1.2 现代煤气化装置
1.2.1 水煤浆气化装置
水煤浆气化是指煤或石油焦等固体碳氢化合物以水煤浆或水炭浆的形式与气化剂一起通过喷嘴，气化剂高速喷出与料浆并流混合雾化，在气化炉内进行火焰型非催化部分氧化反应的工艺过程。代表性的工业化水煤浆气化装置主要有Texaco气化炉和Destec气化炉，国产化装置主要有多喷嘴对置式水煤浆气化炉、非熔渣-熔渣分级气化炉（清华炉）和多元料浆气化炉。
（1）Texaco气化炉
Texaco水煤浆加压气化工艺发展至今已有50多年历史。鉴于在加压条件下连续输送煤的难度较大，1948年美国Texaco发展公司受重油气化的启发，首先创建了水煤浆气化工艺，并在加利福尼亚洛杉矶近郊的Montebello建设第一套中试装置（投煤量15t/d），这在煤气化史上是一个重大开端。当时水煤浆制备采用干磨湿配工艺，即先将原煤磨成一定细度的粉状物，再与水等添加物混合一起制成水煤浆，其水煤浆浓度只能达到50%左右。为了避免过多不必要的水分进入气化炉，采取了将入炉前的水煤浆进行预热、蒸发和分离的方法。由于水煤浆加热气化分离的技术路线在实际操作中遇到一些结垢堵塞和磨损的麻烦，1958年中断了试验。
由于20世纪50～60年代油价较低，水煤浆气化无法发挥资源优势，再加上工程技术上的问题，水煤浆气化技术发展停顿了10多年，直到20世纪70年代初期发生了第一次世界性石油危机才出现了新的转机。Texaco公司重新恢复了Montebello试验装置，于1975年建设一台压力为2.5MPa的低压气化炉，采用激冷和废热锅炉流程可互相切换的工艺，由于水煤浆制备技术得到长足的进步，水煤浆不再经过其他环节而直接喷入炉内。1978年和1981年再建两台压力为8.5MPa的高压气化炉，共试烧评价近20个煤种。1973年Texaco公司与德国鲁尔公司开始合作，1978年在德国建成一套Texaco水煤浆气化工业实验装置，该装置是将Texaco公司中试成果推向工业化的关键一步，并且为以后各套工业化装置的建设奠定了良好基础。DOW化学公司于1975年开始着眼于水煤浆气化工艺的研究和开发，1979～1983年中试厂开工运行，1987年商业化装置投入运行。
Texaco气化炉的工艺原理是将含有一定比例添加剂和助溶剂且固体浓度为60%～70%的水煤浆通过柱塞隔膜泵送入气化炉顶部的特殊喷嘴，与气化剂纯氧混合进入1350～1400℃气化炉反应室，水煤浆的煤和水在高温下直接发生火焰反应，微小的煤粒与氧在火焰中做并流流动，煤粒在火焰中未及相互熔结而急剧发生部分氧化反应，反应在几秒内完成（图1-2）。在上述反应的时间内，放热反应和吸热反应几乎同时进行，因此产生的煤气在离开气化炉前，碳几乎全部参与了反应。在高温下，所有干馏产物都迅速分解转为水煤气组分，因此生成煤气中只含有极少的CH4。煤气主要成分是：CO、H2、CO2、H2O。
图1-2 Texaco气化炉
结构示意图
该技术对煤的粒度、黏结性、硫含量没有严格要求，但煤灰熔点低于1350℃时有利于气化，煤中灰分含量以不超过15%（质量分数）为宜，越低越好。气化操作压力2.5～8.7MPa；受耐火砖衬里影响，气化操作温度≤1350℃。由于该技术采用湿法进料，比氧耗和比煤耗较高；气化炉耐火砖使用寿命较短，一般为1～2年；气化炉烧嘴使用寿命较短，一般使用2个月后需停车进行检查、维修或更换喷嘴头部。因此，该技术一般需要设置备炉来满足装置的连续运行。
中国从1987年开始引进Texaco水煤浆加压气化技术；1993年，中国首套Texaco水煤浆加压气化装置在鲁南化肥厂投运；其后10年内，中国又先后在上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、安徽淮南化工集团引进并建成4套工业装置，均稳定运行。由于该技术进入我国较早，在国内的市场占有率较高，目前已有超过20家单位引进该技术，共80 多台在运行或在建。该技术目前商业化运行的最大单炉日投煤量为2000t，在国内已运行或在建的单炉日投煤量为400t、500t、750t、1000t和1600t。
（2）多喷嘴对置式水煤浆气化炉
该技术由华东理工大学和兖矿集团共同开发，属于多喷嘴对置式气流床水煤浆气化技术。该技术最先应用于山东华鲁恒升大氮肥国产化工程，气化压力为6.5MPa，单炉日投煤量为750t，装置于2005年6月初正式投入运行。该技术经过近十年的工业化应用和发展，目前在国内外签约项目56个，共计158台气化炉，并成功向美国Valero公司和韩国TENT公司进行成套技术转让出口，其中25个企业，68台气化炉已进入商业运行。该技术目前商业化运行最大单炉日投煤量为3000t，首台3000t级气化炉在内蒙古荣信化工有限公司得以工业示范，一期建设3台3000t级气化炉，于2014年6月24日一次投料成功进入工业生产。目前，正在开发和示范单炉日投煤量4000t的超大型气化炉仍建设在内蒙古荣信化工有限公司，同时半废热锅炉多喷嘴对置式水煤浆气化装置也正在工程设计和建设过程中，由兖州煤业榆林能化有限公司完成工业示范。十余年的工程实践已表明，具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术成熟、可靠，运行数据优良、气化效率高、原料消耗低，在大型化上优势尤为突出。
（3）清华炉
该技术由清华大学、北京达立科技公司和山西阳煤丰喜集团公司合作开发，为水煤浆进料、两级给氧气化炉，属于非熔渣-熔渣分级气化技术。该技术最早于2006年成功应用于山西阳煤丰喜集团临猗分公司300kt/a 甲醇项目的一期100kt/a生产装置中，应用炉型为水煤浆耐火砖气化炉（第1代清华炉），1开1备，单炉日投煤量为500t。2008年开始开发水煤浆水冷壁气化技术（第2代清华炉），并于2011年成功应用于山西阳煤丰喜肥业集团临猗分公司的尿素和甲醇项目中，单炉日投煤量为600t。目前，该技术在国内签约项目约为13个，签约气化炉约为26台，签约气化炉型单炉最大日投煤量约为1800t。
（4）多元料浆气化炉
西北化工研究院对多原料浆气化技术进行了多年研究后开发了此项技术。该技术与其他气化技术的区别在于气化原料上。生产中将煤、石油焦、油等含碳物质与添加剂和水按比例混合磨制成料浆，加压后与氧气一同进入气化炉反应。气化炉的炉型与Texaco气化炉类似，操作方式为气流床，反应生成煤气最终进入激冷室降温。该技术最早于2001年先后应用于浙江兰溪丰登30kt/a合成氨装置和浙江巨化60kt/a 合成氨装置，单炉日投煤量100～500t。目前，已工业化应用的多元料浆气化技术单炉最大日投煤量约为1200t，已建、在建和设计项目约为40个，签约气化炉约为100台。
（5）Destec气化炉（E-GAS）
Destec气化炉即现在的E-GAS气化炉。E-GAS煤气化工艺（原DOW煤气化工艺）是在Texaco煤气化工艺基础上发展的二段式煤气化工艺。
E-GAS两段气化炉剖面如图1-3所示，第一段称作反应器的部分氧化段，在1316～1427℃的熔渣温度下运行。该段可以看作为一个水平圆筒。圆筒的两端相对地装有供煤浆和氧气的进料喷嘴。圆筒中央的底部有一个排放孔，熔渣由此排入下面的激冷区。中央上部有一个出口孔，煤气经此孔进入第二段，圆筒内衬有耐熔渣的耐火衬里。第二段是垂直于第一段的直立圆筒，采用向上气流形式，内衬为耐火材料。另外有一路煤浆通过喷嘴把煤浆均匀分布到第一段来的热煤气里。第二段是利用一段煤气的显热来气化在第二段喷入的水煤浆。第二段水煤浆喷入量为总量的10%～15%。喷到热气体的水煤浆发生一连串复杂的物理和化学变化，除了水分被蒸发之外，煤颗粒经过加热、裂解以及吸热气化反应，从而降低混合物的温度到1038℃，以保证后面热回收后系统正常工作。
图1-3 E-GAS两段气化炉剖面
2016年，中国第一次应用3台两段式E-GAS煤气化炉，由茂名重力公司首次国产化制造，并于当年交付中海油惠州炼化现场，2018年7月开车成功。