大型干煤粉气流床气化技术国内应用与展望

2023.05.15

贺树民匡建平姚敏刘水刚张镓铄张煜夏支文张亚宁

摘 ?????要：煤气化装置是煤化工的核心工段，直接影响着整个装置单元的稳定操作运行。本文介绍了国内外大型干煤粉气流床加压气化技术工艺流程、特点、应用参数以及在中国市场的应用现状。粉煤加压气化包括Shell炉、GSP炉、Prenflo炉、CCG炉以及国内的航天炉、神宁炉、东方炉、二段加压气流床粉煤加压气化炉。综述了上述气流床煤气化技术的特点及应用现状，并展望了气流床加压技术的应用趋势。

关 ?键 ?词：气流床;干煤粉;大型化;应用

中图分类号：TQ 546 ???????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）0004-00000845-0006

Abstract： ?Coal gasification is the most important technology in coal chemical industrial plants， which involving stable operation of the entire coal plant.plant. In this paper paper，introduces application of modern entrained-bed pressurized coal gasification technology in China was introduced， . Characteristics of technology processes， application parameters， and market are were summarized. Dry pulverized coal entrained-bed pressurized coal gasification technologies contains Shell gasifier， GSP gasifier， Prenflo gasifier， CCG gasifier out of abroad and HTG， SNG， SEG， two-stage gasifier in China. This paper summarized upon Features and application status of the entrained-bed pressurized coal gasification technology features and application statuswere summarized， the application trend is was also forecasted.

Key words： ?entrainedeEntrained-bed; dry dDry pulverized coal; largelLarge-scale; applicationaApplication

煤氣化是煤化工装置的龙头工段，是发展煤制甲醇、煤制烯烃、煤制油、IGCC发电等煤化工行业的基础，直接影响着装置下游单元的平稳运行。在众多煤气化技术中，20世纪50年代初发展起来的气流床加压煤气化技术因其煤种适应范围广，碳转化率高，液态排渣，气化压力高等优点，是现代煤基大容量、高效洁净燃气和合成气制备的首选技术[1，2]。

从煤气化的基本原理来看，气化技术的根本目的在于将固态煤，转化成为合成气。而合成气相对煤来说，更加清洁，便于运输，有利于进一步转化，除了利用其燃烧热量外还可以在化工、化学、冶炼等领域有更多的用途，见图1。当前，煤气化技术应用最广泛的两个领域是煤化工和蒸汽煤气化燃气蒸汽联合发电（IGCC）。

我国煤气化技术的研发始于20世纪50年代，“文化大革命”期间因动乱而中止[3]。1978年随着改革开放和经济发展，我国先后引进Lurgi固定床气化技术、Shell干粉煤气流床气化技术、GSP干粉煤气流床气化技术。早期引进的煤气化技术，在当时大大促进了我国经济发展。但是，由于我国煤种多元、煤质差别较大的特点，引进的煤气化技术并不完善，出现“水土不服”。目前，世界上只有我国采用种类如此众多气化技术，不成熟的引进令我国经济和环境造成严重损失[3]。40年来，针对我国多元煤质特点，在研究与开发、引进消化、技术再创新等方面做了大量工作。目前国内高校、科研院所和企业代表性的研究有：20世纪80年代，中国科学院山西煤炭化学研究所进行了灰融聚流化床煤气化过程的一系列研究和开发工作[4];“九五”期间就“IGCC关键技术（含高温净化）”立项;1999年科技部立项“973”项目“大规模高效气流床气化技术的基础研究”也已完成;华东理工大学等共同承担国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制备合成气新技术与开发”;“十五”期间，国电热工研究院等承担“863”，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺的开发[3，5];2008年北京航天万源煤化工工程技术有限公司成功开发出单炉日投煤量720t的航天炉示范装置[6];2012年神华宁夏煤业集团联合中国五环工程公司开发自主知识产权的日投煤量2200t的神宁炉干煤粉加压气流床气化技术[7]。

我国煤气化技术的研发始于20世纪50年代，“文化大革命”期间因动乱而中止[3]。1978年随着改革开放和经济发展，我国先后引进Lurgi固定床气化技术、Shell干粉煤气流床气化技术、GSP干粉煤气流床气化技术。早期引进的煤气化技术，在当时大大促进了我国经济发展。但是，由于我国煤种多元、煤质差别较大的特点，引进的煤气化技术并不完善，出现“水土不服”。目前，世界上只有我国采用种类如此众多气化技术，不成熟的引进令我国经济和环境造成严重损失[3]。40年来，针对我国多元煤质特点，在研究与开发、引进消化、技术再创新等方面做了大量工作。目前国内高校、科研院所和企业代表性的研究有：20世纪80年代，中国科学院山西煤炭化学研究所进行了灰融聚流化床煤气化过程的一系列研究和开发工作[4];“九五”期间就“IGCC关键技术（含高温净化）”立项;1999年科技部立项“973”项目“大规模高效气流床气化技术的基础研究”也已完成;华东理工大学等共同承担国家“十五”科技攻关计划课题“粉煤加压气化制备合成气新技术与开发”;“十五”期间，国电热工研究院等承担“863”，进行具有自主知识产权的干煤粉气化工艺的开发[3，5];2008年北京航天万源煤化工工程技术有限公司成功开发出单炉日投煤量720 t的航天炉示范装置[6];2012年神华宁夏煤业集团联合中国五环工程公司开发自主知识产权的日投煤量2 200 t的神宁炉干煤粉加压气流床气化技术[7]。

本文回顾了国内外粉煤加压气流床工艺技术及其在中国的应用现状。煤粉加压气化包括国外的Shell炉、GSP炉、Prenflo炉、科林炉干粉煤气化以及国内的航天炉、神宁炉、东方炉、二段加压气流床气化技术。

1 ?国外干粉煤气流床气化工艺及应用现状

1.1 ?Shell气化工艺

Shell煤气化技术起源于K-T气流床煤气化技术。1978年Shell和Koppers合作在德国建立了一套规模150t/d的中试装置。1994年在荷兰Buggenum建立了单炉2 000 t/d的Shell煤气化装置，配套253 MW的IGCC发电装置[8，9]。

图2是Shell炉气化工艺的流程简图。原煤和助溶剂（一般为石灰石）通过称重给料机按一定比例混和后（对于三高煤，一般助溶剂质量比在3%左右）进入磨煤机混磨和干燥脱水，过滤分离后，气体外排放空，分离后的干煤粉进入煤粉仓中贮存。

来自空分的氧气经氧压机加压并预热后与次高压蒸汽混合后进入烧嘴。多烧嘴采用偏角对置，形成撞击旋转流场。煤粉进入锁斗后，采用高压氮气对锁斗升压至4.2 MPa，并以氮气作为动力源输送干煤粉至气化炉主烧嘴，与氧气、次高压蒸汽混合后进入炉膛发生燃烧反应，反应温度为1 400～1 600 ℃。反应后气体和飞灰上行，炉渣通过重力下行至渣池。气体和飞灰被来自循环压缩机出口的激冷气降温至约850 ℃，通过废锅回收合成气显热后降温至350 ℃，降温后的合成气再进入陶瓷过滤器滤去飞灰[10]。一部分过滤后的合成气进入循环压缩机作为激冷气，一部分过滤后的合成气经过文丘里和碳洗塔进行湿洗除灰，处理后的粗煤气尘含量<1 mg/m3。

Shell煤气化技术起源于K-T气流床煤气化技术。1978年Shell和Koppers合作在德国建立了一套规模150t/d的中试装置。1994年在荷兰Buggenum建立了单炉2000t/d的Shell煤气化装置，配套253MW的IGCC发电装置[8，9]。

来自空分的氧气经氧压机加压并预热后与次高压蒸汽混合后进入烧嘴。多烧嘴采用偏角对置，形成撞击旋转流场。煤粉进入锁斗后，采用高压氮气对锁斗升压至4.2MPa，并以氮气作为动力源输送干煤粉至气化炉主烧嘴，与氧气、次高压蒸汽混合后进入炉膛发生燃烧反应，反应温度为1400～

1600℃。反应后气体和飞灰上行，炉渣通过重力下行至渣池。气体和飞灰被来自循环压缩机出口的激冷气降温至约850℃，通过废锅回收合成气显热后降温至350℃，降温后的合成气再进入陶瓷过滤器滤去飞灰[10]。一部分过滤后的合成气进入循环压缩机作为激冷气，一部分过滤后的合成气经过文丘里和碳洗塔进行湿洗除灰，处理后的粗煤气尘含量<1mg/m3。

液态熔渣沿着气化炉壁、下渣口掉入激冷渣池，遇水发生相变后生成玻璃状态炉渣，通过渣收集器、渣锁斗、渣脱水槽、捞渣机处理后送至渣场。过滤后的飞灰经气提并冷却飞灰贮罐后出界区。气化炉膜式壁内和各换热器由泵采用强制水循环，产生的5.4MPa次高压饱和蒸汽进人汽包，经汽水分离后进人蒸汽总管，循环使用。炉渣处理系统和湿洗系统产生的含渣灰的黑水进入黑水处理单元，经过气提澄清处理，大部分作为循环水循环利用，小部分排出界区[10，11]。

Shell气化工艺相对于其他气化工艺最显著的特点是干法除灰，大大减少了黑水、灰水处理量和整个装置的耗水量。但是，除灰单元的设备投资要求高，造价昂贵。

目前，国内应用最大Shell炉单台日投煤量为3 200 t/d，坐落在山西潞安百万吨煤制油项目，2017年年底已经投产。具体见表1所示。2018年1月，空气产品公司宣布成功收购荷兰皇家壳牌有限公司的煤气化业务及渣油气化专利技术系列。

1.2 ?GSP粉煤气化工艺

GSP气化工艺又称为Noell气化技术，1976年原民主德国的黑水泵公司成功开发出GSP 粉煤气流床加压气化技术[12～14]。2005年该技术被德国西门子成功收购。

GSP气化技术是采用干煤粉进料、纯氧气化、液态排渣、粗合成气激冷工艺流程的气流床气化技术。主要工艺系统和单元包括：备煤系统、煤粉输送系统、气化单元、粗煤气洗涤系统、渣水处理系统、黑水闪蒸系统，其工艺流程如图3所示[15]。

1.2 ?GSP粉煤气化工艺

GSP气化工艺又称为Noell气化技术，1976年原民主德国的黑水泵公司成功开发出GSP 粉煤气流床加压气化技术[12～14]。2005年该技术被德国西门子成功收购。

1-锁斗;2-进料仓;3-过滤器;4-NaOH;5-事故冷却水罐;6-缓冲罐冷却水;7、12、15、18、23、24-泵;8-气化炉;9-文丘里洗涤器;10-渣锁斗;11-澄清水储槽;13-黑水闪蒸罐;14-闪蒸气送焚烧炉;16-缓冲罐;17-蒸汽锅炉;19- NaOH泵;20-火炬;21-气液分离罐;22-激冷水罐;25-废水罐

从备煤来的煤粉（63～200μm）输送至干煤粉儲仓，煤粉通过重力作用进入锁斗，锁斗升压至4.35 MPa，两个锁斗交替向进料仓供应煤粉，煤粉输送管线为3根，输送介质为N2或CO2。

5.4 MPa饱和蒸汽和预热后氧气在主烧嘴氧气管线上混合后旋流从气化室顶部喷出，在烧嘴出口与煤粉进行充分混合与雾化，在燃烧室发生部分氧化反应，产生富含H2和CO为主以及少量CO2、H2S的高温粗合成气，气化温度约1 400～1 600 ℃，气化压力4.1 MPa（g），高温粗煤气、飞灰和液态渣下行在激冷室被激冷水冷却降温后，液态熔渣迅速固化成玻璃态渣，通过锁斗定期排至渣池，再由捞渣机捞出运出气化界区[16]。气化室外部是膜式水冷壁，主要作用是抵抗高温及熔渣的侵蚀，膜式水冷壁与承压外壳间约有50 mm间隙，间隙间充满一股流动的常温合成气[15]。

GSP气化炉存在煤粉流量波动大，气化炉投煤不稳定，点火烧嘴点火成功率低，水冷壁烧损等突出问题。

目前国内在运行的GSP气化炉规模最大为2 000 t/d，在神华宁煤集团宁东化工基地的煤制烯烃已经成功投产。具体见表2所示。：

1.3 ?Prenflo干粉煤气化工艺

与Shell煤气化技术一样，Prenflo气化炉源自于K-T气流床气化，因此在结构上与Shell气化炉相似。气化炉分为两部分，下部为气化室，气化炉水冷壁为盘管，气化室中有4个喷嘴，在同一水平面上对称布置;上部为辐射废锅，用回流冷煤气或水进行激冷，副产高压蒸汽;气化炉下部为排渣口[8，17]。图4为Prenflo气化工艺流程简图。

1-常压旋风过滤器;2-闸式料斗;3-加压料斗;4-Prenflo气化室;5-集渣器;6-锁渣斗;7，8-余热废锅;9-汽包;10-过滤器;11-集灰器;12-加压料斗;13-合成气循环机;14-洗涤塔

1997年西班牙Puertollano建成了单炉日处理量3 000 t/d的气化装置，配套300 MW的IGCC发电。目前还没有在国内应用的例子。

1.4 ?科林炉气化工艺（CCG）

与GSP气化炉一样，科林炉气化技术也起源于前东德黑水泵公司。1979 年在德国弗莱贝格建立了一套3 MW的小型中试装置，以此为基础在黑水泵市建成了日投煤量达到720 t的工业应用气化炉，气化原料煤为褐煤，生产的合成气主要用作城市燃气[18]。

图5为科林炉粉煤加压气流床气化技术工艺流程简图，过程包括备煤系统、煤粉加压输送系统、气化与激冷系统，粗煤气洗涤系统及黑水闪蒸处理等[19]。

科林炉气化技术与GSP气化技术类似。主要区别在科林炉为三烧嘴顶置下喷的形式，分为引燃烧嘴和煤粉烧嘴，三股煤粉在炉膛中心通过旋流作用相互碰撞可实现充分燃烧，而GSP烧嘴采用单喷嘴顶置。

该工艺存在煤种适应范围较宽的优点，气化温度1400～1700℃[18]。

2013年，科林炉应成功用于贵州开阳化工有限公司50万t/a吨/年合成氨项目，现成功运行两套投煤量为1500t/d的气化炉，开创了三高劣质煤综合利用的先例。见表3所示。：

2013年，科林炉应成功用于贵州开阳化工有限公司50万t/a合成氨项目，现成功运行两套投煤量为1 500 t/d的气化炉，开创了三高劣质煤综合利用的先例。见表3所示。

2 ?国内干粉煤气流床气化工艺及应用现状

2.1 ?航天炉

航天炉是由北京航天万源煤化工工程技术有限公司（后改制为航天长征化学工程股份有限公司）在2008年自主开发的干煤粉加压气流床气化技术。航天炉粉煤加压气流床气化是直接按照工艺设计建设工业化示范装置，该项技术没有经过小试、中试试验。2008年先后在安徽临泉、河南濮阳建成两套单炉日投煤量为720 t吨的工业示范装置[6]。

与GSP气化炉煤粉进料一样，单台航天炉气化炉对应三条煤粉管线。烧嘴采用低压点火的方式进行点火，渣水处理系统上锁渣阀采用双远程切断阀，合成气洗涤系统采用“一级文丘里+洗涤塔”，黑水闪蒸系统采用二级闪蒸间接换热[19， 20]。

设计工艺参数如下：气化炉操作压力3.7～4.0 MPa，气化炉操作温度1 400～1 700 ℃。

目前，航天炉是国内推广应用最多的气化炉，大型航天炉在国内推广应用见表4所示。

2.2 ?神宁炉

神宁炉是神华宁夏煤业集团和中国五环工程公司联合开发的一种具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术。2012年7月开始概念设计，2017年3月第一台神宁炉在神华宁煤400万吨/年t/a煤制油项目投料试车，2017年11月28台神宁炉全部达到满负荷运行，其中4台为3 000 t/d级，另24台为2 500 t/d级。2018年5月13日至16日，中国石油和化学工业联合会专家组对神宁炉进行72h连续运行考核，专家委员会鉴定认为：“神宁炉在3 000 t吨级单喷嘴干煤粉加压气化技术领域填补了国际空白，具有完全自主知识产权。该技术处于国际领先水平，建议加大推广力度”。

神宁炉解决了煤粉流量波动大，气化炉投煤不稳定，点火烧嘴点火成功率低，水冷壁烧损等突出问题。反应室采用盘管绕制而成的膜式水冷壁，其向火面内衬销钉和注料，采用冷却水强制循环换热副产低压蒸汽，保证了气化反应时在膜式水冷壁表面形成固态和液态渣层，实现“以渣抗渣”。外壳及环形空间侧的水冷壁管抗腐蚀性强，下降管上部采用水冷盘管进行保护;采用新型组合式烧嘴，可实现带压点火，点火成功率>98%，主烧嘴使用寿命3a年以上，主烧嘴跳车30 min分钟内可联投;并集成三合一火焰在线监测系统（火焰、温度、图像），实现气化室运行全程监控，提高了烧嘴使用寿命及操作的可靠性[21]。神宁炉具有高效的合成气洗涤分离系统，采用“两级文丘里+洗涤塔”进行分级洗涤，洗涤工艺流程短压降损失小（<0.2 MPa），洗涤塔液位稳定（波動<2%），出界区合成气正常含尘量≤0.5 mg/m3 [22]。黑水闪蒸采用三级闪蒸直接换热，闪蒸热效率高，可节约大量循环冷却水及蒸汽[23]。

2.2 神宁炉

神宁炉是神华宁夏煤业集团和中国五环工程公司联合开发的一种具有自主知识产权的干煤粉加压气化技术。2012年7月开始概念设计，2017年3月第一台神宁炉在神华宁煤400万吨/年t/a煤制油项目投料试车，2017年11月28台神宁炉全部达到满负荷运行，其中4台为3000 t/d级，另24台为2500t/d级。2018年5月13日至16日，中国石油和化学工业联合会专家组对神宁炉进行72h连续运行考核，专家委员会鉴定认为：“神宁炉在3000 t吨级单喷嘴干煤粉加压气化技术领域填补了国际空白，具有完全自主知识产权。该技术处于国际领先水平，建议加大推广力度”。

神宁炉解决了煤粉流量波动大，气化炉投煤不稳定，点火烧嘴点火成功率低，水冷壁烧损等突出问题。反应室采用盘管绕制而成的膜式水冷壁，其向火面内衬销钉和注料，采用冷却水强制循环换热副产低压蒸汽，保证了气化反应时在膜式水冷壁表面形成固态和液态渣层，实现“以渣抗渣”。外壳及环形空间侧的水冷壁管抗腐蚀性强，下降管上部采用水冷盘管进行保护;采用新型组合式烧嘴，可实现带压点火，点火成功率>98%，主烧嘴使用寿命3a年以上，主烧嘴跳车30 min分钟内可联投;并集成三合一火焰在线监测系统（火焰、温度、图像），实现气化室运行全程监控，提高了烧嘴使用寿命及操作的可靠性[21]。神宁炉具有高效的合成气洗涤分离系统，采用“两级文丘里+洗涤塔”进行分级洗涤，洗涤工艺流程短压降损失小（<0.2MPa），洗涤塔液位稳定（波动<2%），出界区合成气正常含尘量≤0.5 mg/m3[22]。黑水闪蒸采用三级闪蒸直接换热，闪蒸热效率高，可节约大量循环冷却水及蒸汽[23]。

目前3 000 t/d神宁炉是我国自主日投煤量最大的干煤粉气化炉。已经投产和签约如下表5所示。

2.3 ?东方炉

东方炉是2007年由华东理工大学牵头，联合中石化宁波技术研究院和宁波工程公司共同开发的干煤粉气化技术。气化炉结构采用对置式水冷壁，无耐火砖衬里[8，18]。最大日投煤量1 500 t，应用于中安联合化工有限公司的170万t甲醇/年项目（7台气化炉）。

3 ?发展方向

我国煤气化的发展应该顺应大型、节能、节水、运行可靠、环境友好的煤气化技术方向。加速开发出一批立足我国国情，煤炭气化的特点，开发出具有独立知识产权的、先进的粉煤加压气流床技术。根据我国“十三五”煤化工发展规划，尽快实现气流床大规模、高效化的跨越，满足为我国新型煤化工和能源转化提供龙头技术。

3.1 ?装置大型化

现代煤化工“十三五”发展指南指出，先进煤气化重点技术集中在以下四个方面：

（1）8.7 MPa高压大型水煤浆气化技术（单炉投煤量3 000 t/d）;

（2）4.0 MPa高压大型干粉煤气化技术（单炉投煤量3 000 t/d）;

（3）水煤浆水冷壁气化技术（单炉投煤量2 000 t/d以上）;

（4）单喷嘴冷壁式粉煤加压气化（单炉投煤量2 000 t/d以上）。

在这种背景下，研制大型气化炉可以减少气化炉的数量，从而降低整体装置投资。目前国内最大的具有自主知识产权的干煤粉气化炉是3 000 t/d神宁炉，已于2016年在神华宁煤400万吨/t/a年煤制油装置开始运行;华东理工大学的3 000 t/d多喷嘴水煤浆气化炉，也于2014年在兖矿鄂尔多斯能化公司开始运行。

3.2 ?废锅气流床气化技术的开發

粉煤加压气化技术因其煤种适应性好、气化效率高、环保性能优越等优点从而成为工业运行的主流技术，但该技术在节能、节水、规模化效益等方面仍然存在很大发展空间。高品位热能回收，水资源消耗少是煤气化的重要目标。采用废热锅炉系统对气化后合成气显热与熔渣相变热进行余热回收能大大提高整体能源利用效率，可使能源利用效率提高10-～15个百分点。

4 ?结论

干煤粉气流床煤气化技术因其煤种适用性广、有效气含量高、气化效率高、智能化控制等特点，成为目前煤气化技术中的主要选择。国外的干煤粉气化技术主要有荷兰的Shell气化技术、GSP气化技术、CCG气化技术;国内的干煤粉气化技术主要有航天炉、神宁炉、东方炉、华能两段式干煤粉加压气化炉等。除Shell气化技术和华能两段炉气化技术推出废锅流程外，现阶段国内干煤粉煤气化技术以激冷流程为主。相较于上述两家带废锅流程的气化技术，激冷流程气化技术具有工艺流程短，固定投资低、操作维护简单的优势;但是，激冷流程煤气化技术又普遍存在能源利用率低、水耗高的缺点，这与我国发展现代煤化工的要求存在一定差距。

因此，装置大型化和废锅气流床气化技术的开发是粉煤加压气流床气化技术的发展方向。

参考文献：

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[2]徐红东，门长贵.气流床加压气化进料技术的现状及发展趋势[J].煤化工，2007，5：13-16.

[3]王辅臣，于广锁，龚欣，刘海峰，王亦飞，梁钦峰.大型煤气化技术的研究与发展[J].化工进展，2009，28（2）：173-180.

[4]邵明亚.气化剂类型对流化床煤气化过程效率的影响分析[D]. 太原：太原理工大学硕士论文，2009.

[5]岑可法，等编.先进清洁煤燃烧与气化技术[D] .北京：科学出版社，2013.

[6]孙永才，刘伟.航天炉粉煤加压气化技术浅析[J].中氮肥，2010（2）：18-20.

[7]王国梁.神宁炉和GSP煤气化技术对比[J]. 现代化工，2017（11）：154-157.