利用高壓煤氣化技術生產(chǎn)合成煤氣，以取代天然氣作為燃料，是發(fā)展IGCC技術的一個重要內(nèi)容。

煤炭氣化技術雖有很多種不同的分類方法，但一般常用按生產(chǎn)裝置化學工程特征分類方法進行分類，或稱為按照反應器形式分類。氣化工藝在很大程度上影響煤化工產(chǎn)品的成本和效率，采用高效、低耗、無污染的煤氣化工藝(技術)是發(fā)展煤化工的重要前提，其中反應器便是工藝的核心，可以說氣化工藝的發(fā)展是隨著反應器的發(fā)展而發(fā)展的，為了提高煤氣化的氣化率和氣化爐氣化強度，改善環(huán)境。新一代煤氣化技術的開發(fā)總的方向，氣化壓力由常壓向中高壓（8.5 MPa）發(fā)展；氣化溫度向高溫（1500～1600℃）發(fā)展；氣化原料向多樣化發(fā)展；固態(tài)排渣向液態(tài)排渣發(fā)展。

1、固定床氣化

固定床氣化也稱移動床氣化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由氣化爐頂加入，氣化劑由爐底加入。流動氣體的上升力不致使固體顆粒的相對位置發(fā)生變化，即固體顆粒處于相對固定狀態(tài)，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床氣化。另外，從宏觀角度看，由于煤從爐頂加入，含有殘?zhí)康臓t渣自爐底排出，氣化過程中，煤粒在氣化爐內(nèi)逐漸并緩慢往下移動，因而又稱為移動床氣化。

固定床氣化的特性是簡單、可靠。同時由于氣化劑于煤逆流接觸，氣化過程進行得比較完全，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。

固定床氣化爐常見有間歇式氣化（UGI）和連續(xù)式氣化（魯奇Lurgi）2種。前者用于生產(chǎn)合成氣時一定要采用白煤（無煙煤）或焦碳為原料，以降低合成氣中CH4含量，國內(nèi)有數(shù)千臺這類氣化爐，弊端頗多；后者國內(nèi)有20多臺爐子，多用于生產(chǎn)城市煤氣；該技術所含煤氣初步凈化系統(tǒng)極為復雜，不是公認的首選技術。

（1）固定床間歇式氣化爐（UGI）

以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產(chǎn)合成原料氣或燃料氣。該技術是30年代開發(fā)成功的，投資少，容易操作，目前已屬落后的技術，其氣化率低、原料單一、能耗高，間歇制氣過程中，大量吹風氣排空，每噸合成氨吹風氣放空多達5 000 m3，放空氣體中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤氣冷卻洗滌塔排出的污水含有焦油、酚類及氰化物，造成環(huán)境污染。我國中小化肥廠有900余家，多數(shù)廠仍采用該技術生產(chǎn)合成原料氣。隨著能源政策和環(huán)境的要來越來越高，不久的將來，會逐步為新的煤氣化技術所取代。

（2）魯奇氣化爐

30年代德國魯奇（Lurgi）公司開發(fā)成功固定床連續(xù)塊煤氣化技術，由于其原料適應性較好，單爐生產(chǎn)能力較大，在國內(nèi)外得到廣泛應用。氣化爐壓力（2.5～4.0）MPa，氣化反應溫度（800～900）℃，固態(tài)排渣，氣化爐已定型（MK～1～MK－5），其中MK－5型爐，內(nèi)徑4.8m，投煤量（75～84）噸/h，粉煤氣產(chǎn)量（10～14）萬m3/h。煤氣中除含CO和H2外，含CH4高達10%～12%，可作為城市煤氣、人工天然氣、合成氣使用。缺點是氣化爐結(jié)構復雜、爐內(nèi)設有破粘和煤分布器、爐篦等轉(zhuǎn)動設備，制造和維修費用大；入爐煤必須是塊煤；原料來源受一定限制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復雜、流程長、設備多、爐渣含碳5%左右。針對上述問題，1984年魯奇公司和英國煤氣公司聯(lián)合開發(fā)了液體排渣氣化爐（BGL），特點是氣化溫度高，灰渣成熔融態(tài)排出，炭轉(zhuǎn)化率高，合成氣質(zhì)量較好，煤氣化產(chǎn)生廢水量小并且處理難度小，單爐生產(chǎn)能力同比提高3～5倍，是一種有發(fā)展前途的氣化爐。

2、流化床氣化

流化床氣化又稱為沸騰床氣化。其以小顆粒煤為氣化原料，這些細顆粒在自下而上的氣化劑的作用下，保持著連續(xù)不斷和無秩序的沸騰和懸浮狀態(tài)運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結(jié)果導致整個床層溫度和組成的均一。流化床氣化能得以迅速發(fā)展的主要原因在于：（1）生產(chǎn)強度較固定床大。（2）直接使用小顆粒碎煤為原料，適應采煤技術發(fā)展，避開了塊煤供求矛盾。（3）對煤種煤質(zhì)的適應性強，可利用如褐煤等高灰劣質(zhì)煤作原料。

流化床氣化爐常見有溫克勒（Winkler）、灰熔聚（U-Gas）、循環(huán)流化床（CFB）、加壓流化床（PFB是PFBC的氣化部分）等。

（1）循環(huán)流化床氣化爐CFB

魯奇公司開發(fā)的循環(huán)流化床氣化爐（CFB）可氣化各種煤，也可以用碎木、樹皮、城市可燃垃圾作為氣化原料，水蒸氣和氧氣作氣化劑，氣化比較完全，氣化強度大，是移動床的2倍，碳轉(zhuǎn)化率高（97%），爐底排灰中含碳2%～3%，氣化原料循環(huán)過程中返回氣化爐內(nèi)的循環(huán)物料是新加入原料的40倍，爐內(nèi)氣流速度在（5～7）m/s之間，有很高的傳熱傳質(zhì)速度。氣化壓力0.15MPa。氣化溫度視原料情況進行控制，一般控制循環(huán)旋風除塵器的溫度在（800～1050）℃之間。魯奇公司的CFB氣化技術，在全世界已有60多個工廠采用，正在設計和建設的還有30多個工廠，在世界市場處于領先地位。

CFB氣化爐基本是常壓操作，若以煤為原料生產(chǎn)合成氣，每公斤煤消耗氣化劑水蒸氣1.2kg，氧氣0.4kg，可生產(chǎn)煤氣 （l.9～2.0）m3。煤氣成份CO＋H2＞75%，CH4含量2.5%左右， CO215%，低于德士古爐和魯奇MK型爐煤氣中CO2含量，有利于合成氨的生產(chǎn)。

（2）灰熔聚流化床粉煤氣化技術

灰熔聚煤氣化技術以小于6mm粒徑的干粉煤為原料，用空氣或富氧、水蒸氣作氣化劑，粉煤和氣化劑從氣化爐底部連續(xù)加入，在爐內(nèi)（1050～1100）℃的高溫下進行快速氣化反應，被粗煤氣夾帶的未完全反應的殘?zhí)己惋w灰，經(jīng)兩極旋風分離器回收，再返回爐內(nèi)進行氣化，從而提高了碳轉(zhuǎn)化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系統(tǒng)簡單。粗煤氣中幾乎不含焦油、酚等有害物質(zhì)，煤氣容易凈化，這種先進的煤氣化技術中國已自行開發(fā)成功。該技術可用于生產(chǎn)燃料氣、合成氣和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，特別用于中小氮肥廠替代間歇式固定床氣化爐，以煙煤替代無煙煤生產(chǎn)合成氨原料氣，可以使合成氨成本降低15%～20%，具有廣闊的發(fā)展前景。

U－Gas在上海焦化廠（120噸煤/天）1994年11月開車，長期運轉(zhuǎn)不正常，于2002年初停運；中科院山西煤化所開發(fā)的ICC灰熔聚氣化爐，于2001年在陜西城化股份公司進行了100噸/天制合成氣工業(yè)示范裝置試驗。CFB、PFB可以生產(chǎn)燃料氣，但國際上尚無生產(chǎn)合成氣先例；Winkler已有用于合成氣生產(chǎn)案例，但對粒度、煤種要求較為嚴格，甲烷含量較高（0.7%～2.5%），而且設備生產(chǎn)強度較低，已不代表發(fā)展方向。

3、氣流床氣化

氣流床氣化是一種并流式氣化。從原料形態(tài)分有水煤漿、干煤粉2類；從專利上分，Texaco、Shell最具代表性。前者是先將煤粉制成煤漿，用泵送入氣化爐，氣化溫度1350～1500℃；后者是氣化劑將煤粉夾帶入氣化爐，在1500～1900℃高溫下氣化，殘渣以熔渣形式排出。在氣化爐內(nèi)，煤炭細粉粒經(jīng)特殊噴嘴進入反應室，會在瞬間著火，直接發(fā)生火焰反應，同時處于不充分的氧化條件下，因此，其熱解、燃燒以吸熱的氣化反應，幾乎是同時發(fā)生的。隨氣流的運動，未反應的氣化劑、熱解揮發(fā)物及燃燒產(chǎn)物裹夾著煤焦粒子高速運動，運動過程中進行著煤焦顆粒的氣化反應。這種運動狀態(tài)，相當于流化技術領域里對固體顆粒的“氣流輸送”，習慣上稱為氣流床氣化。

氣流床對煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的兼容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當今技術發(fā)展潮流。

干粉進料的主要有K-T（Koppres-Totzek）爐、Shell- Koppres爐、Prenflo爐、Shell爐、GSP爐、ABB-CE爐，濕法煤漿進料的主要有德士古（Texaco）氣化爐、Destec爐。

（1）德士古（Texaco）氣化爐

美國Texaco(2002年初成為Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收購)開發(fā)的水煤漿氣化工藝是將煤加水磨成濃度為60～65%的水煤漿，用純氧作氣化劑，在高溫高壓下進行氣化反應，氣化壓力在3.0～8.5MPa之間，氣化溫度1400℃，液態(tài)排渣，煤氣成份CO＋H2為80%左右，不含焦油、酚等有機物質(zhì)，對環(huán)境無污染，碳轉(zhuǎn)化率96～99%，氣化強度大，爐子結(jié)構簡單，能耗低，運轉(zhuǎn)率高，而且煤適應范圍較寬。目前Texaco最大商業(yè)裝置是Tampa電站，屬于DOE的CCT-3，1989年立項，1996年7月投運，12月宣布進入驗證運行。該裝置為單爐，日處理煤2000～2400噸，氣化壓力為2.8MPa，氧純度為95%，煤漿濃度68%，冷煤氣效率～76%，凈功率250MW。

Texaco氣化爐由噴嘴、氣化室、激冷室(或廢熱鍋爐)組成。其中噴嘴為三通道，工藝氧走一、三通道，水煤漿走二通道，介于兩股氧射流之間。水煤漿氣化噴嘴經(jīng)常面臨噴口磨損問題，主要是由于水煤漿在較高線速下(約30m/s)對金屬材質(zhì)的沖刷腐蝕。噴嘴、氣化爐、激冷環(huán)等為Texaco水煤漿氣化的技術關鍵。

80年代末至今，中國共引進多套Texaco水煤漿氣化裝置，用于生產(chǎn)合成氣，我國在水煤漿氣化領域中積累了豐富的設計、安裝、開車以及新技術研究開發(fā)經(jīng)驗與知識。

從已投產(chǎn)的水煤漿加壓氣化裝置的運行情況看，主要優(yōu)點：水煤漿制備輸送、計量控制簡單、安全、可靠；設備國產(chǎn)化率高，投資省。由于工程設計和操作經(jīng)驗的不完善，還沒有達到長周期、高負荷、穩(wěn)定運行的最佳狀態(tài)，存在的問題還較多，主要缺點：噴嘴壽命短、激冷環(huán)壽命僅一年、褐煤的制漿濃度約59%～61%；煙煤的制漿濃度為65%；因汽化煤漿中的水要耗去煤的8%，比干煤粉為原料氧耗高12%～20%，所以效率比較低。

（2）Destec（Global E-Gas）氣化爐

Destec氣化爐已建設2套商業(yè)裝置，都在美國：LGT1（氣化爐容量2200噸/天，2.8MPa，1987年投運）與Wabsh Rive（二臺爐，一開一備，單爐容量2500噸/天，2.8MPa，1995年投運）爐型類似于K-T，分第一段（水平段）與第二段（垂直段），在第一段中，2個噴嘴成180度對置，借助撞擊流以強化混合，克服了Texaco爐型的速度成鐘型（正態(tài)）分布的缺陷，最高反應溫度約1400℃。為提高冷煤氣效率，在第二階段中，采用總煤漿量的10%～20%進行冷激（該點與Shell、Prenflo的循環(huán)沒氣冷激不同），此處的反應溫度約1040℃，出口煤氣進火管鍋爐回收熱量。熔渣自氣化爐第一段中部流下，經(jīng)水冷激固化，形成渣水漿排出。E-Gas氣化爐采用壓力螺旋式連續(xù)排渣系統(tǒng)。

Global E-Gas氣化技術缺點為：二次水煤漿停留時間短，碳轉(zhuǎn)化率較低；設有一個龐大的分離器，以分離一次煤氣中攜帶灰渣與二次煤漿的灰渣與殘?zhí)?。這種爐型適合于生產(chǎn)燃料氣而不適合于生產(chǎn)合成氣。

（3）Shell氣化爐

最早實現(xiàn)工業(yè)化的干粉加料氣化爐是K-T爐，其它都是在其基礎之上發(fā)展起來的，50年代初Shell開發(fā)渣油氣化成功，在此基礎上，經(jīng)歷了3個階段：1976年試驗煤炭30余種；1978年與德國Krupp-Koppers（krupp-Uhde公司的前身）合作，在Harburg建設日處理150t煤裝置；兩家分手后，1978年在美國Houston的Deer Park建設日處理250t高硫煙煤或日處理400t高灰分、高水分褐煤。共費時16年，至1988年Shell煤技術運用于荷蘭Buggenum IGCC電站。該裝置的設計工作為1.6年，1990年10月開工建造，1993年開車，1994年1月進入為時3年的驗證期，目前已處于商業(yè)運行階段。單爐日處理煤2000t。

Shell氣化爐殼體直徑約4.5m，4個噴嘴位于爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質(zhì)傳遞過程，使爐內(nèi)橫截面氣速相對趨于均勻。爐襯為水冷壁（Membrame Wall），總重500t。爐殼于水冷管排之間有約0.5m間隙，做安裝、檢修用。

煤氣攜帶煤灰總量的20%～30%沿氣化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入循環(huán)煤氣激冷，激冷煤氣量約占生成煤氣量的60%～70%，降溫至900℃，熔渣凝固，出氣化爐，沿斜管道向上進入管式余熱鍋爐。煤灰總量的70%～80%以熔態(tài)流入氣化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。

粉煤由N2攜帶，密相輸送進入噴嘴。工藝氧（純度為95%）與蒸汽也由噴嘴進入，其壓力為3.3～3.5MPa。氣化溫度為1500～1700℃，氣化壓力為3.0MPa。冷煤氣效率為79%～81%；原料煤熱值的13%通過鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽；6%由設備和出冷卻器的煤氣顯熱損失于大氣和冷卻水。

Shell煤氣化技術有如下優(yōu)點：采用干煤粉進料，氧耗比水煤漿低15%；碳轉(zhuǎn)化率高，可達99%，煤耗比水煤漿低8%；調(diào)解負荷方便，關閉一對噴嘴，負荷則降低50%；爐襯為水冷壁，據(jù)稱其壽命為20年，噴嘴壽命為1年。主要缺點：設備投資大于水煤漿氣化技術；氣化爐及廢鍋爐結(jié)構過于復雜，加工難度加大。

（4）GSP氣化爐

GSP（GAS Schwarze Pumpe）稱為“黑水泵氣化技術”，由前東德的德意志燃料研究所（簡稱DBI）于1956年開發(fā)成功。目前該技術屬于成立于2002年未來能源公司(FUTURE ENERGY GmbH)（Sustec Holding AG子公司）。GSP氣化爐是一種下噴式加壓氣流床液態(tài)排渣氣化爐，其煤炭加入方式類似于shell，爐子結(jié)構類似于德士古氣化爐。1983年12月在黑水泵聯(lián)合企業(yè)建成第一套工業(yè)裝置，單臺氣化爐投煤量為720噸/天，1985年投入運行。GSP氣化爐目前應用很少，僅有5個廠應用，我國還未有一臺正式使用，寧煤集團（我公司控股）將要引進此技術用于煤化工項目。

總之，從加壓、大容量、煤種兼容性大等方面看，氣流床煤氣化技術代表著氣化技術的發(fā)展方向，水煤漿和干煤粉進料狀態(tài)各有利弊，界限并不十分明確，國內(nèi)技術界也眾說紛紜。

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