丁建軍，楊偉泉

（廣東粵電新會(huì)發(fā)電有限公司，廣東 江門 529149）

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是富煤少油貧氣，目前我國(guó)電力工業(yè)以燃煤發(fā)電為主，火電裝機(jī)容量約占75%，發(fā)電量約占80%；水電裝機(jī)容量約占25%，發(fā)電量約占20%；核電和新能源發(fā)電所占比例很小。隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和加強(qiáng)環(huán)保等政策的實(shí)施，既能滿足生態(tài)環(huán)保對(duì)我國(guó)火力發(fā)電的要求、又能高效利用我國(guó)豐富的煤炭資源的潔凈煤發(fā)電技術(shù)是我國(guó)面臨的唯一選擇，是中國(guó)煤電的未來(lái)。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle） 發(fā)電技術(shù)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)模式，是當(dāng)今國(guó)際上最引人注目的高效潔凈發(fā)電技術(shù)之一。IGCC技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代石油危機(jī)時(shí)期，目前正逐步從商業(yè)示范階段向商業(yè)應(yīng)用階段過(guò)渡，這一過(guò)程的快慢受多方面因素制約，如IGCC技術(shù)的發(fā)展、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高以及石油、天然氣等能源價(jià)格的走勢(shì)。在IGCC涉及的相關(guān)技術(shù)中，核心技術(shù)是大型煤氣化技術(shù)，由于其技術(shù)復(fù)雜，只有GE、SIEMENS和SHELL等少數(shù)國(guó)外公司掌握了此技術(shù)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及國(guó)家對(duì)潔凈煤發(fā)電的大力支持，近些年國(guó)內(nèi)許多研究院所和高等院校開(kāi)發(fā)了很多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)并在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。

1 國(guó)產(chǎn)煤氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的首要問(wèn)題是煤的氣化技術(shù)，煤的氣化泛指各種煤與載氧氣化劑（O2、H2O、CO2）之間的一種不完全反應(yīng)，最終生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等組成的煤氣。煤氣化技術(shù)種類很多，按爐型可分為三大類，即固定床、流化床、氣流床。三種爐型中氣流床技術(shù)因其氣化溫度與壓力高、單爐處理能力大、污染小等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究的主流煤氣化技術(shù)。在引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)氣化技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)也加強(qiáng)了自有煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)，形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)成果。目前，絕大部分煤氣化工業(yè)裝置基本都應(yīng)用在化工領(lǐng)域，從運(yùn)行的情況看，這些氣化技術(shù)都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。本文主要介紹一下四種初具規(guī)模的氣流床煤氣化技術(shù)，并針對(duì)這四種技術(shù)做簡(jiǎn)單的比較。

1.1 非熔渣-熔渣分級(jí)氣化技術(shù)

非熔渣-熔渣分級(jí)氣化技術(shù)由北京達(dá)立科科技公司、清華大學(xué)和山西豐喜集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是一種全新的氣化技術(shù)。豐喜集團(tuán)10萬(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目于2003年正式開(kāi)工建設(shè)，2006年1月23日建成并一次開(kāi)車成功，2007年10月23日通過(guò)國(guó)家72 h連續(xù)運(yùn)行考核。該技術(shù)工業(yè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，開(kāi)工率高，自第一次化工投料始，年運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)94%，年負(fù)荷率達(dá)120%，氣化爐的投資與能力比傳統(tǒng)水煤漿氣化爐低20%。2008年清華爐被“燃?xì)廨啓C(jī)和煤氣化聯(lián)合循環(huán)國(guó)家工程中心”確定為主選技術(shù)，并正在建設(shè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適合于發(fā)電工藝的廢鍋流程煤氣化裝置。

非熔渣-熔渣氣化法采用濕法進(jìn)料，水煤漿和大部分氧氣通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐第一段，第一段溫度保持在灰熔點(diǎn)以下；在第二段再補(bǔ)充部分氧氣，使第二段的溫度達(dá)到煤的灰熔點(diǎn)以上并完成全部的燃燒過(guò)程和氣化過(guò)程，氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 航天爐結(jié)構(gòu)示意圖

采用分級(jí)給氧，使氣化爐內(nèi)的溫度分布更加合理，提高了碳轉(zhuǎn)化率，降低了粗渣中的殘?zhí)己?；調(diào)整了火焰與噴嘴的距離，降低了噴嘴的端部溫度，二氧化碳作為預(yù)混氣體時(shí)又可降低氣化爐上部溫度50℃，多方面創(chuàng)新技術(shù)的組合有助于延長(zhǎng)噴嘴壽命。

水煤漿氣化煤氣質(zhì)量好，甲烷含量低，由于氣化爐內(nèi)溫度高，所以不生成焦油、酚等污染環(huán)境的副產(chǎn)物；氣化系統(tǒng)的水在本系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用，外排廢水很少；爐渣為固態(tài)排放，沒(méi)有飛灰，污染小，爐渣可做建筑材料。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)：比氧耗361 Nm3O2/kNm3（CO+H2），比煤耗548 kg/kNm3（CO+H2），合成氣有效成分CO+H2含量83.06%，碳轉(zhuǎn)化率≥97.5%。

1.2 兩段式干煤粉加壓氣化技術(shù)

西安熱工研究院自1994年開(kāi)始研究干煤粉氣流床氣化技術(shù)，1997年建成1臺(tái)0.7 t/d的試驗(yàn)裝置，2004年建成了處理煤量為36～40 t/d的中試裝置。目前該新型的兩段式干煤粉氣流床氣化爐的規(guī)模已達(dá)到日處理煤量2 000 t以上，進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用階段，并廣泛應(yīng)用在電力生產(chǎn)和化工生產(chǎn)中，例如華能綠色煤電有限公司250 MW級(jí)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）示范電站和內(nèi)蒙世林化工有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)t甲醇項(xiàng)目都是采用該技術(shù)，另外還有多家國(guó)內(nèi)外的公司也都確定采用該技術(shù)。

兩段式干煤粉加壓氣化爐（見(jiàn)圖2）采用水冷壁結(jié)構(gòu)，爐膛分為上下兩段，噴嘴設(shè)在下?tīng)t膛側(cè)壁上，渣口設(shè)在下?tīng)t膛底部高溫段，采用液態(tài)排渣。上爐膛內(nèi)徑小，高度長(zhǎng)，在側(cè)壁上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱的二次煤粉和水蒸汽進(jìn)口。運(yùn)行時(shí)，下段噴嘴噴入80%～85%的煤粉量以及氣化用的氧氣和蒸汽，上段噴入15%～20%。

圖2 兩段式氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

兩段式干煤粉氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下。

a）煤種適應(yīng)性更廣，覆蓋了從褐煤、煙煤、貧煤到無(wú)煙煤的各種煤種，對(duì)原料的灰熔融性適用范圍寬。

b）氣化反應(yīng)溫度1 400～1 600℃，比氧耗298.6 Nm3O2/kNm3（CO+H2），比煤耗518 kg/kNm3（CO+H2），碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)98.9%，冷煤氣效率83.2%，合成氣有效成分（CO+H2）含量91.7%。

c）“自我修復(fù)式”耐火材料結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)向外依次有液渣、固渣，耐火材料、水冷壁、外保溫層等，水冷壁外形成的穩(wěn)定的固渣層，可以達(dá)到“以渣抗渣”、抵抗氣體的沖刷和熔渣磨損的功效。水冷壁壽命長(zhǎng)達(dá)20年，燒嘴壽命長(zhǎng)達(dá)10年，維護(hù)量少，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，無(wú)需備爐。

d）針對(duì)發(fā)電行業(yè)和化工行業(yè)的差別，兩段式氣化爐后續(xù)工藝可配套廢鍋流程或激冷流程，滿足不同用戶的需求。

1.3 多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置的開(kāi)發(fā)是華東理工大學(xué)、兗礦集團(tuán)有限公司和天辰設(shè)計(jì)院共同承擔(dān)的國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。該氣化技術(shù)屬于氣流床氣化工藝，煤與水、煤漿添加劑進(jìn)入磨煤機(jī)，制得濃度為60%～65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 的煤漿，經(jīng)煤漿給料泵加壓和來(lái)自空分裝置的氧氣一起進(jìn)入同一水平面的4個(gè)工藝燒嘴，氣化爐內(nèi)形成了6個(gè)特征各異的流動(dòng)區(qū)，即射流區(qū)、撞擊區(qū)、撞擊流股區(qū)（上下兩股）、回流區(qū)（共6個(gè)）、折返流區(qū)和管流區(qū)（見(jiàn)圖3）。

圖3 多噴嘴對(duì)置式氣化爐流場(chǎng)示意圖

與單燒嘴相比較，通過(guò)四噴嘴形成撞擊的物料混合更加成分，霧化效果更好，不僅使?fàn)t內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布合理，而且優(yōu)化了氣化效果，減輕了對(duì)耐火襯里的損傷。多噴嘴氣化爐更適合大型化，并且在一對(duì)燒嘴跳車時(shí)，另外一對(duì)可維持系統(tǒng)生產(chǎn)，減少了開(kāi)、停車的損失，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件。

基于煤氣化的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)把化工產(chǎn)品生產(chǎn)和煤氣化發(fā)電整合在一起，不僅繼承了IGCC的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，還有利于綜合利用煤炭資源，能同時(shí)生產(chǎn)甲醇、尿素等化工產(chǎn)品，多聯(lián)產(chǎn)工藝可以根據(jù)電價(jià)和化工產(chǎn)品價(jià)格變化有選擇地分配合成氣比例，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。2005年10月，兗礦國(guó)泰化工有限公司建設(shè)的單爐日處理原煤1 150 t，氣化壓力4.0 MPa的對(duì)置式四噴嘴煤氣化爐及配套甲醇項(xiàng)目和71.8 MW燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)相繼試車成功。這個(gè)自主創(chuàng)新建成的首座煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)電示范工程，標(biāo)志著我國(guó)先于國(guó)外實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。

1.4 HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司北京航天動(dòng)力研究所研制的HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)，吸收了當(dāng)今世界兩大先進(jìn)煤氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用“粉煤+水激冷”流程。2008年10月，首套HT-L粉煤加壓氣化裝置在濮陽(yáng)龍宇試車成功。目前該技術(shù)已有兩種規(guī)格氣化爐，即單臺(tái)15～20萬(wàn)t/a（氨或醇） 規(guī)模和30～35萬(wàn)t/a（氨或醇） 規(guī)模，并正在開(kāi)發(fā)更大生產(chǎn)能力的氣化爐。

HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)包括磨煤、進(jìn)料系統(tǒng)、煤氣化、煤氣洗滌、灰水處理和氣化公用工程6個(gè)單元。本技術(shù)為氣流床氣化爐，采用干煤粉進(jìn)料，純氧和過(guò)熱蒸汽作為氣化劑，加壓氣化，惰性氣體濃相輸送。以粉煤為原料，原料煤可以得到100%利用。與濕法比較，1 kg原料可以減少蒸發(fā)0.35 kg水，節(jié)約2 600 kJ的能量，折算煤量為0.113 kg（23 kJ/kg），占進(jìn)煤量的17%。干煤粉純氧燃燒，燃燒器火焰的中心溫度可達(dá)1 800～2 150℃，氣化爐膛溫度1 400～1 900℃，煤的灰熔點(diǎn)可選范圍很寬，比水煤漿氣化冷煤氣效率提高10%，氧耗量降低15%～25%。有效氣產(chǎn)量提高6%。

2 國(guó)產(chǎn)煤氣化技術(shù)分析及討論

煤氣化技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下指標(biāo)：可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、大型化即單爐生產(chǎn)能力、煤種適應(yīng)性、污染物的排放、氣化效率等。其中氣化效率是核心指標(biāo)，而評(píng)價(jià)氣化效率的指標(biāo)主要有碳轉(zhuǎn)化率、熱量利用率、冷煤氣效率等。對(duì)于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電而言，最需要的是進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣的熱值，也就是冷煤氣效率越高，IGCC發(fā)電的循環(huán)效率也就越高。由表1數(shù)據(jù)可知，國(guó)產(chǎn)氣化爐的冷煤氣效率基本都在80%以上，可以與國(guó)外成熟的氣化技術(shù)相媲美。

表1 氣化技術(shù)工作特性及性能指標(biāo)比較

氣流床煤氣化按照進(jìn)料方式可分為濕法進(jìn)料（水煤漿）氣流床和干法進(jìn)料（煤粉）氣流床。水煤漿氣化工藝是自熱式氣化技術(shù)，煤的氣化反應(yīng)熱是由其自身燃燒所提供的。從經(jīng)濟(jì)效益、氣化爐材質(zhì)承受能力以及運(yùn)行穩(wěn)定性角度來(lái)看，原料煤應(yīng)該具備成漿性能好和低灰熔點(diǎn)（灰熔點(diǎn)小于1 400℃）等特點(diǎn)。干法氣化工藝對(duì)原料煤的適應(yīng)性廣，可氣化褐煤、煙煤、無(wú)煙煤及石焦油。對(duì)煤的反應(yīng)活性幾乎沒(méi)有要求，對(duì)高灰熔點(diǎn)、高灰分、高水分、高含硫量的煤種同樣也適應(yīng)。

由于設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)風(fēng)格各異，氣化爐的反應(yīng)形式不同，采用的噴嘴數(shù)量和形式也不同。清華爐和兩段式干煤粉氣化爐都是兩級(jí)氣流床，并且采用多個(gè)噴嘴，前者的二級(jí)噴嘴只是噴入氧氣，后者的二級(jí)噴嘴噴入部分煤粉和氧氣混合物，雖然形式不同，但是最終目的都是為了改善爐內(nèi)流動(dòng)及溫度場(chǎng)分布，提高氣化效率。多噴嘴對(duì)置式氣化爐和航天爐雖然都是單級(jí)氣流床，前者采用的是四個(gè)噴嘴對(duì)置布置，物料對(duì)撞霧化充分；后者只配一個(gè)噴嘴，但為組合式噴嘴，由一個(gè)主噴嘴、一個(gè)點(diǎn)火噴嘴和一個(gè)開(kāi)工噴嘴組成，噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非常合理、操作方便可靠，可實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)火到投煤的連續(xù)性。

氣流床的操作溫度很高，大多在灰分灰熔點(diǎn)以上，所以氣流床的排渣方式基本都為液態(tài)排渣。灰分熔融以后可以掛靠在水冷壁和耐火磚表面，形成一層防護(hù)層，達(dá)到“以渣抗渣”的作用，增加了氣化爐的使用壽命，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)型。

雖然國(guó)內(nèi)煤氣化技術(shù)的研究起步較晚，但卻厚積薄發(fā)，形成“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”的格局，國(guó)產(chǎn)氣化爐的單爐處理能力和工程業(yè)績(jī)都在不斷地刷新紀(jì)錄。除了上述的四種氣化技術(shù)外，西北化工研究院的多元料漿氣化技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所的灰熔聚流化床煤氣化技術(shù)等也都有不錯(cuò)的業(yè)績(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富，先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)是我國(guó)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，結(jié)合我國(guó)能源資源和當(dāng)前國(guó)內(nèi)制造行業(yè)的發(fā)展情況，發(fā)展IGCC能很好地解決燃煤發(fā)電效率和污染的矛盾。雖然目前國(guó)內(nèi)IGCC項(xiàng)目的建設(shè)很少，但以IGCC系統(tǒng)為基礎(chǔ)的發(fā)電、化工產(chǎn)品、制氫等多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)無(wú)疑將是21世紀(jì)煤轉(zhuǎn)化工業(yè)的重要方向。煤氣化技術(shù)是煤炭潔凈、高效、綜合利用的技術(shù)起點(diǎn)，是IGCC發(fā)電和煤化工的龍頭技術(shù)，在煤氣化技術(shù)高速發(fā)展與激烈競(jìng)爭(zhēng)的今天，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)具有顯著的綜合效益和重大的戰(zhàn)略意義。