石油和化工节能 2005年第4期 ·15·
节能技术
灰熔聚流化床粉煤气化技术
陈寒石 徐奕丰
（中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原030001）
摘要 煤气化是将固态煤转化为气态燃料或化工合成原料（CO+H2）的过程，由于煤炭的储量丰富，特别是我国等一些国家富煤少油贫气，煤气化技术就变的更加重要。研究开发煤气化工艺，就是要为产业界提供能适应更宽的原料范围、更高效、经济和清洁的气化过程。本文介绍了中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化技术，指出它的优缺点、适用范围、技术现状和发展方向，供同行参考。
关键词 煤气化 煤炭 灰熔聚 方向
1 灰熔聚流化床粉煤气化技术开发历程
针对我国能源以煤为主，煤种多、烟煤多、粉煤多、煤灰分高、灰熔点高(大部分商品煤灰含量>20%，灰熔点>1450°C)的特点，国家从“六五”计划开始投入大量人力、物力，研制开发先进煤气化技术（包括固定床、流化床、气流床）。经过20余年的研究开发，中国科学院山西煤炭化学研究所开发成功了具有自主知识产权的灰熔聚流化床粉煤气化技术。该工艺具有气化温度适中(1000-1100℃)、干粉煤进料、氧耗量较低、煤种适应性宽、产品气不含焦油、气化炉耐火材料要求低等优点。目前已成功应用于合成氨造气工业(常压，100吨煤/日)。
自20世纪80年代开始，在中国科学院重点科技攻关项目专项、国家科委攻关计划支持下，中科院山西煤化所进行了大量基础试验，及一系列放大试验，成功开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术。近年来，与企业结合进行了大量的煤种试验研究，试验煤样从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦，灰含量1%-37.88%，灰熔点1160-1500℃以上，挥发分6.15%-32.15%，热值15.24-36.15 MJ/kg，取得了不同煤种的气化特性和操作特性以及煤质对气化技术经济指标的影响规律，大大拓宽了煤种适用范围。尤其是无烟煤、石油焦气化试验取得了突破性的进展，表明灰熔聚流化床粉煤气化技术以低活性煤种为原料时，也能够达到合理的气化指标。
2 基本原理及工艺特点
灰熔聚流化床粉煤气化以碎煤为原料(
流化床反应器的混合特性有利于传热、传质及粉状原料的使用，但当应用于煤的气化过程时，受煤的气化反应速率和宽筛分物料气固流态化特性等因素影响，炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰（上吐）和炉底排渣（下泻）中的碳损失较高的缺点。常规流化床为降低排渣的碳含量，必须保持床层物料的低碳灰比；而在这种高灰床料工况下，为维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度（
·16· 2005年第4期 石油和化工节能
（1）备煤系统
粒径为0-30mm 的原料煤(焦)，先筛分、破碎到0-8mm 粒度，回转干燥器烘干（烟煤水分
（2）进料系统
备好的入炉煤经过斗式提升机进入煤锁斗系统，由螺旋给料器计量，气力输送进入气化炉下部。
（3）供气系统
气化剂(空气/蒸汽、氧气/蒸汽)分三路计量调节，由分布板、环形管、中心射流管进入气化炉。
（4）气化系统
煤在气化炉中部分燃烧产生的高温（950-1100℃）下与气化剂（氧气、蒸汽）进行反应，一次性实现破粘、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程，生成煤气。
（5）除尘系统
高温煤气带出的飞灰，大部分经一级旋风分离器捕集，返回气化炉进一步气化，二级旋风分离器捕集的少量飞灰排出系统。
（6）废热回收系统及煤气净化系统
除尘后的热煤气依次进入废热锅炉、蒸汽过热器和脱氧水预热器回收热量，再经洗涤塔净化冷却，送至下一工序。
（7）操作控制系统
采用集散型控制系统（DCS）实现控制室集中对整个气化生产过程主要工艺参数进行自动监测和控制，由DCS 系统完成实时监测指示、自动调节、顺序控制、安全连锁、报警、趋势记录和报表生成。
图1 灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理示意图
灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点：
（1）煤种适应性广，可实现气化原料本地化； （2）操作温度适中，无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高；
（3）工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低；
（4）灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效地分离，排灰碳含量低（
（5）炉内形成局部高温区（1200-1300℃），气化强度高；
（6）飞灰经过旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高；
（7）产品气中不含焦油和挥发酚，洗涤水净化容易；
（8）设备投资低，气化条件温和，消耗指标低，煤气成本低；
（9）中国自主专利，同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。
4 灰熔聚流化床典型煤种试验结果
在φ1000mm（0.1-0.5MPa，24吨煤/天）灰熔聚流化床中间试验装置上先后进行过冶金焦、太原东山瘦煤、太原西山焦煤、太原王封贫瘦煤、陕西神木弱粘结性长焰烟煤、焦煤洗中煤、陕西彬县烟煤、埃塞俄比亚褐煤、山西晋城无烟煤、山西阳泉无烟煤及石油焦的气化试验，累计试验时间达5000多小时。
试验煤样基本代表了我国绝大多数煤种，范围从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦。煤质分析数据：灰含量1%-41.36%，灰熔点DT 1160-1500℃以上，挥发分6.15%-32.15%。热值15.24-36.15 MJ/kg，焦渣特性2-6。
试验结果表明：
（1）所有试验煤种在灰熔聚流化床气化炉中
3 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流程如图2所示。
石油和化工节能 2005年第4期 ·17·
1 皮带输送机 2 破碎机 3 埋刮板输送机 4 筛分机 5 烘干机 6 输送 7 受煤斗
8 斗式提升机 9 进煤斗 10 进煤平衡斗A 11 进煤平衡斗B 12 螺旋给料机A/B 13 气化炉 14 上排灰斗 15 下排灰斗 16 高温返料阀 17 一级旋风分离器 18 二级旋风分离器 19 二旋排灰斗 20 汽包 21 废热锅炉 22 蒸汽过热器 23 脱氧水预热器 24 水封 25 粗煤气水洗塔 26 气体分气缸
图2 ICC灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置工艺流程简图
院山西煤化所灰熔聚)和固定床技术(鲁奇及英国都能够连续稳定地操作，并得到合理的气化结果。
煤气公司鲁奇BGL)，各炉型对煤的要求见表1。 （2）气化强度随着煤阶的增高(由褐煤到无烟
（1）气流床气化炉 煤)而降低；产气率随原料热值增高而增加。
气流床气化炉是当前先进气化技术中最成熟、（3）所有的高灰熔点煤（DT>1500℃）在1050
最常被选用的气化炉型，反应温度高℃左右都能顺利实现灰熔聚成球和选择性排灰。
(1400-1600°C)、压力高(3.0-6.5MPa)、煤气有效成（4）高灰煤的气化能够稳定操作，但合成气
分高、单台炉产量大是其最大的优点。德士古水煤比消耗指标随灰含量增高而增高。
浆气化炉自20世纪80年代初开发成功以来，已有（5）不同煤种的气化技术经济指标和操作特
多台商业化，仅在我国就有4套13台气化炉商业性存在着显著的差异，需要根据具体煤种特点进行
运行，并在不断增加，技术不断完善、国产化率越针对性设计。换言之，煤种适应性宽，并不是指同
来越高。 一套气化炉系统对不同原料煤都能适应，而是可以
气流床气化炉使用粉煤(
为水煤浆进料(德士古)和干粉煤进料(壳牌)两大配套设备。
类，都用氧为氧化剂，灰渣以熔融态液态排出。气
5 与国际先进气化技术比较
流床气化的优点在于高温使煤气化反应速度加快，
5.1 煤气化技术和工艺 因而碳转化率高、有效气成分高、甲烷含量低、处煤气化是煤与气化介质(空气、氧气、水蒸汽、理量大，但气流床也因高温而使其结构复杂、材料二氧化碳或其不同混合物)在高温(>900°C)下转化要求高、投资高、氧耗高、生产成本高。气流床对为气体燃料或合成原料气的过程。现有工业气化技煤的化学活性要求不严，而对煤中灰的含量和组术大致分三大类，即气流床技术(德士古、壳牌)，成、灰熔点有特别的要求，通常要求煤灰熔点流化床技术(HTW，KRW，Transportreactor，中科
·18· 2005年第4期 石油和化工节能
表1 不同气化工艺的煤种适应性
工艺类型 煤种 灰分
煤质
灰熔点 灰粘度 硫 煤粒度 成浆性
德士古 烟煤、 石油焦
壳牌 褐煤、烟煤 无烟煤、石油焦
HTW 褐煤、 年轻烟煤
不限制 不限制 不限制
灰熔聚 褐煤、烟煤、 无烟煤、石油焦
不限制 不限制 不限制
鲁奇 褐煤、 弱粘结烟煤
>1250°C 不限制 不限制 5-75mm
（2）流化床气化炉
流化床气化炉以碎煤为原料（
针对此问题，上世纪70年代末人们开始了灰熔聚流化床粉煤气化的研究(KRW，中科院山西煤化所AAF 为代表)。根据射流原理，设计了特殊的气体分布器和灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，提高了碳利用效率。另外，灰熔聚流化床是在非结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，保证了流化床内有较高的碳含量和在较高的温度下(1050-1100°C)保持正常的流态化，使原料煤由传统流化床只适用于高活性褐煤、次烟煤拓展到烟煤和无烟煤，选择性灰分离和飞灰循环也保证了高的碳转化率（灰渣含碳90%）。
因灰熔聚流化床气化炉技术的特殊设计和干法排渣，中科院山西煤化所研究证实可适应灰熔点1160-1500°C 的不同煤种，即使煤灰含量高达38%也能正常运行（出于技术经济考虑以灰含量
33
低，对普通烟煤仅300Nm /1000NmCO+H2（德士古为400-410，壳牌为330-360）。
（3）移动床气化炉（固定床气化炉）
固定床气化炉以不粘或弱粘块煤（5-75mm）为原料，通常气化剂（氧气、蒸汽）与煤逆流流动（气化剂向上，煤向下）因而床内形成一从下到上的温度分布。下部燃烧区温度达到1200-1300°C，而出口温度450-650°C，因而气化冷煤气效率最高、氧耗最低。但因煤从上向下移动过程中经加热、干燥、干馏，进而气化、燃烧，出口气体含有大量焦油、烃类、酚类和甲烷，煤气热值虽高但气体成分复杂，净化非常困难，固定床用作燃料气生产时效率很高、氧耗量低，但当用作合成气时还必须配以甲烷分离转化系统，流程过长。同时，固定床气化炉为防止燃烧区结渣过大排出困难，常在较低温度（1250°C）下操作，气化剂配以大量蒸汽，降低了经济性。
5.2 技术经济对比
表2和表3分别列出了灰熔聚流化床气化技术与德士古水煤桨气化技术投资和工艺消耗对比。由表可见，灰熔聚气化吨氨投资比德士古气化低
3
50%-60%；1000Nm CO+H2 消耗指标比较表明，当考虑流化床回收的飞灰焦粉，灰熔聚气化原料煤耗量与德士古气化接近，但氧耗降低23%-27%。灰熔聚工业示范试验结果（100吨煤/日）表明，因为投资低、消耗低，以陕西彬县煤为原料（2001年），合
3
，总体电耗成气生产成本只有0.22元/m（CO+H2）
相当。
石油和化工节能 2005年第4期 ·19·
表2 气化装置投资比较
气化工艺 合成氨规模
(万吨) 投资(含空分)(万元) 吨氨投资比
3
灰熔聚 Texaco Texaco Shell (ICC) (鲁南) (渭化) (柳州)8 8000 1
8 16000 2.0 灰熔聚 (城化) 0.759 0.05 310 189 0.63 低 0.22
30 75000 2.5 Texaco (鲁南) 0.643 - 403.6 - 较高
20 498002.7 Texaco (淮化)0.708 - 425 296 - 较高
表3 1000Nm CO+H2消耗指标比较（实物进料煤）
项 目 煤(t) 回收干煤粉(t) 氧气(m3) 电(kWh) 蒸汽(t) 折旧及维修 元/1000Nm3 CO+H2
气化装置平稳运转51个小时（因空分故障停车），煤气组成和产量符合设计要求，实现了灰熔聚分离，煤气和副产蒸汽并入生产系统。
2001年10月17日-27日第二次投料试车，在原料煤未经干燥处理，导致进煤不畅等困难条件下，试车242小时，其中连续稳定运行120小时，达到设计指标，煤气并入生产系统，取得了适宜的操作条件和完整的工业运行数据。此间还完成了对城化现场操作人员的培训，实现了从理论知识、观摩操作、指导操作到独立操作的过渡。
6.4 运行及考核
2002年3月通过72小时考核，各项生产指标均达到设计指标。到目前为止已成功运行两万多小时，最长连续运行3700小时。有关数据见表4至表6。
表4 考核达到的主要指标
项目 进煤量(t/h) 进氧量(Nm3/h) 进蒸汽量(t/h) CO+H2(%) 碳转化率(%) 灰渣含碳(%) 煤气产量(Nm3/h) 废锅产汽(t/h) 项目 原料烟煤(t)氧耗(Nm3) 蒸汽(t) 副产蒸汽(t)电(kWh) 软水(t) 新鲜水(t) 循环水(t)
设计指标4.20 2000 4.2 ≥68 >85
考核期平均值 最高值
4.3 1700 3.86 68.5 90.6 7.81 8851 4.50
4.5 1800 4.1 72.9693.1 4.73* 9570 4.65
6 工业示范情况
6.1 概况
工业示范装置建在陕西城化股份有限公司，设计指标为：进煤量100t/d，压力0.03MPa，粗煤气
3
产量9000Nm /h，CO+H2含量＞68%，生产合成氨2.8t/h(按年操作300天计，合成氨2万t/a)。单系列配置，气化炉内径下部φ2.4m，上部φ3.6m，
3
高15m，配套深冷空分装置能力2065Nm /h（氧浓度92%），总投资2370万元。2000年4月开工，2001年3月建成，4月开始单体、联动试车，6月中旬一次投料试车成功，合成气并入生产系统。2001年10月第二次投料试车，连续稳定运行120小时，达到设计指标。2002年2月投入商业运行，取得了工业化示范成功。
6.2 前期煤种试验和工程设计
中科院山西煤化所煤气化工程研究中心在其太原中试基地的φ1000mm（0.1-0.5MPa，24吨煤/天）灰熔聚流化床粉煤气化中间试验装置上用陕西彬县烟煤进行了煤种试验，取得了完整的工艺参数、操作条件和运行经验，提供了准确的设计数据。在此基础上成功地完成了工程放大设计、工业示范装置的基础设计、气化炉、飞灰循环系统等核心设备的施工图设计以及DCS 控制系统的软件设计。中国华陆工程公司承担并完成了全部配套工程设计。
6.3 化工投料试车
2001年6月19日-22日第一次投料试车成功，
表5 吨氨原料煤及动力消耗指标
吨氨消耗量
1.5 614 1.25 -1.60 375 1.6 12 40
备注 2号煤 O 2纯度92.5% 0.5MPa 1.3MPa
含空分，未含氮气压缩机
20℃ 32℃
6.5 效益分析
根据城化厂实际生产数据，与该厂固定床造气进行了对比经济分析，灰熔聚流化床粉煤气化示范装置投产，停运两台φ2.4m固定床气化炉，每天节
·20· 2005年第4期 石油和化工节能 省无烟块煤80吨，燃料烟煤20吨，在该厂当时情况（2001年）下，吨氨成本可降低172.55元（按目前的煤价吨氨成本可降低260元），经济效益显著。由于没有吹风气排放，煤气中不含焦油和酚，洗涤水易处理，因而环境效益也是好的。
表6 煤气洗涤水水质测定数据
分析项目 含尘量(mg/l) 氰化物(mg/l) 挥发酚(mg/l) 氨氮(mg/l) COD(mg/l) 硫化物(mg/l) 石油类(mg/l)
彬县煤 12 0.14 180.2 283 4.56 2.0
国家标准 100 1.0 0.2 100 150 1.0 10
7.1 常压气化改造方案
表7 常压（0.03MPa）气化炉单台生产能力
气化炉 下部内径φ2400
吨煤/小时4.5
Nm 3煤气/小时
9000
万吨氨/年
2
φ30007 14000 3.1
需实施的工程内容有：
（1）备煤系统：干燥、破碎、筛分及输送部分需新建；
（2）造气系统：新建； （3）制氧系统：新建；
（4）由于粗煤气中CO 2含量比固定床气化高，脱碳能力需要扩大。
7.2 低压气化改造方案
表8 φ2400mm气化炉单台生产能力
操作压力MPa 0.08 0.3
吨煤/小时5.65 9.88
Nm 3煤气/小时
11300 19800
万吨氨/年2.5 4.4
7 工艺的适用范围
占我国化肥总产量60%-70%的中小化肥企业正面临着巨大的市场竞争压力，特别是由于沿用间歇式固定床气化技术，原料局限于优质无烟块煤，价格昂贵且供不应求，使合成氨的生产成本居高不下，对环境还易造成污染，已不能适应当前经济和社会发展的需要。我国大中型氮肥厂已从国外引进的大型煤气化技术有德士古（Texaco）水煤浆加压气化、鲁奇（Lurgi）固定床加压气化和谢尔（Shell）干粉煤气流床加压气化（建设中）等，技术先进但设备投资昂贵，运行维护成本高，多数企业难以承受如此巨大的改造投资；此外，我国相当部分地区的煤种因灰含量高、灰熔点高，难以满足其原料要求。
“灰熔聚流化床粉煤气化技术”工业示范成功标志着我国煤气化技术完全依赖进口的时代即将结束，中国科学院山西煤炭化学研究所目前已有能力设计单台处理量100-300吨煤/日的气化炉(0.03-0.5MPa，φ2.4m，配套2-6万吨合成氨/年)。经大量煤种试验证明对绝大多数煤种的适应性，使得实现原料本地化成为可能，对我国中小氮肥厂改变原料路线，降低生产成本，提供了高效、先进、经济、适用的国产煤气化技术。通过选择不同的气化剂及其配比可以制取适合工业燃烧和合成化学品等用户不同需求的合成气与工业燃料气。
灰熔聚流化床粉煤气化技术针对中小氮肥厂原料本地化改造方案：
0.5 13.1 26200 5.8
（1）0.08MPa 气化利用氧气压力，不增加压缩能耗，煤气经洗涤设备减压进入气柜，后系统不需改造。
（2）对于加压脱硫工艺，煤气在压力下洗涤除尘，经压缩后，进脱硫，节省压缩能耗，但压缩机须改造。
（3）对于常压脱硫工艺，煤气经洗涤除尘，减压后进常压脱硫，脱硫装置无需改造，但气体减压造成能量损失。
8 技术现状与发展方向
灰熔聚流化床粉煤气化技术当前亟待改进的主要问题是：提高气化炉操作压力，从而提高单台气化炉（φ2400mm）的处理能力。此外，碳利用率、冷煤气效率和煤气有效成分也有待进一步改善。
目前灰熔聚流化床粉煤气化的研发工作已得到企业和政府的强有力支持，正在不断完善、改进的基础上，向加压大型化发展。已完成的φ200mm（1.0-1.5MPa）加压气化试验，研究所取得的规律性结果表明：加压（1.0-2.5MPa）后，单台气化炉（φ2400mm）处理量可达500-1000吨煤/日，可用于大型化工合成和先进煤基发电系统，是一项适合我国煤种和国情的先进的煤气化技术，具有广阔的市场前景。
石油和化工节能 2005年第4期 ·15·
节能技术
灰熔聚流化床粉煤气化技术
陈寒石 徐奕丰
（中国科学院山西煤炭化学研究所，山西太原030001）
摘要 煤气化是将固态煤转化为气态燃料或化工合成原料（CO+H2）的过程，由于煤炭的储量丰富，特别是我国等一些国家富煤少油贫气，煤气化技术就变的更加重要。研究开发煤气化工艺，就是要为产业界提供能适应更宽的原料范围、更高效、经济和清洁的气化过程。本文介绍了中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化技术，指出它的优缺点、适用范围、技术现状和发展方向，供同行参考。
关键词 煤气化 煤炭 灰熔聚 方向
1 灰熔聚流化床粉煤气化技术开发历程
针对我国能源以煤为主，煤种多、烟煤多、粉煤多、煤灰分高、灰熔点高(大部分商品煤灰含量>20%，灰熔点>1450°C)的特点，国家从“六五”计划开始投入大量人力、物力，研制开发先进煤气化技术（包括固定床、流化床、气流床）。经过20余年的研究开发，中国科学院山西煤炭化学研究所开发成功了具有自主知识产权的灰熔聚流化床粉煤气化技术。该工艺具有气化温度适中(1000-1100℃)、干粉煤进料、氧耗量较低、煤种适应性宽、产品气不含焦油、气化炉耐火材料要求低等优点。目前已成功应用于合成氨造气工业(常压，100吨煤/日)。
自20世纪80年代开始，在中国科学院重点科技攻关项目专项、国家科委攻关计划支持下，中科院山西煤化所进行了大量基础试验，及一系列放大试验，成功开发了灰熔聚流化床粉煤气化技术。近年来，与企业结合进行了大量的煤种试验研究，试验煤样从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦，灰含量1%-37.88%，灰熔点1160-1500℃以上，挥发分6.15%-32.15%，热值15.24-36.15 MJ/kg，取得了不同煤种的气化特性和操作特性以及煤质对气化技术经济指标的影响规律，大大拓宽了煤种适用范围。尤其是无烟煤、石油焦气化试验取得了突破性的进展，表明灰熔聚流化床粉煤气化技术以低活性煤种为原料时，也能够达到合理的气化指标。
2 基本原理及工艺特点
灰熔聚流化床粉煤气化以碎煤为原料(
流化床反应器的混合特性有利于传热、传质及粉状原料的使用，但当应用于煤的气化过程时，受煤的气化反应速率和宽筛分物料气固流态化特性等因素影响，炉内的强烈混合状态导致了炉顶带出飞灰（上吐）和炉底排渣（下泻）中的碳损失较高的缺点。常规流化床为降低排渣的碳含量，必须保持床层物料的低碳灰比；而在这种高灰床料工况下，为维持稳定的不结渣操作，不得不采用较低的操作温度（
·16· 2005年第4期 石油和化工节能
（1）备煤系统
粒径为0-30mm 的原料煤(焦)，先筛分、破碎到0-8mm 粒度，回转干燥器烘干（烟煤水分
（2）进料系统
备好的入炉煤经过斗式提升机进入煤锁斗系统，由螺旋给料器计量，气力输送进入气化炉下部。
（3）供气系统
气化剂(空气/蒸汽、氧气/蒸汽)分三路计量调节，由分布板、环形管、中心射流管进入气化炉。
（4）气化系统
煤在气化炉中部分燃烧产生的高温（950-1100℃）下与气化剂（氧气、蒸汽）进行反应，一次性实现破粘、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程，生成煤气。
（5）除尘系统
高温煤气带出的飞灰，大部分经一级旋风分离器捕集，返回气化炉进一步气化，二级旋风分离器捕集的少量飞灰排出系统。
（6）废热回收系统及煤气净化系统
除尘后的热煤气依次进入废热锅炉、蒸汽过热器和脱氧水预热器回收热量，再经洗涤塔净化冷却，送至下一工序。
（7）操作控制系统
采用集散型控制系统（DCS）实现控制室集中对整个气化生产过程主要工艺参数进行自动监测和控制，由DCS 系统完成实时监测指示、自动调节、顺序控制、安全连锁、报警、趋势记录和报表生成。
图1 灰熔聚流化床粉煤气化技术基本原理示意图
灰熔聚流化床粉煤气化工艺的特点：
（1）煤种适应性广，可实现气化原料本地化； （2）操作温度适中，无特殊材质要求，操作稳定，连续运转可靠性高；
（3）工艺流程简单，气化炉及配套设备结构简单，造价低，维护费用低；
（4）灰团聚成球，借助重量的差异与半焦有效地分离，排灰碳含量低（
（5）炉内形成局部高温区（1200-1300℃），气化强度高；
（6）飞灰经过旋风除尘器捕集后返回气化炉，循环转化，碳利用率高；
（7）产品气中不含焦油和挥发酚，洗涤水净化容易；
（8）设备投资低，气化条件温和，消耗指标低，煤气成本低；
（9）中国自主专利，同等规模下，与引进气化技术相比，投资低50%。
4 灰熔聚流化床典型煤种试验结果
在φ1000mm（0.1-0.5MPa，24吨煤/天）灰熔聚流化床中间试验装置上先后进行过冶金焦、太原东山瘦煤、太原西山焦煤、太原王封贫瘦煤、陕西神木弱粘结性长焰烟煤、焦煤洗中煤、陕西彬县烟煤、埃塞俄比亚褐煤、山西晋城无烟煤、山西阳泉无烟煤及石油焦的气化试验，累计试验时间达5000多小时。
试验煤样基本代表了我国绝大多数煤种，范围从褐煤、烟煤、无烟煤到石油焦。煤质分析数据：灰含量1%-41.36%，灰熔点DT 1160-1500℃以上，挥发分6.15%-32.15%。热值15.24-36.15 MJ/kg，焦渣特性2-6。
试验结果表明：
（1）所有试验煤种在灰熔聚流化床气化炉中
3 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流程如图2所示。
石油和化工节能 2005年第4期 ·17·
1 皮带输送机 2 破碎机 3 埋刮板输送机 4 筛分机 5 烘干机 6 输送 7 受煤斗
8 斗式提升机 9 进煤斗 10 进煤平衡斗A 11 进煤平衡斗B 12 螺旋给料机A/B 13 气化炉 14 上排灰斗 15 下排灰斗 16 高温返料阀 17 一级旋风分离器 18 二级旋风分离器 19 二旋排灰斗 20 汽包 21 废热锅炉 22 蒸汽过热器 23 脱氧水预热器 24 水封 25 粗煤气水洗塔 26 气体分气缸
图2 ICC灰熔聚流化床粉煤气化工业示范装置工艺流程简图
院山西煤化所灰熔聚)和固定床技术(鲁奇及英国都能够连续稳定地操作，并得到合理的气化结果。
煤气公司鲁奇BGL)，各炉型对煤的要求见表1。 （2）气化强度随着煤阶的增高(由褐煤到无烟
（1）气流床气化炉 煤)而降低；产气率随原料热值增高而增加。
气流床气化炉是当前先进气化技术中最成熟、（3）所有的高灰熔点煤（DT>1500℃）在1050
最常被选用的气化炉型，反应温度高℃左右都能顺利实现灰熔聚成球和选择性排灰。
(1400-1600°C)、压力高(3.0-6.5MPa)、煤气有效成（4）高灰煤的气化能够稳定操作，但合成气
分高、单台炉产量大是其最大的优点。德士古水煤比消耗指标随灰含量增高而增高。
浆气化炉自20世纪80年代初开发成功以来，已有（5）不同煤种的气化技术经济指标和操作特
多台商业化，仅在我国就有4套13台气化炉商业性存在着显著的差异，需要根据具体煤种特点进行
运行，并在不断增加，技术不断完善、国产化率越针对性设计。换言之，煤种适应性宽，并不是指同
来越高。 一套气化炉系统对不同原料煤都能适应，而是可以
气流床气化炉使用粉煤(
为水煤浆进料(德士古)和干粉煤进料(壳牌)两大配套设备。
类，都用氧为氧化剂，灰渣以熔融态液态排出。气
5 与国际先进气化技术比较
流床气化的优点在于高温使煤气化反应速度加快，
5.1 煤气化技术和工艺 因而碳转化率高、有效气成分高、甲烷含量低、处煤气化是煤与气化介质(空气、氧气、水蒸汽、理量大，但气流床也因高温而使其结构复杂、材料二氧化碳或其不同混合物)在高温(>900°C)下转化要求高、投资高、氧耗高、生产成本高。气流床对为气体燃料或合成原料气的过程。现有工业气化技煤的化学活性要求不严，而对煤中灰的含量和组术大致分三大类，即气流床技术(德士古、壳牌)，成、灰熔点有特别的要求，通常要求煤灰熔点流化床技术(HTW，KRW，Transportreactor，中科
·18· 2005年第4期 石油和化工节能
表1 不同气化工艺的煤种适应性
工艺类型 煤种 灰分
煤质
灰熔点 灰粘度 硫 煤粒度 成浆性
德士古 烟煤、 石油焦
壳牌 褐煤、烟煤 无烟煤、石油焦
HTW 褐煤、 年轻烟煤
不限制 不限制 不限制
灰熔聚 褐煤、烟煤、 无烟煤、石油焦
不限制 不限制 不限制
鲁奇 褐煤、 弱粘结烟煤
>1250°C 不限制 不限制 5-75mm
（2）流化床气化炉
流化床气化炉以碎煤为原料（
针对此问题，上世纪70年代末人们开始了灰熔聚流化床粉煤气化的研究(KRW，中科院山西煤化所AAF 为代表)。根据射流原理，设计了特殊的气体分布器和灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，提高了碳利用效率。另外，灰熔聚流化床是在非结渣情况下连续有选择地排出低碳含量的灰渣，保证了流化床内有较高的碳含量和在较高的温度下(1050-1100°C)保持正常的流态化，使原料煤由传统流化床只适用于高活性褐煤、次烟煤拓展到烟煤和无烟煤，选择性灰分离和飞灰循环也保证了高的碳转化率（灰渣含碳90%）。
因灰熔聚流化床气化炉技术的特殊设计和干法排渣，中科院山西煤化所研究证实可适应灰熔点1160-1500°C 的不同煤种，即使煤灰含量高达38%也能正常运行（出于技术经济考虑以灰含量
33
低，对普通烟煤仅300Nm /1000NmCO+H2（德士古为400-410，壳牌为330-360）。
（3）移动床气化炉（固定床气化炉）
固定床气化炉以不粘或弱粘块煤（5-75mm）为原料，通常气化剂（氧气、蒸汽）与煤逆流流动（气化剂向上，煤向下）因而床内形成一从下到上的温度分布。下部燃烧区温度达到1200-1300°C，而出口温度450-650°C，因而气化冷煤气效率最高、氧耗最低。但因煤从上向下移动过程中经加热、干燥、干馏，进而气化、燃烧，出口气体含有大量焦油、烃类、酚类和甲烷，煤气热值虽高但气体成分复杂，净化非常困难，固定床用作燃料气生产时效率很高、氧耗量低，但当用作合成气时还必须配以甲烷分离转化系统，流程过长。同时，固定床气化炉为防止燃烧区结渣过大排出困难，常在较低温度（1250°C）下操作，气化剂配以大量蒸汽，降低了经济性。
5.2 技术经济对比
表2和表3分别列出了灰熔聚流化床气化技术与德士古水煤桨气化技术投资和工艺消耗对比。由表可见，灰熔聚气化吨氨投资比德士古气化低
3
50%-60%；1000Nm CO+H2 消耗指标比较表明，当考虑流化床回收的飞灰焦粉，灰熔聚气化原料煤耗量与德士古气化接近，但氧耗降低23%-27%。灰熔聚工业示范试验结果（100吨煤/日）表明，因为投资低、消耗低，以陕西彬县煤为原料（2001年），合
3
，总体电耗成气生产成本只有0.22元/m（CO+H2）
相当。
石油和化工节能 2005年第4期 ·19·
表2 气化装置投资比较
气化工艺 合成氨规模
(万吨) 投资(含空分)(万元) 吨氨投资比
3
灰熔聚 Texaco Texaco Shell (ICC) (鲁南) (渭化) (柳州)8 8000 1
8 16000 2.0 灰熔聚 (城化) 0.759 0.05 310 189 0.63 低 0.22
30 75000 2.5 Texaco (鲁南) 0.643 - 403.6 - 较高
20 498002.7 Texaco (淮化)0.708 - 425 296 - 较高
表3 1000Nm CO+H2消耗指标比较（实物进料煤）
项 目 煤(t) 回收干煤粉(t) 氧气(m3) 电(kWh) 蒸汽(t) 折旧及维修 元/1000Nm3 CO+H2
气化装置平稳运转51个小时（因空分故障停车），煤气组成和产量符合设计要求，实现了灰熔聚分离，煤气和副产蒸汽并入生产系统。
2001年10月17日-27日第二次投料试车，在原料煤未经干燥处理，导致进煤不畅等困难条件下，试车242小时，其中连续稳定运行120小时，达到设计指标，煤气并入生产系统，取得了适宜的操作条件和完整的工业运行数据。此间还完成了对城化现场操作人员的培训，实现了从理论知识、观摩操作、指导操作到独立操作的过渡。
6.4 运行及考核
2002年3月通过72小时考核，各项生产指标均达到设计指标。到目前为止已成功运行两万多小时，最长连续运行3700小时。有关数据见表4至表6。
表4 考核达到的主要指标
项目 进煤量(t/h) 进氧量(Nm3/h) 进蒸汽量(t/h) CO+H2(%) 碳转化率(%) 灰渣含碳(%) 煤气产量(Nm3/h) 废锅产汽(t/h) 项目 原料烟煤(t)氧耗(Nm3) 蒸汽(t) 副产蒸汽(t)电(kWh) 软水(t) 新鲜水(t) 循环水(t)
设计指标4.20 2000 4.2 ≥68 >85
考核期平均值 最高值
4.3 1700 3.86 68.5 90.6 7.81 8851 4.50
4.5 1800 4.1 72.9693.1 4.73* 9570 4.65
6 工业示范情况
6.1 概况
工业示范装置建在陕西城化股份有限公司，设计指标为：进煤量100t/d，压力0.03MPa，粗煤气
3
产量9000Nm /h，CO+H2含量＞68%，生产合成氨2.8t/h(按年操作300天计，合成氨2万t/a)。单系列配置，气化炉内径下部φ2.4m，上部φ3.6m，
3
高15m，配套深冷空分装置能力2065Nm /h（氧浓度92%），总投资2370万元。2000年4月开工，2001年3月建成，4月开始单体、联动试车，6月中旬一次投料试车成功，合成气并入生产系统。2001年10月第二次投料试车，连续稳定运行120小时，达到设计指标。2002年2月投入商业运行，取得了工业化示范成功。
6.2 前期煤种试验和工程设计
中科院山西煤化所煤气化工程研究中心在其太原中试基地的φ1000mm（0.1-0.5MPa，24吨煤/天）灰熔聚流化床粉煤气化中间试验装置上用陕西彬县烟煤进行了煤种试验，取得了完整的工艺参数、操作条件和运行经验，提供了准确的设计数据。在此基础上成功地完成了工程放大设计、工业示范装置的基础设计、气化炉、飞灰循环系统等核心设备的施工图设计以及DCS 控制系统的软件设计。中国华陆工程公司承担并完成了全部配套工程设计。
6.3 化工投料试车
2001年6月19日-22日第一次投料试车成功，
表5 吨氨原料煤及动力消耗指标
吨氨消耗量
1.5 614 1.25 -1.60 375 1.6 12 40
备注 2号煤 O 2纯度92.5% 0.5MPa 1.3MPa
含空分，未含氮气压缩机
20℃ 32℃
6.5 效益分析
根据城化厂实际生产数据，与该厂固定床造气进行了对比经济分析，灰熔聚流化床粉煤气化示范装置投产，停运两台φ2.4m固定床气化炉，每天节
·20· 2005年第4期 石油和化工节能 省无烟块煤80吨，燃料烟煤20吨，在该厂当时情况（2001年）下，吨氨成本可降低172.55元（按目前的煤价吨氨成本可降低260元），经济效益显著。由于没有吹风气排放，煤气中不含焦油和酚，洗涤水易处理，因而环境效益也是好的。
表6 煤气洗涤水水质测定数据
分析项目 含尘量(mg/l) 氰化物(mg/l) 挥发酚(mg/l) 氨氮(mg/l) COD(mg/l) 硫化物(mg/l) 石油类(mg/l)
彬县煤 12 0.14 180.2 283 4.56 2.0
国家标准 100 1.0 0.2 100 150 1.0 10
7.1 常压气化改造方案
表7 常压（0.03MPa）气化炉单台生产能力
气化炉 下部内径φ2400
吨煤/小时4.5
Nm 3煤气/小时
9000
万吨氨/年
2
φ30007 14000 3.1
需实施的工程内容有：
（1）备煤系统：干燥、破碎、筛分及输送部分需新建；
（2）造气系统：新建； （3）制氧系统：新建；
（4）由于粗煤气中CO 2含量比固定床气化高，脱碳能力需要扩大。
7.2 低压气化改造方案
表8 φ2400mm气化炉单台生产能力
操作压力MPa 0.08 0.3
吨煤/小时5.65 9.88
Nm 3煤气/小时
11300 19800
万吨氨/年2.5 4.4
7 工艺的适用范围
占我国化肥总产量60%-70%的中小化肥企业正面临着巨大的市场竞争压力，特别是由于沿用间歇式固定床气化技术，原料局限于优质无烟块煤，价格昂贵且供不应求，使合成氨的生产成本居高不下，对环境还易造成污染，已不能适应当前经济和社会发展的需要。我国大中型氮肥厂已从国外引进的大型煤气化技术有德士古（Texaco）水煤浆加压气化、鲁奇（Lurgi）固定床加压气化和谢尔（Shell）干粉煤气流床加压气化（建设中）等，技术先进但设备投资昂贵，运行维护成本高，多数企业难以承受如此巨大的改造投资；此外，我国相当部分地区的煤种因灰含量高、灰熔点高，难以满足其原料要求。
“灰熔聚流化床粉煤气化技术”工业示范成功标志着我国煤气化技术完全依赖进口的时代即将结束，中国科学院山西煤炭化学研究所目前已有能力设计单台处理量100-300吨煤/日的气化炉(0.03-0.5MPa，φ2.4m，配套2-6万吨合成氨/年)。经大量煤种试验证明对绝大多数煤种的适应性，使得实现原料本地化成为可能，对我国中小氮肥厂改变原料路线，降低生产成本，提供了高效、先进、经济、适用的国产煤气化技术。通过选择不同的气化剂及其配比可以制取适合工业燃烧和合成化学品等用户不同需求的合成气与工业燃料气。
灰熔聚流化床粉煤气化技术针对中小氮肥厂原料本地化改造方案：
0.5 13.1 26200 5.8
（1）0.08MPa 气化利用氧气压力，不增加压缩能耗，煤气经洗涤设备减压进入气柜，后系统不需改造。
（2）对于加压脱硫工艺，煤气在压力下洗涤除尘，经压缩后，进脱硫，节省压缩能耗，但压缩机须改造。
（3）对于常压脱硫工艺，煤气经洗涤除尘，减压后进常压脱硫，脱硫装置无需改造，但气体减压造成能量损失。
8 技术现状与发展方向
灰熔聚流化床粉煤气化技术当前亟待改进的主要问题是：提高气化炉操作压力，从而提高单台气化炉（φ2400mm）的处理能力。此外，碳利用率、冷煤气效率和煤气有效成分也有待进一步改善。
目前灰熔聚流化床粉煤气化的研发工作已得到企业和政府的强有力支持，正在不断完善、改进的基础上，向加压大型化发展。已完成的φ200mm（1.0-1.5MPa）加压气化试验，研究所取得的规律性结果表明：加压（1.0-2.5MPa）后，单台气化炉（φ2400mm）处理量可达500-1000吨煤/日，可用于大型化工合成和先进煤基发电系统，是一项适合我国煤种和国情的先进的煤气化技术，具有广阔的市场前景。