第1章 煤气化灰渣来源及处理现状
我国能源禀赋是“富煤、贫油、少气”。根据《中国统计年鉴》，2020年煤炭消费量占能源消费总量的 56.8%，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量仅占24.3%。当前，我国的能源需求仍呈增长趋势，尽管煤炭在能源消费总量中的占比不断下降，但考虑到可再生能源短期内难以大规模替代传统化石能源，煤炭仍将是我国能源供应的“压舱石”和“稳定器”。2021年12月召开的中央经济工作会议明确指出：传统能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基础上。要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用 能源和原料用能不纳入能源消费总量控制。
在燃煤发电超低排放升级改造方面我国已取得了显著进展，加速了煤炭作为燃料的清洁化转变。煤炭作为原料不仅可以固碳，还能够提供丰富的油品和化工品，有力拓展了煤炭的消费利用空间。煤炭气化是推进煤炭消费升级、加快煤炭向清洁燃料和优质原料转变的核心技术手段。气化制备合成气是煤基化学品、煤基液态燃料、整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle，IGCC)机组发电、多联产、制氢和燃料电池等过程工业的基础。
1.1 煤气化技术简介
根据气化反应器的不同，煤气化技术主要分为移动床、流化床和气流床三大类。与移动床气化炉相比，流化床和气流床气化炉具有单台炉子处理量大、煤气中不含焦油等优点，目前国内新上气化项目大多数为流化床和气流床。本节将以流化床和气流床为主进行介绍。
1.1.1 流化床气化技术
当气体以一定速度通过颗粒床层并使颗粒悬浮、保持连续运行状态时，便出现了颗粒床层的流化。流化床气化就是利用流态化技术原理，使煤颗粒在气化介质中处于沸腾状态发生气化反应。流化床气化炉主要包括温克勒 (Winkler)气化炉、恩德炉、循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)气化炉、 KBR输送床气化炉、灰熔聚气化炉(U-Gas、 KRW、ICC)等。其中，国内工业化的流化床气化技术均是循环流化床反应器，如循环流化床气化炉、恩德炉和灰熔聚气化炉等。
恩德炉气化技术 (图1.1)基于流态化基本原理开发，炉内煤 /半焦与气流快速混合，呈现沸腾的状态，在底部形成密相区，床内传质和传热迅速，反应后大颗粒渣从底部排灰管排出，细颗粒渣经旋风分离器分离后再次返回炉膛反应。目前，恩德炉已在国内成功推广五十多台，形成了 10000～60000m3/h不同容量等级的产品，具有技术成熟度高、投资低、建设周期短、煤种适用范围广、操作简单等优点，但也存在一些不足，如气化飞灰碳含量偏高、单台炉产气量偏低等。
图1.1 恩德流化床气化工艺流程灰熔聚气化技术
(图1.2)由中国科学院山西煤炭化学研究所研发，区别于传统的流化床气化技术，该技术核心是中心射流，中心射流形成局部高温区，提高了气化强度，同时使得煤灰软化熔聚成球，熔聚长大并昀终形成大颗粒灰渣，借助重量的差异实现灰渣与半焦的分离，从而提高碳转化率和能源利用效率。另外，旋风分离器分离逃逸的二次飞灰经再次分离后，由细粉进料管密相输送至气化炉的密相区，与中心射流管通入的高浓度氧气发生反应，进一步提高碳的转化率。目前，灰熔聚气化技术已完成中试研究及工业示范，具有负荷调变范围宽、氧耗及蒸汽消耗低、产品气不含焦油、制气成本低等优势。但灰熔聚气化技术也存在一些不足，如工业化运行的气化炉运行压力较低、单台产气量相对较低。多段分级转化流化床加压气化技术完成了中试试验，尚需长周期工程运行验证。
循环流化床气化技术(图1.3)由中国科学院工程热物理研究所研发，区别于其他流化床气化技术，技术核心是高倍率高碳循环。气化剂从炉膛底部特制的风帽给入，与入炉原料煤充分混合及流化，发生快速热解、气化及燃烧反应，气化温度为900～1050℃。高浓度含碳细颗粒半焦随煤气进入高效旋风分离器，绝大部分颗粒半焦被分离下来，通过自平衡返料器返回至气化炉底部密相区，进一步参与气化和燃烧反应，整个过程循环倍率高达上百，从而实现碳转化率的提高。底渣从气化炉底部排灰管排出。目前，该技术已实现推广 71台气化炉的工程业绩，完成了 5000～100000m3/h系列不同容量等级的气化炉开发。在常压气化制工业燃气技术基础上，开发了常压富氧气化制合成气技术以及加压循环流化床气化技术。*套加压循环流化床煤气化制合成气装置 (0.3MPa)于 2019年在甘肃金昌化学工业集团有限公司交付使用。*套以新疆高碱煤为原料制合成气的循环流化床气化炉于 2020年在新疆宜化化工有限公司成功投运。1.1MPa加压循环流化床煤气化装置于 2021年在盘锦浩业化工有限公司完成建设，具备了调试运行条件。循环流化床气化技术在循环流化床锅炉技术的基础上实现了重大变革和创新，与固定床、气流床气化技术形成优势互补，对我国煤炭高效清洁利用起到了支撑作用。已有的工程运行
结果表明，循环流化床气化技术煤种适应范围广、投资少、制气成本低、环保性能好、连续运转率高，在化工、建材、有色金属冶炼等行业的工业燃气制备及中小型化肥厂的原料气制备等领域实现成功应用，为企业淘汰落后产能、提升经济社会效益提供了解决方案。循环流化床气化技术较传统的流化床气化技术在气化强度方面有一定提升，但与加压气流床气化技术相比，仍存在单台炉子煤处理量偏小、碳转化率及冷煤气效率偏低的问题。
1.1.2 气流床气化技术
气流床气化技术因具有气化指标高、气化强度大和单炉处理能力强等优点，广泛应用于大型煤化工领域。目前，国内气流床气化炉市场占有率达 80%以上，处于主导地位。气流床气化技术含有多种类别，根据入炉原煤形态不同，可以分为水煤浆气化和粉煤气化两个大类；根据喷嘴数量不同和位置设置的不同，又可以分为多喷嘴和单喷嘴两大类；根据气化炉内衬材料的差异，又可分为耐火砖衬里型和水冷壁衬里型；根据后续工艺要求，气化合成气的冷却流程又可分为激冷流程和废热锅炉流程。主流的气流床气化技术主要有多喷嘴对置式(OMB)气化炉、航天炉(HT-L)、晋华炉、德士古(GE)气化炉、GSP、壳牌(Shell)炉、东方炉(SE)、TPRI两段炉等。
德士古气化炉(图1.4)由德士古(Texaco)公司开发，典型特点是顶置单喷嘴、水煤浆进料、使用复合耐火材料等。水煤浆经过烧嘴与氧气从顶部射入炉膛，在高速氧气流的作用下实现雾化，雾化后的煤颗粒在高温壁面辐射作用下发生快速预热、热解及气化，反应生成的熔渣和煤气一同向下运动，经过激冷或废锅后分别进入渣池和下游。炉膛正常运行温度约为 1350℃，操作压力为 3.0～6.5MPa。目前，作为**款以水煤浆为原料实现商业运行的气化炉，德士古气化炉在国内商业推广较好，具有处理量大、技术较为成熟、热量利用率相对较高等优点，但也存在复合耐火砖侵蚀严重、烧嘴寿命偏短、灰水处理系统庞大等问题。
多喷嘴对置式气化炉 (图1.5)由华东理工大学基于对置撞击射流强化混合的原理开发。典型特点是水煤浆进料、多喷嘴对置、水冷壁设计。水煤浆通过同一平面的四个预膜式喷嘴与氧气一起喷入炉内，形成强烈的撞击流，在完成水煤浆雾化的同时，强化炉内反应的传质传热[1]。炉膛正常运行压力 4.0～6.5MPa，操作温度 1350～1500℃，昀大处理量高达 4000t/d。目前，多喷嘴对置式气化炉在国内推广较为成功，并成功将技术推广至国外，具有处理量大、技术成熟、运行可靠和成本相对较低等优点，但也存在喷嘴侵蚀、有效气含量偏低等问题。
晋华炉(图1.6)由清华大学、山西阳煤丰喜肥业和山西阳煤化工机械有限公司联合研发，将燃烧领域的凝渣保护技术和自然循环膜式壁技术引进气化领域。典型特点是水煤浆、水冷膜式壁、辐射式蒸汽发生器和顶置单喷嘴。核心部件辐射式蒸汽发生器借鉴液态排渣旋风锅炉的进口和结构设计理念，能有效避免国外同类技术存在的堵渣和积灰问题；改进结构设计能减少双面受热面的布置比例，设备体积和投资减少；通过回收高温合成气热量、副产高温高压蒸汽等方式，可提高能源转换效率。炉膛运行温度昀高可达 1700℃，操作压力昀高达到 6.5MPa。目前，晋华炉已由 1.0版本发展到 4.0版本，技术更新迭代快，产品生命力强，市场前景广阔。
图1.4 德士古气化炉结构示意图
图1.6 晋华炉结构示意图
壳牌炉由壳牌公司开发，昀显著的特点是炉膛靠近底部设置四个切圆布置的喷嘴，在炉膛内部形成强烈向上的旋流场。区别于德士古炉水煤浆进料，壳牌炉是干粉进料，粒径要求研磨至 100μm以下，由高压氮气输送 (图1.7)。炉膛正常运行压力为 3.5～4.0MPa，操作温度 1300～1500℃。炉内高温促使煤灰熔融成液态，在旋流作用下“甩”至水冷壁面，形成一层液态熔渣膜，沿壁面向下流动，有效保护壁面免受高温和熔渣侵蚀，起到
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