1.4　煤氣化技術

煤制氫技術［5］包括煤的焦化制氫和煤的氣化制氫。煤的焦化是以制取焦炭為主，焦爐煤氣是副產品，由于中國焦炭產量巨大，所以焦爐煤氣的產量也非常大，2005年焦化產生的煤氣大約有1300億立方米，如果按含氫量60%，那么就有750億立方米的H2產生。這些H2是對氫源短缺的有益補充。

目前，利用煤制氫主要是通過煤的氣化來制取H2，氣化工藝在很大程度上影響著產品H2的成本和過程氣化效率，研發高效、低能耗、無污染的煤氣化工藝是發展煤氣化制氫的前提［6，7］。煤氣化技術的形式多種多樣，但按照煤料與氣化劑在氣化爐內流動過程中的不同接觸方式，通常分成固定床（也稱移動床）氣化、流化床氣化、氣流床氣化等。

1.4.1　固定床氣化技術

固定床氣化是以塊煤、焦炭塊或型煤（煤球）作入爐原料，床層與氣化劑（H2O、空氣或O2）進行逆流接觸，并發生熱化學轉化生成H2、CO、CO2的過程。固定床氣化要求原料煤的熱穩定性高、反應活性好、灰熔融性溫度高、機械強度高等，對煤的灰分含量也有所限制。固定床氣化形式多樣，通常按照壓力等級可分為常壓和加壓兩種。

1.4.1.1　常壓固定床

常壓固定床煤氣化技術［8］是目前我國氮肥產業主要采用的煤氣化技術之一。固定床氣化采用常壓固定床空氣、蒸汽間歇制氣，要求原料為25～75mm的塊狀無煙煤或焦煤，進廠原料利用率低，操作繁雜、單爐日處理量少（50～100t/d）、有效氣成分含量為76%，碳轉化率為75%～82%，對環境污染嚴重。國外早已不再采用該技術，盡管我國有900余家中小型合成氨廠和煤氣廠采用常壓固定床氣化技術，3000余臺氣化爐還在運行，但從氣化技術發展的角度看，常壓固定床氣化技術已無法適應現代煤化工對氣化技術的要求，屬將逐步淘汰的工藝，面臨著更新換代的問題。

1.4.1.2　魯奇加壓固定床

魯奇爐（Lurgi）加壓氣化爐壓力為2.5～4.0MPa，氣化反應溫度為900～1100℃，固態排渣，以塊煤（粒度5～50mm）為原料，以蒸汽、氧氣［比氧耗270～300m3/1000m3（CO+H2）］為氣化劑生產半水煤氣，有效氣成分含量為50%～65%，碳轉化率為95%。產品煤氣經熱回收和除油后，含有約10%～12%的甲烷，適宜作城市煤氣。粗煤氣經變換冷卻、低溫甲醇洗、甲烷轉化后可作合成氣，但流程長，技術經濟指標差，低溫焦油及含酚廢水的處理難度較大，環保問題不易解決。與常壓固定床相比，魯奇爐有效解決了常壓固定床單爐產氣能力小的問題，通過擴大爐徑和增設破粘裝置，提高了氣化強度和煤種適應性，適用于除強黏結性煤外所有煤種。同時，由于在生產中使用了碎煤，也使煤的利用率得到相應提高。目前，世界上共建有120多臺魯奇爐，國內使用該技術的有河南義馬氣化廠、哈爾濱依蘭煤氣廠、云南解放軍化肥廠、新疆廣匯新能源集團公司、國電赤峰化肥項目、內蒙古大唐國際克旗、山西潞安煤業集團、新疆慶華等，用途為天然氣、城市煤氣、合成氨。

1.4.2　流化床氣化技術

流化床氣化是煤顆粒床層在入爐氣化劑的作用下，呈現流態化狀態，并完成氣化反應的過程。流化床氣化以0～8mm的粉煤為原料，由于氣化反應速率快，因而，同等規格的氣化爐，生產能力一般比固定床高約2～4倍。另外，煤干餾產生的烴類發生二次裂解，所以出口煤氣中幾乎不含焦油和酚水，冷凝冷卻水處理簡單、環境友好。流化床氣化還具有床內溫度場分布均勻，徑、軸向溫度梯度小和過程易于控制等優點。流化床氣化工藝主要包括常壓Winkler、Lurgi循環流化床、加壓HTW和灰熔聚技術（U-gas、KRW）等。在滿足未來大規模煤氣化制氫的方面，還有許多不足之處，如氣化溫度低，熱損失大，粗煤氣質量差等。

灰熔聚流化床粉煤氣化［9～11］以碎煤為原料（粒度<6～8mm），以氧氣為氧化劑，水蒸氣或二氧化碳為氣化劑，灰熔聚技術根據射流原理，設計了獨特的氣體分布器，有利于中央局部區域形成1200～1300℃的高溫，促使灰渣團聚成球，借助質量的差異達到灰渣團與半焦的分離，在非結渣情況下，連續有選擇地排出低碳含量的灰渣，提高了床內碳含量和操作溫度（達1100℃），從而使其適用煤種拓寬到低活性的煙煤乃至無煙煤。有效氣成分含量為70%，比氧耗和比煤耗分別為300m3/1000m3（CO+H2）和750kg/1000m3（CO+H2）。目前國內使用該技術的有城固化肥廠、晉城煤業集團、內蒙古霍煤雙興煤氣化公司、河北石家莊金石化肥廠等。

1.4.3　氣流床氣化技術

氣流床氣化是用氣化劑將煤粉高速夾帶噴入氣化爐，并完成氣化反應（部分氧化）的過程。氣流床氣化比固定床、流化床氣化反應速率快得多，一般只有幾秒，因而氣流床氣化爐的氣化強度可以比固定床、流化床氣化爐高出幾倍，甚至幾十倍。氣流床氣化較典型工藝包括基于干法進料的K-T、Shell、GSP和基于水煤漿進料的Texaco、多噴嘴等。氣流床氣化法有很多優點，如氣流床氣化溫度高，碳的轉化率高，單爐生產能力大；煤氣中不含焦油，污水少；液態排渣等。每種氣化方法都有各自的優缺點，選擇氣化方法時，要考慮自身的條件，選用合適的氣化方式制取H2。

1.4.3.1　殼牌粉煤氣化技術

Shell煤氣化［12］在高溫（1400～1600℃）加壓（3MPa）條件下進行，屬干粉進料氣流床反應器，煤粉、氧氣及蒸汽并流進入氣化爐，在極為短暫的時間內完成升溫、揮發分脫除、裂解、燃燒及轉化等一系列物理和化學過程。有效氣成分含量大于90%，碳轉化率為99%，比氧耗和比煤耗分別為337m3/1000m3（CO+H2）和525kg/1000m3（CO+H2）。煤種適應性廣，從無煙煤、煙煤、褐煤到石油焦均可氣化，對煤的灰熔點范圍比其他氣化工藝更寬。對于高灰分、高水分、高含硫量的煤種也同樣適應。迄今已有20余套Shell裝置在中國運行，但這些裝置的運轉令人失望，沒有一套裝置達到滿負荷長周期運轉，暴露的主要問題有粉煤輸送系統的穩定性差、下渣口阻塞、鍋爐積灰等。

1.4.3.2　航天爐技術

航天爐煤氣化技術［13］吸收了國外先進煤氣化技術（殼牌、德士古）的優點，充分利用航天特種技術優勢與航天石化裝備的研發成果。其特點為采用粉煤作原料，氣流床加壓氣化和水冷壁結構，氣化壓力為4.0MPa，氣化溫度>1700℃，滿足高效利用煤炭的技術要求。有效氣成分含量大于90%，碳轉化率為99%，比氧耗和比煤耗分別為330～360m3/1000m3（CO+H2）和490～600kg/1000m3（CO+H2）。采用激冷流程及灰渣水循環利用等技術，能夠實現合成氣灰分、硫等有害元素的有效處理和灰渣的綜合利用。達到潔凈環保要求，全部設備國產，成套工藝技術擁有自主知識產權。目前國內有十余套裝置在安徽臨泉化工、黑龍江雙鴨山龍煤化工、河南晉開化工、山東魯西化工、山東瑞星集團年產30萬噸合成氨路線改造項目、新鄉中新化工、鄂爾多斯市誠峰石化、河南濮陽龍宇化工等企業開車。

1.4.3.3　清華爐技術

清華大學岳光溪等通過將燃燒領域的分級送風概念引進水煤漿氣化技術［5］，改進火焰結構，降低噴嘴壁溫，提高煤轉化率，形成了分級給氧兩段氣化技術。反應階段變成了脫水分和揮發分→燃燒→氣化→再燃燒→再氣化五個反應階段。這是氧氣分級氣化技術的核心所在。其操作溫度1300～1500℃，氣化壓力4.0～8.0MPa，煤種涉及中低變質程度煙煤、老年褐煤、石油焦，有效氣成分含量為83.06%，碳轉化率為98.2%，比氧耗和比煤耗分別為367.6m3/1000m3（CO+H2）和553.5kg/1000m3（CO+H2）。在山西豐喜肥業集團進行了煤處理量500t/d的工業示范。目前采用該技術的大唐集團呼倫貝爾化肥有限公司、上海惠生控股有限公司等5家大型煤氣化企業已開工建設。以上為清華一代爐。清華團隊再接再厲，開發出清華二代爐：水煤漿水冷壁技術。2005年第二代清華爐水煤漿水冷壁技術投入研發，工業裝置于2011年8月在豐喜投入運行，首次投料即進入穩定運行狀態，并全面實現了研發和設計意圖。

水冷壁產生蒸汽從氣化爐吸取的熱量與爐外壁溫降為氣化爐節約的熱量平衡，氣體質量與耐火磚爐相當，不必每年數次更換錐底磚，定期更換全爐耐火磚，為“安穩長”運行節約投資及運行費用創造了條件，擴大了原料煤的適應性。

與現有各類型干粉給料氣化技術相比水煤漿給料的穩定性毋庸置疑。同比有效氣成分與干粉給料方式相當。清華二代爐安全性強：水冷壁采用熱能工程領域成熟的懸掛垂直管結構，既保證了水循環的安全性又避免了復雜的熱膨脹處理問題。水循環按照自然循環設計，強制循環運行，緊急狀態下能實現自然循環，最大限度保證水冷壁的安全運行。清華二代爐煤種適應性強：氣化溫度不受耐火材料限制，可達1500℃或更高，氣化反應速率快，碳轉化率高，煤種適應性好，能夠消化高灰分、高灰熔點、高硫煤，易于實現氣化煤本地化。

清華二代爐的設備材料及制造工藝100%國產化，相對于國內運行的其他加壓煤氣化技術，投資節約30%～50%，為大型煤化工企業的技術選型提供了新的選擇［14］。

1.4.3.4　德士古水煤漿氣化技術

德士古煤氣化技術［9，11］目前是比較成熟的煤氣化技術之一。水煤漿經煤漿泵加壓與空分氧壓縮機送來的富氧一起經德士古噴嘴進入氣化爐，爐內操作溫度在1300～1500℃，氣化爐壓力最高已達8.7MPa，有效氣成分含量為78%～81%，碳轉化率為96%～97%，比氧耗和比煤耗分別為410～460m3/1000m3（CO+H2）和630～650kg/1000m3（CO+H2）。水煤漿技術一般要求煤的灰熔點在1350℃以下，煤種的灰含量以空氣干燥基計低于13%，煤內水含量應低于8%，還有一個關鍵的指標是煤的成漿性，希望煤漿濃度在60%以上。適用于中低變質程度煙煤、老年褐煤、石油焦等，對煤的性狀如粒度、濕度、活化性和燒結等較不敏感，任何能制成濃度可輸送漿料的含炭固體都適用。我國首家引進德士古煤氣化技術的是山東魯南化肥廠，國內目前使用水煤漿氣化的工廠已經超過了20家。

1.4.3.5　四噴嘴煤氣化技術

四噴嘴煤氣化技術［15］是由華東理工大學借鑒了德士古水煤漿氣化的基本原理而開發的技術。水煤漿通過對置的四個噴嘴噴入氣化爐完成煤的氣化反應，改變了爐內氣流的流場，湍流程度加強，使得煤粉與氣化劑的反應更完全。因而煤耗和氧耗均低于德士古氣化法。有效氣成分含量約為83%，碳轉化率大于98%，比氧耗和比煤耗分別為380m3/1000m3（CO+H2）和550kg/1000m3（CO+H2）。當負荷太低時，可以只使用一對噴嘴進行操作，調節更靈活。該技術近年來發展迅速，開工及正在建設的企業已達近30家。