1.4　煤气化技术

煤制氢技术［5］包括煤的焦化制氢和煤的气化制氢。煤的焦化是以制取焦炭为主，焦炉煤气是副产品，由于中国焦炭产量巨大，所以焦炉煤气的产量也非常大，2005年焦化产生的煤气大约有1300亿立方米，如果按含氢量60%，那么就有750亿立方米的H2产生。这些H2是对氢源短缺的有益补充。

目前，利用煤制氢主要是通过煤的气化来制取H2，气化工艺在很大程度上影响着产品H2的成本和过程气化效率，研发高效、低能耗、无污染的煤气化工艺是发展煤气化制氢的前提［6，7］。煤气化技术的形式多种多样，但按照煤料与气化剂在气化炉内流动过程中的不同接触方式，通常分成固定床（也称移动床）气化、流化床气化、气流床气化等。

1.4.1　固定床气化技术

固定床气化是以块煤、焦炭块或型煤（煤球）作入炉原料，床层与气化剂（H2O、空气或O2）进行逆流接触，并发生热化学转化生成H2、CO、CO2的过程。固定床气化要求原料煤的热稳定性高、反应活性好、灰熔融性温度高、机械强度高等，对煤的灰分含量也有所限制。固定床气化形式多样，通常按照压力等级可分为常压和加压两种。

1.4.1.1　常压固定床

常压固定床煤气化技术［8］是目前我国氮肥产业主要采用的煤气化技术之一。固定床气化采用常压固定床空气、蒸汽间歇制气，要求原料为25～75mm的块状无烟煤或焦煤，进厂原料利用率低，操作繁杂、单炉日处理量少（50～100t/d）、有效气成分含量为76%，碳转化率为75%～82%，对环境污染严重。国外早已不再采用该技术，尽管我国有900余家中小型合成氨厂和煤气厂采用常压固定床气化技术，3000余台气化炉还在运行，但从气化技术发展的角度看，常压固定床气化技术已无法适应现代煤化工对气化技术的要求，属将逐步淘汰的工艺，面临着更新换代的问题。

1.4.1.2　鲁奇加压固定床

鲁奇炉（Lurgi）加压气化炉压力为2.5～4.0MPa，气化反应温度为900～1100℃，固态排渣，以块煤（粒度5～50mm）为原料，以蒸汽、氧气［比氧耗270～300m3/1000m3（CO+H2）］为气化剂生产半水煤气，有效气成分含量为50%～65%，碳转化率为95%。产品煤气经热回收和除油后，含有约10%～12%的甲烷，适宜作城市煤气。粗煤气经变换冷却、低温甲醇洗、甲烷转化后可作合成气，但流程长，技术经济指标差，低温焦油及含酚废水的处理难度较大，环保问题不易解决。与常压固定床相比，鲁奇炉有效解决了常压固定床单炉产气能力小的问题，通过扩大炉径和增设破粘装置，提高了气化强度和煤种适应性，适用于除强黏结性煤外所有煤种。同时，由于在生产中使用了碎煤，也使煤的利用率得到相应提高。目前，世界上共建有120多台鲁奇炉，国内使用该技术的有河南义马气化厂、哈尔滨依兰煤气厂、云南解放军化肥厂、新疆广汇新能源集团公司、国电赤峰化肥项目、内蒙古大唐国际克旗、山西潞安煤业集团、新疆庆华等，用途为天然气、城市煤气、合成氨。

1.4.2　流化床气化技术

流化床气化是煤颗粒床层在入炉气化剂的作用下，呈现流态化状态，并完成气化反应的过程。流化床气化以0～8mm的粉煤为原料，由于气化反应速率快，因而，同等规格的气化炉，生产能力一般比固定床高约2～4倍。另外，煤干馏产生的烃类发生二次裂解，所以出口煤气中几乎不含焦油和酚水，冷凝冷却水处理简单、环境友好。流化床气化还具有床内温度场分布均匀，径、轴向温度梯度小和过程易于控制等优点。流化床气化工艺主要包括常压Winkler、Lurgi循环流化床、加压HTW和灰熔聚技术（U-gas、KRW）等。在满足未来大规模煤气化制氢的方面，还有许多不足之处，如气化温度低，热损失大，粗煤气质量差等。

灰熔聚流化床粉煤气化［9～11］以碎煤为原料（粒度<6～8mm），以氧气为氧化剂，水蒸气或二氧化碳为气化剂，灰熔聚技术根据射流原理，设计了独特的气体分布器，有利于中央局部区域形成1200～1300℃的高温，促使灰渣团聚成球，借助质量的差异达到灰渣团与半焦的分离，在非结渣情况下，连续有选择地排出低碳含量的灰渣，提高了床内碳含量和操作温度（达1100℃），从而使其适用煤种拓宽到低活性的烟煤乃至无烟煤。有效气成分含量为70%，比氧耗和比煤耗分别为300m3/1000m3（CO+H2）和750kg/1000m3（CO+H2）。目前国内使用该技术的有城固化肥厂、晋城煤业集团、内蒙古霍煤双兴煤气化公司、河北石家庄金石化肥厂等。

1.4.3　气流床气化技术

气流床气化是用气化剂将煤粉高速夹带喷入气化炉，并完成气化反应（部分氧化）的过程。气流床气化比固定床、流化床气化反应速率快得多，一般只有几秒，因而气流床气化炉的气化强度可以比固定床、流化床气化炉高出几倍，甚至几十倍。气流床气化较典型工艺包括基于干法进料的K-T、Shell、GSP和基于水煤浆进料的Texaco、多喷嘴等。气流床气化法有很多优点，如气流床气化温度高，碳的转化率高，单炉生产能力大；煤气中不含焦油，污水少；液态排渣等。每种气化方法都有各自的优缺点，选择气化方法时，要考虑自身的条件，选用合适的气化方式制取H2。

1.4.3.1　壳牌粉煤气化技术

Shell煤气化［12］在高温（1400～1600℃）加压（3MPa）条件下进行，属干粉进料气流床反应器，煤粉、氧气及蒸汽并流进入气化炉，在极为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过程。有效气成分含量大于90%，碳转化率为99%，比氧耗和比煤耗分别为337m3/1000m3（CO+H2）和525kg/1000m3（CO+H2）。煤种适应性广，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰熔点范围比其他气化工艺更宽。对于高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应。迄今已有20余套Shell装置在中国运行，但这些装置的运转令人失望，没有一套装置达到满负荷长周期运转，暴露的主要问题有粉煤输送系统的稳定性差、下渣口阻塞、锅炉积灰等。

1.4.3.2　航天炉技术

航天炉煤气化技术［13］吸收了国外先进煤气化技术（壳牌、德士古）的优点，充分利用航天特种技术优势与航天石化装备的研发成果。其特点为采用粉煤作原料，气流床加压气化和水冷壁结构，气化压力为4.0MPa，气化温度>1700℃，满足高效利用煤炭的技术要求。有效气成分含量大于90%，碳转化率为99%，比氧耗和比煤耗分别为330～360m3/1000m3（CO+H2）和490～600kg/1000m3（CO+H2）。采用激冷流程及灰渣水循环利用等技术，能够实现合成气灰分、硫等有害元素的有效处理和灰渣的综合利用。达到洁净环保要求，全部设备国产，成套工艺技术拥有自主知识产权。目前国内有十余套装置在安徽临泉化工、黑龙江双鸭山龙煤化工、河南晋开化工、山东鲁西化工、山东瑞星集团年产30万吨合成氨路线改造项目、新乡中新化工、鄂尔多斯市诚峰石化、河南濮阳龙宇化工等企业开车。

1.4.3.3　清华炉技术

清华大学岳光溪等通过将燃烧领域的分级送风概念引进水煤浆气化技术［5］，改进火焰结构，降低喷嘴壁温，提高煤转化率，形成了分级给氧两段气化技术。反应阶段变成了脱水分和挥发分→燃烧→气化→再燃烧→再气化五个反应阶段。这是氧气分级气化技术的核心所在。其操作温度1300～1500℃，气化压力4.0～8.0MPa，煤种涉及中低变质程度烟煤、老年褐煤、石油焦，有效气成分含量为83.06%，碳转化率为98.2%，比氧耗和比煤耗分别为367.6m3/1000m3（CO+H2）和553.5kg/1000m3（CO+H2）。在山西丰喜肥业集团进行了煤处理量500t/d的工业示范。目前采用该技术的大唐集团呼伦贝尔化肥有限公司、上海惠生控股有限公司等5家大型煤气化企业已开工建设。以上为清华一代炉。清华团队再接再厉，开发出清华二代炉：水煤浆水冷壁技术。2005年第二代清华炉水煤浆水冷壁技术投入研发，工业装置于2011年8月在丰喜投入运行，首次投料即进入稳定运行状态，并全面实现了研发和设计意图。

水冷壁产生蒸汽从气化炉吸取的热量与炉外壁温降为气化炉节约的热量平衡，气体质量与耐火砖炉相当，不必每年数次更换锥底砖，定期更换全炉耐火砖，为“安稳长”运行节约投资及运行费用创造了条件，扩大了原料煤的适应性。

与现有各类型干粉给料气化技术相比水煤浆给料的稳定性毋庸置疑。同比有效气成分与干粉给料方式相当。清华二代炉安全性强：水冷壁采用热能工程领域成熟的悬挂垂直管结构，既保证了水循环的安全性又避免了复杂的热膨胀处理问题。水循环按照自然循环设计，强制循环运行，紧急状态下能实现自然循环，最大限度保证水冷壁的安全运行。清华二代炉煤种适应性强：气化温度不受耐火材料限制，可达1500℃或更高，气化反应速率快，碳转化率高，煤种适应性好，能够消化高灰分、高灰熔点、高硫煤，易于实现气化煤本地化。

清华二代炉的设备材料及制造工艺100%国产化，相对于国内运行的其他加压煤气化技术，投资节约30%～50%，为大型煤化工企业的技术选型提供了新的选择［14］。

1.4.3.4　德士古水煤浆气化技术

德士古煤气化技术［9，11］目前是比较成熟的煤气化技术之一。水煤浆经煤浆泵加压与空分氧压缩机送来的富氧一起经德士古喷嘴进入气化炉，炉内操作温度在1300～1500℃，气化炉压力最高已达8.7MPa，有效气成分含量为78%～81%，碳转化率为96%～97%，比氧耗和比煤耗分别为410～460m3/1000m3（CO+H2）和630～650kg/1000m3（CO+H2）。水煤浆技术一般要求煤的灰熔点在1350℃以下，煤种的灰含量以空气干燥基计低于13%，煤内水含量应低于8%，还有一个关键的指标是煤的成浆性，希望煤浆浓度在60%以上。适用于中低变质程度烟煤、老年褐煤、石油焦等，对煤的性状如粒度、湿度、活化性和烧结等较不敏感，任何能制成浓度可输送浆料的含炭固体都适用。我国首家引进德士古煤气化技术的是山东鲁南化肥厂，国内目前使用水煤浆气化的工厂已经超过了20家。

1.4.3.5　四喷嘴煤气化技术

四喷嘴煤气化技术［15］是由华东理工大学借鉴了德士古水煤浆气化的基本原理而开发的技术。水煤浆通过对置的四个喷嘴喷入气化炉完成煤的气化反应，改变了炉内气流的流场，湍流程度加强，使得煤粉与气化剂的反应更完全。因而煤耗和氧耗均低于德士古气化法。有效气成分含量约为83%，碳转化率大于98%，比氧耗和比煤耗分别为380m3/1000m3（CO+H2）和550kg/1000m3（CO+H2）。当负荷太低时，可以只使用一对喷嘴进行操作，调节更灵活。该技术近年来发展迅速，开工及正在建设的企业已达近30家。