前言
　 煤气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一，长期的生产实践表明，在将煤炭转变成更便利的能源和产品形式的各种技术中，煤气化是应优先考虑的一种加工方法。城市煤气、化工合成用原料气、先进的联合循环发电用燃气和综合利用系统是煤气化发展和应用的主要方向。气化炉的分类按煤与气化剂的相对流动方式可分为逆流、并逆流和并流等 3种。与这3种方式相对应的则是固定床、流化床和气流床气化炉。
　 虽然国外已有多种煤气化技术开发成功，但我：国煤气化技术及相应的煤气高温净化技术都还处于开发阶段，与世界先进技术相比差距甚远。针对我国幅员广大、煤种多、烟煤多、粉煤多、煤质变化大的特点，国家从“六五” (1980-1985年)至“十五”(2000-2005年)期间投入大量人力、物力，研制开发先进的煤气化技术，以便在较短时间内赶上世界先进水平。我国是继德国以后研发和应用煤气化工艺(技术)最多的国家，几乎遍及上述3种床层的各个领域。现总结40多年来中国在煤气化技术方面的研发和应用历史，以此探求煤气化工艺的发展方向。
　 1　固定床
　 在固定床气化炉中用炉箅来支撑煤块。气化剂 (O 2 或空气与水蒸气)与煤及其残渣是彼此逆向流动的。因而，将要离开气化炉的热灰渣可在运动过程中加热刚进入气化炉的气化剂，即将离开气化炉的热煤气则可用来预热刚进入气化炉的煤。在进入气化炉前，煤需经破碎和筛分，除去直径小于3.175mm的细煤块。通常要求煤粒尺寸控制在6.35-38.00mm间。为防止煤的熔结，可采用搅拌器或旋转炉箅。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入炉煤要有一定的粒(块)度及均匀性。煤的机械强度、热稳定性、粘结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉煤有很多限制。
　 煤气化工艺大多为德国人研发，至今已有 100多年历史。第1台常压固定床空气间歇气化炉于1882年设计，1913年工业化后被美国UGI Corpora—tion发展成现在的UGI炉(由UGI Corporation研发，故名UGI炉)。该炉以焦碳为原料、蓄热和气化交替进行制取合成气，国外已于20世纪60年代初废弃。
　 我国于 20世纪40年代引进UGI炉，50年代改烧无烟煤，主要用于制氨和甲醇，最多时有1000余家采用约数千台炉子，至今尚有670余家，主要原料是无烟煤和土焦。UGI炉生产的氨(甲醇)大约占全国煤基氨厂总产量的90%以上。由于UGI炉有诸多缺点，包括煤种限制、环保、气化强度和效率，我国从60年代初至今曾研发过多种气化工艺，而实现工业化的只有碎煤加压气化(Lurgi)，而大部分试验炉型仅处于试验阶段。
　 我国对碎煤加压气化技术的研究始于 20世纪50年代。当时在中国科学院山西煤化所和锦州的石油工业部六厂研究所分别建立了2台D80mm、D150mm实验装置，用于不同煤种的试验。1963年沈阳煤气化研究所建立了第1台01200mm中试炉装置，用于褐煤气化试验。1985年在煤炭科学院北京煤炭研究所又建立了1台D650mm中试炉。这些小试和中试装置为国家开展碎煤加压气化的研究奠定了理论基础并积累了丰富的数据和经验。我国正式使用碎煤加压气化技术的工业化装置是在1970年。20世纪50年代中期从前苏联转手进口的22台捷克产碎煤加压气化炉(相当于第1代鲁奇炉)，于1970年在云南开远的解放军化肥厂启用4台，用于生产合成氨原料气，后增加到11台。进入20世纪50年代中期后，碎煤加压气化炉在我国得到了较大发展，国内现有32台碎煤加压气化炉在5个厂使用。
　 中国碎煤加压气化炉的国产化主要经历了 2个过程：小试、中试逐步放大到工业化；引进、消化直接转移到工业化。这中间2者的结合起到了关键作用。

　 2　流化床
　 气化剂由炉下部吹入，使细粒煤 (小于6mm)在炉内呈并逆流反应，通常称为流态化气化。煤粒(粉煤)和气化剂在炉底锥形部分呈并流运动，在炉上简体部分呈并流和逆流运动。为维持炉内流化状态并保证不结疤，气化温度应控制在灰软化温度(y 2 )以下。要避免煤颗粒相聚而变大以致破坏流态化，显然不能使用粘结性煤。由于炉温低、停留时间短，带来的最大问题是碳转化率低、飞灰多、残碳高，且灰渣分离困难。其次是炉温不易控制。
　 20世纪50年代我国从前苏联引进牌号为r即Ⅱ的流化床气化炉(相当于Winkler炉)，以褐煤为原料，用02、H20连续吹风制取合成气。90年代又从美国引进U-Gas炉生产低热值燃气。这2种炉型的主要缺点是碳转化率太低，飞灰多，炉子不能正常操作。
　 中国科学院山西煤化所研发的灰熔聚炉对普通流化床炉作了重大改进，从中心管 (射流区)送入部分氧气，形成局部高温，有利于灰渣分离，加上其它措施(如回流)，提高了碳转化率。该炉首先在陕西城固投入工业应用，取得了较好效果。
　 2.1　U—Gas炉(由美国煤气工艺研究院研发)
　 上海焦化总厂三联供工程日产城市煤气 170×1O4m3，年产甲醇18×104t，已建成投产多年。其中城市煤气部分是引进u-Gas气化技术，生产低热值煤气(高热值5.80MJ／／m 3 )作焦炉加热用的燃料煤气，原用于加热焦炉的高热值焦炉煤气(高热值20.50MJ／m 3 )，被替代出来经掺混后用作城市煤气(高热值15.90MJ／m 3 )。本工程中U—Gas炉直径2.6m，为世界最大。生产规模为产低热值煤气300×10 4 m 3 ／天(煤气高热值5.827MJ／m 3 )，共开6台炉子，每台U-Cas炉产煤气50×10 4 m 3 7天(另有2台备用)。
　 上海焦化厂的 U-Gas气化装置已运行了几年，目前的主要问题是气体带出物太多(200g／m 3 )，还不能长周期稳定运行(一般每运行1000h就要停车检修)。
　 2.2　灰熔聚流化床气化炉
　 灰熔聚流化床气化炉是由中国科学院山西煤炭化学研究所开发的。该所从 80年代开始，在国家计委和科委及中国科学院的大力支持下，独立研究开发了具有国际先进水平的“灰熔聚流化床粉煤气化”技术，并先后建立了日处理能力为1t煤的小型试验装置和24t煤的中间试验装置及相配套的冷态试验模型。2001年该所建成1座灰团聚流化床气化工业示范装置(规模100U天，相当于2万t氨／年)，以陕西郴县烟煤为原料，入炉煤粒度0-8mm。该示范装置于2002年10月通过验收。
　 2.2.1　灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理
　 流态化粉煤气化是借助气化剂 (蒸汽、空气或氧气)的吹入，使炉内中的煤粒在流化状态下气化，在燃烧产生的高温条件下，气固2相充分混合接触，发生煤的还原反应，最终实现煤的气化。
　 灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点： (1)主设备气化炉的结构简单，是一个单段流化床。(2)高温煤气夹带的细粉绝大部分经旋风除尘系统捕集下来，并通过料腿返回气化炉内，再次进行燃烧、气化，这样有利于碳利用率的提高。(3)煤种适应性宽，可利用碎煤(小于8mm)，对煤的灰熔点没有特殊要求。(4)气化炉的气化强度高，气化温度适中。粗煤气中不含焦油，含酚低，废水处理简单。
　 2.2.2　灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程
　 灰熔聚流化床粉煤气化工艺主要设备：进煤系统、气化炉、排灰系统、一级旋风降尘器、二级旋风除尘器、废热回收 (其中包括废热锅炉、换热器等设备)和冷却水洗塔等。灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程见图1。
　 2.2.3　工业化示范装置
　 采用中国科学院山西煤化所灰熔聚流化床气化技术的工业化示范装置建在陕西城固化肥厂。主要设备气化炉内径为下部 D2400mm、上部D3600mm，总高15m，气化压力0.03MPa，气化温度1000-1100℃，气化炉内衬耐热耐磨材料。配套制氧装置能力2065m 3 ／h(氧浓度92%)，氧气压力大于等于O.13MPa，烟煤破碎干燥系统生产能力4.2-5.0t／h，要求干燥后粉煤含水小于5%、粒度小于8mm，其中小于1mm的细粉煤要求控制在20%以下。气化和空分全部用DCS(分散控制系统)集中在一个控制室内操作。
　 设计规模：气化炉进煤量 4.2t／h，粗煤气产量9000m 3 ／h，生产合成氨2.8t／h，年产合成氨2万t(年操作日按300天计)。
　 该装置于 2000年4月土建开工，2001年3月全部建成，4月开始联动试车，6月中旬开始第1次投煤试车，至2001年12月先后实验4次，停车整改3次。2002年2月上旬完成了实验，工业化示范取得成功，煤气送入合成氨生产系统。2002年3月21—26日通过陕西省科技厅组织的验收。

　 2.2.4　灰熔聚气化技术的展望
　 气化炉压力户的提高有利于增加生产能力。压力提高亦降低了炉内气流速度，而降低气流速度使煤气夹带物量减少。作为合成原料气生产时，压力炉产生的煤气可减少合成气压缩功的耗量。
　 中国科学院山西煤化所正在进行加压灰熔聚气化技术研究。通过试验发现，提高压力，反应速度增加，相应地气化强度增加。从煤气组成看，压力提高，煤气中 CO+H2含量有所改善。而甲烷含量在0.5-1.4MPa(表压)压力下变化不大。气化压力提高，碳转化率和冷煤气效率明显增加。而排灰碳含量随压力增加而减少。由此可看出灰熔聚流化床气化技术将朝着提高压力的方向发展。

　 3　气流床
　 国外研究开发干煤粉气流床气化技术已有 50多年历史，其代表是K-T炉(Koppers-Totzek)、Shell炉和PRENFLO炉。国内在该技术领域刚起步，湖北应城化肥厂引进Shell公司技术正建设1台规模为800t／天的工业示范装置，预计2004年投运。烟台250MW等级的整体煤气化联合循环(IGCC)示范电站正进行评标。为配合IGCC引进工程，国电热工研究院于2000年建成了国内第1套干煤粉加压气化特性试验装置并进行了试验研究，其流程见图2。该装置气化能力为每小时10-20ks煤粉，压力为3.0MPa。研究的目标是积累中国主要动力煤在干粉气化状态下的气化数据库，形成一套干煤粉加压气化评价方法。

　 现在，热工研究院联合国内煤科总院北京煤化所、西北化工研究院等 6个单位正联合攻关，建设一套1.5t／h的中试装置。为取得中国自主开发的知识产权，中试气化炉采用2段进煤方案。气化炉结构见图3。

　 该气化炉的外壳为一直立圆筒，炉膛分为上炉膛和下炉膛 2段，下炉膛是第1反应区，为一个两端窄中间宽的腔体，4个对称的用于输入粉煤、水和氧气喷嘴设在下炉膛两侧壁上，渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣，在下炉膛内壁面上设有用于回收部分热量的水冷壁；上炉膛为第2反应区，高度较长，在上炉膛的侧壁开有2个对称的二次粉煤和水进口，同时在上炉膛内壁面也设有用于回收热量的水冷壁。工作时，由气化炉下段喷入干煤粉、氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽，所喷入的煤粉量占总煤量的80%-85%，在上炉膛喷入过热蒸汽夹带的粉煤，喷入量占总煤量的15%-20%。该装置中上段炉的作用：一是代替循环合成气使温度高达1400cC的煤气急冷至约900；二是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率。

　 4 我国煤气化工艺的发展方向
　 当前煤气化技术发展趋势： (1)适当提高气化压力对提高单炉生产能力、提高效率、降低成本都意义重大。(2)扩大煤种和粒度适应范围。(3)扩大单炉生产能力。(4)气化效率(含碳转化率、有效气含量、冷煤气效率)要高，氧煤单耗要低。(5)合理生产，综合利用。把煤气化技术与发电(如IGCC)、联产化工产品联系起来，以提高总热效率，降低产品成本。(6)满足环保要求。
　 在固定床气化炉方面，常压 UGI炉属淘汰炉型，加压Lurgi炉虽然冷煤气效率较高，氧耗较低，但低温焦油污染严重，环境治理较困难，入炉煤基本是13mm以上的小块煤，若用Lurgi炉生产合成气，因分离和转化煤气中甲烷生产流程较长，操作可靠性和稳定性降低。
　 加压气流床和流化床应是煤气化首选工艺。

　 5　讨论
　 (1)从国内外煤气化工艺发展趋势看，氧气气化必然取代空气气化。国外虽研发多种空气气化炉型，真正实现工业化并还在沿用(中国)的只有UGI炉。为推动煤气化工艺的技术进步，必须发展气流床气化、灰团聚气化等第2代炉型，逐步减少直至淘汰UGI炉，提高煤气化工艺水平。(2)K-T炉从工业化到停止发展只有不足30年历史，这是因常压操作而引起的。灰团聚炉(常压)比UGI炉是一个进步，如果不研发加压炉必将走K-T炉的老路，生命力不会太强。(3)Shell炉、PRENFLO炉虽属先进炉型，但由于专利费过高，一般企业无法接受，降低造价的办法是采用国内专利、走国产化之路，这对国内科研设计单位提出了更高的要求，国家应在于法进料加压气流床气化技术开发上增加投资，争取开发自主知识产权的专利技术。