應(yīng)用于煤氣化技術(shù)的開發(fā)，形成了Winkler氣化技術(shù)，1926年在德國洛伊納建成了第1個(gè)工業(yè)裝置[12,14]。流化床煤氣化技術(shù)開創(chuàng)了流態(tài)化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的先河，這是煤氣化技術(shù)發(fā)展的第2次重大突破。其后，U-Gas技術(shù)、KRB技術(shù)等流化床氣化技術(shù)開發(fā)成功，并進(jìn)行了工業(yè)示范。

1936年，魯奇(Lurgi)公司開發(fā)了加壓固定床氣化爐[15]，從常壓間歇進(jìn)料的煤氣發(fā)生爐到加壓連續(xù)進(jìn)料的固定床氣化爐，這是煤氣化歷史上第3次重大的技術(shù)突破。由于氣化爐操作壓力提高，單爐處理能力顯著增加，適應(yīng)了當(dāng)時(shí)快速發(fā)展的化學(xué)工業(yè)對裝置大型化的需求，煤氣化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也進(jìn)入了新階段。20世紀(jì)70年代，Lurgi公司與英國煤氣公司合作，完成了熔融排渣的Lurgi加壓氣化爐工業(yè)試驗(yàn)[16-19]，形成了BGL氣化技術(shù)。

20世紀(jì)30年代，德國克柏斯(Koppers)公司和美國德士古(Texaco)公司開始進(jìn)行氣流床煤氣化技術(shù)的研究[12,20-21]。1952年，Koppers-Totzek 氣流床氣化爐(K-T爐)成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，這是煤氣化技術(shù)發(fā)展史上第4次重大突破。二戰(zhàn)以后，由于廉價(jià)石油的大量開采，跨國巨頭Texaco公司放棄了對煤氣化技術(shù)的研發(fā)，但其在氣流床氣化方面的前期技術(shù)積累，促成了渣油氣化制合成氣技術(shù)的突破，并于1952年開發(fā)成功了渣油氣化技術(shù)。該技術(shù)的長期工業(yè)應(yīng)用促進(jìn)了20世紀(jì)70年代早期Texaco水煤漿氣化技術(shù)的成功開發(fā)，這是煤化工技術(shù)和石油化工技術(shù)相互促進(jìn)的典型案例。

20世紀(jì)70年代初，由于第1次石油危機(jī)，殼牌(Shell)、德士古(Texaco)和陶氏(Dow)等大型跨國公司投入巨資，研究開發(fā)煤炭氣化技術(shù)，水煤漿氣化技術(shù)和粉煤加壓氣化技術(shù)逐步完成了工業(yè)示范，在煤制大宗化學(xué)品、煤炭直接液化和間接液化、煤制天然氣、IGCC發(fā)電和制氫等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

從煤氣化技術(shù)的發(fā)展過程看，爐型從固定床到流化床，再到氣流床，入爐煤顆粒直徑從厘米級到毫米級，再到微米級，反應(yīng)溫度從中溫(800～900 ℃)到高溫(1 300～1 500 ℃)，爐內(nèi)反應(yīng)速度逐漸增加，氣化爐單位體積處理能力不斷提升，煤中碳的轉(zhuǎn)化率不斷提高；氣化爐操作壓力從常壓變?yōu)楦邏?，顯著增強(qiáng)了氣化爐單位體積的處理能力；氣化煤種也從早期的焦炭、無煙煤逐步擴(kuò)展煙煤和褐煤，煤種適應(yīng)性不斷改善?？傊?，煤氣化技術(shù)的發(fā)展過程就是煤種適應(yīng)性不斷改善、碳轉(zhuǎn)化率不斷提高、單爐規(guī)模不斷增加、污染物排放不斷減低的過程。近40年的國內(nèi)外煤氣化發(fā)展可參見文獻(xiàn)[3，10，22-32]，本文不再贅述。

1.2 煤氣化技術(shù)在我國的早期應(yīng)用

隨著鴉片戰(zhàn)爭后被迫的門戶開放和西方科學(xué)技術(shù)的大量涌入，煤氣化技術(shù)進(jìn)入我國，早期的應(yīng)用和發(fā)展以引進(jìn)技術(shù)為主。我國煤氣化技術(shù)的自主研發(fā)工作，起步于新中國建立后。煤氣化技術(shù)的發(fā)展歷程，也從側(cè)面折射出國家在不同歷史階段的發(fā)展變遷。

我國最早以煤為原料生產(chǎn)煤氣的工廠建于上海。嚴(yán)格意義上說，該工廠采用的技術(shù)不是現(xiàn)代意義上的氣化(Gasification)技術(shù)，而是采用了W·默多克發(fā)明并經(jīng)過工程實(shí)踐不斷改進(jìn)的煤干餾技術(shù)。1861年，英國人Alex Kennedy Smith向上海英租界工部局倡議在上海生產(chǎn)和供應(yīng)煤氣。1862年， 由C·J·金(King)牽頭向社會(huì)公開集資，籌集10萬兩白銀用于工廠的建設(shè)。1865年11月開始正式向用戶供應(yīng)煤氣，該工廠最初被稱為“自來火房”(位于現(xiàn)在的上海西藏路橋南)，生產(chǎn)的煤氣主要用來照明。同年12月，上海街頭(現(xiàn)在的南京東路浙江路口—外灘)第1次出現(xiàn)了煤氣路燈。1901年，該工廠更名為上海煤氣公司。

1932年，上海英國商會(huì)開始籌建上海楊樹浦煤氣廠，并于1934年投產(chǎn)。該廠采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的連續(xù)直立式伍特型煤干餾生產(chǎn)工藝，同時(shí)建有φ1 760 mm的增熱水煤氣爐2臺(tái)(圖1)，日產(chǎn)煤氣11.3 m3 [33]，該廠一直運(yùn)行至21世紀(jì)初。

圖1 20世紀(jì)30年代上海楊樹浦煤氣廠

我國煤氣化技術(shù)于20世紀(jì)30年代中期應(yīng)用于化工行業(yè)。1934年，民族資本家范旭東先生聘請侯德榜博士主持建設(shè)永利化學(xué)工業(yè)公司硫酸铔廠(“铔”是銨的早期譯名)，選址長江北岸的六合縣卸甲鎮(zhèn)，并特意將開工日選為9月18日，以展示不忘國恥、建立強(qiáng)大民族工業(yè)的決心[34]。這也是我國民族資本全資建設(shè)的第1家合成氨廠，同時(shí)建有硝酸、硫酸和硫酸銨生產(chǎn)裝置，煤氣化裝置采用當(dāng)時(shí)較先進(jìn)的UGI固定床氣化技術(shù)(圖2，1937年，中國石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司檔案館提供)。1937年抗日戰(zhàn)爭全面爆發(fā)后，南京淪陷，工廠被日本占領(lǐng)，硝酸裝置被拆遷至日本?？箲?zhàn)勝利后，部分歸還。辛亥革命到新中國成立前的38年，工業(yè)建設(shè)舉步維艱，幾乎沒有任何自主技術(shù)的研究和發(fā)展。

圖2 永利化學(xué)工業(yè)公司南京硫酸铔廠氣化裝置

1.3 新中國建立初期煤氣化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

新中國建立后，國民經(jīng)濟(jì)快速恢復(fù)，農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)部門發(fā)展對合成氨的需求大幅增加，一批小型合成氨廠應(yīng)運(yùn)而生，20世紀(jì)50年代后期，我國提出每個(gè)縣都要建設(shè)化肥廠。由于石油匱乏，煤是主要的化工原料，大批小化肥廠的建設(shè)直接推動(dòng)了煤氣化技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用。當(dāng)時(shí)采用的煤氣化技術(shù)以常壓固定床氣化爐為主，從技術(shù)細(xì)節(jié)上主要分為：解放前永利铔廠引進(jìn)的UGI爐(氣化爐直徑以2 740 mm為主)和解放后從前蘇聯(lián)引進(jìn)的煤氣發(fā)生爐(直徑3 600 mm)，兩者原理相同，但爐篦結(jié)構(gòu)不同。20世紀(jì)50年代早期，我國從蘇聯(lián)引進(jìn)了常壓沸騰床氣化爐，類似于德國溫克勒(Winkler)爐[35]，分別在蘭州石化化肥廠和吉林石化化肥廠建立了4臺(tái)氣化爐，配套生產(chǎn)合成氨。改進(jìn)后采用O2和蒸汽連續(xù)吹風(fēng)進(jìn)料，制取不含氮的合成氣，以此為基礎(chǔ)發(fā)展了恩德爐氣化技術(shù)。

1950—1976年，為了適應(yīng)國內(nèi)化肥工業(yè)和燃?xì)夤I(yè)的發(fā)展需求，工程技術(shù)界和工業(yè)界在固定床氣化方面進(jìn)行了大量的消化吸收和技術(shù)改進(jìn)工作，影響較大的有：① 將焦炭進(jìn)料改為無煙煤進(jìn)料，拓展了固定床氣化的原料范圍，降低了氣化的原料成本；② 將原來的空氣-蒸汽間歇進(jìn)料，改為富氧-蒸汽連續(xù)上吹氣化，提高了系統(tǒng)效率；③ 針對無煙煤開采運(yùn)輸后成塊率低(僅為40%～70%)，研究無煙煤粉料的成型技術(shù)；④ 開發(fā)了空氣連續(xù)氣化工藝；⑤ 針對煙煤固定床氣化產(chǎn)物中CH4和焦油多、難以作為合成氨原料氣的問題，提出了雙爐串聯(lián)制氣技術(shù)方案[36]。同時(shí)，還開展了如變壓氣化、變徑氣化、雙爐對吹氣化等技術(shù)的探索，均因缺乏深入的理論研究支撐，未取得應(yīng)有的效果。這些基于工程實(shí)踐的技術(shù)探索和改進(jìn)提升了我國常壓固定床氣化的總體技術(shù)水平，對促進(jìn)我國合成氨行業(yè)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。

綜上，從新中國建立到改革開放開始的30年中，工業(yè)界采用的煤氣化技術(shù)仍以國外第1代固定床煤氣化技術(shù)為主，個(gè)別企業(yè)采用Winkler流化床氣化爐。我國學(xué)術(shù)界和工程界也進(jìn)行了大量探索，為改革開放后煤氣化技術(shù)在我國的發(fā)展積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，奠定了初步基礎(chǔ)。

1.4 改革開放后煤氣化技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用

改革開放后，西方發(fā)達(dá)國家逐漸解除了對我國的技術(shù)封鎖，學(xué)術(shù)、技術(shù)方面的交流恢復(fù)正常。此時(shí)國外煤氣化技術(shù)已發(fā)展到第2代，以Lurgi爐為代表的加壓固定床氣化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用；同時(shí)氣流床氣化技術(shù)快速崛起，以Texaco爐為代表的水煤漿氣化技術(shù)和以Shell爐為代表的粉煤加壓氣化技術(shù)，于1978年完成了工業(yè)示范。與發(fā)達(dá)國家相比，我國煤氣化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用差距較大。經(jīng)煤化工界強(qiáng)烈呼吁，我國啟動(dòng)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)的研發(fā)工作，國家科委、燃料化學(xué)工業(yè)部、煤炭工業(yè)部等組織相關(guān)專家分別赴歐洲和美國考察，了解國外先進(jìn)煤技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合我國當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況，決定自主研發(fā)與引進(jìn)技術(shù)并重，研究開發(fā)工作服務(wù)于引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，技術(shù)路線以Lurgi加壓固定床氣化技術(shù)和Texaco水煤漿氣化技術(shù)為主。

1.4.1固定床氣化技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用

改革開放初期，部分中小型合成氨廠為了擴(kuò)能改造，冶金、陶瓷等行業(yè)需要燃?xì)獾牟糠制髽I(yè)為了降低成本，新建了很多常壓固定床氣化爐，以Lurgi爐為代表的加壓固定(移動(dòng))床氣化爐進(jìn)入國內(nèi)市場。

1)Lurgi加壓固定床氣化技術(shù)

最早采用Lurgi加壓固定床氣化技術(shù)的是云南解放軍化肥廠，爐型為第1代Lurgi爐，屬于Mark I型，以褐煤為原料，單爐產(chǎn)氣量約8 000 m3/h。20世紀(jì)80年代中后期，山西天脊集團(tuán)、蘭州煤氣廠、哈爾濱煤氣廠、河南義馬等先后引進(jìn)了新一代Lurgi碎煤加壓氣化技術(shù)，其中蘭州煤氣廠采用Mark II爐型(單爐產(chǎn)氣量約14 000 m3/h)，哈爾濱煤氣廠采用Mar III爐型(單爐產(chǎn)氣量約32 000 m3/h)，均用于生產(chǎn)城市煤氣。山西天脊集團(tuán)采用Lurgi Mark Ⅳ爐型[37]，氣化爐內(nèi)徑3 848 mm，單爐產(chǎn)氣量約56 000 m3/h，用于生產(chǎn)合成氣(CO+H2)，配套生產(chǎn)合成氨30萬t/a(尿素52萬t/a)。由于對煤種反應(yīng)性能等研究不深入，天脊集團(tuán)的煤氣化裝置于1988年建成后經(jīng)長時(shí)間的調(diào)試和試生產(chǎn)，直至1998年完全正常運(yùn)行，合成氨產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)能力[38-39]。目前來看，Lurgi加壓固定床氣化不適合生產(chǎn)合成氣用于合成氨系統(tǒng)。由于氣化爐出口合成氣中CH4含量高，必須在合成氣凈化裝置后布置CH4蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，流程復(fù)雜，且增加了整個(gè)合成氣生產(chǎn)系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。與山西天脊集團(tuán)相比，采用Lurgi加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)城市煤氣的蘭州煤氣廠和哈爾濱煤氣廠的早期運(yùn)行效果更好。

2006年后，國內(nèi)天然氣供需矛盾日益突出，20世紀(jì)80年代受美國大平原建立煤制天然氣工廠的啟發(fā)，我國技術(shù)界、工程界和產(chǎn)業(yè)界也開始醞釀建設(shè)煤制天然氣裝置，先后建成了大唐克旗、新疆慶華、內(nèi)蒙匯能和伊犁新天等工業(yè)項(xiàng)目。大唐遼寧阜新煤制天然氣項(xiàng)目(一期)于2011年7月開工建設(shè)，2014年因故停建，2018-04-27正式恢復(fù)施工，目前已進(jìn)入收尾階段[40]。已建成運(yùn)行的項(xiàng)目，除內(nèi)蒙匯能外，均采用Lurgi固定床碎煤加壓氣化技術(shù)。采用Lurgi固定床碎煤加壓氣化煤制天然氣裝置投運(yùn)以來，出現(xiàn)了氣化廢水處理難度高、氣化爐內(nèi)壁的腐蝕等問題。由于內(nèi)蒙匯能項(xiàng)目在終端產(chǎn)品上采用液化天然氣、選擇穩(wěn)定性好的水煤漿氣化技術(shù)，財(cái)務(wù)費(fèi)用較低，因而基本可以盈利，而其他項(xiàng)目均呈虧損狀態(tài)。截至目前，國內(nèi)在建或運(yùn)行的Lurgi固定床碎煤加壓氣化爐共146臺(tái)，其中18臺(tái)用于城市煤氣生產(chǎn)，24臺(tái)用于合成氨生產(chǎn)，其余均用于煤制天然氣生產(chǎn)。

2)BGL固定床熔渣氣化爐

BGL氣化爐是由德國Lurgi公司和英國煤氣公司在原Lurgi加壓固定床氣化基礎(chǔ)上改進(jìn)的爐型。2005年，英國Advantica公司授權(quán)云南解化公司(前身為云南解放軍化肥廠)將其原有的1臺(tái)φ2 300 mm的Lurgi碎煤加壓氣化爐(Mark I型)改造為熔渣式氣化爐(BGL爐)。該裝置由賽鼎工程有限公司(原化工部第二設(shè)計(jì)院)設(shè)計(jì)，單爐投煤量26 t/h，以當(dāng)?shù)睾置簽樵?，并進(jìn)行了2 a工業(yè)試驗(yàn)[41]。該技術(shù)改造和工業(yè)試驗(yàn)解決了爐內(nèi)耐火襯里磨蝕等影響氣化裝置長周期運(yùn)行的問題，為BGL技術(shù)在我國的商業(yè)應(yīng)用積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

2007年重組后的云南煤化工集團(tuán)有限公司(簡稱云煤集團(tuán))與英國勞氏工業(yè)服務(wù)有限公司簽署了碎煤熔渣氣化許可協(xié)議，在其所屬的云南解化清潔能源有限公司建設(shè)3臺(tái)φ3 600 mm的BGL爐，以褐煤為原料生產(chǎn)合成氣，配套20萬t/a甲醇裝置。2010年上海澤瑪克敏達(dá)機(jī)械設(shè)備進(jìn)口公司獲得BGL氣化技術(shù)專利擁有權(quán)，其后云煤集團(tuán)先鋒化工20萬t/a甲醇項(xiàng)目、云南瑞氣化工50萬t/a甲醇項(xiàng)目、內(nèi)蒙金星化工50萬t/a合成氨項(xiàng)目、中煤圖克100萬t/a合成氨項(xiàng)目均采用BGL氣化技術(shù)[42-45]，目前我國在建和運(yùn)行的BGL氣化爐共33臺(tái)。

3)兩段式固定床氣化技術(shù)

兩段式固定床氣化技術(shù)是在UGI技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種固定床爐型[46-47]，于20世紀(jì)40年代在奧地利開發(fā)成功，后經(jīng)意大利改進(jìn)完善。該氣化爐基本反應(yīng)原理與常壓固定床類似，其特點(diǎn)是在氣化爐上端加入一段干餾段，煤在干餾段中生成半焦，進(jìn)入氣化段。氣化段生產(chǎn)的煤氣不含焦油，一部分上升至干餾段，作為煤干餾的熱源，干餾氣直接從氣化爐頂部引出。不含焦油的煤氣經(jīng)氣化爐還原層的煤氣導(dǎo)管從氣化爐上側(cè)面引出[48]，側(cè)面導(dǎo)出的煤氣基本為水煤氣，而頂部導(dǎo)出的為熱值較高的干餾煤氣，混合后形成的煤氣熱值高于一般的發(fā)生爐煤氣。

1982年國家煤炭工業(yè)部為了發(fā)展礦區(qū)煤氣化技術(shù)，將遼寧阜新作為示范點(diǎn)，從荷蘭引進(jìn)3臺(tái)兩段固定床氣化爐生產(chǎn)城市煤氣，并于1988年投入運(yùn)行。其后阜新礦務(wù)局購置了波蘭波茲南煤氣廠停用的3臺(tái)舊氣化爐(直徑3 300 mm)，經(jīng)維修后分別轉(zhuǎn)讓給威海市(1臺(tái))和保定市(2臺(tái))，用于城市煤氣生產(chǎn)，前者于1990年投產(chǎn)，后者于1993年投產(chǎn)。阜新煤氣廠兩段固定床氣化爐成功運(yùn)行后，秦皇島市從法國引進(jìn)了3臺(tái)φ3 600 mm的兩段固定床爐，1993年投產(chǎn)供氣。同期，合肥市從意大利引進(jìn)了3臺(tái)φ3 600 mm的兩段固定床爐，1994年投產(chǎn)運(yùn)行[49-50]。目前，兩段式煤氣化爐已經(jīng)全部停止運(yùn)行。

1.4.2流化床氣化技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用

1)U-Gas灰熔聚氣化技術(shù)

U-Gas灰融聚流化床氣化由美國燃?xì)饧夹g(shù)研究院(IGT)開發(fā)，在芝加哥建有25 t/d的中試裝置。20世紀(jì)90年代初，為了解決上海的城市燃?xì)舛倘眴栴}，上海焦化廠從美國引進(jìn)該技術(shù)，建設(shè)由8臺(tái)U-Gas氣化爐組成的氣化裝置。1995年建成后，一直未正常運(yùn)行，最后只能拆除，這是我國盲目引進(jìn)國外煤氣化技術(shù)最為慘痛的教訓(xùn)，主要原因?yàn)椋寒?dāng)時(shí)美國U-Gas技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)和中試研究，尚不足以支撐該技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化運(yùn)行，且我國在煤氣化技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究積累不夠，無法解決該技術(shù)面臨的工程問題。

2000年后，我國煤化工行業(yè)進(jìn)入了發(fā)展快車道，U-Gas技術(shù)專利擁有方經(jīng)多次變更，最后被美國綜合能源系統(tǒng)(SES)有限公司收購，又以SES氣化技術(shù)的名義進(jìn)入中國。2007年，SES公司與山東海化煤業(yè)化工有限公司合作，建設(shè)了示范裝置，氣化系統(tǒng)配置2臺(tái)氣化爐，氣化壓力0.2 MPa，單爐合成氣產(chǎn)氣量22 000 Nm3/h，配套10萬t/a甲醇裝置[51]。其后，SES公司又與河南義馬煤業(yè)、綜能協(xié)鑫(內(nèi)蒙古)有限公司簽署了技術(shù)合作協(xié)議，與義馬煤業(yè)合資建立了1 000萬m3/d供氣量的氣化工廠，氣化壓力1.0 MPa。目前我國運(yùn)行的U-Gas(SES)氣化爐共10臺(tái)。

2)KBR輸運(yùn)床氣化技術(shù)

KBR輸運(yùn)床氣化爐是美國Kellogg Brown and Root公司開發(fā)的流化床氣化技術(shù)[52]。該技術(shù)曾應(yīng)用于美國南方電力IGCC示范電站，總體運(yùn)行情況不理想。我國在2006年后曾計(jì)劃引進(jìn)該技術(shù)應(yīng)用于東莞燃?xì)怆娬镜母脑欤笠蚣夹g(shù)、投資、建成后運(yùn)行成本等問題擱淺。

1.4.3氣流床氣化技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用

從煤氣化技術(shù)的發(fā)展歷史看，氣流床技術(shù)工業(yè)化起步最晚。但因其易于實(shí)現(xiàn)高壓連續(xù)進(jìn)料、采用純氧氣化、反應(yīng)溫度高、處理負(fù)荷大、煤種適應(yīng)性廣，契合現(xiàn)代煤化工發(fā)展對煤氣化技術(shù)單系列、大型化等方面的需求，氣流床氣化技術(shù)在近40年得到了快速發(fā)展。從原料路線看，國外氣流床氣化技術(shù)主要有：以水煤漿為原料的Texaco(AP)氣化技術(shù)和E-Gas氣化技術(shù)、以粉煤為原料的Shell氣化技術(shù)、GSP氣化技術(shù)和科林氣化技術(shù)，其中GSP氣化技術(shù)和科林氣化技術(shù)均為原民主德國燃料研究所(DBI)開發(fā)的煤氣化技術(shù)。

1)德士古(Texaco)水煤漿氣化技術(shù)

1979年，我國決定引進(jìn)Texaco水煤漿氣化技術(shù)，在山東魯南化肥廠(現(xiàn)兗礦魯南化工有限公司)建設(shè)了首套水煤漿工業(yè)化裝置，配套建設(shè)8萬t合成氨裝置[53]，僅購買了Texaco公司的專利許可權(quán)和工藝設(shè)計(jì)軟件包(PDP)，建設(shè)了3臺(tái)單爐投煤量300 t/d的水煤漿氣化爐(2開1備，圖3，1992年，兗礦魯南化學(xué)工業(yè)公司提供)，氣化壓力3.0 MPa。該裝置除煤漿泵、氧閥、工藝燒嘴、破渣機(jī)和控制系統(tǒng)從國外進(jìn)口外，75%以上的裝備均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。裝置于1992年投產(chǎn)運(yùn)行，1994年通過工程驗(yàn)收。之后，在上海焦化廠(現(xiàn)華誼能源化工有限公司)和渭河化肥廠(現(xiàn)陜西渭河煤化工集團(tuán)有限公司)引進(jìn)了該技術(shù)[54]，上海焦化廠氣化裝置配置3臺(tái)單爐投煤量500 t/d氣化爐(2開1備)，氣化壓力4.0 MPa，下游配套20萬t/a甲醇裝置。渭河化肥廠氣化裝置配置3臺(tái)單爐投煤量750 t/d氣化爐(2開1備)，氣化壓力6.5 MPa，下游配套30萬t/a合成氨裝置(尿素52萬t/a)。

圖3 國內(nèi)引進(jìn)的首套德士古水煤漿氣化裝置

Texaco水煤漿氣化技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用初期，暴露出燒嘴壽命短、氣化爐下部耐火磚壽命短、激冷環(huán)和下降管燒蝕、出激冷室合成帶水帶灰、合成氣洗滌系統(tǒng)積灰堵塞、進(jìn)變換合成氣細(xì)灰含量超標(biāo)、碳轉(zhuǎn)化率較低(一般在95%左右)等工程問題[55-67]，嚴(yán)重制約了裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)工程界和技術(shù)界作了大量的技術(shù)改進(jìn)工作。從我國工程界發(fā)表的大量科技論文中可粗略看出，目前的Texaco水煤漿氣化工藝至少有60%以上的技術(shù)經(jīng)過了中國相關(guān)企業(yè)的改進(jìn)。但由于單噴嘴頂置氣化爐物料易短路、氧氣和煤顆粒(液滴)混合不均、火焰對氣化爐下部的沖蝕等結(jié)構(gòu)缺陷，至今碳轉(zhuǎn)化率仍低于多噴嘴氣化技術(shù)(相差2～3個(gè)百分點(diǎn))，氣化爐下部的耐火磚壽命依然偏短(4 000～5 000 h)，合成氣帶水帶灰問題也未得到很好解決[68]。

2000年后，Texaco水煤漿氣化技術(shù)的專利權(quán)從Texaco公司轉(zhuǎn)移到Chevron-Texaco公司，再轉(zhuǎn)移至GE公司，2019年轉(zhuǎn)至AP公司。由于我國煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，Texaco(AP)水煤漿氣化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年10月，我國Texaco水煤漿氣化技術(shù)在建和運(yùn)行的氣化爐共206臺(tái)，單爐設(shè)計(jì)最大投料量為3 000 t/d，用于國家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制化學(xué)品(CTC)項(xiàng)目。目前至少60%以上的Texaco水煤漿氣化工藝經(jīng)過了我國相關(guān)企業(yè)的改進(jìn)。

2)E-Gas水煤漿氣化技術(shù)

20世紀(jì)80年代初，美國Dow化學(xué)公司成功開發(fā)了E-Gas水煤漿氣化技術(shù)，1989年專利權(quán)轉(zhuǎn)移到Destec公司，2000年又轉(zhuǎn)讓給美國Globe Energy公司，最終被美國大陸石油公司收購。與Texaco水煤漿氣化技術(shù)不同，該技術(shù)采用煤漿兩段分級進(jìn)料方式[3,29]。E-Gas水煤漿氣化技術(shù)曾在美國路易斯安納州的Plaquemine和Wabash River進(jìn)行大型化工業(yè)示范，用于IGCC發(fā)電裝置，文獻(xiàn)[69]探討了該技術(shù)應(yīng)用于我國合成氨工業(yè)的可能性。

1995年，Destec公司曾計(jì)劃介入我國當(dāng)時(shí)正在討論的IGCC項(xiàng)目。2006年后，由于我國煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，E-Gas技術(shù)再次進(jìn)入中國進(jìn)行技術(shù)推廣，起初計(jì)劃應(yīng)用于煤制天然氣項(xiàng)目，后來在中海油惠州煉油項(xiàng)目配套建設(shè)了3臺(tái)氣化爐(2開1備)，用于制氫，單爐設(shè)計(jì)投煤能力2 200 t/d 。該項(xiàng)目于2016年開始建設(shè)，2018年8月試生產(chǎn)。運(yùn)行2 a來，出現(xiàn)了二段加入的水煤漿熱解產(chǎn)生的細(xì)灰和焦油造成二段爐出口及后系統(tǒng)的焦油熱解器堵塞問題，制約了氣化裝置的長周期運(yùn)行。至今，最長運(yùn)行周期只有48 d。由于該技術(shù)采用兩段式氣化爐結(jié)構(gòu)，二段氣化室加入的水煤漿主要發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生的熱解半焦再與水蒸氣和CO2反應(yīng)，造成二段出口CH4和焦油含量較高，配套制氫必須額外配置CH4轉(zhuǎn)化或分離裝置，增加了系統(tǒng)的投資與運(yùn)行成本，也增加了長周期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。工程實(shí)踐表明，該技術(shù)并非煉油廠煤氣化制氫的最佳選擇。

3)Shell粉煤氣化技術(shù)

20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后，Shell公司利用其在渣油氣化方面近20年的技術(shù)積累，與Krupp-Koppers公司合作開發(fā)了粉煤加壓氣化技術(shù)[70-72](最早也稱為Shell-Koppers技術(shù))，該技術(shù)是在K-T粉煤氣化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。Shell粉煤氣化技術(shù)于1995年后進(jìn)入中國市場，當(dāng)時(shí)我國最早引進(jìn)的3套(魯南化肥廠、上海焦化廠、渭河化肥廠)德士古水煤漿氣化裝置在運(yùn)行中遇到了如煤種適應(yīng)性、氣化爐結(jié)渣、水系統(tǒng)結(jié)垢堵塞等問題，而且渭河化肥廠實(shí)際投資遠(yuǎn)超國家批復(fù)的建設(shè)預(yù)算，造成我國工程界和產(chǎn)業(yè)界對水煤漿氣化技術(shù)的質(zhì)疑。Shell公司宣稱其技術(shù)具有碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗低、適應(yīng)所有煤種等優(yōu)勢[73-74]，我國工程界盲目推崇[75-76]，大量引進(jìn)Shell粉煤氣化技術(shù)，10年間簽訂了19套氣化裝置的許可合同，其中最早是中石化岳陽、安慶、枝江3套裝置。

工程實(shí)踐表明，Shell粉煤加壓氣化技術(shù)在煤粉高壓輸送、氣化爐結(jié)構(gòu)、流程設(shè)置等方面有其獨(dú)特創(chuàng)新之處，但其工藝流程最早是為了適應(yīng)IGCC系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，并不一定適合生產(chǎn)合成氨、制氫、甲醇等下游產(chǎn)品。另一方面該技術(shù)的全系統(tǒng)投資高(為同規(guī)模水煤漿氣化裝置的2.0～2.5倍)，對煤種也有一定的限制。在運(yùn)行初期，Shell粉煤加壓氣化技術(shù)由于其自身的技術(shù)缺陷、設(shè)計(jì)上的照抄照搬、運(yùn)行上缺乏經(jīng)驗(yàn)等，出現(xiàn)了氣化爐堵渣、燒嘴隔焰罩燒(腐)蝕、鍋爐積灰、細(xì)灰過濾器陶瓷管斷裂等[77]影響裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的工程問題，我國科研人員，特別是中國石化集團(tuán)公司進(jìn)行系統(tǒng)研究攻關(guān)，為Shell煤氣化技術(shù)在中國的穩(wěn)定運(yùn)行做出了重要貢獻(xiàn)。

截至2020年10月，Shell粉煤加壓氣化技術(shù)在國內(nèi)共有24個(gè)項(xiàng)目，36臺(tái)氣化運(yùn)行或在建。設(shè)計(jì)最大單爐投煤量為3 000 t/d，應(yīng)用于山西潞安高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項(xiàng)目(簡稱潞安煤制油項(xiàng)目)。

4)GSP粉煤氣化技術(shù)

GSP粉煤氣化技術(shù)由前民主德國燃料研究所(DBI)開發(fā)，屬單噴嘴下行式粉煤加壓氣化爐。20世紀(jì)80年代曾在民主德國黑水泵建立工業(yè)裝置，用于氣化高灰熔點(diǎn)褐煤[10]，1991年，德國魯爾(Noell)公司取得了該技術(shù)的所有權(quán)，并在黑水泵裝置上進(jìn)行了液體廢料和污泥的氣化[78]。20世紀(jì)80年代末，該技術(shù)在我國得到推廣[71，79-81]。安徽淮化集團(tuán)(原淮南化肥廠)和江蘇靈谷化工有限公司分別于2004年和2005年與德方簽署了該技術(shù)的許可協(xié)議，但經(jīng)技術(shù)調(diào)研和比對后，最終均放棄采用GSP氣化技術(shù)?；椿瘓F(tuán)選擇了Texaco水煤漿氣化技術(shù)，江蘇靈谷化工有限公司選擇了國內(nèi)自主開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)。

2005年，神華集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)公司(現(xiàn)為國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)公司，簡稱寧夏煤業(yè))簽訂了合資協(xié)議，并在60萬t煤制丙烯項(xiàng)目上首次采用GSP粉煤氣化技術(shù)，投產(chǎn)后出現(xiàn)了煤粉輸送不穩(wěn)定、燒嘴燒蝕、水冷壁燒損、碳轉(zhuǎn)化率低、后系統(tǒng)積灰堵塞嚴(yán)重等[82-83]問題。寧夏煤業(yè)采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的初步凈化和渣水處理系統(tǒng)，對GSP氣化裝置的合成氣洗滌系統(tǒng)進(jìn)行全面改進(jìn)，而后應(yīng)用于寧夏煤業(yè)400萬t/a煤制油項(xiàng)目，但其合成氣激冷與洗滌系統(tǒng)與多噴嘴對置式水煤漿氣化的關(guān)鍵單元技術(shù)相似。

5)科林粉煤氣化技術(shù)

科林粉煤氣化技術(shù)與GSP粉煤氣化技術(shù)無本質(zhì)區(qū)別，是德國統(tǒng)一后原民主德國燃料研究所的技術(shù)骨干成立的不同公司，推廣同一個(gè)技術(shù)[81]。兗礦集團(tuán)(2020年重組為山東能源集團(tuán))貴州開陽合成氨項(xiàng)目曾采用該技術(shù)建設(shè)了2臺(tái)粉煤加壓氣化爐，單爐處理能力1 150 t/d，氣化壓力4.0 MPa，配套生產(chǎn)50萬t/a合成氨。由于該氣化裝置在建設(shè)之初，兗礦集團(tuán)采用多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)的初步凈化和渣水處理系統(tǒng)對氣化工藝進(jìn)行改造，裝置運(yùn)行初期優(yōu)于GSP技術(shù)。即兗礦開陽的2臺(tái)科林粉煤氣化裝置，是科林氣化爐與多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)激冷、洗滌系統(tǒng)的組合。目前國內(nèi)推廣的科林氣化技術(shù)，在合成氣激冷和洗滌系統(tǒng)的流程配置上，基本沿襲了兗礦開陽的氣化裝置。

6)國外其他氣流床煤氣化技術(shù)

德國Krupp-Koppers公司開發(fā)的K-T粉煤氣化爐、在K-T技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的PRENFLO氣化爐、日本電力和三菱重工開發(fā)的兩段式氣化爐、日本日立公司開發(fā)的 Hycoal氣化爐均引起過廣泛關(guān)注[84-89]，但或因與已引進(jìn)的氣化技術(shù)類似(如PRENPLO氣化技術(shù)與Shell氣化技術(shù)類似)，或因只有中試試驗(yàn)，尚未完成工業(yè)試驗(yàn)(如三菱和日立的氣化技術(shù))，未在我國得到推廣應(yīng)用。

2 國內(nèi)煤氣化技術(shù)的自主研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展

2.1 改革開放前煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)

國內(nèi)煤氣化技術(shù)的研發(fā)起步于20世紀(jì)50年代中后期，主要研究機(jī)構(gòu)有建設(shè)部東北煤氣化設(shè)計(jì)研究所(現(xiàn)沈陽煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院)、煤炭工業(yè)部北京煤化學(xué)研究所(現(xiàn)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院)和化學(xué)工業(yè)部上?；ぱ芯吭?現(xiàn)上?；ぱ芯吭河邢薰?[90-91]，研究開發(fā)工作主要聚焦于固定床氣化技術(shù)和常壓粉煤氣流床氣化技術(shù)，粉煤流化床氣化相關(guān)研究相對較少。

2.1.1固定床氣化技術(shù)

1956年，煤炭工業(yè)部北京煤化學(xué)研究所成立之初，設(shè)立了煤氣化研究室，主要開展固定床煤氣化技術(shù)的研究工作[90]。同年成立的化學(xué)工業(yè)部上?；ぱ芯吭涸诨恃芯渴乙苍O(shè)立了煤氣化技術(shù)研究小組[91]研究固定床氣化技術(shù)。1958年開始，東北煤氣化設(shè)計(jì)研究所、大連化學(xué)物理研究所開展了加壓煤氣化過程的單管小試試驗(yàn)，1963年在沈陽建成了φ1 120 mm的褐煤加壓固定床中試裝置[92]。1965年，上?；ぱ芯吭好簹饣夹g(shù)研究小組聯(lián)合化工部第四設(shè)計(jì)院(現(xiàn)中國五環(huán)工程有限公司)、上海吳淞化肥廠和化工部化工機(jī)械研究所(現(xiàn)天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)，開展了常壓固定床碎煤氣化研究，并完成了中試試驗(yàn)[92-93]。1974年，云南解放軍化肥廠建成了φ2 600 mm的固定床加壓氣化工業(yè)裝置，配套生產(chǎn)合成氨[36]。

2.1.2 K-T爐常壓粉煤氣化技術(shù)

受20世紀(jì)50年代初，K-T常壓粉煤氣化技術(shù)工業(yè)化成功的啟發(fā)，在侯德榜先生的指導(dǎo)下， 1959年上?；ぱ芯吭航ǔ闪宋覈?臺(tái)粉煤氣化試驗(yàn)中試裝置，氣化爐采用K-T爐爐型，體積0.6 m3，設(shè)計(jì)投煤量160 kg/h。從1960年開始，進(jìn)行阜新煤、蘭州褐煤飛灰、廣西屯里煤、福建邵武煤試燒試驗(yàn)研究[94]。1966年1月，為了配合新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)化肥廠的建設(shè)，化工部第二設(shè)計(jì)院(現(xiàn)賽鼎工程有限公司)和上?；ぱ芯吭夯谠撝性嚻脚_(tái)進(jìn)行了新疆蘆草溝煤試燒試驗(yàn)，并于1966年3月中旬通過了化工部組織的技術(shù)鑒定[95]。1966年3—8月，進(jìn)行了蘆草溝煤的補(bǔ)充試驗(yàn)，12月完成了放大后的氣化裝置施工圖設(shè)計(jì)[96]，爐膛內(nèi)徑φ2 400 mm，氣化室總體積11 m3。1969年在新疆蘆草溝建設(shè)首套工業(yè)示范裝置，1971—1974年試生產(chǎn)，并取得了預(yù)期效果，后因原料煤煤質(zhì)變化、耐火材料供應(yīng)困難等問題而停止運(yùn)行，隨后改為重油原料氣化[97]。

1972年，上?；ぱ芯吭旱拿簹饣芯啃〗M并入陜西臨潼的陜西化肥工業(yè)研究所(先后更名為化工部化肥工業(yè)研究所、化工部西北化工研究院、西北化工研究院)，1976年，陜西化肥工業(yè)研究所新建1臺(tái)常壓粉煤氣化工業(yè)性試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)產(chǎn)氣(CO+H2)量1 500 Nm3/h，采用K-T爐爐型[98]。

2.1.3水煤漿氣化技術(shù)

1969年，衢州化工廠建成了第1套水煤漿氣化中試裝置,投煤量約17 t/d[98]。但在技術(shù)路線上與現(xiàn)在的水煤漿氣化不同，其采用水煤漿蒸發(fā)后再噴入氣化爐的方式。煤漿用柱塞泵升壓，在中壓(4 MPa)過熱蒸汽(450 ℃)加熱的蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)成粉煤-蒸汽懸浮物，分離部分蒸汽后進(jìn)入氣化爐氣化，高溫合成氣再進(jìn)行激冷洗滌，初步解決了煤漿制備、輸送、氣化爐正常排渣等問題，但無法克服蒸發(fā)器結(jié)垢、堵塞等，中試裝置難以連續(xù)運(yùn)行，于1971年停止試驗(yàn)。

2.1.4常壓旋流式粉煤氣化爐

1965年，廣西南寧化工廠建成了第1臺(tái)φ500 mm旋流式直筒型粉煤氣化中試裝置，投煤量120 kg/h(干基)，其合成氣產(chǎn)量相當(dāng)于400 t/a合成氨規(guī)模[99-100]。該氣化爐由廣西化工研究所開發(fā)，借鑒了Saarberg-Otto氣化技術(shù)[101]，但在爐型和燒嘴布置上進(jìn)行了較大改進(jìn)。原Saarberg-Otto氣化爐的粉-氧-蒸汽經(jīng)4個(gè)噴嘴噴入熔渣池，煤粉進(jìn)行燃燒和氣化反應(yīng)。改進(jìn)后的氣化爐，摒棄了底部的熔渣池結(jié)構(gòu)，采用直筒型結(jié)構(gòu)，4個(gè)噴嘴布置在氣化爐下部同一平面上，類似于四角切向鍋爐的噴嘴布置，一對噴嘴同時(shí)供O2和煤，另外一對噴嘴專供蒸汽，在爐內(nèi)形成旋流流動(dòng)，熔渣從氣化爐下部側(cè)面排出，合成氣從爐頂排出[99-100]。由于爐內(nèi)旋流，強(qiáng)化了混合，該氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率高于K-T爐。在該中試裝置上進(jìn)行了20次廣西屯里褐煤試燒試驗(yàn),最長運(yùn)行時(shí)間184 h，于1967年12月通過了技術(shù)鑒定[99，101]。1975年，廣西邕寧氮肥廠建設(shè)一臺(tái)φ1 400 mm的工業(yè)性試驗(yàn)裝置，配備一套1 000 Nm3/h制氧裝置，以解決當(dāng)?shù)睾置簹饣坪铣砂眴栴}，合成氣產(chǎn)量可生產(chǎn)1萬t/a合成氨[99-100]。

該氣化爐結(jié)構(gòu)與后來的Shell氣化爐類似，但中試研究比Shell氣化爐提前近10 a，工業(yè)示范與Shell技術(shù)幾乎同步。但受限于我國當(dāng)年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件和科研實(shí)力，這個(gè)具有有開創(chuàng)性的煤氣化技術(shù)開發(fā)工作沒有得到延續(xù)。

2.1.5空氣-粉煤熔渣池氣化

空氣-粉煤熔渣池氣化爐型借鑒了Saarberg-Otto氣化爐結(jié)構(gòu)[101]，區(qū)別在于將氣化劑由純氧改為空氣。其以空氣、蒸汽為氣化介質(zhì)，液態(tài)渣為熱載體，利用煙煤煤粉進(jìn)行氣化，連續(xù)制取半水煤氣，其原理是在氣化爐下部布置一個(gè)液態(tài)渣池，以蓄熱和提高氣化反應(yīng)速率。煤粉(80%通過20目(0.83 mm)))與預(yù)熱后的空氣經(jīng)噴嘴噴入熔渣池進(jìn)行燃燒和氣化，渣池反應(yīng)溫度約為1 500 ℃。渣池內(nèi)未燃燒和氣化完全的煤粉在渣池上方空間繼續(xù)燃燒和氣化。1965年，北京鍋爐廠建立了1套中試裝置，氣化爐直徑1 140 mm，底部渣池深0.6 m，完成了5～6個(gè)煤種的試燒試驗(yàn)，并獲得了初步結(jié)果，但連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短、煤氣熱值低[99,102-103]。

1970—1972年，對直徑1 140 mm氣化爐進(jìn)行了工藝和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，北京特殊鋼廠建設(shè)了1套直徑1 600 mm的熔渣池氣化爐試驗(yàn)裝置，但仍未能解決長周期運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，生產(chǎn)的煤氣熱值仍較低。1974年，利用該技術(shù)在酒泉鋼廠新建1套φ2 100 mm 的工業(yè)示范裝置，并對氣化爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大改進(jìn)，增加了渣池容積和熱容量(近8倍)，提高了渣/煤比，并優(yōu)化了噴嘴數(shù)量、結(jié)構(gòu)及其在爐體上布置方式。經(jīng)過近3 a的試驗(yàn),連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間于1977年8月首次達(dá)到114 h[99,102-103]。

1967年，北京鍋爐廠進(jìn)行了雙室粉煤-空氣熔渣池氣化研究[102-103]，該氣化爐是對單室氣化爐的改進(jìn)。在氣化爐下部渣池設(shè)置機(jī)械攪拌裝置，熔渣在爐內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，爐中間有一水冷隔墻自爐頂向下插入渣池液面下約0.7 m，將氣化爐內(nèi)部分為2部分：一側(cè)為燃燒室，另一側(cè)為氣化室，燃燒室設(shè)有4個(gè)浸沒在液渣內(nèi)的煤粉預(yù)燃噴嘴。粉煤同預(yù)熱空氣混合預(yù)燃后噴入液渣池中繼續(xù)燃燒，加熱熔渣，燃燒煙氣由燃燒室頂部排出,并經(jīng)輻射式空氣預(yù)熱器后放空。在氣化室設(shè)有5個(gè)浸沒在熔渣下的氣化噴嘴，高壓過熱蒸汽(500 ℃)噴嘴高速噴出，形成負(fù)壓，將煤粉抽送至液渣池中，從爐內(nèi)不斷循環(huán)流動(dòng)的高溫液渣中吸取熱量，進(jìn)行水蒸汽氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的半水煤氣，由氣化室頂部排出，再經(jīng)高溫回收飛焦除塵洗滌后適當(dāng)加壓送至氣柜。同年，北京鍋爐廠建設(shè)了1套爐體直徑1 100 mm×1 500 mm(橢圓形)的中試裝置，而后又對氣化爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了4次較大改進(jìn)，經(jīng)過近百次試驗(yàn)，基本掌握了主要工藝技術(shù)，1975年中試裝置通過了技術(shù)鑒定。1976年，浙江安吉化肥廠建設(shè)了氣化爐內(nèi)徑為2 000 mm的工業(yè)示范裝置，設(shè)計(jì)半水煤氣產(chǎn)量為1 200～1 300 Nm3/h，配套生產(chǎn)合成氨3 000 t/a。

2.1.6流化床氣化技術(shù)

1956—1969年，煤炭工業(yè)部北京煤化學(xué)研究所建立了一臺(tái)直徑200 mm的流化床氣化試驗(yàn)爐，并開展了4種煤樣的試燒試驗(yàn)，灰渣含碳量低于6%[104]。 20世紀(jì)50年代末，同濟(jì)大學(xué)也開展流化床氣化技術(shù)的研究，采用的技術(shù)路線類似于改良的Winkler爐型[105]。這些探索性的研究未查閱到工業(yè)化應(yīng)用的公開資料。

2.2 改革開放以來自主煤氣化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用

“文革”結(jié)束后，為滿足我國化肥工業(yè)和城市燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展的需求，我國決定引進(jìn)國外先進(jìn)的煤氣化技術(shù)。經(jīng)過技術(shù)考察后，最終選擇2條主流的技術(shù)路線：一是Lurgi加壓固定床氣化技術(shù)，用以改造中小型合成氨廠和生產(chǎn)城市煤氣；二是Texaco水煤漿氣化技術(shù)，用以新建煤為原料的大型合成氨廠。同時(shí)化學(xué)工業(yè)部陜西化肥研究所(現(xiàn)西北化工研究院)、煤炭工業(yè)部北京煤炭化學(xué)研究所、建設(shè)部東北煤氣化設(shè)計(jì)研究所、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、華東理工大學(xué)和太原理工大學(xué)等開始了煤氣化技術(shù)的研發(fā)工作。

1980年，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所黃克權(quán)先生撰寫了具有高價(jià)值的戰(zhàn)略研究報(bào)告——我國煤氣化研究若干問題[106]，其中很多建議在后來均得到了實(shí)施，對我國煤氣化領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)具有重要價(jià)值。1988年，我國開展了“中國煤炭利用新技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和政策”研究[107-108]，其中對煤氣化技術(shù)的發(fā)展也提出了建設(shè)性意見。1994年，針對我國煤炭利用技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用狀況，結(jié)合國際煤轉(zhuǎn)化利用的發(fā)展趨勢，謝克昌院士提出了煤的優(yōu)化利用技術(shù)及開發(fā)中的若干科學(xué)問題[109]，對后來我國現(xiàn)代煤化工及煤氣化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展也發(fā)揮了重要指導(dǎo)作用。

21世紀(jì)后，清華大學(xué)、西安熱工研究院和航天部第十一研究所等開展了煤氣化技術(shù)研究。該階段煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)工作的驅(qū)動(dòng)力來自2個(gè)方面：一是國家化工行業(yè)的發(fā)展亟需自主的煤氣化技術(shù)；二是從國外引進(jìn)的各種煤氣化技術(shù)在應(yīng)用中出現(xiàn)了影響煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的工程問題，需要加以解決。這些研究開發(fā)工作得到了化學(xué)工業(yè)部、煤炭工業(yè)部、國家計(jì)委、科技部、教育部和國家自科學(xué)基金委等有關(guān)部委的支持，先后列入國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目(攻關(guān))計(jì)劃、國家“863計(jì)劃”、國家科技支撐計(jì)劃、國家“973計(jì)劃”和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。進(jìn)入21世紀(jì)，由于我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，以多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)為代表的我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)大型煤氣化技術(shù)進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列，在核心技術(shù)水平和煤炭氣化能力上均居于國際引領(lǐng)地位。

2.2.1固定床氣化技術(shù)的研究及應(yīng)用

1)常壓固定床氣化技術(shù)

1979年，出于節(jié)省燃油的需要，山東冶金機(jī)械廠結(jié)合國內(nèi)UGI爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制造了4臺(tái)直徑2 000 mm的固定床煤氣發(fā)生爐，并配套了相應(yīng)的煤氣凈化工藝，用于生產(chǎn)低熱值煤氣。1980年后，該廠陸續(xù)生產(chǎn)了30臺(tái)直徑2 000 mm的固定床煤氣發(fā)生爐，先后應(yīng)用于化工、陶瓷、玻璃、耐火材料等行業(yè)，1984年通過了技術(shù)鑒定[110]。同時(shí)，科研院所和高校也開展了基于常壓固定床反應(yīng)器的煤氣化反應(yīng)特性研究[111-112]。

2)加壓固定床氣化技術(shù)

1978年，煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所(現(xiàn)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院)開始固定床加壓煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)，1983年10月建成了直徑650 mm的加壓氣化爐試驗(yàn)裝置(圖4，1985年，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院提供)，1984年5月投入加壓熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，以沈北褐煤為原料進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，并取得了初步成功[113]。該裝置運(yùn)行壓力2.0～2.5 MPa，投煤量200～500 kg/h，產(chǎn)氣量280～500 Nm3/h。在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了蔚縣次煙煤、黃縣褐煤及依蘭氣煤的固定床加壓氣化試驗(yàn)，于1984年通過了煤炭部組織的技術(shù)鑒定[114-115]。由于該裝置試驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用較大，煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所與美國Foster Wheeler公司合作，建成了直徑100 mm的加壓固定床試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)壓力5.0 MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力3.0 MPa。北京煤化學(xué)研究所牽頭承擔(dān)國家“七五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“煤炭轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)工藝特性研究”，在該裝置上完成了21個(gè)典型煤種的氣化特性試驗(yàn)，獲得了煤在加壓氣化條件下的結(jié)渣性、氣化活性、干餾特性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[116-117]。華東理工大學(xué)等合作單位開展了加壓下條件煤氣化特性的研究[118-122]，并建立了加壓固定床氣化爐的數(shù)學(xué)模型[123-124]。1986年，東北煤氣化設(shè)計(jì)研究所建成了直徑1 000 mm的加壓固定床試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)壓力2.8 MPa，產(chǎn)氣量1 000～1 300 Nm3/h，完成了沈北褐煤和雞西弱黏結(jié)性煤的氣化試驗(yàn)[125]，為加壓固定床氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

圖4 首套加壓固定床氣化中試裝置

1980年，化學(xué)工業(yè)部第二設(shè)計(jì)院(現(xiàn)賽鼎工程有限公司)與太原重型機(jī)器廠合作，以解放軍化肥廠的MarkⅠ型Lurgi加壓氣化爐為基礎(chǔ)，開展了直徑2 800 mm的固定床加壓氣化爐研制。1982年12月完成氣化爐制造，1985年9月底完成了配套裝置的建設(shè)及氣化爐安裝，1986年7、8月先后進(jìn)行了2次熱態(tài)試驗(yàn)，但因爐篦無法運(yùn)轉(zhuǎn)而停車，并拆爐改造。1987年10月，改造后的氣化爐重新安裝就位，開始單體試車，1987-11—1988-11，開展了3次熱態(tài)試車，累計(jì)運(yùn)行32 d，操作壓力2.2～2.4 MPa，產(chǎn)氣量約7 000 Nm3/h，后因依托工廠的公用工程無法滿足氣化爐的長期運(yùn)行而停止了試驗(yàn)[126-127]，這為后來山西潞安引進(jìn)的φ3 600 mm Lurgi加壓固定床氣化爐的調(diào)試、改造和運(yùn)行積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

3)常壓兩段式固定床氣化技術(shù)

1985年，為配合引進(jìn)的兩段式固定床氣化技術(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行和國產(chǎn)化，煤炭部組織了“φ1.6 m水煤氣兩段爐及其制氣工藝的開發(fā)研制”，由煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所牽頭承擔(dān)，1989年5月在新汶礦務(wù)局建成示范裝置，同年10月通過煤炭部組織的技術(shù)鑒定[128-130]?！鞍宋濉逼陂g，煤炭部將該技術(shù)作為重點(diǎn)推廣的技術(shù)，同時(shí)開展了φ1.98 m和φ2.26 m水煤氣兩段爐的研發(fā)工作[48]，探究了泥煤型煤用于兩段氣化的可行性[131]，開展了兩段氣化爐模擬研究[132]。

4)加壓兩段式固定床氣化技術(shù)

1980年開始，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開展了兩段固定床加壓煤氣化的小試和模試研究[133-134]，但未進(jìn)行進(jìn)一步的中試。

2.2.2流化床氣化技術(shù)的研究及應(yīng)用

1)灰熔聚流化床氣化技術(shù)

1980年，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開始研究灰熔聚氣化技術(shù)，建成了投煤量1 t/d的試驗(yàn)裝置，1985年完成了基礎(chǔ)研究工作[135-136]?！捌呶濉逼陂g，在國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下，開展了基礎(chǔ)理論研究、冷態(tài)模試，并建成了投煤量24 t/d的中試裝置(圖5，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所提供)。在中試裝置運(yùn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了灰熔聚流化床工程放大特性研究，取得了較完整的工業(yè)放大數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[137-143]，1991年8月通過了中國科學(xué)院組織的專家驗(yàn)收和鑒定[144]。1995年，完成了100 t/d示范裝置的放大與工程設(shè)計(jì)，獲得了國家“八五”攻關(guān)重大科技成果獎(jiǎng)。隨后在陜西成化股份有限公司建設(shè)示范裝置，氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸為：下部內(nèi)徑φ2 400 mm、上部內(nèi)徑φ3 600 mm、高15 m，氣化壓力0.03 MPa，投煤量100 t/d，粗煤氣產(chǎn)量9 000 Nm3/h，配套生產(chǎn)合成氨2萬t/a[145]。2002年完成了小型加壓灰熔聚流化床粉煤氣化試驗(yàn)裝置的建設(shè)和試驗(yàn)運(yùn)行，氣化爐設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa(G)，內(nèi)徑為200 mm，上部擴(kuò)大段內(nèi)徑為300 mm，爐體總高度約4.7 m，并研究了壓力和溫度等對氣化指標(biāo)的影響[146]。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所和山西晉煤集團(tuán)合作建成了3.0 MPa加壓灰熔聚流化床粉煤氣化中試平臺(tái)[147]，氣化爐內(nèi)徑為800 mm，氣化壓力1.0～3.0 MPa，設(shè)計(jì)投煤量50～100 t/d。2006年根據(jù)晉煤集團(tuán)應(yīng)用“三高”無煙煤制化學(xué)品的需求，設(shè)計(jì)了6套0.6 MPa灰熔聚工業(yè)氣化爐，并于2009-04-01完成氣化裝置的冷態(tài)調(diào)試，2009-04-28進(jìn)入熱態(tài)調(diào)試，經(jīng)過對設(shè)備的全面消缺，于2009-08-16多臺(tái)氣化爐并氣，進(jìn)入凈化和合成車間并生產(chǎn)出合格甲醇[148]。

圖5 首套灰熔聚氣化中試裝置

2)多段分級流化床技術(shù)

中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在加壓灰熔聚流化床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成快速流態(tài)化技術(shù)，開發(fā)了多段分級轉(zhuǎn)化流化床煤氣化技術(shù)[149]，該技術(shù)將氣化爐分為下部濃相射流段和上部快速提升段2部分。氣化爐下部保持了灰熔聚流化床的高溫射流和選擇性灰分離的優(yōu)勢，以提高大顆粒在濃相床中的停留時(shí)間和碳轉(zhuǎn)化率；在上部快速提升段，通過強(qiáng)化細(xì)粉循環(huán)以提高氣固接觸和細(xì)粉停留時(shí)間，并采取分段給氧方式以提高提升段氣化溫度，將細(xì)粉進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，進(jìn)而從總體上提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和處理能力。通過大型冷態(tài)及數(shù)值模擬，揭示了常壓和加壓下流化床內(nèi)氣固流動(dòng)特征，掌握了爐內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律及熱質(zhì)傳遞特性，開展了氣化過程的CFD模擬研究[150-156]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了氣化壓力3.0 MPa、投煤量100 t/d的多段床煤氣化中試裝置，開展了煤和半焦的加壓氣化中試研究，獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作參數(shù)，并完成了千噸級工業(yè)示范裝置的工藝設(shè)計(jì)軟件包和經(jīng)濟(jì)評估[149]。

3)循環(huán)流化床氣化技術(shù)

“七五”期間，煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所開展了加壓循環(huán)流化床粉煤氣化研究，建成了直徑100 mm(擴(kuò)大段直徑150 mm)試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa，開展了扎賚諾爾褐煤、蔚縣長焰煤、神木不黏煤、東山瘦煤和晉城無煙煤等5個(gè)煤種的試驗(yàn)研究[157-158]?！鞍宋濉逼陂g，煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所聯(lián)合上海發(fā)電設(shè)備成套研究所繼續(xù)開展加壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)的研究開發(fā)，1992年建成了冷模裝置，1994年建成了直徑300 mm的中試裝置，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，先后對上海焦化廠高溫冶金焦、上海楊樹埔煤氣廠伍德爐半焦、陜西神木煤、山西大同煤l號(hào)、大同煤2號(hào)等5種原料進(jìn)行氣化試驗(yàn)，1995年通過了機(jī)械工業(yè)部組織的專家鑒定[157-163]。雖然該研究成果未得到工業(yè)化應(yīng)用，但為其他單位研究循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)提供了重要借鑒。

20世紀(jì)80年代，清華大學(xué)開始研究了循環(huán)流化床氣化工藝，提出了雙爐氣化的技術(shù)路線，并先后完成了冷模試驗(yàn)和小試研究[164-165]。隨后又提出了循環(huán)流化床煤氣-蒸汽聯(lián)產(chǎn)工藝，并列入國家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。1991—1992年，在清華大學(xué)試驗(yàn)電廠內(nèi)建起了循環(huán)流化床煤燃燒、氣化熱態(tài)試驗(yàn)裝置,并成功完成了冷、熱態(tài)試驗(yàn)[166-167]。

20世紀(jì)90年代中后期，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所布局循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)的開發(fā)，并開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作[168-171]。中國科學(xué)院工程熱物理研究所在循環(huán)流化床鍋爐燃燒領(lǐng)域具有長期的技術(shù)積累，2002年，在國家863計(jì)劃課題 “循環(huán)流化床加壓煤氣化”的支持下，研究循環(huán)流化床氣化技術(shù)，2004年在循環(huán)流化床常壓煤氣化熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)CFBR100(提升管內(nèi)徑100 mm)上完成了以氧氣-水蒸氣為氣化劑和空氣-水蒸氣為氣化劑的試驗(yàn)研究[172-175]。而后又進(jìn)行了雙流化床氣化試驗(yàn)，其原理是將煤的熱解氣化和半焦燃燒分開，熱解氣化在鼓泡流化床內(nèi)進(jìn)行，半焦燃燒在循環(huán)流化床內(nèi)進(jìn)行，為鼓泡床熱解氣化提供所需的熱量[176-178]。2014年完成了循環(huán)流化床富氧氣化試驗(yàn)研究[179-180]。

2.2.3氣流床氣化技術(shù)的研究及應(yīng)用

1)單噴嘴水煤漿(多元料漿)氣化技術(shù)

1979—1984年，化學(xué)工業(yè)部化肥工業(yè)研究所開展了水煤漿氣化模型試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置氣化壓力為2.0 MPa，設(shè)計(jì)投煤量4.8 t/d，氣化壓力為2.0 MPa，該裝置吸取了1969年衢化水煤漿氣化技術(shù)試驗(yàn)失敗的經(jīng)驗(yàn)，采用水煤漿直接入爐的技術(shù)方案。試驗(yàn)過程探索了煤漿制備、煤漿泵送、氣化爐耐火材料性能、噴嘴結(jié)構(gòu)及材質(zhì)、排渣、溫度測量等關(guān)鍵技術(shù)問題，獲得的主要工藝指標(biāo)為：煤漿濃度58%～64%，碳轉(zhuǎn)化率95%，有效氣成分(CO+H2)65%，最長連續(xù)操作時(shí)間為26 h[181]。

在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，1985年建成了投煤量36 t/d的中試裝置(圖6，1986年，西北化工研究院提供)，操作壓力2.5～3.3 MPa，采用輻射廢熱鍋爐和對流廢熱鍋爐串聯(lián)回收合成氣顯熱，副產(chǎn)4.0 MPa飽和蒸汽。中試裝置設(shè)有2臺(tái)氣化爐，一臺(tái)氣化爐耐火磚后設(shè)有水冷壁(稱為冷壁爐)，另一臺(tái)為耐火磚(稱為熱壁爐)，耐火材料由冶金部洛陽耐火材料研究所研制。1986年，在冷壁爐上完成了第1個(gè)煤種(陜西銅川煤)的氣化試驗(yàn)，主要工藝指標(biāo)為：煤漿濃度60.0%～61.5%，有效氣成分(CO+H2)76%，碳轉(zhuǎn)化率90%～95%，冷煤氣效率66%，最長連續(xù)操作時(shí)間82 h[182]。而后在該中試裝置上完成了煤種評價(jià)試驗(yàn)、工藝條件優(yōu)化、氣化爐結(jié)構(gòu)及耐火材料、噴嘴及耐磨材料、廢熱鍋爐及耐腐蝕材料、測溫探頭、高壓煤漿泵、系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)研究[183-191]，1990年7月，通過了化工部組織的專家鑒定[192]，該裝置被美國德士古開發(fā)公司(TDC)授權(quán)為煤種試驗(yàn)評價(jià)裝置。

圖6 首套單噴嘴水煤漿氣化中試裝置

單噴嘴水煤漿氣化中試裝置的建設(shè)和運(yùn)行，是我國水煤漿氣化技術(shù)發(fā)展的重要里程碑，為我國引進(jìn)和開發(fā)水煤漿氣化技術(shù)發(fā)揮了重要作用。以此為基礎(chǔ)，化學(xué)工業(yè)部化肥工業(yè)研究所(現(xiàn)西北化工研究院)形成了多元料漿氣化技術(shù)，并應(yīng)用于國內(nèi)部分煤化工企業(yè)。

2)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)

針對引進(jìn)的氣流床氣化技術(shù)存在的大量工程問題，1988年，在中國石化集團(tuán)公司的支持下，華東理工大學(xué)于遵宏教授團(tuán)隊(duì)建立了直徑300 mm的氣流床氣化爐冷模裝置，揭示這些工程問題產(chǎn)生的科學(xué)機(jī)理，對氣流床氣化爐內(nèi)的流場特征和停留時(shí)間分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究[193-195]，并開展了爐內(nèi)流動(dòng)過程的數(shù)值模擬計(jì)算[196]，在此基礎(chǔ)上建立水煤漿氣化爐的區(qū)域模型和數(shù)學(xué)模型，并對水煤漿氣化過程進(jìn)行了模擬計(jì)算[197-198]。1991年，在中國石化集團(tuán)公司的支持下，華東理工大學(xué)建成了國內(nèi)最大的氣流床氣化爐冷模試驗(yàn)裝置(直徑1 000 mm，高度可變)，提出了氣流床氣化過程的層次機(jī)理模型[199]，對爐內(nèi)冷態(tài)濃度分布和停留時(shí)間分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了濃度分布和停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)模型[200-201]，提出了基于爐內(nèi)微觀混合和宏觀混合時(shí)間尺度的氣化爐短路混合模型，并對3種不同規(guī)模的水煤漿氣化爐進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了最優(yōu)的工藝操作參數(shù)[202]。這些研究結(jié)果為引進(jìn)水煤漿氣化裝置的優(yōu)化操作和長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的理論指導(dǎo)。

1995年，華東理工大學(xué)與山東魯南化學(xué)工業(yè)(集團(tuán))公司合作，在我國首先成功開發(fā)了水煤漿氣化噴嘴，并在Texaco水煤漿氣化裝置上得到了成功應(yīng)用，1996年5月，通過了化學(xué)工業(yè)部組織的專家鑒定。

基于大量的基礎(chǔ)研究，1995年團(tuán)隊(duì)首次提出了新型多噴嘴対置式水煤漿氣化技術(shù)方案[203]，并對水煤槳?dú)饣に囅到y(tǒng)進(jìn)行了全面創(chuàng)新，為開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1996年10月，“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)”列入國家“九五”重點(diǎn)科技項(xiàng)目(攻關(guān))計(jì)劃。華東理工大學(xué)、山東魯南化學(xué)工業(yè)(集團(tuán))公司和化工部第一設(shè)計(jì)院(現(xiàn)中國天辰工程公司)聯(lián)合攻關(guān)，于1997年建成了多噴嘴對置式水煤漿氣化爐大型冷模裝置，對爐內(nèi)流動(dòng)和混合過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究[204-209]，建立了氣化爐和氣化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[210]，為開發(fā)中試裝置和工業(yè)示范裝置的工藝設(shè)計(jì)軟件包奠定了基礎(chǔ)。1998年，兗礦集團(tuán)有限公司兼并重組魯南化學(xué)工業(yè)(集團(tuán))公司后，對中試裝置的建設(shè)繼續(xù)給予大力支持。2000年初，單爐日處理22 t煤的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐中試裝置建成(圖7，2000年，兗礦魯南化工有限公司提供)，氣化爐設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，2000年9月完成了中國石油和化工協(xié)會(huì)(現(xiàn)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì))組織的72 h連續(xù)運(yùn)行考核，2000年10月通過了中國石油和化工協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，各項(xiàng)工藝指標(biāo)全面超過了引進(jìn)技術(shù)[211-213]。

2001年，“新型水煤漿氣化技術(shù)”列入了國家“863計(jì)劃”課題，由兗礦集團(tuán)有限公司和華東理工大學(xué)共同承擔(dān)，在兗礦國泰建設(shè)2套單爐日處理1 150 t煤的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，配套24萬t/a甲醇和80 MW IGCC發(fā)電裝置。氣化裝置于2005年7月建成并首次試車成功，2005年10月正式投入運(yùn)行，2005年12月通過72 h連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行考核，2006年1月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定。同期，在國家經(jīng)貿(mào)委支持下，山東華魯恒升股份公司也采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，建設(shè)了1臺(tái)單爐日處理750 t煤的氣化裝置，配套生產(chǎn)合成氨和甲醇。工業(yè)示范裝置的運(yùn)行結(jié)果表明，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)工藝技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵設(shè)備壽命等均超過了國外引進(jìn)的同類技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)化運(yùn)行[214-216]。該技術(shù)在氣化爐結(jié)構(gòu)、燒嘴結(jié)構(gòu)、流動(dòng)與反應(yīng)耦合、高溫合成氣洗滌等方面均有重大創(chuàng)新。其工業(yè)化的成功，標(biāo)志著我國擁有了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)，打破了國外跨國公司的技術(shù)壟斷，有力支撐了我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，是我國煤氣化技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。

在國家“十一五”863項(xiàng)目、“十二五”863項(xiàng)目、“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的持續(xù)支持下，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大型化跨越。2009年6月，單爐日投煤量2 000噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在江蘇靈谷化工股份公司建成投運(yùn)，配套生產(chǎn)合成氨和尿素，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)單爐處理能力最大的水煤漿氣化裝置；2014年6月，單爐日投煤量3 000 噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在內(nèi)蒙榮信化工公司建成投運(yùn)，配套生產(chǎn)甲醇，是當(dāng)時(shí)世界單爐處理規(guī)模最大的煤氣化裝置；2019年10月，單爐日投煤量4 000噸級的多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置在內(nèi)蒙榮信化工公司建成投運(yùn)，配套生產(chǎn)甲醇和乙二醇，是迄今為止世界上單爐處理規(guī)模最大的煤氣化裝置。其后又在兗礦榆林能化建設(shè)單爐日投煤量2 000噸級廢鍋-激冷組合式多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置，已于2020-12-10投入運(yùn)行[217]。截至2020年10月底，該技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用于國內(nèi)外61家企業(yè)，在建和運(yùn)行氣化爐182臺(tái)，氣化裝置煤處理能力位列世界第一[218]。

3)晉華爐(單噴嘴)水煤漿氣化技術(shù)

自2001年，在科技部、國家發(fā)展改革委員會(huì)、國家自然科學(xué)基金委的支持下，清華大學(xué)開始研究水煤漿氣化技術(shù)，開展了從煤氣化基礎(chǔ)理論研究到煤氣化工藝設(shè)計(jì)，并聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，從氣化爐裝備制造到氣化裝置工程建設(shè)等技術(shù)開發(fā)與實(shí)踐，相繼開發(fā)出第1代非熔渣-熔渣分級氣化技術(shù)、第2代水煤漿水冷壁氣化技術(shù)和第3代水煤漿水冷壁-輻射式蒸汽發(fā)生器氣化技術(shù)[219-222]，取得了良好的工業(yè)應(yīng)用業(yè)績。

2001年，清華大學(xué)與山西豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限公司等合作，開展單噴嘴熱壁爐水煤漿氣化技術(shù)的研發(fā)，合成氣冷卻采用激冷流程。2006年1月，第1代晉華爐在陽煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司投入運(yùn)行，單爐投煤量500 t/d，配套年產(chǎn)10萬t甲醇裝置，2007年12月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定。2008年開始研發(fā)水煤漿水冷壁氣化技術(shù)，合成氣冷卻采用激冷流程，2011年8月，國內(nèi)首臺(tái)工業(yè)化水煤漿水冷壁氣化爐在陽煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司投入運(yùn)行。2015年，清華大學(xué)山西清潔能源研究院與山西陽煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司、陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、北京清創(chuàng)晉華科技有限公司等聯(lián)合開發(fā)第3代水煤漿水冷壁氣化爐，與第2代晉華爐的區(qū)別是高溫合成氣冷卻采用輻射式蒸汽發(fā)生器和激冷結(jié)合的工藝流程，2016-04-01國內(nèi)首臺(tái)采用水煤漿水冷壁耦合輻射式蒸汽發(fā)生器的工業(yè)化氣化爐在陽煤豐喜臨猗分公司投入運(yùn)行[223]。

4)SE(單噴嘴)水煤漿氣化技術(shù)

針對傳統(tǒng)煉廠制氫方法成本高、效率低等問題，結(jié)合煉廠高硫石油焦和廢棄物處理的迫切需求，華東理工大學(xué)和中國石化集團(tuán)公司合作，成功開發(fā)了SE 水煤(焦)漿氣化成套技術(shù)。該成套技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用雙煤(焦)漿雙氧長壽氣化噴嘴、兩路煤漿自動(dòng)分配技術(shù)及以平推流流場結(jié)構(gòu)為主的SE水煤(焦)漿高性能氣化爐。2014年，“SE水煤(焦)漿氣化成套技術(shù)開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用”項(xiàng)目入選中國石化“十條龍”科技攻關(guān)項(xiàng)目，在中國石化鎮(zhèn)海煉化建設(shè)3套單爐投煤(焦)量1 000 t/d的示范裝置。該裝置于2019-01-30投料運(yùn)行，2019-11-29通過了中國石油化工股份有限公司科技部組織的鑒定。目前，正在中國石化鎮(zhèn)海煉化建設(shè)單爐投煤量2 500 t/d級氣化裝置。

5)華能兩段粉煤加壓氣化技術(shù)

圖8 華能兩段粉煤氣化技術(shù)中試裝置

1997年，電力部西安熱工研究院開始研究粉煤氣化技術(shù)，建成了投煤量0.7 t/d的小試裝置，氣化壓力0.5～3.0 MPa[224-225]。2003年，提出了粉煤兩段氣化的技術(shù)方案，2004年在國家“十五”863計(jì)劃項(xiàng)目支持下，于陜西渭化建成了投煤量36～40 t/d的中試裝置(圖8，2006年，華能清潔能源研究院提供)，氣化壓力3.0 MPa，進(jìn)行了神木、華亭、黃陵、晉城、伊利等7種煤的氣化試驗(yàn)[226-228]，2006年5月通過了科技部組織的驗(yàn)收。2007年開始，在國家“十一五”863重大項(xiàng)目課題的支持下，由中國華能集團(tuán)投資，在天津建設(shè)投煤量2 000 t/d的兩段式粉煤加壓氣化工業(yè)示范裝置，配套250 MW IGCC電站[229]；2009年國家發(fā)改委核準(zhǔn)該項(xiàng)目建設(shè)，2012年4月裝置建成，氣化爐投料成功，2012年9月實(shí)現(xiàn)全流程貫通[230]，2013年4月通過科技部組織的專家驗(yàn)收，2015年6月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的成果鑒定。

6)多噴嘴對置式粉煤加壓氣化技術(shù)

1998年開始，在教育部科技項(xiàng)目支持下，華東理工大學(xué)開始研究粉煤加壓氣化技術(shù)，建立了粉煤輸送試驗(yàn)裝置和小試研究平臺(tái)[231-233]。2001年在國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下，華東理工大學(xué)和兗礦魯南化學(xué)工業(yè)公司合作，建設(shè)多噴嘴對置式粉煤加壓氣化中試裝置，氣化爐襯里采用耐火磚結(jié)構(gòu)，氣化壓力為4.0 MPa，2004年8月中試裝置建成(圖9，2004年，兗礦魯南化工有限公司提供)，同年9月底投入運(yùn)行，2004-12-09通過了科技部組織的現(xiàn)場72 h連續(xù)運(yùn)行考核，2004-12-21通過了科技部組織的專家驗(yàn)收[234-235]。2005年6月，完成了我國首次CO2為輸送介質(zhì)的粉煤加壓氣化試驗(yàn)[236]。2006年，“高灰熔點(diǎn)煤加壓氣化技術(shù)開發(fā)與工業(yè)示范”列入國家“863計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目，由兗礦集團(tuán)公司和華東理工大學(xué)共同承擔(dān)，在貴州開陽建設(shè)投煤量1 000 t/d的多噴嘴對置式粉煤加壓氣化示范裝置，下游配套50萬t合成氨和甲醇。為了配合工業(yè)化示范，建成了投煤量30 t/d的水冷壁粉煤加壓氣化爐中試裝置，于2007年7月投入運(yùn)行，2007年11月通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的72 h連續(xù)運(yùn)行考核[237]。由于依托項(xiàng)目運(yùn)行問題，投煤量1 000 t/d氣化爐制造完成后，未進(jìn)行下一步的安裝和運(yùn)行。目前，華東理工大學(xué)和山東能源集團(tuán)(原兗礦集團(tuán))合作，正在籌劃建設(shè)投煤量3 000 t/d的多噴嘴對置式粉煤加壓氣化工業(yè)示范裝置，目前已經(jīng)完成了工藝設(shè)計(jì)軟件包(PDP)的編制。

圖9 首套粉煤氣化中試裝置

7)航天爐(HTL)粉煤加壓氣化技術(shù)

2006年開始，航天長征化學(xué)工程股份有限公司開發(fā)航天(HTL)粉煤加壓氣化技術(shù)。2008年，先后在濮陽市甲醇廠和安徽臨泉化工股份有限公司建設(shè)了2套航天粉煤加壓氣化工業(yè)示范裝置，氣化壓力4.0 MPa，單爐投煤量750 t/d，配套生產(chǎn)甲醇15萬t/a，均于2008年9月建成，同年10月投料成功，2009年通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的成果鑒定[238-239]。2012年10月，在河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司建設(shè)的投煤量2 000 t/d級氣化裝置投入運(yùn)行[240-242]。2017年6月，單爐投煤量3 000 t/d級氣化爐工業(yè)示范列入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，依托山東瑞星集團(tuán)建設(shè)示范工程，該裝置計(jì)劃于2021年初投產(chǎn)。截至2020年9月，該技術(shù)已推廣應(yīng)用于國內(nèi)51家企業(yè)，在建和運(yùn)行氣化爐117臺(tái)[243]。

8)SE粉煤加壓氣化技術(shù)

2009年開始，華東理工大學(xué)聯(lián)合中國石化寧波工程公司、中國海洋石油公司開發(fā)單噴嘴粉煤加壓氣化技術(shù)(SE氣化爐)，擬在中海油內(nèi)蒙天野化工建設(shè)單爐投煤量1 000 t/ d的工業(yè)示范裝置，后因故擱置。2011年8月，中國石化集團(tuán)公司介入該技術(shù)的開發(fā)，并與華東理工大學(xué)簽署了合作協(xié)議，2012年4月完成了工藝設(shè)計(jì)軟件包(PDP)，2012年5月在揚(yáng)子石化建設(shè)單爐投煤量1 000 t/d級的示范裝置，配套煉油裝置制氫，2013年10月完成裝置中交，2014年1月裝置一次投料成功[244]，隨后又進(jìn)行了煤種適應(yīng)性試驗(yàn)研究[245]，于2014年8月通過了中國石化集團(tuán)公司科技部組織的專家鑒定。目前已經(jīng)應(yīng)用于中安煤制烯烴[246]、廣東湛江中科煉油裝置制氫、中石化貴州能化等項(xiàng)目，在建和運(yùn)行氣化爐11臺(tái)，單爐最大投煤量2 000 t/d級。

2.2.4其他氣化技術(shù)的研究開發(fā)及工程示范

近40年，國內(nèi)在重點(diǎn)研究開發(fā)固定床、流化床、氣流床等主流煤氣化技術(shù)的同時(shí)，在地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等也進(jìn)行了大量有益的探索研究。1984年以來，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位，在國家相關(guān)科技計(jì)劃的支持下，依托不同礦區(qū)進(jìn)行了多次煤炭地下氣化試驗(yàn)。2005年以來，新奧集團(tuán)聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位，建立了催化氣化、超臨界水氣化和加氫氣化的中試裝置，并完成了催化氣化和加氫氣化工業(yè)示范裝置的建設(shè)和運(yùn)行。

1)地下氣化技術(shù)的研究開發(fā)及工程示范

地下氣化最早作為煤的一種開采技術(shù)而提出，前蘇聯(lián)在煤炭地下氣化技術(shù)方面做了大量開創(chuàng)性的研發(fā)工作。1958—1962年，我國在大同、皖南、沈北等礦區(qū)進(jìn)行了自然條件下煤炭地下氣化試驗(yàn)，取得了初步的研究成果[247-248]。

自1984年，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)開始煤炭地下氣化技術(shù)的研究，建成了我國唯一的煤炭地下氣化綜合試驗(yàn)臺(tái)和測控系統(tǒng)，開展了長期的基礎(chǔ)研究，并取得了重要的研究成果[249-254]，提出了長通道、大斷面、兩階段地下氣化新工藝。1987年以來，在江蘇徐州、河北唐山、山東新汶、山東肥城、山西昔陽、黑龍江依蘭、河南鶴壁、山東新密、甘肅華亭、貴州盤江、內(nèi)蒙古烏蘭察布、陜西渭南等地完成了多次地下氣化現(xiàn)場試驗(yàn)[255-263]，為地下煤氣化技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展具有誘人的前景，但也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。從技術(shù)本身看，到目前為止仍難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，主要原因是單個(gè)工作面產(chǎn)氣量小、無法長周期穩(wěn)定運(yùn)行、污染物在地下的擴(kuò)散規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。

2)催化氣化技術(shù)研究開發(fā)及工程示范

我國從1980年開始關(guān)注并介紹國外在催化氣化方面的研究進(jìn)展[264]，煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所[265-266]、天津大學(xué)[267]、武漢科技大學(xué)[268]、安徽工業(yè)大學(xué)[269]、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所[270]、華東理工大學(xué)[271-274]、太原理工大學(xué)[275-278]、中國科學(xué)院過程工程研究所[279]、沈陽化工大學(xué)[280]、福州大學(xué)[281]等均開展了部分基礎(chǔ)研究工作。

2008年，新奧科技發(fā)展有限公司聯(lián)合中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，針對國外Exxon和GPE技術(shù)存在的問題，開展了新型催化氣化技術(shù)的開發(fā)，提出了高溫燃燒-催化氣化-催化熱解多段耦合的催化氣化分級轉(zhuǎn)化工藝路線，完成了實(shí)驗(yàn)室小試研究[282]，建成了投煤量為0.5 t/d和5 t/d中試裝置，并進(jìn)行了放大研究，于2014年通過了河北省科技廳組織的專家鑒定。2016年4月，在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗建設(shè)了投煤量1 500 t/d級的工業(yè)示范裝置。2018年9月，世界首套高壓流化床催化氣化工業(yè)示范裝置建成，并打通了工藝流程，生產(chǎn)出合格的LNG 產(chǎn)品，為煤催化氣化技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

3)加氫氣化技術(shù)的研究開發(fā)及工程示范

我國從1978年開始關(guān)注并介紹國外在煤加氫氣化技術(shù)方面的進(jìn)展[283]，華東理工大學(xué)[284-285]、煤炭科學(xué)研究院北京煤化學(xué)研究所[286]、天津大學(xué)[287]、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所[288]等也開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究。

2012年3月，新奧集團(tuán)公司正式啟動(dòng)加氫氣化技術(shù)開發(fā)工作，并聯(lián)合國內(nèi)多家高校、研究院所和工程公司進(jìn)行研究[289]。2013年建成了投煤量10 t/d中試裝置，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過3 000 h，為技術(shù)放大積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，2015年7月，通過由河北省科技廳科技組織的專家鑒定。2016年，建成了投煤量50 t/d中試裝置建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。2016年4月，新奧集團(tuán)公司在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗開工建設(shè)投煤量400 t/d工業(yè)示范裝置，2018年12月裝置建成并一次性打通全流程， 2019年9月完成72 h連續(xù)運(yùn)行，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和改造。

4)超臨界氣化

20世紀(jì)90年代初，大連理工大學(xué)郭樹才教授團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首先將超臨界水用于煤利用過程的研究[290]。2000年后，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所[291-292]、西安交通大學(xué)[293-294]等開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作。2012年，新奧集團(tuán)在河北廊坊建成了投煤量2.4 t/d的超臨界水氣化中試裝置，完成高水褐煤氣化試驗(yàn)研究，積累了大量工藝、設(shè)備和試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成煤的超臨界水氣化百噸級工藝包開發(fā)。

5)等離子體氣化

1981年，清華大學(xué)周力行教授首先向國內(nèi)介紹了煤的等離子體氣化技術(shù)[295]，但在2000年前，國內(nèi)公開文獻(xiàn)中只有對國外等離子體煤氣化技術(shù)進(jìn)展的介紹[296-298]，尚未見系統(tǒng)研究報(bào)道。太原理工大學(xué)謝克昌院士團(tuán)隊(duì)是我國最早研究等離子體煤氣化技術(shù)的科研團(tuán)隊(duì)，并取得了初步成果[299-304]，其后大連理工大學(xué)也開展了探索性研究[305]。2009年，新疆天業(yè)(集團(tuán))有限公司聯(lián)合清華大學(xué)和浙江大學(xué)等合作建成了5 MW煤等離子體裂解制乙炔中試裝置，并進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，2012年通過了科技部組織的專家驗(yàn)收。2020年，浙江大學(xué)聯(lián)合廣東粵和泰公司在新疆建設(shè)了10 MW煤等離子體裂解制乙炔示范裝置，乙炔收率在17.4%～20.8%[306-308]。

2.2.5國家科技計(jì)劃的支持

自1980年以來，國家科技重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃、國家“863計(jì)劃”、國家科技支撐計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及其他科技計(jì)劃，對煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)進(jìn)行了持續(xù)支持。特別是針對技術(shù)開發(fā)過程中暴露的基礎(chǔ)研究薄弱問題，國家“973計(jì)劃”于1999年立項(xiàng)支持“煤的熱解、氣化及高溫凈化過程的基礎(chǔ)研究”，主要涉及流化床煤氣化技術(shù)，提出先熱解后氣化的分級轉(zhuǎn)化思想[309]，該項(xiàng)目由太原理工大學(xué)和中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所為首席科學(xué)家單位，中國科學(xué)院過程研究所、華東理工大學(xué)等參與了部分課題的研究。2004年，為了進(jìn)一步推進(jìn)我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)大型煤氣化技術(shù)發(fā)展，國家“973計(jì)劃”又立項(xiàng)支持“大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)研究”，2010年國家“973計(jì)劃”再次立項(xiàng)支持“煤等含碳原料大規(guī)模高效清潔氣化的基礎(chǔ)研究”，這2個(gè)項(xiàng)目均由華東理工大學(xué)作為首席科學(xué)家單位，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、西安熱工研究院等煤炭利用領(lǐng)域知名高校和研究院所參與了相關(guān)研究，較系統(tǒng)地研究了中國典型煤種在高溫、高壓條件下氣化反應(yīng)機(jī)理、氣流床氣化爐內(nèi)多相流動(dòng)和熱質(zhì)傳遞過程的基本規(guī)律、撞擊流流動(dòng)及撞擊火焰的特征、超濃相氣固兩相流的流動(dòng)機(jī)理、高濃度水煤漿的制備與輸送機(jī)理、高溫合成氣熱量回收及細(xì)灰洗滌分離機(jī)理、過程模擬與優(yōu)化等[300-313]。這些基礎(chǔ)研究成果有力支撐了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)煤氣化技術(shù)的大型化，推動(dòng)了國內(nèi)一系列氣化技術(shù)的開發(fā)，顯著提升了我國煤氣化技術(shù)研究與工程應(yīng)用在世界的地位。

3 結(jié)語與展望

3.1 結(jié)語

煤氣化技術(shù)起源于西方，在我國也有150多年的應(yīng)用和發(fā)展歷史。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，我國對煤氣化技術(shù)的自主研發(fā)起步于20世紀(jì)50年代初，并逐漸形成了我國在煤氣化基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域引領(lǐng)發(fā)展的局面。

1)要虛心向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)，但時(shí)刻不能忘記自主創(chuàng)新

學(xué)習(xí)和引進(jìn)的目的是為了創(chuàng)新，要結(jié)合我國的自然資源條件、社會(huì)發(fā)展條件和行業(yè)發(fā)展需求消化、吸收、再創(chuàng)新。再創(chuàng)新是要針對引進(jìn)技術(shù)中存在的各類工程問題開展基礎(chǔ)研究，在扎實(shí)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上提出新思路、新方案、新技術(shù)，形成新工藝。再創(chuàng)新需要充分尊重原有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才能推動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，才能趕超世界先進(jìn)水平。改革開放42年來，煤氣化技術(shù)在我國的快速發(fā)展，充分說明了在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新的重要性。

2)扎實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究是推動(dòng)技術(shù)不斷進(jìn)步的原動(dòng)力

煤氣化技術(shù)是一個(gè)既陳舊又新穎的技術(shù)，陳舊是因?yàn)樵诠I(yè)革命后就提出了原創(chuàng)思想，有200多年的發(fā)展歷史；新穎是因?yàn)槊簹饣夹g(shù)隨著科學(xué)的整體進(jìn)步而不斷進(jìn)步，隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而不斷完善提升。從間歇進(jìn)料到連續(xù)進(jìn)料，從常壓氣化到高壓氣化，從固定床到流化床，再到氣流床，單爐處理能力不斷增加，氣化效率不斷提高，技術(shù)水平持續(xù)提升，技術(shù)進(jìn)步與基礎(chǔ)研究的深入推進(jìn)密不可分。

我國在煤氣化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究起步較晚，但進(jìn)步迅速。20世紀(jì)50年代末開始，曾開展了K-T爐等各種煤氣化技術(shù)研究開發(fā)，有不少技術(shù)思路富有創(chuàng)新性，但改革開放前30年的煤氣化技術(shù)開發(fā)和工程示范，鮮有成功的案例，重要原因之一是基礎(chǔ)研究相對薄弱，對與工程問題相關(guān)的科學(xué)原理缺乏深入系統(tǒng)研究。近40年，華東理工大學(xué)通過基礎(chǔ)研究揭示引進(jìn)技術(shù)存在的大量工程問題背后的科學(xué)原理，在煤氣化技術(shù)領(lǐng)域做出了創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)，如首創(chuàng)了多噴嘴對置式煤氣化技術(shù)，發(fā)明了合成氣分級凈化工藝、預(yù)膜式高效長壽命水煤漿燒嘴和高效蒸發(fā)熱水塔等關(guān)鍵設(shè)備，清華大學(xué)首次將水冷壁用于水煤漿氣化爐等，無不得益于扎實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，不僅解決了中國煤氣化技術(shù)從無到有的問題，也實(shí)現(xiàn)了我國煤氣化技術(shù)從弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。

3)現(xiàn)代煤化工行業(yè)快速發(fā)展是推動(dòng)煤氣化技術(shù)進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?/p>

改革開放前，我國煤氣化技術(shù)發(fā)展落后的另一個(gè)原因是行業(yè)需求不足，企業(yè)沒有成為技術(shù)創(chuàng)新的主體。實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，走向市場，企業(yè)是關(guān)鍵的一環(huán)。國內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型煤氣化技術(shù)(多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù))的產(chǎn)業(yè)化，正是由于兗礦集團(tuán)的大力支持才促進(jìn)了該技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用。煤氣化技術(shù)的進(jìn)步支撐了我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，而現(xiàn)代煤化工行業(yè)的發(fā)展又對氣化技術(shù)提出了更高的要求，從而促進(jìn)煤氣化技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

4)煤氣化技術(shù)的選擇一定要立足企業(yè)實(shí)際

每種煤氣化技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，至今還沒有適應(yīng)所有煤種的萬能煤氣化技術(shù)，企業(yè)在煤氣化技術(shù)的選擇上一定要從自身實(shí)際出發(fā)。

從技術(shù)上，原料煤的理化特性是選擇煤氣化技術(shù)的首要條件，對煤種要有充分的研究和認(rèn)識(shí)，包括煤的反應(yīng)活性、灰分高低、灰成分、灰熔點(diǎn)、半焦的熱強(qiáng)度、灰渣的黏度-溫度特性等。根據(jù)目前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，若煤種適應(yīng)水煤漿，在水煤漿氣化和粉煤氣化技術(shù)中應(yīng)優(yōu)先選擇水煤漿氣化技術(shù)。生產(chǎn)何種下游產(chǎn)品是煤氣化技術(shù)選擇的重要依據(jù)，應(yīng)根據(jù)下游產(chǎn)品配置合適的氣化工藝流程。若下游產(chǎn)品是H2(合成氨)，應(yīng)優(yōu)先選擇合成氣激冷流程，而不應(yīng)盲目選擇廢鍋流程；若下游配置IGCC發(fā)電，則應(yīng)優(yōu)選廢鍋流程；若下游產(chǎn)品是SNG，選擇固定床氣化較合理，但從長遠(yuǎn)看，將固定床和氣流床水煤漿氣化技術(shù)結(jié)合，既可解決塊煤氣化后剩余末煤的出路問題，也可解決固定床氣化廢水難處理的問題。

對于大型的煤化工裝置，能否創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，與煤氣化裝置的“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行關(guān)系密切，安全穩(wěn)定是前提，長周期滿負(fù)荷是基礎(chǔ)，優(yōu)化運(yùn)行是目標(biāo)。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上逐漸實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行，在長周期運(yùn)行的基礎(chǔ)上達(dá)到滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，優(yōu)化運(yùn)行是在安穩(wěn)長滿運(yùn)行基礎(chǔ)上追求的最終目標(biāo)。

3.2 展望

改革開放后，特別是近20年，我國煤氣化技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用取得了長足進(jìn)步，但也存在制約技術(shù)持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。技術(shù)上主要表現(xiàn)為：裝置投資偏高，系統(tǒng)效率仍有提升空間，物耗、能耗還有下降余地，微量污染物控制任重道遠(yuǎn)，含鹽廢水資源化利用亟待突破，基礎(chǔ)研究有待繼續(xù)深化。創(chuàng)新氛圍上，主要表現(xiàn)是行業(yè)自律缺乏，模仿、抄襲技術(shù)的案例屢見不鮮，侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)的事時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤氣化技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。未來煤氣化技術(shù)的發(fā)展，需加強(qiáng)以下工作：

1)通過過程強(qiáng)化，不斷提高氣化爐單位體積的處理能力，降低裝置投資

目前全世界運(yùn)行的單爐處理規(guī)模最大的氣化裝置是內(nèi)蒙榮信的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，單爐投煤量4 000噸級，氣化爐外直徑已達(dá)4.2 m，單純通過體積放大，增加氣化爐處理量，必然會(huì)受到設(shè)備尺寸的制約。因此通過過程強(qiáng)化，提高氣化爐單位體積處理能力，是氣化爐大型化并降低投資的根本途徑?；仡櫄饣夹g(shù)發(fā)展歷程：一方面，氣化爐內(nèi)平均反應(yīng)時(shí)間從數(shù)十分鐘級(固定床)到分鐘級(流化床)再到十秒級(氣流床)，反應(yīng)時(shí)間縮短，單位體積處理能力大幅增加；另一方面，從常壓氣化向加壓氣化發(fā)展，單位體積處理能力也大幅增加。能否將目前煤顆粒在氣化爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間降低到一秒級甚至更低？筆者認(rèn)為從理論上是可行的,但會(huì)面臨極具挑戰(zhàn)的科學(xué)和技術(shù)問題，需在原料制備、輸送、氣化爐結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)新，這是未來研究的重要方向。

2)開發(fā)新的單元技術(shù)，優(yōu)化工藝流程，降低系統(tǒng)物耗能耗，提升全系統(tǒng)效率

① 粉煤加壓氣化技術(shù)。粉煤加壓輸送系統(tǒng)占大部分投資，能耗也較高，開發(fā)煤粉輸送泵是工程界討論的熱點(diǎn)問題，但至今鮮有深入系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，粉煤高壓輸送技術(shù)的變革應(yīng)該引起業(yè)界重視。② 水煤漿氣化技術(shù)。煤漿中水含量是影響氣化系統(tǒng)效率的重要因素，提高煤漿濃度，可顯著降低比氧耗和比煤耗，因此開發(fā)高濃度水煤漿制備、輸送、霧化技術(shù)，是提高水煤漿氣化系統(tǒng)效率、降低物耗和能耗的有效途徑。③ 全系統(tǒng)工藝流程的優(yōu)化。由于過去20多年煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，技術(shù)需求旺盛，工程公司沒有足夠的時(shí)間和精力在流程優(yōu)化和系統(tǒng)能耗方面進(jìn)行深入的再研究和再開發(fā)，在總體工藝流程設(shè)計(jì)上因循守舊，工藝流程缺乏變革，因此，應(yīng)結(jié)合下游合成氣的變換、凈化、合成、分離等單元的具體情況，對煤氣化系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3)開發(fā)環(huán)境友好技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近零排放

煤中的有害元素在煤氣化過程中會(huì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)入合成氣、循環(huán)水或廢水和灰渣，硫、氮等有害元素的遷移轉(zhuǎn)化和控制已有成熟技術(shù)，氯和微量重金屬元素遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究方面也取得了較大進(jìn)展，但尚需轉(zhuǎn)化為解決工程問題的具體技術(shù)。目前存在的主要問題有：① 氯在系統(tǒng)的積累，造成系統(tǒng)腐蝕，特別是氯含量較高的煤種更為突出；② 汞、鉻、砷、鉛等重金屬元素在系統(tǒng)和環(huán)境中的積累，我國相關(guān)單位開展了大量基礎(chǔ)研究工作，部分技術(shù)也進(jìn)行了中試試驗(yàn)，需進(jìn)一步加大對研究工作的支持力度，建立工業(yè)示范裝置，形成先進(jìn)的微量重金屬脫除與控制技術(shù)；③ 廢水問題，固定床氣化廢水酚含量高，難以處理，是世界公認(rèn)的難題，而氣流床氣化過程中由于熔融態(tài)灰渣激冷，大量堿金屬和堿土金屬離子進(jìn)入廢水，造成系統(tǒng)中鹽分的積累，一方面會(huì)引起系統(tǒng)結(jié)垢堵塞，另一方面廢水含鹽量高，難以回收利用，我國在這方面也進(jìn)行了大量研究工作，取得了重要進(jìn)展，需要通過工程示范，形成先進(jìn)的含酚廢水處理技術(shù)和含鹽廢水資源化利用。

4)氣化系統(tǒng)要從單純的“氣化島”向“氣化島+環(huán)保島”的方向發(fā)展

煤氣化本質(zhì)上是高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化過程，決定了其不僅能實(shí)現(xiàn)煤的氣化，也可實(shí)現(xiàn)所有含碳固體廢棄物和有機(jī)廢液的轉(zhuǎn)化。因此，可通過煤氣化裝置來處理工廠自身產(chǎn)生的含碳固體廢棄物、有機(jī)廢液和工廠周邊的含碳固體廢棄物和有機(jī)廢液。協(xié)同處置廢物，將單獨(dú)的“氣化島”變成“氣化島+環(huán)保島”，是未來煤氣化技術(shù)發(fā)展的重要方向。

5)依托大數(shù)據(jù)、信息化技術(shù)，保障煤氣化裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行

依托信息技術(shù)革命帶來的技術(shù)便利，改變工廠、車間管理運(yùn)行模式，通過大數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)事故早期預(yù)警、早期處理，可大幅降低工廠故障率，提高裝置運(yùn)行率。將大數(shù)據(jù)與工藝原理結(jié)合，建立機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，提升系統(tǒng)效率，進(jìn)而建立智慧工廠，是未來發(fā)展的重要方向。

6)對新思路、新方法、新技術(shù)、新工藝研究開發(fā)進(jìn)行持續(xù)支持

我國煤氣化技術(shù)的發(fā)展尚未突破已有煤氣化技術(shù)的范疇。一方面，需要對地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等技術(shù)的研究給予持續(xù)支持，在中試和示范裝置運(yùn)行中暴露問題、解決問題，不斷提升技術(shù)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面也要關(guān)注太陽能與煤氣化的耦合、核能與煤氣化耦合等新技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)關(guān)注煤氣化領(lǐng)域可能出現(xiàn)的變革性技術(shù)苗頭，在研究上予以持續(xù)支持。

7)營造尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的良好氛圍

煤氣化技術(shù)在我國150多年的發(fā)展歷史，是互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的過程。但互相學(xué)習(xí)不等于相互抄襲，學(xué)習(xí)的目的是為了在前人和他人的基礎(chǔ)上創(chuàng)新。煤氣化技術(shù)專利商之間可嘗試技術(shù)互相許可，既能尊重保護(hù)已有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，又能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的優(yōu)勢互補(bǔ)，做到1+1>2。

致謝

本文撰寫過程得到了中國石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司檔案館、上海化工研究院有限公司檔案室、西北化工研究院檔案室、煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院檔案室、兗礦魯南化工有限公司宣傳部、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、中國科學(xué)院工程熱物理研究所、清華大學(xué)、新奧集團(tuán)公司、航天長征化學(xué)工程股份有限公司等單位的大力支持，提供了部分寶貴資料，在此深表謝意。

由于筆者學(xué)識(shí)所限，經(jīng)歷所限，時(shí)間所限，本文寫作過程中難免有所遺漏，敬請煤化工界的同仁和專家給予批評指正，不勝感激。