煤气化技术蓬勃发展 产业链呈多元化趋势
□ 中国五环工程有限公司总工程师 夏吴
以煤为原料经化学方法将煤炭转化为气体、液体和固体产品或半成品，再进一步加工成一系列化工产品或石油燃料的工业，称为煤炭化学工业，简称煤化工。煤化工产业是化学工业的重要组成部分。而煤气化则是煤化工产业链中龙头技术，如何合理的采用先进适用的煤气化技术，充分发挥我国煤炭资源优势，大力发展和扩宽煤化工的产业链，将是我国化工行业今后一段时期内的一个重要发展方向。
煤化工产业的龙头技术
* 煤气化制合成氨、甲醇等传统化工产品 合成氨和甲醇是目前我国煤气化产业链中的最大用户。数据显示，2012年全国合成氨产能达到6730万吨，尿素产能达到7130万吨，年消耗煤炭约7342万吨；全国甲醇生产能力5149万吨，产量达2640万吨，年消耗原料煤约3100万吨。
目前我国合成氨和甲醇的产能已经明显过剩，国家相关部门已开始陆续出台相关政策进行调控。工业和信息化部制定的《合成氨行业准入条件》已于2013年1月1日施行，目的是促进合成氨行业结构优化和产业升级，规范市场竞争秩序。
* 煤气化制烯烃 以煤为原料，经过气化，合成甲醇到甲醇制烯烃是对我国石化法生产烯烃的一种替代，特别是在我国神华包头烯烃项目成功示范和盈利后，煤化工法较石化法具有很大的价格优势，煤气化制烯烃受众多企业和投资人的追捧。
据统计，目前我国计划建设的煤制烯烃项目超过20个，总产能超过千万吨（包括神华、大唐、浙江禾元、中煤、中石化、神华-陶氏化学等），国内在建或投产煤制烯烃项目8个，规模为381万吨；拟建项目13个，规模总计848万吨；规划项目10个，规模总计720万吨。
* 煤气化制乙二醇 煤制乙二醇即以煤代替石油乙烯生产乙二醇。其与煤制烯烃较为类似，均为对煤炭的深加工利用，均为采用煤为原料对石化法的一个替代，均有较高的资本汇报率，但区别之处在于烯烃合成技术较为成熟，而煤制乙二醇受到乙二醇合成技术的限制，且乙二醇为危险液体原料，长距离运输困难。
我国目前除了通辽金煤20万吨级煤制乙二醇示范项目2010年3月建成投产之外，河南煤化的新乡永金化工和濮阳永金化工两个20万吨乙二醇项目已于2012年9月和10月陆续试车或投运。截至目前，我国拟建和在建的煤制乙二醇项目超过20个，总产能超过500万吨。2013年我国的煤制乙二醇项目正在进入大规模建设阶段，据推算，到2013年底我国将形成合计175万吨的乙二醇生产能力，2014年将进入正式生产阶段。
* 煤气化制天然气 煤制天然气是我国煤气化产业中的另外一个主要用户和方向，我国煤制天然气示范自2009年开始，截至目前，由大唐集团在内蒙古建设的国家首个大型褐煤制天然气示范项目一期工程已顺利通过大负荷试验；大唐阜新煤制天然气项目一期工程2013年6月将建成投产；新疆庆华55亿立方米/年煤制天然气项目也有望于2013年建成投产。预计未来3年内，国家发改委首批核准的4个煤制天然气示范项目将全部建成投产，合计产能151亿立方米/年。
尽管煤制天然气项目受限于管网问题、投资经济性以及调峰问题等因素的困扰，但国家《天然气发展十二五规划》仍把煤制天然气列入发展目标，规划提出煤制天然气150～180亿立方米，占总规划产能8.5～10%。2012年公布的《煤炭深加工示范项目规划》中，15个项目中有9个涉及煤制天然气项目。至今为止，我国在建、拟建的煤制天然气项目将近40个，总产能达1620亿立方米/年。
* 煤气化制液体燃料（煤制油）煤气化制液体燃料也称煤制油，包括煤的间接液化和直接液化。此项产业及技术为保障国家能源安全而存在，我国先期已投产的神华鄂尔多斯108万吨、潞安21万吨、伊泰16万吨和晋煤10万吨四个煤制油示范项目投产以来运转状况良好。随着国家对煤制油项目的放开，根据国内煤制油项目进展情况和几个煤制油企业规划，到2015年煤制油产能可达1200万吨，2020年可达3300万吨的规模。
* 煤气化多联产系统 煤气化多联产在国内市场的发展中研究远超过实际，唯一建成的以煤为原料进行IGCC发电的绿色煤电项目尽管已经开车，但暂未完全进入商业化示范阶段，示范效应不明显。
全球最大的煤气化市场
煤气化产业的基础是煤气化技术。目前在我国煤化工领域推广的煤气化技术多达十几种，既有引进国外的先进煤气化技术，也有国内自主开发的先进煤气化工艺。截至2012年，中国已经连续5年成为全球最大的煤气化市场。
国外先进的煤气化技术概况
我国从上个世纪80年代开始从国外引进先进的煤气化技术，经过三十多年的引进和发展，目前国外有工业化应用业绩的11种煤气化技术中，除Prenflo、CCP和E-gas三种气化技术外，其他8种技术均在我国拥有或在建工业化生产装置，具体情况见表1。
除以上8种在国内有应用业绩的先进煤气化技术，国外还有德国伍德公司开发的Prenflo粉煤气化技术、美国陶氏化学公司路易斯安那煤气化公司开发的E-gas水煤浆气化技术、日本中央电力研究所和三菱重工共同开发的CCP流化床空气气化技术、澳大利亚WorleyParsons开发的煤气化技术等也开始在中国寻求工业化机会。
国内煤气化技术发展动态
国内工程公司、研究院和设计院通过对引进国外先进煤气化技术经过长期的消化、吸收和工程实践，进行自主创新，开发出了多达十几种的先进煤气化技术，目前已工业化应用或正在进行工业化的技术近10种之多，见表2。
此外，国内自主开发的气化技术还有神华宁煤的宁煤炉气化技术、华东理工大学和中石化宁波工程公司合作开发单喷嘴热壁式粉煤气化技术、航天部上海711所开发的711所煤气化技术、华东理工大学和中石化宁波工程公司及上海锅炉厂三方合作开发的新型余热回收式粉煤气化技术等。
表1 在我国应用的国外煤气化技术情况 吨/天
技术名称 专利商 技术类型 单炉最大处理能力 国内应用情况
壳牌干粉加压气化技术 荷兰壳牌公司 气流床 3000 共引进19套23台气化炉
GE德士古水煤浆加压气化技术 美国GE公司 气流床 2000 共80多台气化炉运行或在建
GSP干煤粉加压气化技术 德国西门子公司 气流床 2000 共39台气化炉在建或运行
鲁奇固定床加压气化技术 德国鲁奇公司 固定床 1200 9个项目引进超过50台
BGL加压固定床气化技术 英国燃气公司 固定床 1200 1个项目共3台气化炉
KBR（TRIG）流化床煤气化技术 美国KBR公司 气流床 1700 2个项目共2台气化炉在建
科林粉煤气化技术 德国科林公司 气流床 1500 2台气化炉在建
U-gas流化床气化 美国SES公司 流化床 1200 3台气化炉在建
表2 我国自主开发应用的煤气化技术情况 吨/天
技术名称 技术开发单位 技术类型 单炉最大处理能力
国内应用情况
多喷嘴水煤浆气化技术 华东理工大学和兖矿集团有限公司 气流床 2000
签约项目约30个共计88台气化炉
HT-L粉煤加压气化技术 中国航天科技集团公司 气流床 1500
签约项目超过20个，签约气化炉超过30台
多元料浆气化技术 西北化工研究院 气流床 1200
签约气化炉15台左右
非熔渣－熔渣分级气化技术（清华炉） 清华大学、北京达立科技公司和 气流床 1000
签约项目超过7个，签约气化炉超过8台
山西阳煤丰喜集团公司
两段式干煤粉加压气化技术 西安热工研究院 气流床 2000
2个项目共计2台气化炉
WHG粉煤气化技术（五环炉） 五环工程公司和河南煤业集团公司 气流床 1200
2个项目共计3台气化炉
单喷嘴水冷壁SE东方炉 中石化和华东理工大学 气流床 1000
拟应用于5套气化装置中
碎煤加压气化技术 赛鼎工程公司 固定床 1000
国内具有一定的应用市场
灰熔聚ICC气化技术 中科院三西煤化所 流化床 324
已投产或在建的装置有9台（套）
恩德炉粉煤气化技术 抚顺恩德机械有限公司 流化床 600
已建和在建的装置共13套22台气化炉
存在问题不容忽视
煤气化产业发展需求及特点
当前煤气化产业的特点为：采用先进的煤气化技术代替传统的常压固定床气化，节能降耗；在煤炭资源丰富地区进行就地转化；生产规模从原来的中小化肥项目向大型、甚至超大型项目发展；生产产品方向也根据市场需要，从传统的煤化工产业如合成氨、甲醇等向煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等产业链广、市场需求大、经济效益好的现代煤化工产业转移；更需要提到是参与煤化工的企业也从传统的化工企业扩大到煤炭生产企业和大型电力、能源集团。
煤气化产业发展过程中存在的问题
截至目前，我国已连续5年成为全球最大的煤气化市场，国外众多气化技术为抢占我国市场各显神通，国内也出现诸多模仿、翻版的气化技术，有些甚至未经工业化示范就直接推广，使得我国煤气化技术在推广应用过程中出现了不少的乱象。
（1）概念性炒作多。据了解，目前在国内推广的煤气化技术概念多，有复合型、协同型、加强型、非催化流化技术等。实际的煤气化技术若按炉型分类，主要是固定床、流化床和气流床三种，任何炒作概念的技术严格归类仍属于这三种类型的技术。此外，不少气化技术在碳转化率、比氧耗、比煤耗、冷煤气效率等指标上用不同基准的对比手法抬高自己，误导用户。而实际煤气化技术指标的比较是个变数，与操作温度、煤种等有关，难以静态比较。
（2）模仿翻版多，自主创新少。由于近几年煤化工产业快速发展，使得国内煤气化技术开发迎来一股热潮，众多大学、企业、研究院、设计院及工程公司纷纷跟进。而国外，如美国煤气化技术的开发是由美国能源部来主导规划和协调的。对此，部分专家和业内人士认为，国内对煤气化技术开发多头并进容易造成低水平重复研究和资源浪费。
（3）很多气化技术未经工业示范就直接推广。据调查了解，我国已经成为全球气化技术的试验场，国外很多气化技术未经工业示范直接来我国寻求推广机会，国内开发的一些技术也未经验证就直接进行工业化应用推广，以至于有些技术在推广过程中出现了一系列问题，给企业造成了重大的经济损失。
（4）污染较大的气化技术卷土重来。在当前众多的煤化工项目中，有部分项目为了追求较快的建设时间，较高的经济效益，置环保问题而不故，选择气化技术后对气化废水的处理不严格，对环境造成了较大的影响和恶劣的社会影响。
技术发展趋势
大力推广当代先进煤气化技术
当代先进煤气化技术主要指第二代煤气化技术中的粉煤加压气化和水煤浆加压气化技术，亦称新型煤气化技术。与固定床煤气化技术相比，先进煤气化技术在节能环保、煤种适应性等方面具有十分突出的优势。以煤制合成氨为例，与传统常压固定床气化相比，在相同原料煤下，先进煤气化技术可以使合成氨的吨产品标煤耗平均降低0.22吨；在高温达到1300℃以上的气化温度下，有机物将完全被分解，可减少污染物排放；煤种适应范围大大拓宽，可以提升煤炭资源的综合利用水平和经济价值。
扩大煤种适应性
不同的煤气化技术对原料煤都有相应要求，包括对原料煤的水分、挥发分、灰分、粘结性、化学活性、成浆性能、灰熔点、成渣特性、机械强度和热稳定性等的要求，而不同的原料煤性质也相应影响着气化结果，目前还没有一种煤气化技术能广泛适应各种不同煤种，因此，开发一种煤种适应性更广的煤气化技术是当代气化技术开发的一个重要方向，也是煤气化技术发展过程中必须解决的问题。该项技术的开发，包括对气化炉的结构调整、系统优化、材料升级、新型添加剂和助熔剂的研发等大量的工作，是一个系统工程，需要经过长期的实验和工程实践才能逐步实现。
提高气化压力，降低能耗
气化炉的气化压力直接决定着气化炉的操作容量，随着气化压力的提高， 单台气化炉处理煤量不断加大。如GE水煤浆加压气化炉气化操作压力从4.0MPa提高到6.5MPa，再到8.7MPa，气化炉的操作能力则相应的从500～1000吨/天的投煤量增加到1500吨/天，再到2000吨/天。而气化压力的提高可显著提高气化装置的经济效益：当气化压力由4.0MPa提高到6.5MPa时，甲醇单位生产成本降低6%～10％。
装置大型化
根据国家发改委2011年发布的《关于规范煤化工产业有序发展的通知》和《“十二五”煤化工示范项目技术规范》的要求，煤制合成氨单系列应达60～100万吨，煤制乙二醇、高温费托合成油、低温费托合成油装置单系列规模应分别达到20万吨、100万吨和180万吨以上。煤化工产业的规模化效益非常明显，从而促进了煤气化技术朝着装置大型化方向发展。煤气化装置的大型化可以减少气化炉台数，节约占地和投资。因此，无论是从煤气化产业的发展需要出发，还是从国家政策调控方向看，装置大型化方向发展已成为当前煤气化技术研究开发的方向之一。
设备国产化
与石油化工相比，煤化工的投资强度高，而煤化工中煤气化装置一般都占到项目总投资的50%～70％，因此，降低气化装置投资是提高煤气化产业经济性的最重要的手段之一。降低煤气化装置投资一方面要通过优化设计，在确保安全的前提下，简化工艺流程；另一方面则要加大设备的国产化的力度，实现气化炉、烧嘴、控制阀等关键设备和零部件国产化。《“十二五”煤化工示范项目技术规范技术和装备水平》明确规定，煤化工示范项目必须优先采用国产技术和设备。因此，为了进一步降低投资，提高经济效益，煤气化装置设备国产化工作势在必行。
提高装置的可靠性
煤化工项目能否取得预期的经济效益一方面取决于市场因素，另一方面取决于装置运行的可靠性和在线率。煤气化装置作为整个项目的核心和龙头装置，其可靠性往往对整个项目的稳定运行产生很大的影响，从而影响到整个煤气化产业的经济性。
产业链得到拓展 呈现多元化发展
“十二五”期间，我国现代煤化工定位于“商业示范与有序推广相结合的稳步发展阶段”，而煤气化技术是煤化工产业发展的基础和关键，目前我国煤气化技术正呈现多元化发展趋势，装置规模和工程技术水平居于世界前列。煤气化技术的稳步发展，将能很好地促进和推动煤气化产业，乃至整个煤化工产业的健康稳定发展。国内煤气化技术“百家争鸣，百花齐放”，正朝着扩大煤种适应性，提高气化压力，装置规模化、大型化，设备国产化，进一步提高装置可靠性，降低能耗和投资，绿色环保等方向发展。煤气化产业链正以煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气、煤制油和煤基多联产为主的新型煤化工发展方向积极推进。可以预见，不久的将来，我国煤气化技术将更上一个台阶，煤气化产业链将进一步得到拓展和延伸，并呈现多元化发展，从而更好地实现我国的能源战略目标，保障我国经济的可持续性健康稳定发展。