1. 概述
双高煤(高灰份、高熔点)如何用于化工生产原料制取甲醇等产品，是近年来大家关心的问题。国内的双高煤储量比较大，不少矿区都有利用这种煤搞煤化工的意向，但是很难确定采用何种工艺路线。问题的关键是煤气化，究竟用什么方法比较好，目前没有定论。投资、产品成本、长周期运转之间难以达成和谐。此外，后续流程是否合理也很重要，也不能忽视，否则将影响到煤气化整个工程的难度。这是以煤为主的能源企业正在考虑的事情。
为了合理地应用双髙煤，我们需要对煤气化工艺作分类排比，仔细研究哪一种工艺更适合双高煤的应用。众所周知，国内外煤气化工艺很多[1]，其中有一部分有实用价值。按照原料来区分可以分为三大类，即粉煤、煤浆和块煤工艺。国内目前比较熟悉的各类实用技术可以用图1表示：
图1 煤气化工艺现状图
2. 对各类流程的剖析
图1中显示的三种原料煤气化的气化后工艺是不同的。这是用国内现有工艺來区分的，並不是只能这样搭配。
2.1以煤浆为原料的三种流程：
以煤浆为原料的技术主要是图中的三种，它们的原料煤浆中的主要成分是煤和水，即称水煤浆，通常煤的含量占60%左右。所谓多元料浆，就是在上述两种成份外，加入第三种或多种成份，例如重质烃。近年来有人提出，将合成油F-T反应的废催化剂，也可以加上料浆中，更能反应煤浆的多元性。
从宏观来看这三种流程的差别是不大的。它们前面的制浆工艺过程是一样的，煤浆进入气化炉的位置都在炉体的上部，气化炉炉体的结构和大小也基本相同，对同一个煤种的操作温度和操作压力也一样，煤浆浓度是一样的，氧耗量也基本一样。同一煤种、同一煤浆浓度、同一助熔剂的成分和数量、氧耗量基本一致，产生的合成气的成分基本相同。炉体下面的激冷室也无多大差异，后续的激冷工艺也大同小异。如果炉体结构设计合理，产生的影响不会很大，这些技术已经成熟。
这三种流程区别在于喷嘴的数量和喷入煤浆的方向。其中Texaco和多元料浆是单喷嘴，煤浆喷入方向为自上而下的垂直喷射，而四喷嘴技朮是四个喷嘴水平对置喷射.
煤浆气化对煤种的要求主要是：ST3<1250℃，灰份<12%。正常的操作温度为1350℃，长时间高于这个温度不利于炉壁的耐火砖的使用寿命(在正常操作温度下，双低煤的气化炉耐火砖可以使用1-1.5年)。加大量助熔剂后灰熔点降低了，灰含量高了，对耐火砖的冲刷加剧了，还会影响后续流程的长周期、稳定和满负荷运行，经济上也不一定合算。
这里应该说明一点，不符合上述条件的煤浆气化技术並不是开不了车，也不是发生災难性后果，更不是用“行与不行”來描述，而是说它的生产状况不佳.
因此，对同一个煤种，三种流程要么都可以采用，要么都不可以采用。硬性去区别这三个方法中谁优谁劣，谁行谁不行是意义不大的。
总的来说，以双高煤为原料，煤浆气化的效果不好。
2.2以碎煤(5-50mm)为原料的鲁奇流程：
这个流程的主要特点是带有夹套锅炉固态排渣的加压煤气化炉，经加压气化得到粗煤气(CO+H2)。国内引进一套鲁奇炉以后，对这种炉型进行了大量的消化和研究，提出了不少的改进意见和措施，并且付诸实施。它的运行、操作、技术管理等经验已基本掌握，使鲁奇炉达到了长周期稳定运行的目标。鲁奇炉作为一种成熟的气化技术会逐渐被人们所认可，由于原料的限制、流程比较长，投资不低、环保的难度大一些，新用户的热情不太高。
2.3以粉煤为原料的三种气流床流程：
这里主要是指Shell、两段式和GSP三种。这三种是中压法的粉煤流程，基本上都采用冷壁炉，熔渣从壁上流下。但是三种流程是有比较明显的区别。Shell的煤粉是水平进料自下而上的喷射，炉体只有一段，有4-6个喷嘴；二段炉的区别在于炉体分两段，进料分成两段喷射，但是第二段基本不喷氧，也是水平进料自下而上的喷射。GSP是自上而下垂直喷射，只有1个喷嘴。
冷壁炉可以在1400-1600℃下操作，解决了高熔点的问题。
(a) Shell煤气化
Shell煤气化是一种先进的方法，有其优点和合理性。国内正在进行试运转，已经取得不少经验。
Shell煤气化对煤种也有要求，以前认为“可以适用任何煤种，不要备用炉”等的说法正在接受挑战。
在最近一次美国煤气化国际会议上公布的有关资料说明，对灰份的要求是0.5-24.5％。此外，它们的Shell炉的年停车率12%，其中计划停车率6%，非计划停车率6%。这说明国外单台气流床粉煤气化炉的开工率为88%。该资料还提出以3×50％的方式安排气化炉的能力为最佳，可以达到开工率99％。这预示一个化肥企业单台气化炉的配置方法是不适合了。这份报告对国内已经化巨额投资建设19台Shell气化炉的企业带来了新的思考问题。
Shell气化工艺采用的是废热锅炉流程，是用于发电的流程，用于制备甲醇，最好采用激冷流程。Shell公司声称2006年底推出激冷流程，但是没有动静。如果改成激冷流程，可以增加出灰口，有利于双高煤的使用。
我们的看法是：为了能够长周期和稳定运转，废热锅炉流程的原料煤灰份范围最好在8-15％之间。
这里同样要说明的是，如果用户的操作条件不在上述范围内，结果怎样呢?不能开车吗?不是的，不能用极端的结论来回答这个问题。我们的意思仍然是：流程可以打通，但是不能长周期、稳定、满负荷地运行。
(b)两段炉
西安热工研究院开发出两段式干煤粉加压气化技术，建成日处理36吨煤的干煤粉加压气化中试装置，其核心技术和整体工艺获得国家发明专利。这个炉型是对Shell气化炉的改进，除了炉型以外，缩小了废热锅炉、取消了循环压缩机，投资要下降一些。
两段式干煤粉加压气化工艺采用的是废热锅炉流程或者激冷流程。它们将废热锅炉流程用于发电，将激冷流程用于制备甲醇，说明有针对性。但是在低位能的利用率方面，也还存在问题。与天然气制甲醇工艺一样，煤制甲醇的低位能也是过剩的。
与shell一样，采用激冷流程可以增加出灰口，有利于高灰煤的使用。
现在，这个方法正在进行IGCC和30万吨/a甲醇的示范厂建设。
(c)GSP煤气化
GSP煤气化过程是在高温加压下进行的，是原民主德国开发的较为先进的第二代煤气化工艺之一，GSP煤气化属气流床气化。与其它煤气化工艺一样，GSP气化工艺过程主要是由给料系统、气化炉、粗煤气洗涤组成，即备煤、气化、除渣三部分组成。
我们曾经支持过GSP技术，原因是GSP气化炉的设计理念比较合理，这种技术比较容易实现，能出现比较好的效果。但是，由于外商欠缺在工程方面的经验，也不了解中国的国情，使这种技术在国内推广的速度变慢了。中方如果自己开发相似的炉型，也许比引进还省事。最近有人推出的航天炉，可能就是这个意思[2]。
这个炉型的问题是，与现行的Tesaco流程相似，炉体的气化室出口和在激冷过程中，灰含量大了以后，要引起堵塞。由于实踐经验不足，该工艺对双高煤还没有一个明确的解决思路。
2.4以粉煤为原料的两种流化床流程
这两种是流态化反应床，反应在常压或低压下进行。根据射流原理， 以空气或氧气或富氧和蒸汽为气化剂， 在适当的煤粒度和气速下，流态化粉煤借助气化剂的吹入，使炉内中的煤粒在沸腾状况下气化。操作温度在1100-1200℃之间，与ST3的直接关系不大。气固两相充分混合接触，在部分燃烧产生的高温下进行煤的气化，发生煤的还原反应，最终实现煤的气化。
灰熔聚和恩德炉的情况差不多，原理相似。
灰熔聚流程采用废锅加激冷流程，可以增加出灰口，有利于高灰煤的使用。
就目前的技术而言，这两种流程中单台炉体的能力还偏小，在大型化的煤化工企业建设中还难以采用。
3. 双髙煤气化工艺中的灰份量问题
冷壁炉和灰熔聚的方式解决了髙熔点问题，没有涉及髙灰份问题。髙熔点和髙灰份不一定具有同一性，髙熔点不一定高灰份。解决髙灰份问题要从解决排灰着手，以疏导为主。这就要研究煤中的灰份在进入气化炉后的去向， 研究排灰口的合理布局，研究灰份在各个排灰口的排出量是如何分配的。
煤粉从气化炉下部进入(下噴式)，还是从气化炉上部进入(上喷式)， 尽管后续流程都是激冷流程，但是它们的灰份流量分配是不一样的。例如在原料1000Kg双高煤、25％灰份的情况下，两种流程的灰份流量分配有明显的区别，见图2(图中数字表示灰渣的Kg数)。从各排渣口的排渣量來看， 下喷式流程中有三个排渣囗， 每个排渣口的负荷较小，比较容易畅通；上喷式流程只有二个排渣口，毎个排渣口的负担重，不容易暢通。这就是推荐下喷式流程用于双髙煤的原因。根据这个判断，Shell、两段炉、灰熔聚等下喷式气化炉比较适应双高煤的使用。
图2 两种流程的灰份流量分配
4 双高煤气化工艺的选择
总之，针对双高煤种，用煤浆作原料是困难的。用粉煤方法是可以的，但是，要采用激冷流程，最好加备用炉(3×50%)。表1综述了上述几种方法的结果。此外，扩大或增加流程中的出灰口，减轻每一个出灰口的负担，是一个比较好的办法。这就要求设计单位，不要照抄Shell发电采用的气化技术，着手改进这一工艺，使之适合甲醇工艺流程的需要.
表1 粉煤原料的方法综述
方法 | 能否使用 | 灰份范围 |
高灰份 | 高熔点 |
Shell | 可以，改激冷流程 | 可以 | 0.5-24.5 |
两段炉 | 可以 | 可以 | 尚未确定，有限制 |
GSP | ？ | 可以 | ？ |
灰熔聚 | 可以 | 可以 | 尚未确定，有限制 |
恩德炉 | 可以 | 可以 | 尚未确定，有限制 |
无论如何，煤中灰份含量的最高值也是有限的。过髙的灰份含量，既使排灰问题解决，在经济上也不一定合算。笔者认为，这个值似应在25-30 %之间。我们应该建立起这样的伩念，化工用煤的灰含量是有上限的，不是什么样的煤都适合化工上使用。
5 双高煤制取甲醇的工艺路线
以下两种方法三种流程实现工程化的可能性较大。原因是这些方法有国内中试的试验基础，有国内正在建设的经验，投资比较小、能耗比较低、流程简单、设备制造比较容易国产化、专利费比较低、维护比较方便等优点。
5.1中压煤气化方法
以两段粉煤气化为龙头的中压方法，主要工艺是两段粉煤气化(气化炉+激冷至600℃)、激冷(激冷室+文丘里+激冷洗涤塔)、部分变换、低温甲醇洗、压缩、合成、精镏、膜分离回收氢气等流程。煤气化的后续流程是典型的煤制甲醇流程，是比较成熟的组合。
图3 两段粉煤气化制取甲醇图
5.2 低压煤气化方法
(a)以灰熔聚煤气化为龙头的前压缩流程，主要工艺是灰熔聚粉煤气化(气化炉+旋风分离器)、废锅加激冷(激冷室+文丘里+激冷洗涤塔)、前压缩、部分变换、低温甲醇洗、压缩、合成、精镏、膜分离回收氢气等流程。压缩后的流程是典型的煤制甲醇流程，是比较成熟的组合。
煤气化炉出口先进入旋风分离器，再进入废锅，降至600℃左右，最后依次进入激冷室、文丘里、激冷洗涤塔，把灰份除尽。
这个流程的关键是激冷时洗涤塔能否将气体中的灰份洗涤干净，以保证压缩机的正常运行。
图4 灰熔聚煤气化前压缩流程制取甲醇图
(b)以灰熔聚煤气化为龙头的常规流程，主要工艺是灰熔聚粉煤气化(气化炉+旋风分离器)、废锅加激冷(激冷室+文丘里+激冷洗涤塔)、粗脱硫、部分变换、脱硫脱碳、压缩、合成、精镏、膜分离回收氢气等流程。
同样地，煤气化炉出口先进入旋风分离器，再进入废锅，降至600℃左右，最后依次进入激冷室、文丘里、激冷洗涤塔，把灰份除尽。
后续流程是典型的小甲醇流程，本例中气化炉是多系列的，但是在激冷以后，连成一体，成为单系列流程。
图5 灰熔聚煤气化常规程制取甲醇图
6 科学合理比较各类工艺技术
针对双高煤原料，迄今未见报道有设计单位做过详细的研究，都是将Shell发电工艺搬到甲醇工艺上，这不可能成为完美之作.
以上三种流程，究竟哪一个最合理，要经过仔细比较才能确定。
对上述两种方法的三个流程比较，实施的步骤很重要，对不同的流程要采取一碗水端平。具体步骤可以如下：
(1)确定共同的基础条件，如煤、水、电、蒸汽的技术参数和价格参数。
(2)计算全流程的物料平衡和蒸汽平衡。
(3)算出吨醇能耗数据和总投资数据。
(4)对环境的估价。
这就是一个真正的技术方案比较，一定要做全流程的，仅仅做气化部分是不够的，这样的方案应该由工程公司和提供这些技术方的合作来承担。用户完全有理由请设计方提供上述完整的比较数据，然后作出决定采用何种工艺。
双高煤的应用，涉及我国煤化工的长远发展，是国民经济中不可回避的重大问题。我们的责任是用严谨的科学态度，作好它们的方案比较。
