煤气化技术：将煤炭转化为清洁合成气

煤气化是将含碳（C）物质（如煤）转化为合成气（合成气）的转化技术。属高温工艺，典型温度达1225℃。温度优化以最小液体固体产出产生燃料气。工艺在容器中加热原料煤，可加氧（O₂）可不加。碳与水蒸气和O₂在较高压力（典型>30公斤/平方厘米）下反应生成原料合成气，主要含一氧化碳（CO）和氢气（H₂）及少量副产物。除去副产物得洁净合成气，可用作：①发电或产蒸汽燃料；②石化炼化工业大量用途基础化学品构建块；③生产H₂。气化将低/负价值原料转化为可销售燃料产品增值。气化工艺基础见图1。

图1 气化工艺基础示意图

历史与现状发展

城镇煤气，煤制气态产品，含约50% H₂，其余多为甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），3-6% CO。自1800年代初使用至今。

煤气化原始工艺由德国研究者Franz Fischer和Hans Tropsch于1920年代在凯撒威廉研究所开发。二战期间大规模用气化煤经Fischer-Tropsch工艺转化为交通燃料。Sasol在Sasolburg建厂首要目标转化低品位煤为石油产品，1955年该厂产出首批液体。过去50-60年煤气化广泛用于转化煤和重油制H₂产氨/尿素肥。化工业1960年代、炼油业1980年代分别应用气化制原料。过去10-15年电力行业在集成煤气化联合循环（IGCC）电厂应用。

Fischer-Tropsch工艺

Fischer-Tropsch工艺为催化化学反应：CO和H₂转化为各种形式液态烃。典型催化剂钴和铁。主旨生产合成燃料。效用在于能从固体原料产生流体烃或H₂。

原始Fischer-Tropsch工艺化学方程：(2n+1)H₂ + nCO = CnH(2n+2) + nH₂O。上式初始反应物（CO+H₂）可由其他反应产生：GTL（气转液）应用中CH₄部分燃烧：CH₄+0.5O₂=2H₂+CO；CTL（煤转液）中煤气化：C+H₂O=H₂+CO。煤蒸汽反应能量由通入空气或O₂提供，导致C+0.5O₂=CO。Fischer-Tropsch工艺合成气生产合成见图2。

图2 Fischer-Tropsch工艺合成气生产与合成示意图

煤气化与煤燃烧对比

气化与燃烧实为反应范围两端。燃烧为完全氧化，气化为部分氧化。燃烧在氧化（过量O₂）环境，气化在还原（O₂亏缺）环境。气化更高效、排放更低。气化中可加水作反应物提高产物H₂含量。表1列出最显著反应及焓变。看表前两反应：煤记C与一个O原子（0.5O₂）反应得CO，与两个O原子得CO₂。实际第二反应非单步：固相C先与一个O原子生成CO，再与第二O原子生成CO₂。表中除两反应外均放热。标记为蒸汽气化和CO₂气化两吸热反应最常称气化：固相C通过与“非反应性”气体（H₂O或CO₂）反应转化为活性气体。此外这两吸热反应需高温进行。

一般部分氧化反应：2CHn+O₂=2CO+nH₂。工艺O₂消耗取决煤灰分和热值。O₂供给不足确保煤部分氧化。反应产气体混合物：H₂、CO、CH₄、CO₂。终产物为合成气。混合物组成随压力变化。

表1 气化与燃烧反应
序号	反应过程	方程式	焓变
1	O₂气化	C+0.5O₂=CO	-2180.3 千卡/公斤C
2	O₂燃烧	C+O₂=CO₂	-7844.7 千卡/公斤C
3	CO₂气化	C+CO₂=2CO	3484 千卡/公斤C
4	蒸汽气化	C+H₂O=CO+H₂	2640.7 千卡/公斤C
5	H₂气化	C+2H₂=CH₄	-1485.4 千卡/公斤C
6	水煤气变换反应	CO+H₂O=CO₂+H₂	-361.4 千卡/公斤CO
7	甲烷化	CO+3H₂=CH₄+H₂O	-1768.4 千卡/公斤CO

煤气化用有限O₂，约理论完全燃烧需O₂ 1/5-1/3。仅部分钴燃烧放热。H₂和CO为气化主产物。CH₄和CO₂为其他两主产物，随压力升高含量上升、H₂+CO含量下降。煤气化炉中两理化过程：①热解或挥发分析出过程；②气化过程。

热解过程中，煤进入气化炉先经热气体干燥。一系列复杂理化过程<350℃缓慢开始，>700℃加速。热解释放产物组成取决于热解温度、压力、气体组成。热解过程可表示：煤→热→焦炭→气体→蒸汽/液体。

热解三产物：①轻气体（CO、H₂、CO₂、CH₄、H₂O）；②焦油（腐蚀性粘稠液体，含重无机有机分子）；③焦炭（固体残渣，主含C）。

气化过程涉及系列吸热反应，由气化炉内燃烧反应放热支持。反应方程：①C+O₂=CO₂ ΔH=-94.05千卡/摩尔；②H₂+0.5O₂=H₂O ΔH=-68.3千卡/摩尔。主要气化反应：①水煤气变换反应；②布德反应；③变换转化；④甲烷化。

水煤气变换反应中碳部分氧化由蒸汽进行：C+H₂O=H₂+CO ΔH=28/3千卡/摩尔。布德反应中气化炉焦炭与CO₂反应生成CO。可逆反应：CO₂+C=2CO ΔH=38千卡/摩尔。变换转化为吸热反应称水煤气变换反应。因该反应气体中H₂/CO比升高。合成气生产中使用。反应：CO+H₂O=CO₂+H₂ ΔH=-10.1千卡/摩尔。甲烷化用镍基催化剂。该催化剂1100℃、6-8公斤/平方厘米压力加速CH₄生成反应，因高热值IGCC应用首选。反应：C+2H₂=CH₄ ΔH=17.8千卡/摩尔。

完整气化反应在气化炉进行，需特定温度驱动吸热C-蒸汽和C-CO₂反应。所需温度由O₂与煤放热反应热量维持。

按气化介质分类：①空气吹式；②氧气吹式。空气吹式用空气作气化介质，氧气吹式用纯氧。空气作介质时N₂同时带入稀释产物气，导致产物气热值较低。

按气固接触方式分四类气化炉（图3）：①移动/固定床气化炉；②流化床气化炉；③喷流床气化炉；④输流床气化炉。四类均基于含碳原料（煤）部分氧化（气化）。虽各类均可制DRI用可接受还原气，但固定床和流化床气化炉为高灰煤首选。

图3 气化炉类型

移动床气化技术最老、应用最广。亦称固定床气化炉。气化介质慢流经固定固体颗粒床。按气化介质流向两构型：顺流和逆流。逆流构型更常用因焦油含量低。首选入炉煤粒度5-80毫米。燃烧区最高温1500-1800℃，渣/干灰气化区最高约1300℃。床上形成温度分布，入炉煤依次预热、干燥、热解、气化、燃烧。Lurgi气化炉为最老移动床技术。

流化床气化炉固体颗粒床表现流体行为。此类气化炉原料粒度<5毫米，颗粒悬浮于富氧气中。上升气体与原料反应维持煤颗粒流化态。此类气化炉达均匀温度分布。操作温度800-1050℃远低于灰熔融温度，避免结渣和床去流化。灰排放可干灰或团聚灰形式。干灰流化床气化炉传统用于低阶煤。团聚灰流化床气化炉适用任何煤阶。

喷流床气化炉用<0.1毫米粉煤颗粒悬浮于高速蒸汽O₂流中。按喂煤法干法（氮作输送气）或湿法（水浆携带），气化炉接受几乎任何煤。喷流床气化炉高温1400-1600℃（远超灰渣渣温度）确保高碳转化率。气体停留时间以秒计，大产能。

输流气化炉为干进料非渣流气化炉。基于流体动力学流场。具优异气固接触、极低气固传质阻力。高湍流气氛允许高煤吞吐量、低温下高放热率，避免渣处理和衬里侵蚀问题。

除目标CO和H₂，气化炉出口合成气含其他化合物。气化产物含理想成分CO、H₂、CH₄和非理想成分CO₂、H₂O、灰、夹带烟灰、焦油、颗粒物、一定量H₂S（硫化氢）、微量氨、盐酸、氰化氢。故合成气净化是煤气化重要环节。需从产物气除去非理想成分。多种技术用于除非理想成分。

煤气化产物气（CO、H₂、CH₄）有燃料值。固定床气化技术合成气含芳香有机化合物。典型1公斤烟煤可转化1.5-1.7立方米合成气。

原料灵活性方面，多气化厂设计开发利用各煤级。气化因工艺运行本质，常规（非GHG）污染物气态排放极低。也为捕获副产CO₂提供潜在低边际成本路径，用于地质封存或油田提高采收率。

此外煤气化需大量水，也是大量CO₂排放源。1吨合成气典型煤耗约2.8吨、需水约6.6吨、生成CO₂约2.5吨。CO₂作为副产品释放，可出售或压缩输送地下储存。

存在多种气化炉概念。下述主要气化炉概念反应器概述。

GE Energy气化炉

GE Energy 2004年从雪佛龙收购气化技术。GE煤气化炉为单级、下进料、喷流床、耐火衬里气化炉产生合成气。煤水浆泵入气化炉顶部，与O₂经单喷嘴引入（图4）。煤与O₂在高温（1200-1480℃）放热反应生成合成气。合成气主含H₂、CO、渣。

图4 GE Energy煤气化炉

下流渣经淬火冷却经底部闭锁料斗排出。离开闭锁料斗水与渣分离送洗涤单元后可循环制浆。离开气化炉原始合成气可经辐射/对流换热器和/或直接淬火系统（向热原始合成气喷水）冷却。从这些选择中抉择取决于成本和应用。

辐射冷却设计用耐烟辐射合成气冷却器产生高压蒸汽。渣在反应器底部水池淬火，经闭锁料斗排出。合成气离开气化炉后经水洗涤器除细颗粒物后送下游处理。直接淬火系统用出口气体水淬火：离开气化炉热气体经淬火环直接接触水，浸入气化炉下部水中。冷却饱和合成气送洗涤器除烟灰颗粒。淬火设计效率较低但成本也低，需较高H₂/CO比合成气时常用。

Conoco Phillips E-Gas气化炉

Conoco Philips E-gas气化炉原由陶氏化学开发，1987-1995路易斯安纳气化技术公司（LGTI）示范。为喷流床气化炉见图5。两阶段气化炉，80%原料进第一阶段（下部）。煤水浆进料、氧吹、耐火衬里、连续排渣系统、干法除颗粒物。E-Gas工艺适应宽煤种范围。

图5 Conoco Philips E-gas气化炉

Shell气化炉

Shell气化技术含干进料、加压、喷流床、渣流气化炉。煤基变体1970年代开发。煤粉经两组水平对置燃烧器用输送气（合成气或氮）喂入气化炉。预热O₂和蒸汽（作调节剂）混合喂入喷嘴与煤反应生成合成气，主含H₂、CO，仅少量CO₂无烃液体气体。热产物气经垂直膜圆柱壁上升（图6）。

图6 Shell喷流床气化炉

夹带熔融灰随上升合成气沉积水冷壁向下流动。经气化炉底部水浴淬火排出。原始合成气离开气化炉温度1370-1480℃，再用低温循环产物气处理将夹带熔融飞灰转化硬质固体材料。继而入合成气冷却器回收热量产生高压（HP）过热蒸汽。离开合成气冷却器原始合成气中大部分飞灰用商用过滤设备或旋风分离器除去。余下飞灰下游湿洗涤器捕集。

Siemens气化炉

Siemens气化炉为干进料、加压、喷流床系统，顶部燃烧器引入煤与O₂、蒸汽（图7）。可设计耐火衬里（低灰原料）或气化段气密膜壁结构。

图7 Siemens喷流床气化炉

气化炉内形成熔融渣流下反应室入淬火段，经淬火环水接触固化，经闭锁料斗排出。气化炉碳转化率>99%，技术适用从无烟煤到褐煤所有煤种。

KBR TRIG煤气化炉

输运集成气化（TRIG）技术由Southern公司和KBR公司开发。设计处理反应性低阶煤，含高达50%灰分和高水分，可用蒸汽和空气或氧气作气化介质。空气吹运行宜发电，氧吹运行宜合成气生产。TRIG工艺简化布局见图8。

图8 TRIG工艺简化布局

系统含循环气化炉：混合区、上升管、分离器、旋风分离器、立管、环封、J型腿。设计高固体循环率和气速，获更高吞吐量、碳转化率和效率。原始合成气在上升管段形成，夹带未反应固体经系列旋风分离器除固体。灰料循环回上升管利用未转化碳、供热气化炉。下降管灰累积排出。气化炉中等温度、低于灰熔点运行，可提高设备可靠性可用性。后者因下游颗粒物过滤器增强，消除水洗涤，显著降低厂水耗和废水排放。

Lurgi干底加压煤气化炉

Sasol Lurgi气化工艺含蒸汽O₂与块状低/中粘结煤在旋转炉排上反应，压力20-30公斤/平方厘米。干底加压煤气化工艺气化炉见图9。

图9 Lurgi干底加压煤气化炉

底部燃烧区炉排处煤焦炭与O₂燃烧供气化反应能量。煤随气化炉下移经上升合成气加热。热量致煤干燥后脱挥发分。部分脱挥发产物未反应逸出随原始合成气离开。脱挥发煤下移经燃烧区下方燃烧产物气化。干灰运行模式下，过量蒸汽随O₂喷入维持温度低于灰熔融温度。电机驱动旋转灰炉排以“干”态除灰并支撑煤床。

气化剂与燃料逆流流动导致气化炉高热效率，产生约2650-2850千卡/立方米热值原始气体。视原料煤特性，产物气体积分含25-33% CO₂、15-21% CO、35-41% H₂、10-13% CH₄。作合成气用需除CH₄和CO₂。

1960年代以来Lurgi工艺通过增大反应器尺寸部件、扩展原料煤板含低阶煤、用空气代替氧气作气化剂改进。此外设计示范运行至100公斤/平方厘米压力以提高气化炉吞吐量同时提高原始气体CH₄含量。

英国煤气公司与Lurgi合作开发新气化炉底设计，避免燃料/灰床旋转设备问题，同时克服气化区灰软化温度限制。形成BGL渣流气化炉。气化炉区别标准Lurgi反应器：①炉排和灰锁替换为液态渣排放炉床；②气化剂O₂蒸汽经风口而非炉排引入；③反应器下部用耐火衬里减少热损失。

BGL渣流气化炉运行温度高于标准Lurgi，故产物气CO/CO₂比更高、CH₄含量相应更低。典型体积分：2-3% CO₂、55-60% CO、25-28% H₂、6-9% CH₄。高温提供更好蒸汽利用，故需清洗处理水量大幅减少。煤灰转化为排出后形成非浸出玻璃渣。需低渣粘度，加助熔剂通常石灰石或高炉（BF）渣获取。

MHI气化炉

三菱重工（MHI）气化炉基于燃烧工程空气吹渣流气化炉，燃烧工程（及后续所有者）与MHI共同开发。干进料系统，适用高水分低阶煤。空气吹两阶段喷流床渣流气化炉，采用膜壁水冷壁结构。气化炉见图10。

图10 MHI气化炉

Synthesis Energy Systems气化技术

Synthesis Energy Systems（SES）拥有U-Gas气化技术全球独家许可，为单级流化床系统，可提供低/中热值合成气。SES气化技术流程图见图11。SES气化技术特别适合气化低质燃料，含所有煤阶。

干燥粉煤经闭锁料斗喂入气化炉，由蒸汽O₂混合物流化。反应气体经分布网格在气化炉底部、分布网格中心灰排口引入。床温维持840-1100℃视燃料内灰软化温度。此条件下燃料灰（矿物含量）颗粒浓度增加开始团聚形成大颗粒，经重力从流化床选择性移除。该设计允许燃料95%以上碳气化。

图11 SES气化技术流程图