原创丨多相热岛气化技术介绍

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来源：煤化客（煤化工领域纵深服务生态平台）

作者：邰学林

单位：北京兴荣泰化工科技有限公司总经理

多相热岛气化技术介绍

前  言

多相多组分热岛气化技术简称“多相热岛气化技术” ，利用可燃气与氧气燃烧的火焰射流在气化炉内构建一个内部温度高、外部温度低的气化空间（称之为：热岛），将气固液三相多组分含碳物质和有毒有害物质同时送至热岛内进行热化学反应。目前已经工业化运行试验和公开的采用热岛气化专利技术的气化炉有煤气煤粉逆流气流床气化炉和多相多组分逆流气流床气化炉等。

热岛气化用更高的气化温度来提高气化反应速率、碳转化率和原料适应性，降低细渣和炉渣的残炭含量，解决环保问题并提高原料适应性。用更低的气化炉出口煤气温度来减少煤气带出的热量，提高有效气量和冷煤气效率，降低气化成本。新开发的热岛气化炉从根本上避免了下渣口的大渣形成，彻底解决了逆流气流床气化炉下渣口的堵塞问题。本技术用于粉煤气化，可以直接用本地煤做原料，0～6mm粉煤进料，不需要干燥、不需要磨煤，不需要添加助熔剂，没有废气粉尘排放，飞灰和气化炉渣不需要处理即可作为建材，气化成本比干煤粉气流床气化炉低10%以上，比水煤浆气流床气化炉低15%以上。

现有煤气化技术存在的问题

煤气化炉常分为固定床、流化床和气流床三类气化炉，干粉煤气流床是最先进的粉煤气化炉，细渣和黑水处理难，难以满足清洁气化要求。

1、固定床（移动床）煤气化炉

只能气化块煤、碎煤或型煤，原料昂贵，气化强度低，粗煤气中含酚类、焦油等有机物多，净化流程长，投资高成本高，环保问题严重。

2、循环流化床煤气化炉

只能气化活性高、灰熔点较高的、不（弱）粘性的碎煤，气化成本较低，大量的高残炭的飞灰和黑水难以处理，环保问题严重。

3、气流床煤气化技术

气流床煤气化炉分为水煤浆和干煤粉气化炉，水煤浆气化对原料要求很高，煤耗氧耗高，高残炭细渣难以处理。煤粉气流床气化是最先进的煤气化炉，只能气化优质煤，高残炭细渣难以处理，黑水处理成本高，投资较大，煤种适应性和环保问题难以满足低成本清洁气化要求。 

气流床煤粉气化炉存在问题及原因

1、存在问题

只能气化研磨性好、灰分低、灰熔点低和灰渣黏温特性好的优质煤，细渣残炭高难以处理，黑水处理成本高，投资高，成本高。

2、原因 

气化炉的结构和耐火材料难以承受更高的气化温度，出口煤气温度必须高于灰熔点且接近气化温度，出口煤气温度越高，带出的热量越多，有效气产量越低，只能选择相对较低的气化温度。

煤粉进料 需要干燥、磨煤，需要添加助熔剂，原料处理成本高。气化温度偏低，出口煤气温度高，煤气带出的热能多，碳转化率和冷煤气效率低，副产的细渣（飞灰）残炭偏高，大多数气流床气化炉细渣残炭高达25%以上，有的高达40%以上，气化系统还会产生黑水。

气流床粉煤气化炉示意图

两相热岛气化炉示意图

多相热岛气化原理示意图

多相多组分内冷激气化炉示意图

烟煤两相热岛气化运行照片（从顶部向下看）

褐煤两相热岛气化运行照片（从渣斗向上看）

多相多组分热岛气化的特点

1、原料适应性强

煤气和煤粉、垃圾热解气、焦油、生物炭和热解残渣；有机污泥热解气、焦油和热解残渣；焦炉气、焦粉和焦化废水；兰炭、热解气和含酚废水等各种可燃气、液和固体含碳物质的深度处置。

2、冷煤气效率高

气化炉冷煤气效率＞85%，高温煤气显热用于热解和加热入炉气。

3、安全可靠性高

新开发的气化炉，从结构上彻底避免了下渣口形成大渣，任何气化原料熔渣气化，无需添加助熔剂，再没有下渣口大渣堵塞问题。

 4、资源利用率高

有价值的焦油被回收，碳和其他有机物成为合成气，无机物和重金属成为玻璃体炉渣作为建材，高浓废水成为气化原料和气化剂。

5、环保性能好

炉渣和飞灰残炭小于3%，无VOC产生，各种污染物近零排放。

热岛气化的条件

1、热岛气化的必要条件

煤气、焦炉气、天然气、垃圾、污泥等有机固废的热解气等可燃气和氧气燃烧，形成的火焰射流才能构建气化热岛，实现热岛气化。

2、可燃气的来源

流化床煤气化炉生产的煤气；

焦化厂的炼焦炉、高炉生产的焦炉气；

生活垃圾、炼厂污泥、油田污泥等有机固废热解气；

天然气等其他需要处理的可燃气体。

3、固体含碳原料的气化方法

粉煤气化：粉煤通过流化床部分气化为煤气和煤粉，再热岛气化。

各种固体含碳原料通过热解炉热解成为可燃气、焦油和固体热解残渣，再三相热解产物送到热岛气化炉同时热岛气化。

固体含物质通过气化炉气化为煤气和固体含碳物质，再热岛气化。

清洁煤气替代天然气 

2018年天然气进口量9039万吨，进口均价为2823.08元/吨，较2017年增长22.9%，耗费外汇折人民币约2551.77亿元，对外依存度高达45.3%，进口过快增长，消耗了大量外汇，给我国的能源安全带来严重的问题。      

用粉煤清洁气化生产煤气替代城市发电采暖和工业燃料的1000多亿立方米天然气，燃气成本降低50%以上，比煤制天然气低约30%，可大幅降低用气成本，年经济效益可达1000亿元以上。与干煤粉气流床气化相比：原料煤不需干燥，不需要磨煤，不需要添加助熔剂，不产生黑水，细渣和飞灰可直接作为建材，没有废气粉尘排放，气化成本低10～15%。

垃圾资源化发电供暖供氢

 全国生活垃圾量超过4亿吨/年，可产燃气1600亿立方米，相当于等热值的天然气500多亿立方米。用热解-热岛气化装置深度处置生活垃圾生产清洁煤气，部分替代发电、采暖和工业燃料用天然气，可降低企业采暖燃气成本约50%左右，实现有毒有害物质近零排放，大幅提高我国的环保水平。如果算上工业垃圾以及其他有机固废的资源化利用，年经济效益和社会效益1000亿元以上。

全国生活垃圾量超过4亿吨/年，可产燃气1600亿立方米，相当于等热值的天然气500多亿立方米。用热解-热岛气化装置深度处置生活垃圾生产清洁煤气，部分替代发电、采暖和工业燃料用天然气，可降低企业采暖燃气成本约50%左右，实现有毒有害物质近零排放，大幅提高我国的环保水平。如果算上工业垃圾以及其他有机固废的资源化利用，年经济效益和社会效益1000亿元以上。

污泥资源化发电供暖供氢

全国污泥产量近8000万吨/年，大约20%左右的污泥得到处理，大多数只能填埋或焚烧，目前工业污泥处理费用1000元/吨以上，现有处理方法都对环境产生一定的污染，问题非常严重。用热解-多相多组分热岛气化装置深度处置污泥生产清洁煤气，部分替代发电、采暖和工业燃料用天然气或生产高纯氢气作为氢能源，实现有毒有害物质近零排放，大幅提高我国的环保水平，经济效益和社会效益非常明显。

回收焦油的煤炭清洁气化

我国的煤炭低温热解规模估计在5000万吨/年左右，兰炭的利用和含酚废水的处理问题很大。如果将热岛气化技术应用于回收焦油的煤炭清洁气化，可大幅提高企业的经济效益和环保水平。将挥发分大于20%的长焰煤、褐煤等具有焦油回收价值的原料进行热解，从热解气中回收煤焦油和煤化学品，再将兰炭、热解气和含酚高浓废水进行清洁气化，可有效解决兰炭利用和含酚废水处理的难题。气化工艺过程如下：

固定床煤气化炉环保节能改造

固定床煤气化炉气化强度低，煤粉利用困难，粗煤气中酚类、焦油等有机组分较多，净化时产生含酚废水，处理非常困难，环保问题非常严重。有关方面规定，到2025年全国有4000台左右生产合成氨的UGI气化炉需要淘汰，还有大量的鲁奇炉、BGL气化炉和其他生产工业燃气的固定床气化炉污染物需要处理。利用热岛气化技术将煤粉和炉渣作为气化原料，将含酚废水经过沉淀、过滤、膜分离处理，固体废物作为原料，膜分离出来的清水作为循环冷却水的补水，浓液进入热岛气化炉气化，有效解决煤粉利用和含酚废水处理难题。工艺过程如下：

流化床煤气化炉环保节能改造

循环流化床气化炉存在大量的高残炭的细灰和黑水难以处理，环保问题严重。利用多相多组分热岛气化技术将高残炭飞灰加入流化床初级气化炉作为原料，将黑水通过沉淀、过滤、膜分离处理，沉淀物脱水后作为流化床初级气化炉进料，膜分离出来的清水作为循环冷却水补水，浓液进入热岛气化炉气化，可有效解决飞灰利用与处理以及黑水处理的难题。工艺过程示意图如下：为原料，将黑水通过沉淀、过滤、膜分离处理，沉淀物脱水后作为流化床初级气化炉进料，膜分离出来的清水作为循环冷却水补水，浓液进入热岛气化炉气化，可有效解决飞灰利用与处理以及黑水处理的难题。工艺过程示意图如下：

水煤浆气流床气化炉环保治理

水浆气流床气化炉副产的高残炭细渣难以处理，目前只能填埋。 全国每年有接近400万吨左右的水煤浆气化炉渣需要处理，仅乌鲁木齐市某工业园区每年就有70万吨气化炉渣，来源于某公司年产68 万吨煤基新材料、某公司年产 540 万吨煤基多联产和某公司年产60 万吨甲醇项目，他们均采用水煤浆气化炉，这些炉渣急需处理。炉渣一组分析数据如下：

这些炉渣活性低、残炭高达20%以上，难以利用。利用热岛气化技术将水煤浆气化炉渣添加一些粉煤进行气化，工艺过程示意图如下：

干煤粉气流床气化炉环保治理

大多数干煤粉气流床气化炉都存在大量的高残炭的细渣和黑水难以处理的问题，每年产生的气化炉渣400万吨左右，产生的黑水3000万吨左右，需要无害化和资源化处理。利用热岛气化技术将气化炉渣添加一些粉煤进行气化，将黑水通过沉淀、过滤、膜分离处理，沉淀物脱水后作为流化床初级气化炉进料，膜分离出来的清水作为循环冷却水补水，浓液进入热岛气化炉气化，可大幅减少环境污染，提高企业的经济效益。某大型央企公开的其引进的干粉煤气化炉渣分析数据：

焦炉气焦粉清洁利用和环保改造

焦化厂常将焦炉气用于生产化工产品，由于焦炉气组分不稳定且净化难度很大，化工生产极不稳定，消耗高、成本高。还存在副产的焦粉难以利用、含酚废水难以低成本处理的问题。2017年，我国规模以上的焦化企业大约600家左右，每年估计有大约4000万吨左右的焦粉需要有效利用，还有大量的含酚废水需要处理。利用热岛气化技术将焦炉气、焦粉和含酚高浓废水进行清洁气化，彻底解决焦炉气的脱硫问题，稳定合成气组分和流量，降低消耗，提高化工产品产量，大幅减少环境污染。工艺过程如下：

褐煤煤气煤粉热岛气化飞灰

烟煤热岛气化炉渣

烟煤热岛气化炉渣斗排水

褐煤热岛气化炉渣

褐煤热岛气化渣斗出水

渣斗上水为恩德炉气化循环水

渣斗排水颜色和上水基本相同

40000 Nm3/h烟煤热岛气化装置

62500Nm3/h褐煤热岛气化装置

国际国内市场预测

1、国内市场：

生产清洁煤气替代燃料天然气，大约500～600套； 

回收煤焦油的煤炭高效利用和清洁气化，大约170套 ；

生活垃圾、工业垃圾等固废资源化，大约2000～3000套；

固定床煤气化炉的环保节能技术改造，大约1000套；

流化床煤气化炉的环保节能技术改造，大约500套；

水煤浆气流床气化炉的环保技术改造，大约40套；

干煤粉气流床气化炉的环保技术改造，大约40套；

焦化行业焦粉、焦炉气清洁利用和环保改造，大约400套。

以上合计热岛气化的市场容量可达4650～5000套左右，如果再加上新建的煤制油和IGCC发电等，热岛气化装置需求将超过5000～6000套，价值20000亿元以上。

2、国际市场：

热岛气化技术在欧盟、东南亚乃至全世界都具有非常好的需求，大量的城市缺乏清洁能源，大量的生活垃圾、工业垃圾需要处理，国际市场对热岛气化技术的需求估计在20000～50000亿元。

经济效益和社会效益预测

1、经济效益

如果气化装置销售利润率按15%估算，20000亿销售产值可产生经济效益3000亿元以上，气化能耗和成本比气流床低10～15%，加上环境治理的效益，总经济效益可达5000亿元以上。

2、社会效益

如果按照我国年消耗40亿吨的煤炭计算，其中有10～15%的煤炭利用热岛气化技术，每年可副产煤焦油3000～4000万吨，每年减少煤炭消耗2000～3000万吨，每年减少天然气进口250亿立方米，还可以获得大量宝贵的煤化学品资源，大大减少环境污染。

我国城市每年产生的生活垃圾就有4亿吨左右，将垃圾焚烧、垃圾填埋等处理用热解-热岛气化，可生产清洁可燃气或氢气1600亿立方米以上，作为发电、采暖和工业燃料，可替代天然气500亿立方米以上。再加上环保效益，每年的社会效益可到10万亿元以上。

结  语

多相热岛气化具有气化温度高、气化室出口煤气温度低和炉壁温度低的特点，热岛内的气化温度比气化炉内壁高300℃以上，出口煤气温度比气化温度低300 ～ 600℃左右，用和气流床气化炉相同结构材料的气化室即可实现比气流床气化炉高300℃以上的气化温度。用于粉煤气化，比干煤粉气流床气化炉的碳转化率和冷煤气效率更高，排放的废气、废液和废固更少，气化成本更低，是一种新一代多相多组分清洁气化技术。

多相热岛气化能将煤气煤粉、有机固体废弃物的热解产物以及各种可燃气、含碳固体、含碳液体中的碳和有机物同时转化为合成气，将其中的二噁英、垃圾渗滤液、重金属等有毒有害物质进行高温热阻断，灰分和重金属形成玻璃体炉渣而将有毒有害物质固定，作为建材被利用。可广泛应用于煤炭清洁气化，生活垃圾、工业垃圾等有机固废及有毒有害物质的无害化处置、清洁化和资源化利用。新的热岛气化炉，根据现有煤气煤粉热岛气化炉的工业试验运行经验，开发出新型特殊结构的气化炉，从根本上避免了下渣口大渣的形成，彻底解决了逆流气流床气化炉易发生的下渣口堵塞问题，极大的提高了气化炉的经济性和可靠性。