煤气化技术发展近况
李国富
（六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水553004）
摘 要：我国是一个以煤炭为主要能源且煤炭资源较丰富的国家。过去10年里，我国将近80%的煤炭用于直接燃烧，煤燃烧产生的粉尘、硫氧化物、氮氧化物等大量排放，因此将煤气化后得到清洁能源在以后资源利用与环保方面显得尤为重要。本文将综述最近几年几种煤气化技术的发展近况，并对所提到的每一种煤气化技术的利弊进行了分析，最后对煤气化工艺的研究方向进行大体的展望。
关 键 词：煤气化；Texaco 水煤浆气化技术；Shell 煤气化技术；GSP 煤气化技术；HT-L 煤气化技术 The recent technology developments of coal gasification
LI Guo-fu
(Department of Chemistry and Chemistry Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui553004,China) Abstrac:Coal is the major sourses of energy in China and China is in rich in coal ,but more than 80% coal is used for direct combustion before ten years.This lead large emission such as dust,sulfuroxides,nitrogenoxides,in this context, making coal change into clean energy is particularly important to energy using and environment protection. The paper reviewed several recent situationabout commonly used technology of coal gasification in the near few years,andthe advantages and disadvantages of each technologies were analyzed.In the end,these technologies of coal gasification direction were discussed in the paper.
Key words: coal gasification; Texaco thick liquid coal gasificationtechnology; Shell coal gasification technology ; GSPcoal gasificationtechnology; HT-Lcoal gasificationtechnology.
引言
中国是一个富煤、贫油、少气的国家。从世界当前能源形势可以看出，我国将丰富的煤炭资源转化为更多的化工产品显得尤为重要，特别是煤气化方面有待突破。煤气相对于煤炭运输储存方便，燃烧充分且燃值高，使用时产生的污染物少，经济环保。在国家数据统计局官网中，可以查询到2013年中国煤炭产量为397432.2万吨，用于加工转化的煤炭为282355.3万吨，占煤炭产量的71.045%，用于制煤气消耗的煤炭为845.6万吨，占用于加工转化煤炭的0.299%，占煤炭产量的0.213%[1]。由此可见中国的煤炭利用正朝多元化反向发展，然而用于气化的煤炭量是很少的，可见煤气化发展空间巨大，然而煤气生产和供应业投资也是巨大的。2014年全国煤气生产和供应业投资额就达2241.59亿元，煤气化发展重在突破当前的技术问题，所以研究当前的煤气化技术，将他们综合利用，进行创新就显得极其重要。 1 我国国内煤炭开发现状与国内外煤气化技术概述
1.1 国内煤炭开发现状
面对我国富煤、少气、贫油和人均能源占有量低的现状，合理开采和利用煤炭资源对我国的能源安全显得尤为重要。我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭在一次能源中所占比例超过70%，2050年这个数值可能降到40%左右。2009年，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比例分别达到了77.2%和70.3%[2]。作为一次能源，在过去的十多年中将近80%煤炭用于直接燃烧，产生的粉尘、氮氧化物、硫氧化物等影响了自然环境，如臭氧层破坏、光化学烟雾、酸雨等都与煤炭的直接燃烧相关[3]。随着日益严格的环境作者简介：李国富，（1990,02—），男，贵州毕节人，六盘水师范学院化学工程与工艺专业。
控制和co 2排放的安全限制，天然气的价格势必上涨[4]。由此看来煤炭气化的潜力和竞争力将凸显出来，这是由煤炭气化所具有的特点来决定：（1）现代煤气化技术发展得很迅速，其技术的先进性和成熟性都是从未有过的，以煤炭气化为基础的合成氨、合成化学品（甲醇、醋酸、二甲醚等）已占据很大的市场；（2）以煤炭气化为基础的联合循环发电（IGCC ）其经济竞争力已非常接近煤燃烧发电技术，更重要的是IGCC 可以达到非常严格的环境排放标准；（3）对于co 2的脱除要求，煤气燃烧前脱co 2的IGCC 的经济与天然气联合循环发电燃烧后脱除co 2相当，但明显地低于其他煤直接燃烧后脱co 2的发电技术[5]。
1.2 Texaco 水煤浆气化技术
Texaco 水煤浆气化工艺是在重油气化的基础上发展起来的煤气化技术，气化炉结构简单，进料方便、安全可靠，但喷嘴及耐火材料寿命短，物料在炉内停留时间短，气化过程中氧煤比高，耗氧量大[6~8]。Texaco 水煤浆气化工艺采用连续进料、液态排渣，利用加压气化，煤浆的压力由煤浆泵提供，氧气的压力由氧气泵提供。气化过程的压力由后续工段产生，省去了后续工段气体压缩所需的大量功耗。Texaco 水煤浆气化在高温（1400℃左右）、高压（2.0~8.5MPa）下进行生产，采用激冷流程或辐射锅炉的方式回收热量。由于锅炉的压力和温度都较高，将其热量回收可以得到不同压力等级的蒸汽以及用于联合发电等。激冷流程一
[9]般适用于合成氨的生产，辐射废锅炉流程一般适用于联合发电。
由于其进料方式简单，工程问题较少，又有重油气化经验，Texaco 水煤浆气化技术在近十几年得到了有效的利用和发展，具有较大的气化能力，目前有处理煤量达800t/d，操作压力为3.8MPa~6.5MPa，最大的一套处理煤量高达2400t/d[2]。
1.3 Shell 煤气化技术
按进料方式，Shell 煤气属气流床气化，气化过程在高温高压下进行。煤粉、氧气及蒸汽在加压条件并流进入气化炉内，在及其短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学变化过程。煤气化得到的产物以H 2和CO 2为主，CO 2含量很少，典型的SCGP 煤气化成分体积分数为：CO65%、H 230%、CO 21.6%、H 2S+COS0.3%、CH 4微量。合成气中含有原煤中80%的能量，另外15%的有效能量—蒸汽的形式获得。整个气化过程只有5%的能量损失，使煤炭得以充分利用[10~15]，简易工艺流程见图1
图1Shell 煤气化技术工艺流程图
Figure 1 Shell coal gasification technology process flow sheet
1.4 GSP 煤气化技术
GSP TM 采用干粉进料、纯氧气流床气化、液态排渣、粗合成气激冷工作流程。该流程包括备煤、气化、气体除尘冷却、黑水处理等。该技术对煤种的实应性强、气化效率高、设备制造安装周期短、投资成本低、运行成本低、开停车操作维护方便，在合成氨、碳一化工、发电、制氢和燃料合成领域的应用带来了巨大的经济效益，具有非常广阔的发展前景[10~14]。简易工艺流程见图2。
GSP 煤气化技术可将普通含盐的褐煤气化生产民用煤气，同时该装置的气化原料可以为天然气、石油、污泥和固体焦。该装置气化煤焦油等原料生产出来的合成气可用于甲醇生产及联合循环发电（IGCC ），也可用于气化生产塑料时产生的废渣。目前国内几个煤制天然气项目也在准备采用GSP 气化技术生产替代天然气[15]。
1.5 HT-L 航天粉煤加压气化技术
航天炉（HT-L ）粉煤加压气化技术属于加压气流床工艺，是在借鉴Shell 、Texaco 及GSP 加压气化工艺设计理念的基础上，由我国独创出的新型粉煤加压气化技术。HT-L 包括磨煤及干燥、煤加压及进煤气化及合成气洗涤、渣及灰水处理、气化公用工程5个单元，技术特点有，1、煤粉为原料、纯氧和过热蒸汽为气化剂；2、盘管水冷壁结构，副产中压蒸汽，高温气化；3、水冷壁自我修复式隔热结构；4、单一的顶置式组合燃烧器；5、激冷、水浴式合成气冷却；6、气化段水冷壁设置温度测点；7、设置可视化火焰监测系统；8、可靠的DCS/ESD控制系统；10、气化炉系列化。HT-L 气化简易工艺流程见图3[16]。目前已签约项目共计25个，航天炉总计62台，其中750吨级25台，1500～2000级37台；总承包项目2个；褐煤为原料煤项目2个；已运行项目共计8个；已运行航天炉共计11台；在建航天炉共计42台。
图2 GSP煤气化技术简易工艺流程示意图 Figure ⅡGSP coal gasification technology process flow sheet
图3HT-L 煤气化技术简易工艺流程示意图
Figure ⅢHT-L coal gasification technology process flow sheet
2 以上四种煤气化技术的比较及展望
2.1 四种典型气流床煤气化技术比较表
表1四种典型气流床煤气化技术比较表
Table 1 Four kinds of typical entrained-flow gasification technology
名称
比氧耗（Nm/KNm3）
有效成分CO+H2(%)
碳转化率（%）
冷煤气效率（%）
煤气热效率（%）
原料输送形式
电耗 HT-L Shell Texaco GSP 330~360 89~91 ＞99 80~83 ≈95 干粉，气体输送 低 330~360 89~93 ＞99 80~83 96 干粉，气体输送 高 410~430 78~81 ＞98 71~76 86 水煤浆，泵输送 低 330~360 89~91 ＞99 80~83 ≈90 干粉，气体输送 低
由表1可知，相比于干法气流床气化炉，Texaco 水煤浆气化炉有效成分、冷煤气效率、煤汽化热效率都偏低，而且改工艺对煤种要求高，无法实现煤种本地化。Shell 气化炉因有激冷气压缩机，电耗较高；而且水冷壁呈多段竖管排列，水路复杂，合金钢材质，制造难度大，成本较高。GSP 气化炉汁副产低压蒸汽，回收热量少[2]。
2.2 HT-L 航天粉煤加压气化技术的展望
HT-L 航天炉其综合性能尤其是它的生产转化率较高，煤种的适用范围广，燃料可以多元化，煤种可以本地化、操作较简单，工艺成熟，设备由自主生产，发展前景好。
参考文献
[1]http://data.stats.gov.cn/search.htm?s=煤炭生产量
[2]中国煤炭工业协会. 煤炭科技十二五规划.2010.
[3]杜志军. 煤炭资源的可持续发展与洁净煤技术[J].中国科技信息,2006,3:159.
[4]Neville A H Holt.Coal Gasification Research,Development and Demonstation-Needs and Opporttunities
[A].Presented at the Gasification Technologies Conference[C].San Fransico,CA,Oct,10,2001.
[5]黄戒介, 房倚天, 王洋. 现代煤气技术的开发与进展[J].燃料化学报,2002,30(5):385~391.
[6]姚月华, 陈晏杰, 江振西等.Shell 粉煤气化及Texaco 水煤浆气化模拟对比分析[J].计算机与应用化学,2012,29(1):75~79.
[7]Martelli E,Kreutz T,Carbon M,etal.Shell coal IGCCS with carbon capture:conventional gas quench vsinnovative configurations.Applied Energy,88(11):3978~3989.
[8]Bermudez A,Ferein J L,Saavedra L.Numerical simulation of group combustion of pulverized coal.Combustion and Flame ,2011,158(9):1852~1865.
[9]任永强, 韩启元. 干法进料气流床煤气气化技术的现状与发展[J].煤化工,2008,(1):1~6.
[10]邵洪兴. 煤气化技术的选择与对比[J].化工设计通讯,2009,(01).
[11]王永军. 煤气化工艺技术的选择[J].西部煤化工,2008,1:30~35.
[12]北京索斯泰克煤气化技术有限公司.GPS 煤气化技术应用[J].应用化工,2006,35:66~73.
[13]郑振安.Shell 煤气化(SCGP)的特点[J].煤化工,2003,(2):7~8.
[14]雍永祜. 展望2000年我国煤化工技术[J].煤化工,1996,77(4):3~18.
[15]许世森, 陈东亮, 任永强. 大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社,2006:243~264.
[16]http://www.coalchem.org.cn/publication/html/80020816/349.html
煤气化技术发展近况
李国富
（六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水553004）
摘 要：我国是一个以煤炭为主要能源且煤炭资源较丰富的国家。过去10年里，我国将近80%的煤炭用于直接燃烧，煤燃烧产生的粉尘、硫氧化物、氮氧化物等大量排放，因此将煤气化后得到清洁能源在以后资源利用与环保方面显得尤为重要。本文将综述最近几年几种煤气化技术的发展近况，并对所提到的每一种煤气化技术的利弊进行了分析，最后对煤气化工艺的研究方向进行大体的展望。
关 键 词：煤气化；Texaco 水煤浆气化技术；Shell 煤气化技术；GSP 煤气化技术；HT-L 煤气化技术 The recent technology developments of coal gasification
LI Guo-fu
(Department of Chemistry and Chemistry Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui553004,China) Abstrac:Coal is the major sourses of energy in China and China is in rich in coal ,but more than 80% coal is used for direct combustion before ten years.This lead large emission such as dust,sulfuroxides,nitrogenoxides,in this context, making coal change into clean energy is particularly important to energy using and environment protection. The paper reviewed several recent situationabout commonly used technology of coal gasification in the near few years,andthe advantages and disadvantages of each technologies were analyzed.In the end,these technologies of coal gasification direction were discussed in the paper.
Key words: coal gasification; Texaco thick liquid coal gasificationtechnology; Shell coal gasification technology ; GSPcoal gasificationtechnology; HT-Lcoal gasificationtechnology.
引言
中国是一个富煤、贫油、少气的国家。从世界当前能源形势可以看出，我国将丰富的煤炭资源转化为更多的化工产品显得尤为重要，特别是煤气化方面有待突破。煤气相对于煤炭运输储存方便，燃烧充分且燃值高，使用时产生的污染物少，经济环保。在国家数据统计局官网中，可以查询到2013年中国煤炭产量为397432.2万吨，用于加工转化的煤炭为282355.3万吨，占煤炭产量的71.045%，用于制煤气消耗的煤炭为845.6万吨，占用于加工转化煤炭的0.299%，占煤炭产量的0.213%[1]。由此可见中国的煤炭利用正朝多元化反向发展，然而用于气化的煤炭量是很少的，可见煤气化发展空间巨大，然而煤气生产和供应业投资也是巨大的。2014年全国煤气生产和供应业投资额就达2241.59亿元，煤气化发展重在突破当前的技术问题，所以研究当前的煤气化技术，将他们综合利用，进行创新就显得极其重要。 1 我国国内煤炭开发现状与国内外煤气化技术概述
1.1 国内煤炭开发现状
面对我国富煤、少气、贫油和人均能源占有量低的现状，合理开采和利用煤炭资源对我国的能源安全显得尤为重要。我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭在一次能源中所占比例超过70%，2050年这个数值可能降到40%左右。2009年，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比例分别达到了77.2%和70.3%[2]。作为一次能源，在过去的十多年中将近80%煤炭用于直接燃烧，产生的粉尘、氮氧化物、硫氧化物等影响了自然环境，如臭氧层破坏、光化学烟雾、酸雨等都与煤炭的直接燃烧相关[3]。随着日益严格的环境作者简介：李国富，（1990,02—），男，贵州毕节人，六盘水师范学院化学工程与工艺专业。
控制和co 2排放的安全限制，天然气的价格势必上涨[4]。由此看来煤炭气化的潜力和竞争力将凸显出来，这是由煤炭气化所具有的特点来决定：（1）现代煤气化技术发展得很迅速，其技术的先进性和成熟性都是从未有过的，以煤炭气化为基础的合成氨、合成化学品（甲醇、醋酸、二甲醚等）已占据很大的市场；（2）以煤炭气化为基础的联合循环发电（IGCC ）其经济竞争力已非常接近煤燃烧发电技术，更重要的是IGCC 可以达到非常严格的环境排放标准；（3）对于co 2的脱除要求，煤气燃烧前脱co 2的IGCC 的经济与天然气联合循环发电燃烧后脱除co 2相当，但明显地低于其他煤直接燃烧后脱co 2的发电技术[5]。
1.2 Texaco 水煤浆气化技术
Texaco 水煤浆气化工艺是在重油气化的基础上发展起来的煤气化技术，气化炉结构简单，进料方便、安全可靠，但喷嘴及耐火材料寿命短，物料在炉内停留时间短，气化过程中氧煤比高，耗氧量大[6~8]。Texaco 水煤浆气化工艺采用连续进料、液态排渣，利用加压气化，煤浆的压力由煤浆泵提供，氧气的压力由氧气泵提供。气化过程的压力由后续工段产生，省去了后续工段气体压缩所需的大量功耗。Texaco 水煤浆气化在高温（1400℃左右）、高压（2.0~8.5MPa）下进行生产，采用激冷流程或辐射锅炉的方式回收热量。由于锅炉的压力和温度都较高，将其热量回收可以得到不同压力等级的蒸汽以及用于联合发电等。激冷流程一
[9]般适用于合成氨的生产，辐射废锅炉流程一般适用于联合发电。
由于其进料方式简单，工程问题较少，又有重油气化经验，Texaco 水煤浆气化技术在近十几年得到了有效的利用和发展，具有较大的气化能力，目前有处理煤量达800t/d，操作压力为3.8MPa~6.5MPa，最大的一套处理煤量高达2400t/d[2]。
1.3 Shell 煤气化技术
按进料方式，Shell 煤气属气流床气化，气化过程在高温高压下进行。煤粉、氧气及蒸汽在加压条件并流进入气化炉内，在及其短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学变化过程。煤气化得到的产物以H 2和CO 2为主，CO 2含量很少，典型的SCGP 煤气化成分体积分数为：CO65%、H 230%、CO 21.6%、H 2S+COS0.3%、CH 4微量。合成气中含有原煤中80%的能量，另外15%的有效能量—蒸汽的形式获得。整个气化过程只有5%的能量损失，使煤炭得以充分利用[10~15]，简易工艺流程见图1
图1Shell 煤气化技术工艺流程图
Figure 1 Shell coal gasification technology process flow sheet
1.4 GSP 煤气化技术
GSP TM 采用干粉进料、纯氧气流床气化、液态排渣、粗合成气激冷工作流程。该流程包括备煤、气化、气体除尘冷却、黑水处理等。该技术对煤种的实应性强、气化效率高、设备制造安装周期短、投资成本低、运行成本低、开停车操作维护方便，在合成氨、碳一化工、发电、制氢和燃料合成领域的应用带来了巨大的经济效益，具有非常广阔的发展前景[10~14]。简易工艺流程见图2。
GSP 煤气化技术可将普通含盐的褐煤气化生产民用煤气，同时该装置的气化原料可以为天然气、石油、污泥和固体焦。该装置气化煤焦油等原料生产出来的合成气可用于甲醇生产及联合循环发电（IGCC ），也可用于气化生产塑料时产生的废渣。目前国内几个煤制天然气项目也在准备采用GSP 气化技术生产替代天然气[15]。
1.5 HT-L 航天粉煤加压气化技术
航天炉（HT-L ）粉煤加压气化技术属于加压气流床工艺，是在借鉴Shell 、Texaco 及GSP 加压气化工艺设计理念的基础上，由我国独创出的新型粉煤加压气化技术。HT-L 包括磨煤及干燥、煤加压及进煤气化及合成气洗涤、渣及灰水处理、气化公用工程5个单元，技术特点有，1、煤粉为原料、纯氧和过热蒸汽为气化剂；2、盘管水冷壁结构，副产中压蒸汽，高温气化；3、水冷壁自我修复式隔热结构；4、单一的顶置式组合燃烧器；5、激冷、水浴式合成气冷却；6、气化段水冷壁设置温度测点；7、设置可视化火焰监测系统；8、可靠的DCS/ESD控制系统；10、气化炉系列化。HT-L 气化简易工艺流程见图3[16]。目前已签约项目共计25个，航天炉总计62台，其中750吨级25台，1500～2000级37台；总承包项目2个；褐煤为原料煤项目2个；已运行项目共计8个；已运行航天炉共计11台；在建航天炉共计42台。
图2 GSP煤气化技术简易工艺流程示意图 Figure ⅡGSP coal gasification technology process flow sheet
图3HT-L 煤气化技术简易工艺流程示意图
Figure ⅢHT-L coal gasification technology process flow sheet
2 以上四种煤气化技术的比较及展望
2.1 四种典型气流床煤气化技术比较表
表1四种典型气流床煤气化技术比较表
Table 1 Four kinds of typical entrained-flow gasification technology
名称
比氧耗（Nm/KNm3）
有效成分CO+H2(%)
碳转化率（%）
冷煤气效率（%）
煤气热效率（%）
原料输送形式
电耗 HT-L Shell Texaco GSP 330~360 89~91 ＞99 80~83 ≈95 干粉，气体输送 低 330~360 89~93 ＞99 80~83 96 干粉，气体输送 高 410~430 78~81 ＞98 71~76 86 水煤浆，泵输送 低 330~360 89~91 ＞99 80~83 ≈90 干粉，气体输送 低
由表1可知，相比于干法气流床气化炉，Texaco 水煤浆气化炉有效成分、冷煤气效率、煤汽化热效率都偏低，而且改工艺对煤种要求高，无法实现煤种本地化。Shell 气化炉因有激冷气压缩机，电耗较高；而且水冷壁呈多段竖管排列，水路复杂，合金钢材质，制造难度大，成本较高。GSP 气化炉汁副产低压蒸汽，回收热量少[2]。
2.2 HT-L 航天粉煤加压气化技术的展望
HT-L 航天炉其综合性能尤其是它的生产转化率较高，煤种的适用范围广，燃料可以多元化，煤种可以本地化、操作较简单，工艺成熟，设备由自主生产，发展前景好。
参考文献
[1]http://data.stats.gov.cn/search.htm?s=煤炭生产量
[2]中国煤炭工业协会. 煤炭科技十二五规划.2010.
[3]杜志军. 煤炭资源的可持续发展与洁净煤技术[J].中国科技信息,2006,3:159.
[4]Neville A H Holt.Coal Gasification Research,Development and Demonstation-Needs and Opporttunities
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[5]黄戒介, 房倚天, 王洋. 现代煤气技术的开发与进展[J].燃料化学报,2002,30(5):385~391.
[6]姚月华, 陈晏杰, 江振西等.Shell 粉煤气化及Texaco 水煤浆气化模拟对比分析[J].计算机与应用化学,2012,29(1):75~79.
[7]Martelli E,Kreutz T,Carbon M,etal.Shell coal IGCCS with carbon capture:conventional gas quench vsinnovative configurations.Applied Energy,88(11):3978~3989.
[8]Bermudez A,Ferein J L,Saavedra L.Numerical simulation of group combustion of pulverized coal.Combustion and Flame ,2011,158(9):1852~1865.
[9]任永强, 韩启元. 干法进料气流床煤气气化技术的现状与发展[J].煤化工,2008,(1):1~6.
[10]邵洪兴. 煤气化技术的选择与对比[J].化工设计通讯,2009,(01).
[11]王永军. 煤气化工艺技术的选择[J].西部煤化工,2008,1:30~35.
[12]北京索斯泰克煤气化技术有限公司.GPS 煤气化技术应用[J].应用化工,2006,35:66~73.
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[15]许世森, 陈东亮, 任永强. 大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社,2006:243~264.
[16]http://www.coalchem.org.cn/publication/html/80020816/349.html