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來源：煤化客（煤化工領(lǐng)域縱深服務(wù)生態(tài)平臺）

作者：邰學(xué)林

單位：北京興榮泰化工科技有限公司總經(jīng)理

多相熱島氣化技術(shù)介紹

前  言

多相多組分熱島氣化技術(shù)簡稱“多相熱島氣化技術(shù)” ，利用可燃?xì)馀c氧氣燃燒的火焰射流在氣化爐內(nèi)構(gòu)建一個內(nèi)部溫度高、外部溫度低的氣化空間（稱之為：熱島），將氣固液三相多組分含碳物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)同時送至熱島內(nèi)進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)。目前已經(jīng)工業(yè)化運(yùn)行試驗和公開的采用熱島氣化專利技術(shù)的氣化爐有煤氣煤粉逆流氣流床氣化爐和多相多組分逆流氣流床氣化爐等。

熱島氣化用更高的氣化溫度來提高氣化反應(yīng)速率、碳轉(zhuǎn)化率和原料適應(yīng)性，降低細(xì)渣和爐渣的殘?zhí)亢?，解決環(huán)保問題并提高原料適應(yīng)性。用更低的氣化爐出口煤氣溫度來減少煤氣帶出的熱量，提高有效氣量和冷煤氣效率，降低氣化成本。新開發(fā)的熱島氣化爐從根本上避免了下渣口的大渣形成，徹底解決了逆流氣流床氣化爐下渣口的堵塞問題。本技術(shù)用于粉煤氣化，可以直接用本地煤做原料，0～6mm粉煤進(jìn)料，不需要干燥、不需要磨煤，不需要添加助熔劑，沒有廢氣粉塵排放，飛灰和氣化爐渣不需要處理即可作為建材，氣化成本比干煤粉氣流床氣化爐低10%以上，比水煤漿氣流床氣化爐低15%以上。

現(xiàn)有煤氣化技術(shù)存在的問題

煤氣化爐常分為固定床、流化床和氣流床三類氣化爐，干粉煤氣流床是最先進(jìn)的粉煤氣化爐，細(xì)渣和黑水處理難，難以滿足清潔氣化要求。

1、固定床（移動床）煤氣化爐

只能氣化塊煤、碎煤或型煤，原料昂貴，氣化強(qiáng)度低，粗煤氣中含酚類、焦油等有機(jī)物多，凈化流程長，投資高成本高，環(huán)保問題嚴(yán)重。

2、循環(huán)流化床煤氣化爐

只能氣化活性高、灰熔點(diǎn)較高的、不（弱）粘性的碎煤，氣化成本較低，大量的高殘?zhí)康娘w灰和黑水難以處理，環(huán)保問題嚴(yán)重。

3、氣流床煤氣化技術(shù)

氣流床煤氣化爐分為水煤漿和干煤粉氣化爐，水煤漿氣化對原料要求很高，煤耗氧耗高，高殘?zhí)考?xì)渣難以處理。煤粉氣流床氣化是最先進(jìn)的煤氣化爐，只能氣化優(yōu)質(zhì)煤，高殘?zhí)考?xì)渣難以處理，黑水處理成本高，投資較大，煤種適應(yīng)性和環(huán)保問題難以滿足低成本清潔氣化要求。 

氣流床煤粉氣化爐存在問題及原因

1、存在問題

只能氣化研磨性好、灰分低、灰熔點(diǎn)低和灰渣黏溫特性好的優(yōu)質(zhì)煤，細(xì)渣殘?zhí)扛唠y以處理，黑水處理成本高，投資高，成本高。

2、原因 

氣化爐的結(jié)構(gòu)和耐火材料難以承受更高的氣化溫度，出口煤氣溫度必須高于灰熔點(diǎn)且接近氣化溫度，出口煤氣溫度越高，帶出的熱量越多，有效氣產(chǎn)量越低，只能選擇相對較低的氣化溫度。

煤粉進(jìn)料 需要干燥、磨煤，需要添加助熔劑，原料處理成本高。氣化溫度偏低，出口煤氣溫度高，煤氣帶出的熱能多，碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率低，副產(chǎn)的細(xì)渣（飛灰）殘?zhí)科撸蠖鄶?shù)氣流床氣化爐細(xì)渣殘?zhí)扛哌_(dá)25%以上，有的高達(dá)40%以上，氣化系統(tǒng)還會產(chǎn)生黑水。

氣流床粉煤氣化爐示意圖

兩相熱島氣化爐示意圖

多相熱島氣化原理示意圖

多相多組分內(nèi)冷激氣化爐示意圖

煙煤兩相熱島氣化運(yùn)行照片（從頂部向下看）

褐煤兩相熱島氣化運(yùn)行照片（從渣斗向上看）

多相多組分熱島氣化的特點(diǎn)

1、原料適應(yīng)性強(qiáng)

煤氣和煤粉、垃圾熱解氣、焦油、生物炭和熱解殘渣；有機(jī)污泥熱解氣、焦油和熱解殘渣；焦?fàn)t氣、焦粉和焦化廢水；蘭炭、熱解氣和含酚廢水等各種可燃?xì)?、液和固體含碳物質(zhì)的深度處置。

2、冷煤氣效率高

氣化爐冷煤氣效率＞85%，高溫煤氣顯熱用于熱解和加熱入爐氣。

3、安全可靠性高

新開發(fā)的氣化爐，從結(jié)構(gòu)上徹底避免了下渣口形成大渣，任何氣化原料熔渣氣化，無需添加助熔劑，再沒有下渣口大渣堵塞問題。

 4、資源利用率高

有價值的焦油被回收，碳和其他有機(jī)物成為合成氣，無機(jī)物和重金屬成為玻璃體爐渣作為建材，高濃廢水成為氣化原料和氣化劑。

5、環(huán)保性能好

爐渣和飛灰殘?zhí)啃∮?%，無VOC產(chǎn)生，各種污染物近零排放。

熱島氣化的條件

1、熱島氣化的必要條件

煤氣、焦?fàn)t氣、天然氣、垃圾、污泥等有機(jī)固廢的熱解氣等可燃?xì)夂脱鯕馊紵?，形成的火焰射流才能?gòu)建氣化熱島，實現(xiàn)熱島氣化。

2、可燃?xì)獾膩碓?/span>

流化床煤氣化爐生產(chǎn)的煤氣；

焦化廠的煉焦?fàn)t、高爐生產(chǎn)的焦?fàn)t氣；

生活垃圾、煉廠污泥、油田污泥等有機(jī)固廢熱解氣；

天然氣等其他需要處理的可燃?xì)怏w。

3、固體含碳原料的氣化方法

粉煤氣化：粉煤通過流化床部分氣化為煤氣和煤粉，再熱島氣化。

各種固體含碳原料通過熱解爐熱解成為可燃?xì)?、焦油和固體熱解殘渣，再三相熱解產(chǎn)物送到熱島氣化爐同時熱島氣化。

固體含物質(zhì)通過氣化爐氣化為煤氣和固體含碳物質(zhì)，再熱島氣化。

清潔煤氣替代天然氣 

2018年天然氣進(jìn)口量9039萬噸，進(jìn)口均價為2823.08元/噸，較2017年增長22.9%，耗費(fèi)外匯折人民幣約2551.77億元，對外依存度高達(dá)45.3%，進(jìn)口過快增長，消耗了大量外匯，給我國的能源安全帶來嚴(yán)重的問題。      

用粉煤清潔氣化生產(chǎn)煤氣替代城市發(fā)電采暖和工業(yè)燃料的1000多億立方米天然氣，燃?xì)獬杀窘档?0%以上，比煤制天然氣低約30%，可大幅降低用氣成本，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)1000億元以上。與干煤粉氣流床氣化相比：原料煤不需干燥，不需要磨煤，不需要添加助熔劑，不產(chǎn)生黑水，細(xì)渣和飛灰可直接作為建材，沒有廢氣粉塵排放，氣化成本低10～15%。

垃圾資源化發(fā)電供暖供氫

 全國生活垃圾量超過4億噸/年，可產(chǎn)燃?xì)?600億立方米，相當(dāng)于等熱值的天然氣500多億立方米。用熱解-熱島氣化裝置深度處置生活垃圾生產(chǎn)清潔煤氣，部分替代發(fā)電、采暖和工業(yè)燃料用天然氣，可降低企業(yè)采暖燃?xì)獬杀炯s50%左右，實現(xiàn)有毒有害物質(zhì)近零排放，大幅提高我國的環(huán)保水平。如果算上工業(yè)垃圾以及其他有機(jī)固廢的資源化利用，年經(jīng)濟(jì)效益和社會效益1000億元以上。

全國生活垃圾量超過4億噸/年，可產(chǎn)燃?xì)?600億立方米，相當(dāng)于等熱值的天然氣500多億立方米。用熱解-熱島氣化裝置深度處置生活垃圾生產(chǎn)清潔煤氣，部分替代發(fā)電、采暖和工業(yè)燃料用天然氣，可降低企業(yè)采暖燃?xì)獬杀炯s50%左右，實現(xiàn)有毒有害物質(zhì)近零排放，大幅提高我國的環(huán)保水平。如果算上工業(yè)垃圾以及其他有機(jī)固廢的資源化利用，年經(jīng)濟(jì)效益和社會效益1000億元以上。

污泥資源化發(fā)電供暖供氫

全國污泥產(chǎn)量近8000萬噸/年，大約20%左右的污泥得到處理，大多數(shù)只能填埋或焚燒，目前工業(yè)污泥處理費(fèi)用1000元/噸以上，現(xiàn)有處理方法都對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，問題非常嚴(yán)重。用熱解-多相多組分熱島氣化裝置深度處置污泥生產(chǎn)清潔煤氣，部分替代發(fā)電、采暖和工業(yè)燃料用天然氣或生產(chǎn)高純氫氣作為氫能源，實現(xiàn)有毒有害物質(zhì)近零排放，大幅提高我國的環(huán)保水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常明顯。

回收焦油的煤炭清潔氣化

我國的煤炭低溫?zé)峤庖?guī)模估計在5000萬噸/年左右，蘭炭的利用和含酚廢水的處理問題很大。如果將熱島氣化技術(shù)應(yīng)用于回收焦油的煤炭清潔氣化，可大幅提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保水平。將揮發(fā)分大于20%的長焰煤、褐煤等具有焦油回收價值的原料進(jìn)行熱解，從熱解氣中回收煤焦油和煤化學(xué)品，再將蘭炭、熱解氣和含酚高濃廢水進(jìn)行清潔氣化，可有效解決蘭炭利用和含酚廢水處理的難題。氣化工藝過程如下：

固定床煤氣化爐環(huán)保節(jié)能改造

固定床煤氣化爐氣化強(qiáng)度低，煤粉利用困難，粗煤氣中酚類、焦油等有機(jī)組分較多，凈化時產(chǎn)生含酚廢水，處理非常困難，環(huán)保問題非常嚴(yán)重。有關(guān)方面規(guī)定，到2025年全國有4000臺左右生產(chǎn)合成氨的UGI氣化爐需要淘汰，還有大量的魯奇爐、BGL氣化爐和其他生產(chǎn)工業(yè)燃?xì)獾墓潭ù矚饣癄t污染物需要處理。利用熱島氣化技術(shù)將煤粉和爐渣作為氣化原料，將含酚廢水經(jīng)過沉淀、過濾、膜分離處理，固體廢物作為原料，膜分離出來的清水作為循環(huán)冷卻水的補(bǔ)水，濃液進(jìn)入熱島氣化爐氣化，有效解決煤粉利用和含酚廢水處理難題。工藝過程如下：

流化床煤氣化爐環(huán)保節(jié)能改造

循環(huán)流化床氣化爐存在大量的高殘?zhí)康募?xì)灰和黑水難以處理，環(huán)保問題嚴(yán)重。利用多相多組分熱島氣化技術(shù)將高殘?zhí)匡w灰加入流化床初級氣化爐作為原料，將黑水通過沉淀、過濾、膜分離處理，沉淀物脫水后作為流化床初級氣化爐進(jìn)料，膜分離出來的清水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，濃液進(jìn)入熱島氣化爐氣化，可有效解決飛灰利用與處理以及黑水處理的難題。工藝過程示意圖如下：為原料，將黑水通過沉淀、過濾、膜分離處理，沉淀物脫水后作為流化床初級氣化爐進(jìn)料，膜分離出來的清水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，濃液進(jìn)入熱島氣化爐氣化，可有效解決飛灰利用與處理以及黑水處理的難題。工藝過程示意圖如下：

水煤漿氣流床氣化爐環(huán)保治理

水漿氣流床氣化爐副產(chǎn)的高殘?zhí)考?xì)渣難以處理，目前只能填埋。 全國每年有接近400萬噸左右的水煤漿氣化爐渣需要處理，僅烏魯木齊市某工業(yè)園區(qū)每年就有70萬噸氣化爐渣，來源于某公司年產(chǎn)68 萬噸煤基新材料、某公司年產(chǎn) 540 萬噸煤基多聯(lián)產(chǎn)和某公司年產(chǎn)60 萬噸甲醇項目，他們均采用水煤漿氣化爐，這些爐渣急需處理。爐渣一組分析數(shù)據(jù)如下：

這些爐渣活性低、殘?zhí)扛哌_(dá)20%以上，難以利用。利用熱島氣化技術(shù)將水煤漿氣化爐渣添加一些粉煤進(jìn)行氣化，工藝過程示意圖如下：

干煤粉氣流床氣化爐環(huán)保治理

大多數(shù)干煤粉氣流床氣化爐都存在大量的高殘?zhí)康募?xì)渣和黑水難以處理的問題，每年產(chǎn)生的氣化爐渣400萬噸左右，產(chǎn)生的黑水3000萬噸左右，需要無害化和資源化處理。利用熱島氣化技術(shù)將氣化爐渣添加一些粉煤進(jìn)行氣化，將黑水通過沉淀、過濾、膜分離處理，沉淀物脫水后作為流化床初級氣化爐進(jìn)料，膜分離出來的清水作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，濃液進(jìn)入熱島氣化爐氣化，可大幅減少環(huán)境污染，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。某大型央企公開的其引進(jìn)的干粉煤氣化爐渣分析數(shù)據(jù)：

焦?fàn)t氣焦粉清潔利用和環(huán)保改造

焦化廠常將焦?fàn)t氣用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，由于焦?fàn)t氣組分不穩(wěn)定且凈化難度很大，化工生產(chǎn)極不穩(wěn)定，消耗高、成本高。還存在副產(chǎn)的焦粉難以利用、含酚廢水難以低成本處理的問題。2017年，我國規(guī)模以上的焦化企業(yè)大約600家左右，每年估計有大約4000萬噸左右的焦粉需要有效利用，還有大量的含酚廢水需要處理。利用熱島氣化技術(shù)將焦?fàn)t氣、焦粉和含酚高濃廢水進(jìn)行清潔氣化，徹底解決焦?fàn)t氣的脫硫問題，穩(wěn)定合成氣組分和流量，降低消耗，提高化工產(chǎn)品產(chǎn)量，大幅減少環(huán)境污染。工藝過程如下：

褐煤煤氣煤粉熱島氣化飛灰

煙煤熱島氣化爐渣

煙煤熱島氣化爐渣斗排水

褐煤熱島氣化爐渣

褐煤熱島氣化渣斗出水

渣斗上水為恩德爐氣化循環(huán)水

渣斗排水顏色和上水基本相同

40000 Nm3/h煙煤熱島氣化裝置

62500Nm3/h褐煤熱島氣化裝置

國際國內(nèi)市場預(yù)測

1、國內(nèi)市場：

生產(chǎn)清潔煤氣替代燃料天然氣，大約500～600套； 

回收煤焦油的煤炭高效利用和清潔氣化，大約170套 ；

生活垃圾、工業(yè)垃圾等固廢資源化，大約2000～3000套；

固定床煤氣化爐的環(huán)保節(jié)能技術(shù)改造，大約1000套；

流化床煤氣化爐的環(huán)保節(jié)能技術(shù)改造，大約500套；

水煤漿氣流床氣化爐的環(huán)保技術(shù)改造，大約40套；

干煤粉氣流床氣化爐的環(huán)保技術(shù)改造，大約40套；

焦化行業(yè)焦粉、焦?fàn)t氣清潔利用和環(huán)保改造，大約400套。

以上合計熱島氣化的市場容量可達(dá)4650～5000套左右，如果再加上新建的煤制油和IGCC發(fā)電等，熱島氣化裝置需求將超過5000～6000套，價值20000億元以上。

2、國際市場：

熱島氣化技術(shù)在歐盟、東南亞乃至全世界都具有非常好的需求，大量的城市缺乏清潔能源，大量的生活垃圾、工業(yè)垃圾需要處理，國際市場對熱島氣化技術(shù)的需求估計在20000～50000億元。

經(jīng)濟(jì)效益和社會效益預(yù)測

1、經(jīng)濟(jì)效益

如果氣化裝置銷售利潤率按15%估算，20000億銷售產(chǎn)值可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益3000億元以上，氣化能耗和成本比氣流床低10～15%，加上環(huán)境治理的效益，總經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)5000億元以上。

2、社會效益

如果按照我國年消耗40億噸的煤炭計算，其中有10～15%的煤炭利用熱島氣化技術(shù)，每年可副產(chǎn)煤焦油3000～4000萬噸，每年減少煤炭消耗2000～3000萬噸，每年減少天然氣進(jìn)口250億立方米，還可以獲得大量寶貴的煤化學(xué)品資源，大大減少環(huán)境污染。

我國城市每年產(chǎn)生的生活垃圾就有4億噸左右，將垃圾焚燒、垃圾填埋等處理用熱解-熱島氣化，可生產(chǎn)清潔可燃?xì)饣驓錃?600億立方米以上，作為發(fā)電、采暖和工業(yè)燃料，可替代天然氣500億立方米以上。再加上環(huán)保效益，每年的社會效益可到10萬億元以上。

結(jié)  語

多相熱島氣化具有氣化溫度高、氣化室出口煤氣溫度低和爐壁溫度低的特點(diǎn)，熱島內(nèi)的氣化溫度比氣化爐內(nèi)壁高300℃以上，出口煤氣溫度比氣化溫度低300 ～ 600℃左右，用和氣流床氣化爐相同結(jié)構(gòu)材料的氣化室即可實現(xiàn)比氣流床氣化爐高300℃以上的氣化溫度。用于粉煤氣化，比干煤粉氣流床氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率更高，排放的廢氣、廢液和廢固更少，氣化成本更低，是一種新一代多相多組分清潔氣化技術(shù)。

多相熱島氣化能將煤氣煤粉、有機(jī)固體廢棄物的熱解產(chǎn)物以及各種可燃?xì)狻⒑脊腆w、含碳液體中的碳和有機(jī)物同時轉(zhuǎn)化為合成氣，將其中的二噁英、垃圾滲濾液、重金屬等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行高溫?zé)嶙钄?，灰分和重金屬形成玻璃體爐渣而將有毒有害物質(zhì)固定，作為建材被利用。可廣泛應(yīng)用于煤炭清潔氣化，生活垃圾、工業(yè)垃圾等有機(jī)固廢及有毒有害物質(zhì)的無害化處置、清潔化和資源化利用。新的熱島氣化爐，根據(jù)現(xiàn)有煤氣煤粉熱島氣化爐的工業(yè)試驗運(yùn)行經(jīng)驗，開發(fā)出新型特殊結(jié)構(gòu)的氣化爐，從根本上避免了下渣口大渣的形成，徹底解決了逆流氣流床氣化爐易發(fā)生的下渣口堵塞問題，極大的提高了氣化爐的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。