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（中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116）
改性沥青稳定剂摘要：煤气化技术是煤化工产业重要的支柱技术，关系到整个化工装置的正常运转。本文按照煤气化床型分类标准，介绍了固定床、流化床及气流床气化技术，并对其典型气化工艺技术进行了分析。提出了煤气化技术应用时应与原料煤及下游产品相适应的建议。
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关键词：煤气化、固定床、流动床、气流床
引言
煤气化技术在化工行业中具有十分重要的地位，是现代煤化工的基石[1]。煤在高温下，与氧气、水蒸气和二氧化碳等气化剂反应生成合成气，以合成气为原料可以生产煤制天然气、甲醇等一级产品，以甲醇为原料可以进一步生产乙烯、丙烯等重要的低碳烯烃。作为煤化工产业的基础装置，煤气化装置具有可靠性要求高、初期投资高、技术难度大等特点[2]。随着研究的深入，煤气化技术日渐健全、种类繁多、各有优劣。根据各种煤气化技术的特点和适用场合，选择与工艺匹配的煤气化技术成为工业应用的重点。 煤气化技术的应用已有百余年的历史，随着研究的不断深入，煤气化技术的种类也越来越多。按气化压力可以分为高压、中压、低压和常压气化；按气化温度可以分为高温和低温气化；进料状态可以分为块煤、干煤粉、水煤浆进料；按床型可以分为固定床、流化床、气流床；按炉壁保护方式可以分为耐火砖、水冷壁等；按烧嘴布置方式可以分为单烧嘴和多烧嘴技术等。下文对一些煤气化工艺进行简述。
1.固定床气化技术
固定床气化炉也称为移动床气化炉，是最早应用的气化技术。固定床使用一定块度的煤作为原料。煤料由顶部加入气化炉内，从上到下依次经过干燥层、干馏层、还原层以及氧化层，形成的灰渣由底部排出[3]；气化剂从底部进入气化炉，与煤料逆流接触，生成的合成气从顶部出来进入下一工段。因固定床床层有一定的空隙以便气化剂通过，故煤料的粒度、热稳定性、粘结性和机械强度等指标要求较高。 固定床气化炉内温度随着床层高度的增加而降低，在轴向上分布不均匀。合成气的组分中苯、酚、焦油等含量较高。根据气化炉内压力的高低可以分为常压固定床气化和加压固定床气化；根据灰渣的形态可以分为固渣固定床和熔渣固定床。具有代表性的气化炉有Lurgi加压气化炉、UGI常压气化炉以及英国燃气公
司-Lurgi熔渣气化炉（BGL炉）等。
1.1固渣固定床气化技术
德国Lurgi公司于20世纪30年代开发出碎煤加压固定床气化炉，即第一代鲁奇炉，最大直径2.6m，主要使用褐煤作为气化原料[4]。第二代鲁奇炉于20世纪60年代研发成功，改善了煤种适应性，可以使用弱黏结性烟煤作为气化原料。第三代鲁奇炉适用于褐煤、弱黏结性煤和不黏结性煤作为气化剂。煤料破碎筛分，粒度为5~50mm的煤粒间歇加入到气化炉中，煤料在气化炉内停留1h后，通过底部炉篦向气化炉内输送并均匀分布气化剂，反应后，合成气由炉顶排出，固态灰渣则通过排渣系统间歇排出。
鲁奇炉一般使用非黏结性煤作为原料，粒度在5~50mm之间[5]。煤料需具有一定的热稳定性和机械强度。鲁奇固渣固定床气化炉具有技术成熟、经济性好、操作稳定和煤种适应性好的优点。
1.2熔渣固定床气化技术
熔渣固定床气化技术由固态排渣固定床气化技术衍生而来，该气化技术兼顾固定床和气流床气化的特点。该气化炉的气化床层从上到下除了有干燥层、干馏层、还原层和氧化层外，在炉内底部增加了熔渣层[6]。熔融态灰渣通过水冷壁熔渣出口排出炉外。由于采用熔融态排渣，气化温度允许高于煤灰熔点，成功解决了低灰熔点的煤料不能用于鲁奇炉的问题，进而提高了鲁奇炉的煤种适应性。
与固态排渣技术相比，熔融态排渣技术具有以下优点：①碳转化率高、气化效率高。相比于固态排渣中灰渣含碳量约6%，而熔融态排渣技术的碳转化率大于99.5%，灰渣碳含量0.5%以下[7]；②熔融态排渣降低了蒸汽的消耗量，大大减少废水排放量；③合成气中有效组分含量高，克服了不适应低灰熔点煤的缺点。
2.流化床气化技术
流化床又称为沸腾床[8]。在流化床气化炉中，使用细颗粒的煤粉（粒度为0~6mm）作为气化原料，气化剂流速较高。气化剂自下而上通过粉煤层，使煤料处于悬浮状态，固体颗粒如同液体一样具有流动性。煤料和气化剂在气化炉中下部呈并流状态向上运动，在气化炉中上部呈并流和逆流状态运动[9]。合成气由气化炉上部排出，灰渣呈固态排出。为了便于灰渣分离，一般设置旋风分离器除去合成气中的灰渣。
由于气体流速较高，煤料在炉内停留时间较短，碳转化率较低，飞灰残碳含量高。由于采用固态排渣，操作温度需考虑灰渣熔点，故炉温较低。研究人员通过提高气化温度和压力，成功解决碳转化率低的问题。具有代表性的气化炉有高温Winkler炉、山西煤炭化学研究所灰熔聚气化技术等。
2.1高温Winkler气化技术（HTW）
20世纪70年代，研究人员在常压Winkler气化技术基础上，研发出高温Winkler流化床气化技术，成功的改进了常压Winkler气化技术。合格的煤料通过给料装置从气化炉下部进入炉内，被从气化炉底部吹入的气化剂流化并发生气化反应。生成的合成气从气化炉上部出来，经过旋风除尘系统除尘后送入下一工段。一级旋风除尘器分离的灰渣送入气化炉内继续反应，以减小飞灰碳含量，二级旋风除尘器分离的灰渣则通过灰锁系统排出。1986年，在德国贝伦拉特建立的高温Winkler气化技术示范装置成功开车，煤料处理量720t/d，合成气产量37000m3/h[10]。1989年，用于联合循环发电的高温Winkler气化炉投入使用。
与传统Winkler气化技术相比，高温Winkler气化技术具有以下特点：①将气化温度提高100o C，提高碳转化率和利用率，同时增加了煤气产出率；②从一级旋风除尘装置出来的灰渣返回到气化炉内循环利用，大大降低了飞灰含碳量，同时，可以气化含灰量较高的煤种。③操作压力由常压提高到1.0MPa[11]，提高了气化炉的生产强度。
2.2灰熔聚气化技术
灰熔聚气化技术由中国科学院山西煤炭化学研究所在20世纪80年代研发并完成中试[12]。该技术因气化后的灰渣熔聚成球状而得名。煤料经煤斗通过输送系统送入气化炉下部。气化剂经分布板、环形管和中心射流管分三路进入气化炉内[13]。在气化炉内，煤料与气化剂发生气化反应生成合成气，合成
气送往下一工段。大部分飞灰经一级旋风分离器收集返回到气化炉内，少部分飞灰经二级旋风分离系统排出。2001年，在陕西省城化股份有限公司建立工业示范装置。气化炉操作温度1000~1100o C，气化压力0.03MPa。气化炉高15m，下部内径2.4m，上部内径3.6m。煤料处理量100t/d，合成气产量达9200m3/h。
灰熔聚气化技术特点：①灰渣熔聚成球状，便于煤与灰分分离，降低灰渣碳含量；②气化剂通过分布板、环形管和中心射流管进入气化炉，使气化剂在炉内分布更合理和均匀；③炉内产生局部高温区，增大了气化强度，且合成气中不含焦油，净化系统简单。
3.气流床气化技术
气化剂携带细小煤粉或水煤浆，通过特殊喷嘴快速喷入气化炉内瞬间完成气化，该技术称为气流床气化技术[14]。煤料和气化剂的混合物在高温下，瞬间着火、燃烧，产生大量热量并完成气化反应。火焰中心温度最高可达2000o C，灰渣最终以熔融态排出炉外。
相比于固定床和流化床气化技术，气流床具有以下特点：①反应物流速较快，气化强度大；②原料在气化炉内停留时间短，为保证原料充分反应，煤料需研磨
成粉末状（粒度一般小于0.1mm），以保证煤料与气化剂有较大的接触面积；③气化温度较高，局部
温度可达2000o C以上，灰渣含碳量极低，灰渣以液态排出炉外；④因气化温度较高，焦油和酚类均已分解，故废水中不含焦油和酚。具有代表性的气化炉有：Shell干煤粉加压气化技术、GE水煤浆加压气化技术等。
3.1Shell干煤粉加压气化技术
Shell煤气化工艺是荷兰Shell国际石油公司于20世纪70年代开发的一种干煤粉加压气流床气化技术[15]。1993年，第一套Shell煤气化技术的大型工业化生产装置在荷兰建成并投入生产，主要用于整体煤炭气化联合循环发电（IGCC）。其单台气化炉煤处理量为2000t/d，发电量为250MW，煤电转化总效率大于43%[16]。
用加压氮气或二氧化碳等惰性气体将干煤粉送入烧嘴，同时气化剂也送入烧嘴。然后由气化剂夹带干煤粉进入气化炉内快速发生气化反应。粗煤气携带的熔融态灰渣被循环冷却煤气激冷而固化，使灰渣从煤气中脱除。合成气的热量使用水管式废热锅炉回收[17]，一方面产生工艺所需的蒸汽，另一方面冷却煤气，回收热量。合成气经过能量回收和除尘后，一部分用于气化炉循环冷激气，另一部分送入下一工段。
Shell干煤粉气化技术有如下特点：①采用干煤粉进料，煤种适应性好。从褐煤到无烟煤，甚至石油焦均可用作shell气化炉的原料。煤灰熔融性温度限制比其他气化工艺小；②气化温度高，碳转化率高。
气化产物不含焦油、酚等重烃，合成气中有效组分（一氧化碳和氢气）大于90%；③单台气化炉生产强度大，气化压力为3.0MPa，煤料处理量1000~2000t/d；④热效率高。83%的热量转化到合成气中，约15%的热量被蒸汽回收，总热效率达98%。⑤设备投资费用高。设备费用高主要是因为循环冷激气压缩机、水管式废热锅炉等。
3.2GE水煤浆加压气化技术
GE水煤浆加压气化技术是在德士古水煤浆气化工艺基础上发展而来[18]。1948年第一套GE水煤浆加压气化中试装置在美国洛杉矶建成，煤料处理量15t/d。1958年，第一套采用GE水煤浆加压气化技术的工业示范装置建成并投产，操作压力2.8MPa，煤料处理量100t/d。
水煤浆加压气化技术包括水煤浆制备、气化及灰水处理等部分。煤料与水及添加剂混合后制成水煤浆，经加压后喷入气化炉内，与氧气在高温高压下完成气化反应生成合成气，合成气经过冷激流程或沸锅流程回收热量，之后经过除尘后送往下一工段。目前，工业中操作压力在2.5~8.5MPa范围内，操作温度在1300~1400o C[19]。半球型摄像机
GE水煤浆加压气化技术具有以下特点：①煤种适应性好。从气煤到无烟煤，
nc6000甚至高硫煤等劣质煤均可用于该气化炉。为了保证经济性，一般使用灰熔点低于1300o C的煤种，且
灰含量较低；②单炉生产能力大。目前，最大的GE水煤浆气化炉的煤处理量达2000t/d；③碳转化率较高。由于气化温度达1300o C，碳转化率达96%以上，合成气有效组分在83%以上[20]；④由于气化温度较高，反应后的合成气中不含焦油、苯等重烃，废水易于处理。蓝牙对讲
4.总结
煤炭气化技术是煤化工产业的重要支柱技术。随着研究的不断深入，煤气化技术呈现多样化发展的趋势，各种新型气化炉和气化工艺不断涌现。各种气化技术都有其优势和缺点，各有千秋。由于煤种的多样性、下游产品的多样性，每种气化技术都有与之匹配的工艺参数和适应的煤种，一套气化技术不可能解决工业上所有的问题。在选择具体的煤气化技术时，一定要综合考虑原料煤的来源和品质、下游产品的性质等关键问题。
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