第36卷第1期
2021年1月
煤 质 技 术
COAL QUALITY TECHNOLOGY
Vol. 36 No. 1
Jan. 2221
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程晓磊，张鑫.现代煤气化技术现状及发展趋势综述[J ]・煤质技术，2221, 36 (1)： 1-9. CHENG Xiaolei, ZHANG Xin. Summary of present situation and development trend of moOern coni gasification tech-nolooy [J]. Cool Qaalite Technology, 2221, 36 (1) ： 1 -9.
程晓磊1,2,3，张鑫12
(1煤科院节能技术有限公司，北京 10213； 2煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100213；
矿用运人车6.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京100213)
摘 要：作为煤炭清洁高效利用的重要组成部分，现代煤气化技术发展迅速，气化工艺呈现多样 性发展态势，即煤气化工艺具有多样性和适应性。通过对固定床、流化床、气流床等主流煤气化
技术的工艺特点、应用范围、应用推广情况进行对比和论述分析，并从煤种适应性、气化过程热 量回收、低压中小规模制燃气、数值模拟方法、气化灰渣综合利用等方面分析了技术应用现状和 发展
趋势，以期为现代煤化工技术的发展提供参考。气化工艺的选择应根据煤质条件、应用场 景、工艺需求等方面综合考虑选取；煤种适应性方面应重点研究灰分和灰熔融温度及硫含量均高
的煤、高碱煤、有机固废等含碳能源的气化技术应用；气化过程实现全热量回收、副产蒸汽，可 提高系统热效率和运行经济性；工业燃气市场广阔，系统具有低压、中小规模、工艺简单、灵活
操作等特点；气化炉技术开发和优化应综合使用计算流体力学、有限元、流固耦合等先进数值模 拟方法以提高开发效率；气化灰渣应通过分离等方法实现资源化、减量化应用。需重视煤气化制
志愿预测
取化工原料气和燃料气的市场，煤制取燃料气行业主要以中等规模、低压系统、灵活操作、低投
资和运行成本为目标。煤气化技术发展需在拓展煤种适应性、提高系统余热利用效率、促进灰渣
及废水等的资源化处置与利用、使用先进数值模拟方法系统优化设计开发等方面不断开拓和持续
进步，以最终形成高效、环保、经济和安全的先进气化系统。
关键词：煤气化技术；固定床；流化床；气流床；气化工艺；煤种适应性；数值模拟；灰渣资源化
中图分类号：TQ54
压花辊
文献标志码：A 文章编号：1027-7677 (2221) 21-021-29
Summary of present situation and development trend of modern coal
gasification tecOnology
CHENG Xiaolet 1'23, ZHANGXin 1'2，
(1. China Coal Research Institute Company of Energy Conservation , Beijing 100013, China ；
2. State Key Laloratorg f Con! Mining ang Clenn Utilization , Beijing 100013 , China ；
6. Nationni Energy Techaolofy & Equipment Laloratorg f Con! Utilization ang Emission Control , Beijing 130013 , Chinn )
AbstrncO : As on imponani pan of clenn and efficieni coai utilizatioo technolooy , mooem coai yasifcatioo technolooy
is develooiny mpidiy and diverseiy , coai yasiZcatioo process -ns diemity and anantanility. By compariny and analy- zinn the process characteOsticc , anplication scopn anO anplicatioo pm
motioo of mainstream coai yasificatioo technolo- yins ( sec-i ss fixed in , fluidizen in nd entrainen flow in ) , thn anplication status and 411001X111 trend of
收稿日期：2022-07-15
责任编辑：傅 丛 DOI ： W. 3699/j. isss. W07-7777. 2221. 01. 001
基金项目：天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项国际合作项目(2022-2-GJHZ005)；煤科院节能技术有限公司科技发展基金资
助项目(2022JNCX01-06)
作者简介：程晓磊(1/6—)，男，河北邯郸人，副研究员、博士 ，主要从事煤粉高效清洁利用研究。E-maii ： ca e nyxl322@122.
oom
2煤质技术2021年第36卷
technologies were analyzed from aspects such as coal type adaptability,full heat recovery in gasificat
ion process,low -pressure medium ana smalt scale gas p roVcction,nnmeycot simulation mdhoV ana compredeasive gasification nP utilization.Therefore,the refereaca Un acCopment of innusthal technoloap can ba proviVed.The selection of gasification technolovp sPonlO bc baseC on coo I quality conaitionc,anplication scodayoc ant procesc yqlUymntP In termc of coat anantanility,it it aecessare to focac on gpiUcPion techaoloop Un coat witli high asP ant asP fusion temperature anU sulfuy conUdt,high dadti coat,sopn wdstc p C othny caeoa containina sonreei.Thc redlization of total heat recover to pronuco steam in gpiUcbion procesi can improve thn thermat efUcmaco ant opnation ecoaomp of thn system.Tha inCustrial Uid gai marod is broad,thn system has characteastics suc O i ai low prei-suro a smaH anU meaium scala,simptn procesi anU Uexibtn oneration.AUvencea nameacat simulation methonc suc O i ai computationat U ui U Uyzamics,Unitn eomeat ant U ui U so PU cenplma sUonla ba csea in thn Uevelonmedt ant optimization of gdsifia technoloap i improve thn Uevelopmedt efficieaco-Gasification p P ant slaa s P op IU bc seaaratea O c realian resonreo utilization ant reductiop.It is aecessare to pap atteahon to thc marael of coat gasification whicO pre-Uucns ceemicat raw mdUOm gai anC fd gai.Thc coat to Uid gas macstre maintp aimi at mCiiim scatn,low prei-SPre system,Uexiblc oneration.low investmeat anC oneration cost.Thc Uevelonmeat of coat gasification techaoloap ncas to expanC t Uc anantanilito of coat,improve tUn utilization efficieaco of system wnh heat.pomoh tUn resonree Uisposdt anC utilization of asP anC waste wateo,
anC usp anveccea nameycat simulation methoC to optimizn tUn Uesiac anC Uevelonmeat of the system.Finaltp,an anveccea gasibcation system with high,eavironmeatat protection,economy anU safety can be formea.
Key words:coat gasification mchaoUay；UxC bC;UuiUizea bC;eatraicea Uow bC;gasification procesi;coal type anantanibty;namericat simulation;asP recpclina
0引言
煤炭在我国能源消费结构中仍占据基础地位，根据2222年《BP世界能源统计年鉴》，中国2219年煤炭消耗量为28亿t标准煤，占能源消耗的比重为57.7%。在煤炭消耗量比去年下降95%的条件下，现代煤气化技术作为煤炭清洁高效利用的代表性技术之一⑴，化工用煤消耗量增加9%，煤气化行业发展呈现良好的态势。
煤气化技术涉及到复杂的传热、传质、两相流动、化学反应的过程。根据不同的工艺条件、应用场景、处理原料、气化介质性质、反应器结构，形成了数百种气化技术，真正在用的也有数十种技术［2-］o我国是拥有煤气化炉技术数量和种类最多的国家，几乎主流气化技术在国内均有应用，国内也在积累丰富运行经验的基础上开发了大量具有自主特的煤气化技术，也形成了良好的推广应用态势。根据技术应用特点和范围的不同，大体上可将现代煤气化技术分为碎煤固定床气化技术、流化床
气化技术、气流床气化技术3种。碎煤固定床气化技术处理约5mm-80mm粒径碎煤，代表性技术包括BGL熔渣气化⑷、UGI气化、鲁奇褐煤加压气化⑷和碎煤移动床气化等；流化床气化技术处理粒径约（2~12）mm的粉煤，代表性技术包括U-gas灰融聚［7\温克勒气化（恩德炉）0、中科合肥循环流化床气化KEDA流化床［19\黄台炉等；气流床气化技术又可分为干粉气化和水煤浆气化2种技术，其中干粉气化代表性技术有AP 公司干煤粉炉（Shell炉严、GSP炉［19\HT-L 航天炉少］、WHG五环炉皿、神宁炉”］、华能两段炉］、科林炉（CCG）99和SE-东方炉口2〕等，水煤浆气化代表技术有AP水煤浆气化（原德士古、GEGP气化）21］、晋华炉［22-26］、MCSG多元料浆气化①］、多喷嘴气化炉炉5等。
由于我国煤质的多元化特点，煤种繁多，国内煤气化技术也正在不断优化工艺以拓宽煤种适应性；在原料适应性方面，除了采用煤作为原料，有机固废、垃圾、废液、兰炭等非煤原料气化技术也在不断拓展；随着节能环保要求的逐渐提高，煤气化过程全热量回收、副产蒸汽已成为提高气化炉能源综合利用效率的发展方向；气化过程中产生的飞灰处置技术也在逐步发展，有配置飞灰焚烧炉、精准分离利用等资源化利用方法；随着煤气化数值仿真技术的完善和发展，在气化炉本体设计、熔渣结构设计和优化方面，数值模拟技术逐渐成为了技术开发过程中的重要组成部分；在“大煤化工”不断发展的前提下，定位于低压、中小规模的煤气化制工业燃气，在化工、陶瓷、冶金、玻璃等行业的
第1期程晓磊等：现代煤气化技术现状及发展趋势综述3
应用也呈现快速发展的态势。
通过初步梳理总结目前煤气化技术的应用推广情况，以下对气化炉技术在原料适应性、产品多样化、能量回收技术、先进开发技术等方面的应用现状和发展趋势进行论述，以期能为煤气化技术的发展应用提供部分参考。
1煤气化技术应用现状
近年来，煤气化技术的应用日益广泛，主要行业包括煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙醇、合成氨、煤制燃料气等行业。截至2018年，全国共形成煤制油企业8家、煤制天然气企业4家、煤制烯烃企业28家、煤制乙醇、乙二醇企业22家。此外，应用于合成氨、煤制燃料气等行业的中小规模煤气化炉接近10000台。由于应用原理的不同，固定床气化、流化床气化和气流床气化分别有其技术特点和应用场景。
1.1气流床气化
气流床气化技术反应温度高（最高温度可达1700七），原料适应性广，褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦、兰炭、焦炭等均可适用，此外对于水煤浆锅炉还可采用有机废液、废油、危废、垃圾飞灰等含碳原料；由于反应温度高，且多为高压条件下运行，大分子物质可被完全裂解和转化，产气中不含酚类
、芳烃类物质，气化过程清洁高效，无二次污染；系统碳转化率最高可达99%以上。典型气流床气化技术的合成气成分见表8对于干煤粉气化技术，合成气中有效气成分可达到90%左右；对于水煤浆气化技术，合成气中有效成分大于80%。
表1气流床气化炉的典型气体成分
Table1Typical gas composition for entrained-flow bed gasifier
项目H/%CO/%冋/%CO?/%N?/%热值/(MJ-Nm-)干煤粉831.558—65245011.34
干煤粉222〜2865〜70—3〜81〜2—
干煤粉329.462.30.1025855311562
干煤粉419.5700.52654050311565
低压干煤粉1〜2555〜68—4-10——
水煤浆134.545.50.118.405310518
水煤浆233〜3843〜44—10〜19——
水煤浆330460.110〜22—1052
气流床气化技术在国内首先从Shell、GSP等国外技术应用开始，在引进、消化、再吸收的同时开发了大量具有自主知识产权的气流床气化技术，并在近年来大规模推广应用，其主要企业推广应用情况见表2。分析目前的技术应用情况可知，气流床气化技术正朝着大型化、高参数、宽燃料适应性等方向发展。目前主流技术单台原料处理量在2000t/d量级，3000t/d~4000t/d处理量级的气化炉各厂家或处于工业示范阶段、或处于开发阶段；气化炉操作压力高，相同处理量时气化炉体积减少，时空效率提高，高压力也是气流床气化炉开发的方向，干煤粉气化技术受限于干粉供料技术的限制，目前最高操作压力为6.5MPa，而水煤浆气化技术供料相对成熟，最高操作压力可达85MPa；在气化原料的适应性方面，除传统的烟煤、无烟煤、褐煤等煤种，具有高灰分、高灰熔融温度、高硫分、高碱含量等特点的劣质煤以及生物废料、煤制油残渣、劣质油等原料也有相关应用。11固定床气化
固定床气化技术一般采用块煤（焦煤、半焦、无烟煤等）或成型煤，与气化剂逆流接触反应。固定床技术相对比较成熟，目前新开发连续制气方式以替代过程复杂的间歇式气化（UGI炉），其工艺流程简单、气化效率高。典型固定床气化炉的产气成分见表3。
固态排渣技术的反应温度偏低（约为1000T），由于产气中CH4含量高，可降低甲烷合成的负荷，适用于煤制天然气行业。由于合成气热值高，适用于煤制燃料气和原料气；熔渣气化反应温度高，其反
应效率高，合成气成分可接近气流床气化技术，气化过程中会副产焦油、酚类等物质，需要配置相关的处理和回收设备。
4煤质技术2221年第36卷
表2气流床气化技术推广应用情况（不完全统计）
Table2Popularization and application of entrnined-Oow bet yasiocation technology(iocampletc statistics)
气化炉技术煤种
压力/
MPa
气化炉直
覆盖膜径/m
电子蜡烛灯
单台最大处理量/
（id-）
单台有效气产量/
（Nm6-I-）
数量/个
总处理能力/
（万/a-）
科林CCG 褐煤、烟煤、无烟
煤、石油焦等
23-4.027-4.0775-600045000〜20000022606
神宁炉褐煤、烟煤、无烟煤等 4.0-4.3—2000〜3000166-145461606 HT-L航天炉褐煤、烟煤、无烟煤等 4.0-6.3—1000-60005-26111907 AP公司（GE）褐煤、烟煤、无烟煤等〜4.2—77〜3220-22946907 WHG五环炉褐煤、烟煤、无烟煤等 4.0—1271560.4 SE-东方炉褐煤、烟煤、无烟煤等 4.
0-6.0—2-51411107科达气流床KDJN褐煤、烟煤、无烟煤等-106—15-15—20.06
AP公司（德士古）
水煤浆
烟煤、无烟煤、
低阶煤、石油焦等
4.0〜6.0—616921626
MCSG多元料浆煤、焦粉、残渣、废液等 1.0〜7.0—6—22209
晋华炉水煤浆褐煤、烟煤、无烟煤等-607206-402615-16529409
多喷嘴水煤浆褐煤、烟煤、无烟煤等 1.5〜6.0—12-4—15232.0 SE水煤浆褐煤、烟煤、无烟煤等 6.5—1-65-1566009
表3固定床气化炉典型气体成分
Table3Typical gas composition for fixeC-bed gasiOer
项目比/%CO/%冋/%co?/%烃类/%不可燃/%热值/(MJ-Nm-)干排渣16905150611096106——11074干排渣26726624——11044熔渣气化326567405005213.1熔渣气化2676766——16047
移动床纯氧气化444010616——11067
目前，固定床气化技术在煤制天然气、煤制油、煤制燃气和原料气、煤制合成化学品、煤制氢等方面均有相关的应用。主要企业推广应用情况见表4。固定床气化炉技术单台锅炉处理量小于气流床气化技术，一般在百吨量级，最大在1002t/d 左右，操作压力最高为7MPa。
表4固定床气化技术推广应用情况(不完全统计)
Table4Popularization and application of OxeV beV gasiOcation technolooy(iecampletr statistics)
气化炉技术煤种压力/
MPa
气化炉直
径/m
单台最大处理/
（id-）
单台有效气产量/
（Nm6-I-）
数量/个
祛痘除皱美白面膜素
总处理能力/
（万/a-）
赛鼎碎煤加压干排渣褐煤、长焰煤、
无烟煤等
6-46064-5420-16004000-12200016516
BGL熔渣气化褐煤、长焰煤、
无烟煤等
205-7102-606220-1220—41402
T-G移动床纯氧连续气化无烟煤、烟煤、
型煤、兰炭等
001602-60613513000590.0
低压纯氧连续气化
昌昱炉
无烟煤、兰炭等001206-60240-1606000-130002416
晋煤集团无烟块煤气化技术不黏煤或弱黏结
性煤
205-605——2000〜11000示范建设—
第1期程晓磊等：现代煤气化技术现状及发展趋势综述5
11流化床气化
流化床气化技术目前的应用以循环流化床为代表，系统使用（0~1）mm的粉煤，原料成本低；生产过程中无焦油、酚类物质生成；富氧/纯氧气化技术、加压气化技术的开发，也使流化床气化技术的应用范围在逐步拓展。流化床气化炉典型气体成分见表5，常压空气气化时可燃气体成分接近55%，加压富氧条件下可达到80%以上。
流化床气化技术使用的原料主要包括烟煤、褐煤等，主要应用场景为钢铁、氧化铝、焦化、陶瓷等行业工艺需求的中低热值工业燃气，也可将其作为合成氨的气头使用。流化床气化技术的主要企业推广应用情况详见表6，由此可见流化床气化技术目前的应用以常压技术为主，单台气化炉处理量通常为数百t/d量级，最大单台处理量为1000t/d 左右。
表5流化床气化炉典型气体成分
Tablr5Typical gas composition fra fluiCized-bed gasifra
项目H/%CO/%阻/%CO?/%烃类N/%热值/(MJ-Nm-)常压空气流化床119〜2320〜262〜38-12—45〜49〜5常压流化床220-3318〜311〜38〜19—15〜5。5〜1常压流化床321214———659
常压富氧流化床26〜2926〜4 1.5-51〜17——02〜11加压流化床32-4438〜55 1.5〜2.512〜1——〜11
表6流化床气化技术推广应用情况(不完全统计)
Tabla6Popularizetion and application of ruiCized-bed gasiCcation technology(incampletr statistics)
气化炉技术煤种压力/MPa 单台最大处理
量/（（-d-）
单台有效气产量/总处理能力/
（万/d-）
(Nm3•e-)
数量/个
黄台炉褐煤、烟煤050515。〜8015-855255 KEDA流化床烟煤、次烟煤、褐煤常压10-8001-883253中科合肥烟煤、次烟煤、褐煤05025〜120015-8120.5中科清能烟煤、次烟煤、褐煤0502〜5502-840.
07加压循环流化床烟煤、次烟煤、褐煤 1.5-6004210506恩德炉烟煤、次烟煤、褐煤常压-6001-641151
总体而言，煤气化技术发展相对较为成熟，煤气化技术应用推广的主要制约在于运行成本和环保限制方面。不同气化领域的成本敏感性不同，煤制油企业主要受国际油价影响，煤制油的盈亏平衡点一般在50~66美元/桶，煤化工和石油化工的竞争也同样受油价影响；煤制天然气和燃料气方面，在目前的煤价条件下，制气成本相比天然气价格便宜44%~60%，主要受废水、废液、飞灰、烟气等环保方面的限制。目前在用的煤气化技术各有特点及其适用性，并不存在某种气化技术能够统占市场。应根据气化技术的用途、原料来源和性质、副产品、环保、建设成本、运行成本等方面因素综合考虑，从而选择合适的煤气化技术。
2煤气化技术发展趋势
结合煤气化技术的特点和国内应用过程中的问题，煤气化相关技术的发展可从拓展燃料适应性、气化过程热量全回收、气化飞灰处置、煤气化数值模拟仿真和低压中小规模气化制燃气等方向开展，为煤气化技术的进步奠定基础。
21煤种适应性
在采用烟煤、无烟煤、褐煤等常规煤种作为气化原料之外，“三高”煤、高碱煤、有机固废危废等原料的利用也在逐渐增加。
具有高灰分、高灰熔融温度、高硫含量特点的“三高”煤，在我国煤炭资源中占有重要地位，但其反应性及结渣性差，用作气化煤种时需进行相应的技术改进“2〜8，其中包括：与优质煤进行混煤使用；掺入石灰石、石英砂等黏土助熔剂以改善煤灰黏温特性及灰熔融温度，从而改善液态排渣过程；优化煤粉烧嘴流场和气化炉结构，使物料返混更充分；扩大气化炉排渣口；针对无烟煤硬度高的
