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华东理工大学|华东理工大学王辅臣教授：煤气化技术在中国：回顾与展望

摘要：系统回顾了煤气化技术在中国150多年的发展历史 ， 从新中国建立前、新中国建立到改革开放前、改革开放后3个阶段 ， 分别介绍了我国引进各类煤气化技术的过程及其应用情况；以改革开放前和改革开放后2个阶段 ， 重点概括了我国煤气化技术领域的艰难探索、系统深入研究和技术示范与应用过程中取得的重要进展与成果；对我国自主开发的主要煤气化技术的研发历程、技术特点、应用情况及最新进展进行概要阐述 ， 并对地下气化、催化气化、加氢气化、超临界水气化、等离子体气化等新型气化技术的国内研发进展进行简要述评；总结了我国煤气化技术引进、自主研究与工程应用经验 ， 从降低装置投资、提高系统效率、实现环境友好、协同处理液/固有机废物、融合信息化技术、开发新技术、保护知识产权等方面对煤气化技术的未来发展进行了展望 。
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国外煤气化技术在我国的应用历程
从煤气化技术的发展过程看 ， 炉型从固定床到流化床 ， 再到气流床 ， 入炉煤颗粒直径从厘米级到毫米级 ， 再到微米级 ， 反应温度从中温（800～900 ℃）到高温（1 300～1 500 ℃） ， 炉内反应速度逐渐增加 ， 气化炉单位体积处理能力不断提升 ， 煤中碳的转化率不断提高；气化炉操作压力从常压变为高压 ， 显著增强了气化炉单位体积的处理能力；气化煤种也从早期的焦炭、无烟煤逐步扩展烟煤和褐煤 ， 煤种适应性不断改善 。 总之 ， 煤气化技术的发展过程就是煤种适应性不断改善、碳转化率不断提高、单炉规模不断增加、污染物排放不断减低的过程 。
从新中国建立到改革开放开始的30年中 ， 工业界采用的煤气化技术仍以国外第1代固定床煤气化技术为主 ， 个别企业采用Winkler流化床气化炉 。 我国学术界和工程界也进行了大量探索 ， 为改革开放后煤气化技术在我国的发展积累了宝贵的工程经验 ， 奠定了初步基础 。
改革开放后 ， 西方发达国家逐渐解除了对我国的技术封锁 ， 学术、技术方面的交流恢复正常 。 此时国外煤气化技术已发展到第2代 ， 以Lurgi炉为代表的加压固定床气化技术得到广泛应用；同时气流床气化技术快速崛起 ， 以Texaco炉为代表的水煤浆气化技术和以Shell炉为代表的粉煤加压气化技术 ， 于1978年完成了工业示范 。 与发达国家相比 ， 我国煤气化技术的研发和应用差距较大 。 经煤化工界强烈呼吁 ， 我国启动了自主知识产权的煤气化技术的研发工作 ， 国家科委、燃料化学工业部、煤炭工业部等组织相关专家分别赴欧洲和美国考察 ， 了解国外先进煤技术发展状况 ， 并结合我国当时经济社会发展情况 ， 决定自主研发与引进技术并重 ， 研究开发工作服务于引进技术的消化吸收 ， 技术路线以Lurgi加压固定床气化技术和Texaco水煤浆气化技术为主 。
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国内煤气化技术的自主研发和应用进展
国内煤气化技术的研发起步于20世纪50年代中后期 ， 主要研究机构有建设部东北煤气化设计研究所（现沈阳煤气热力研究设计院）、煤炭工业部北京煤化学研究所（现煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院）和化学工业部上海化工研究院（现上海化工研究院有限公司） ， 研究开发工作主要聚焦于固定床气化技术和常压粉煤气流床气化技术 ， 粉煤流化床气化相关研究相对较少 。
“文革”结束后 ， 为满足我国化肥工业和城市燃气行业发展的需求 ， 我国决定引进国外先进的煤气化技术 。 经过技术考察后 ， 最终选择2条主流的技术路线：一是Lurgi加压固定床气化技术 ， 用以改造中小型合成氨厂和生产城市煤气；二是Texaco水煤浆气化技术 ， 用以新建煤为原料的大型合成氨厂 。 同时化学工业部陕西化肥研究所（现西北化工研究院）、煤炭工业部北京煤炭化学研究所、建设部东北煤气化设计研究所、中国科学院山西煤炭化学研究所、华东理工大学和太原理工大学等开始了煤气化技术的研发工作 。
1980年 ， 中国科学院山西煤炭化学研究所黄克权先生撰写了具有高价值的战略研究报告——我国煤气化研究若干问题 ， 其中很多建议在后来均得到了实施 ， 对我国煤气化领域的应用基础研究和技术开发具有重要价值 。 1988年 ， 我国开展了“中国煤炭利用新技术发展战略和政策”研究 ， 其中对煤气化技术的发展也提出了建设性意见 。 1994年 ， 针对我国煤炭利用技术研发和应用状况 ， 结合国际煤转化利用的发展趋势 ， 谢克昌院士提出了煤的优化利用技术及开发中的若干科学问题 ， 对后来我国现代煤化工及煤气化技术的应用与发展也发挥了重要指导作用 。
21世纪后 ， 清华大学、西安热工研究院和航天部第十一研究所等开展了煤气化技术研究 。 该阶段煤气化技术的研究开发工作的驱动力来自2个方面：一是国家化工行业的发展亟需自主的煤气化技术；二是从国外引进的各种煤气化技术在应用中出现了影响煤气化装置长周期稳定运行的工程问题 ， 需要加以解决 。 这些研究开发工作得到了化学工业部、煤炭工业部、国家计委、科技部、教育部和国家自科学基金委等有关部委的支持 ， 先后列入国家重点科技项目（攻关）计划、国家“863计划”、国家科技支撑计划、国家“973计划”和国家重点研发计划 。 进入21世纪 ， 由于我国现代煤化工行业的快速发展 ， 以多喷嘴对置式水煤浆气化技术为代表的我国自主知识产权大型煤气化技术进入了世界领先行列 ， 在核心技术水平和煤炭气化能力上均居于国际引领地位 。
近40年 ， 国内在重点研究开发固定床、流化床、气流床等主流煤气化技术的同时 ， 在地下气化、催化气化、加氢气化、超临界水气化、等离子体气化等也进行了大量有益的探索研究 。 1984年以来 ， 中国矿业大学（北京）联合国内相关单位 ， 在国家相关科技计划的支持下 ， 依托不同矿区进行了多次煤炭地下气化试验 。 2005年以来 ， 新奥集团联合国内相关单位 ， 建立了催化气化、超临界水气化和加氢气化的中试装置 ， 并完成了催化气化和加氢气化工业示范装置的建设和运行 。
自1980年以来 ， 国家科技重点攻关计划、国家“863计划”、国家科技支撑计划、国家重点研发计划及其他科技计划 ， 对煤气化技术的研究开发进行了持续支持 。 特别是针对技术开发过程中暴露的基础研究薄弱问题 ， 国家“973计划”于1999年立项支持“煤的热解、气化及高温净化过程的基础研究” ， 主要涉及流化床煤气化技术 ， 提出先热解后气化的分级转化思想 ， 该项目由太原理工大学和中国科学院山西煤炭化学研究所为首席科学家单位 ， 中国科学院过程研究所、华东理工大学等参与了部分课题的研究 。 2004年 ， 为了进一步推进我国自主知识产权大型煤气化技术发展 ， 国家“973计划”又立项支持“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究” ， 2010年国家“973计划”再次立项支持“煤等含碳原料大规模高效清洁气化的基础研究” ， 这2个项目均由华东理工大学作为首席科学家单位 ， 清华大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学、中国矿业大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、西安热工研究院等煤炭利用领域知名高校和研究院所参与了相关研究 ， 较系统地研究了中国典型煤种在高温、高压条件下气化反应机理、气流床气化炉内多相流动和热质传递过程的基本规律、撞击流流动及撞击火焰的特征、超浓相气固两相流的流动机理、高浓度水煤浆的制备与输送机理、高温合成气热量回收及细灰洗涤分离机理、过程模拟与优化等 。 这些基础研究成果有力支撑了自主知识产权煤气化技术的大型化 ， 推动了国内一系列气化技术的开发 ， 显著提升了我国煤气化技术研究与工程应用在世界的地位 。
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结语与展望
3.1结语
煤气化技术起源于西方 ， 在我国也有150多年的应用和发展历史 。 从现有文献看 ， 我国对煤气化技术的自主研发起步于20世纪50年代初 ， 并逐渐形成了我国在煤气化基础研究和工程应用领域引领发展的局面 。
1）要虚心向发达国家学习 ， 但时刻不能忘记自主创新
学习和引进的目的是为了创新 ， 要结合我国的自然资源条件、社会发展条件和行业发展需求消化、吸收、再创新 。 再创新是要针对引进技术中存在的各类工程问题开展基础研究 ， 在扎实系统的研究基础上提出新思路、新方案、新技术 ， 形成新工艺 。 再创新需要充分尊重原有知识产权 ， 才能推动技术的不断进步 ， 才能赶超世界先进水平 。 改革开放42年来 ， 煤气化技术在我国的快速发展 ， 充分说明了在学习的基础上进行自主创新的重要性 。
2）扎实系统的应用基础研究是推动技术不断进步的原动力
煤气化技术是一个既陈旧又新颖的技术 ， 陈旧是因为在工业革命后就提出了原创思想 ， 有200多年的发展历史；新颖是因为煤气化技术随着科学的整体进步而不断进步 ， 随着化学工业的发展而不断完善提升 。 从间歇进料到连续进料 ， 从常压气化到高压气化 ， 从固定床到流化床 ， 再到气流床 ， 单炉处理能力不断增加 ， 气化效率不断提高 ， 技术水平持续提升 ， 技术进步与基础研究的深入推进密不可分 。
我国在煤气化领域的基础研究起步较晚 ， 但进步迅速 。 20世纪50年代末开始 ， 曾开展了K-T炉等各种煤气化技术研究开发 ， 有不少技术思路富有创新性 ， 但改革开放前30年的煤气化技术开发和工程示范 ， 鲜有成功的案例 ， 重要原因之一是基础研究相对薄弱 ， 对与工程问题相关的科学原理缺乏深入系统研究 。 近40年 ， 华东理工大学通过基础研究揭示引进技术存在的大量工程问题背后的科学原理 ， 在煤气化技术领域做出了创新性的贡献 ， 如首创了多喷嘴对置式煤气化技术 ， 发明了合成气分级净化工艺、预膜式高效长寿命水煤浆烧嘴和高效蒸发热水塔等关键设备 ， 清华大学首次将水冷壁用于水煤浆气化炉等 ， 无不得益于扎实系统的基础研究 ， 不仅解决了中国煤气化技术从无到有的问题 ， 也实现了我国煤气化技术从弱到强的转变 。
3）现代煤化工行业快速发展是推动煤气化技术进步的重要动力
改革开放前 ， 我国煤气化技术发展落后的另一个原因是行业需求不足 ， 企业没有成为技术创新的主体 。 实验室的基础研究要实现产业化 ， 走向市场 ， 企业是关键的一环 。 国内首套具有自主知识产权的大型煤气化技术（多喷嘴对置式水煤浆气化技术）的产业化 ， 正是由于兖矿集团的大力支持才促进了该技术的广泛推广应用 。 煤气化技术的进步支撑了我国现代煤化工行业的快速发展 ， 而现代煤化工行业的发展又对气化技术提出了更高的要求 ， 从而促进煤气化技术的不断创新和进步 。
4）煤气化技术的选择一定要立足企业实际
【华东理工大学|华东理工大学王辅臣教授：煤气化技术在中国：回顾与展望】每种煤气化技术都有其优点和不足 ， 只是相对多少的差异 ， 至今还没有适应所有煤种的万能煤气化技术 ， 企业在煤气化技术的选择上一定要从自身实际出发 。
从技术上 ， 原料煤的理化特性是选择煤气化技术的首要条件 ， 对煤种要有充分的研究和认识 ， 包括煤的反应活性、灰分高低、灰成分、灰熔点、半焦的热强度、灰渣的黏度-温度特性等 。 根据目前的运行经验 ， 若煤种适应水煤浆 ， 在水煤浆气化和粉煤气化技术中应优先选择水煤浆气化技术 。 生产何种下游产品是煤气化技术选择的重要依据 ， 应根据下游产品配置合适的气化工艺流程 。 若下游产品是H2（合成氨） ， 应优先选择合成气激冷流程 ， 而不应盲目选择废锅流程；若下游配置IGCC发电 ， 则应优选废锅流程；若下游产品是SNG ， 选择固定床气化较合理 ， 但从长远看 ， 将固定床和气流床水煤浆气化技术结合 ， 既可解决块煤气化后剩余末煤的出路问题 ， 也可解决固定床气化废水难处理的问题 。
对于大型的煤化工装置 ， 能否创造良好的经济效益 ， 与煤气化装置的“安稳长满优”运行关系密切 ， 安全稳定是前提 ， 长周期满负荷是基础 ， 优化运行是目标 。 在稳定运行的基础上逐渐实现长周期运行 ， 在长周期运行的基础上达到满负荷甚至超负荷运行 ， 优化运行是在安稳长满运行基础上追求的最终目标 。
3.2展望
改革开放后 ， 特别是近20年 ， 我国煤气化技术开发和应用取得了长足进步 ， 但也存在制约技术持续发展的瓶颈问题 。 技术上主要表现为：装置投资偏高 ， 系统效率仍有提升空间 ， 物耗、能耗还有下降余地 ， 微量污染物控制任重道远 ， 含盐废水资源化利用亟待突破 ， 基础研究有待继续深化 。 创新氛围上 ， 主要表现是行业自律缺乏 ， 模仿、抄袭技术的案例屡见不鲜 ， 侵犯知识产权的事时有发生 ， 严重制约了煤气化技术的创新和进步 。 未来煤气化技术的发展 ， 需加强以下工作：
1）通过过程强化 ， 不断提高气化炉单位体积的处理能力 ， 降低装置投资
目前全世界运行的单炉处理规模最大的气化装置是内蒙荣信的多喷嘴对置式水煤浆气化炉 ， 单炉投煤量4 000吨级 ， 气化炉外直径已达4.2 m ， 单纯通过体积放大 ， 增加气化炉处理量 ， 必然会受到设备尺寸的制约 。 因此通过过程强化 ， 提高气化炉单位体积处理能力 ， 是气化炉大型化并降低投资的根本途径 。 回顾气化技术发展历程：一方面 ， 气化炉内平均反应时间从数十分钟级（固定床）到分钟级（流化床）再到十秒级（气流床） ， 反应时间缩短 ， 单位体积处理能力大幅增加；另一方面 ， 从常压气化向加压气化发展 ， 单位体积处理能力也大幅增加 。 能否将目前煤颗粒在气化炉内的反应时间降低到一秒级甚至更低？笔者认为从理论上是可行的 。 但会面临极具挑战的科学和技术问题 ， 需在原料制备、输送、气化炉结构等方面进行系统创新 ， 这是未来研究的重要方向 。
2）开发新的单元技术 ， 优化工艺流程 ， 降低系统物耗能耗 ， 提升全系统效率
粉煤加压气化技术 。 粉煤加压输送系统占大部分投资 ， 能耗也较高 ， 开发煤粉输送泵是工程界讨论的热点问题 ， 但至今鲜有深入系统的试验研究 ， 粉煤高压输送技术的变革应该引起业界重视 。水煤浆气化技术 。 煤浆中水含量是影响气化系统效率的重要因素 ， 提高煤浆浓度 ， 可显著降低比氧耗和比煤耗 ， 因此开发高浓度水煤浆制备、输送、雾化技术 ， 是提高水煤浆气化系统效率、降低物耗和能耗的有效途径 。全系统工艺流程的构建 。 由于过去20多年煤化工行业的快速发展 ， 技术需求旺盛 ， 工程公司没有足够的时间和精力在流程优化和系统能耗方面进行深入的再研究和再开发 ， 在总体工艺流程设计上因循守旧 ， 工艺流程缺乏变革 ， 因此 ， 应结合下游合成气的变换、净化、合成、分离等单元的具体情况 ， 对煤气化系统的工艺流程进行改进和优化 。
3）开发环境友好技术 ， 实现近零排放
煤中的有害元素在煤气化过程中会发生迁移转化 ， 进入合成气、循环水或废水和灰渣 ， 硫、氮等有害元素的迁移转化和控制已有成熟技术 ， 氯和微量重金属元素迁移转化的机理研究方面也取得了较大进展 ， 但尚需转化为解决工程问题的具体技术 。 目前存在的主要问题有： 氯在系统的积累 ， 造成系统腐蚀 ， 特别是氯含量较高的煤种更为突出； 汞、铬、砷、铅等重金属元素在系统和环境中的积累 ， 我国相关单位开展了大量基础研究工作 ， 部分技术也进行了中试试验 ， 需进一步加大对研究工作的支持力度 ， 建立工业示范装置 ， 形成先进的微量重金属脱除与控制技术； 废水问题 ， 固定床气化废水酚含量高 ， 难以处理 ， 是世界公认的难题 ， 而气流床气化过程中由于熔融态灰渣激冷 ， 大量碱金属和碱土金属离子进入废水 ， 造成系统中盐分的积累 ， 一方面会引起系统结垢堵塞 ， 另一方面废水含盐量高 ， 难以回收利用 ， 我国在这方面也进行了大量研究工作 ， 取得了重要进展 ， 需要通过工程示范 ， 形成先进的含酚废水处理技术和含盐废水资源化利用 。
4）气化系统要从单纯的“气化岛”向“气化岛+环保岛”的方向发展
煤气化本质上是高温热化学转化过程 ， 决定了它不仅能实现煤的气化 ， 也可实现所有含碳固体废弃物和有机废液的转化 。 因此 ， 可通过煤气化装置来处理工厂自身产生的含碳固体废弃物、有机废液和工厂周边的含碳固体废弃物和有机废液 。 协同处置废物 ， 将单独的“气化岛”变成“气化岛+环保岛” ， 是未来煤气化技术发展的重要方向 。
5）依托大数据、信息化技术 ， 保障煤气化装置的安稳长满优运行
依托信息技术革命带来的技术便利 ， 改变工厂、车间管理运行模式 ， 通过大数据监控 ， 实现事故早期预警、早期处理 ， 可大幅降低工厂故障率 ， 提高装置运行率 。 将大数据与工艺原理结合 ， 建立机理模型 ， 实现全系统的动态优化控制 ， 提升系统效率 ， 进而建立智慧工厂 ， 是未来发展的重要方向 。
6）对新思路、新方法、新技术、新工艺研究开发进行持续支持
我国煤气化技术的发展尚未突破已有煤气化技术的范畴 。 一方面 ， 需要对地下气化、催化气化、加氢气化、超临界水气化、等离子体气化等技术的研究给予持续支持 ， 在中试和示范装置运行中暴露问题、解决问题 ， 不断提升技术的稳定性和经济性；另一方面也要关注太阳能与煤气化的耦合、核能与煤气化耦合等新技术的发展 ， 同时关注煤气化领域可能出现的变革性技术苗头 ， 在研究上予以持续支持 。
7）营造尊重知识产权 ， 保护知识产权的良好氛围
煤气化技术在我国150多年的发展历史 ， 是互相学习、互相促进的过程 。 但互相学习不等于相互抄袭 ， 学习的目的是为了在前人和他人的基础上创新 。 煤气化技术专利商之间可尝试技术互相许可 ， 既能尊重保护已有的知识产权 ， 促进技术创新 ， 又能实现技术上的优势互补 ， 做到1+1＞2 。
引用格式
王辅臣.煤气化技术在中国：回顾与展望[J/OL].洁净煤技术:1-83[2020-11-13].https://doi.org/10.13226/j.issn.1006-6772.20101820.


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