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摘要：煤气化是现代煤化工发展的龙头技术，是发展现代煤化工的基础。从2004年开始，“国家重大基础研究发展计划”（973计划）先后两次立项，开展大规模高效气流床煤气化技术的基础研究。通过消化、吸收和集成创新，我国在煤气化技术上已取得了重要进展，形成了多喷嘴对置式水煤浆气化技术、SE粉煤气化技术等技术。我国煤气化技术的基础研究和技术开发均进入了国际先进行列，部分技术还处于国际领先水平。
关键词：煤气化；气流床；国家重大基础研究发展计划
中图分类号：TQ546 文献标志码：A
文章编号：0367-6358（2015）01-0051-05
煤是一定地质年代的植物埋藏在水底或泥沙中，处于空气不足的条件下，在漫长的地质年代中经历复杂的生物化学和物理化学变化，逐步形成的固体可燃矿物。从化学组成的角度看，煤中主要元素有碳、氢、氧、氮、硫以及灰分，煤灰组成极为复杂，以矿物质为主，不同区域、不同年代的煤，其元素组成与灰分是完全不同的，已经发现，煤中的矿物质和有害元素多达数十种。
煤炭是我国的基础能源和战略原料，勘探表明，我国化石能源（煤炭、石油、天然气）储量中，煤所占的比例超过90%；在我国一次能源消费中，煤炭也占到70%以上。据统计2013年我国煤炭产量达到37亿吨，煤炭消耗量占到全世界煤炭消费量的50.2%。高效清洁的利用煤炭资源，对保障国家能源安全，促进生态文明建设，保障国民经济和社会可持续科学发展意义重大。
1 何谓煤炭气化？
煤气化是指煤在一定的高温、压力下与氧气、水蒸气等进行化学反应，将煤中的碳、氢、氧转化成CO、H2为主要组成的混合气体的过程，同时伴随着煤渣（或煤灰）的产生。如下图1所示。
煤气化与煤燃烧不同，燃烧是煤中可燃的碳、氢等元素与氧气进行完全燃烧反应的过程，目的主要利用煤炭蕴涵的化学能，或者说燃烧是利用热能为主。而煤气化是碳、氢元素进行部分氧化（也可称为部分燃烧的过程），气化的目的是利用煤中的C、H元素，生成可以进一步加工利用的气体，即CO和H2。与煤燃烧相比，煤气化具有高效、清洁的优点，例如可通过后续成熟技术将硫化氢转化为硫磺。
2 煤炭气化的重要性
煤气化是煤炭清洁高效转化的核心，是发展煤基大宗化学品（化肥、甲醇、烯烃、芳烃、乙二醇等）、煤基清洁燃料合成（油品、天然气等）、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础。煤气化不仅是现代煤化工的基础，在炼油、电力和冶金行业也有广泛应用，是这些行业的共性关键技术。
从更宽的视野来看，煤炭不仅是能源，也是化工行业的主要原料之一。以煤炭为原料的化学工业我们称之为煤化工，早期的煤化工以炼焦为主，伴以煤焦油等副产品的加工，而现代煤化工是指以大型气化为基础，以生产高品质油品、高附加值化学品和大宗化学品为主要目标。
从我国煤炭利用的方式来看，目前主要是直接燃烧（燃煤电站、工业锅炉、民用锅炉等）、炼焦和气化。这三种煤的利用方式中，以煤炭的气化最为清洁，过程也最为复杂。但是，煤炭气化的比例在我国煤炭消费总量中只占到5%左右（见图4），也就是1.8亿吨煤左右。从长远看，其发展潜力是非常巨大的。正因为如此，煤炭气化技术的研究与开发是煤科学领域最为热门的研究方向之一。3煤炭气化技术的发展
自19世纪中叶德国siemens兄弟最早开发煤气发生炉至今，已有150余年历史，形成了固定床（移动床）、流化床和气流床三种技术流派。表1为各类气化技术煤气化商业装置的规模及特点。
现代过程工业（化工、发电、多联产、制氢等）发展的一个显著标志就是大型化、单系列，这就对作为龙头的煤气化技术提出了更高的要求：必须向大规模高效的方向发展。由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，大规模不能简单地与设备尺寸的大型化划等号，必须在有限的设备尺寸上实现大规模高效，其途径只能是：提高单位时间单位体积的处理能力和处理效率。气流床具备这样的优势，该技术特点——高温、高压、强烈混合所决定的，高温提高了反应速度，缩短了反应时间，高压提高了单位体积的处理负荷，强烈混合提高了转化效率。已工业化的煤气化技术主要有固定床、流化床和气流床，而目前规模1000 t/d以上的煤气化装置均采用高压气流床技术（表1），就是一个明显的例证，可见其优势所在。
4 气流床煤气化技术的基础研究
从2004年开始，“国家重大基础研究发展计划”（973计划）先后两次立项“大规模高效气流床煤气化技术的基础研究”和“煤等含碳固体原料大规模高效清洁气化的基础研究”，开展大规模高效气流床煤气化技术的基础研究，项目首席单位为华东理工大学，参与单位有清华大学、浙江大学、东南大学、华中科技大学和中国科学院山西煤炭化学研究所等。通过连续10年的研究，我国在煤气化领域的基础研究水平跨入了国际先进行列。基础研究的成果也支撑了我国煤气化技术的快速发展，并向大型化、高效化跨越。
973项目紧紧围绕大型气化技术适应多种含碳固体原料（如图5）、向近零排放（如图6）发展的客观需求，以“超浓相粉体输送、高黏高浓度浆料制备与输送一高温、高压、高效清洁气化一复杂多相反应产物处理一大规模气化系统集成优化”为研究主线，服务于“多种含碳固体原料的大规模高效清洁气化技术”这一长远目标，确定以下研究重点：
（1）高压条件下超浓相气固两相流流动规律及稳定控制机理
（2）低阶煤及其他含碳固体原料制备高浓度浆体的技术基础
（3）高温、高压下煤等固体含碳物质气化的化学反应基础及有害元素迁移转化规律
（4）高温、高压下气化炉内多相混合、热质传递过程及湍流多相流动条件下熔渣流动机理及复杂传热过程基本规律
（5）复杂多相反应产物处理中涉及的气—液—固三相流动、传递与分离规律研究
（6）大规模气化过程的数值模拟与气化系统集成优化方法5我国气流床煤气化技术的发展
煤气化是现代煤化工发展的龙头技术，是发展现代煤化工的基础。我国在20世纪80年代先后引进Lurgi固定床加压技术、Texaco水煤浆气化技术，20世纪90年代末引进Shell粉煤气化技术的基础上，通过消化、吸收和集成创新，以及相关基础研究的支持，我国在煤气化技术上取得了重要进展。
（1）多喷嘴对置水煤浆气化技术
多喷嘴对置水煤浆气化技术是我国首套具有自主知识产权的大型煤气化技术（如图7所示），2005年在国家863项目的支持下，在兖矿国泰建成首套示范装置。目前已经应用到国内外38家企业，在建和运行气化炉110台，单炉最大日处理能力3000吨煤。2008年8月与美国Valero公司签订了技术许可协议，这是我国大型化工成套技术首次向发达国家出口。2009年6月单炉日处理2 000吨水煤浆气化装置在江苏灵谷投料成功，2014年6月世界最大的水煤浆气化装置（单炉日处理能力3 000吨煤，如图8所示）在内蒙荣信一次投料成功，多喷嘴对置水煤浆气化技术实现了从大型化向超大型化的跨越。该技术具有碳转化率高、易于大型化、运行稳定安全等优势。在2013年GTC年会上公布的论文表明，多喷嘴对置水煤浆气化技术是国际公认的三大煤气化技术之一。
（2）SE粉煤加压气化技术
SE粉煤加压气化技术（如图9所示），由华东理工大学和中国石化集团公司联合开发，于2011年在扬子石化开工建设单炉日处理煤1000吨煤的示范装置（图10所示），该装置于2014年1月投入运行，实现了高效稳定运行，达到了良好的工艺技术指标。
6 结语
可以自豪地说，我国煤气化技术的基础研究和技术开发均进入了国际先进行列，部分技术还处于国际领先水平。煤气化技术的发展，有力支持了我国现代煤化工产业的发展。
可以预见，将来我国会出现更多具有原创性的煤气化新技术。