煤炭气化技术：理论与工程

本书是“煤炭清洁转化技术丛书”的分册之一，集理论探讨与工程实践于一体，系统介绍了煤气化技术的最新进展和工程应用。本书通过过程分析提出了煤气化技术一百余年来发展的共性问题：原料稳定高效输送、煤炭高效快速气化、粗合成气能量回收与除尘。之后以大型气流床气化技术为主线，结合作者团队三十余年的研究成果，系统阐述了煤气化技术的物理化学基础、炉内射流与湍流多相流动、湍流混合及其对复杂气化反应的影响、水煤浆制备与输送、粉煤的流动特性及其密相气力输送、气化炉内熔渣流动与沉积、气流床气化过程放大与集成、煤与气态烃的共气化、气化炉及气化系统模拟优化、大型煤气化技术的工程应用等内容。书中详细分析了不同煤气化技术的特点和共性，探讨了煤气化技术的发展方向。
本书在紧密结合国内外煤气化技术发展的基础上，充分融合了国内近年来在该领域的基础研究突破与工程应用进展，理论与实践并重，可供煤化工领域的研究、设计和生产技术人员，尤其是从事煤气化技术开发、设备设计和工程设计的技术人员参考。

王辅臣，华东理工大学资源与环境学院教授，我国煤化工界有重要国际影响的学术带头人，国内首套具有完全自主知识产权大型煤气化技术的主要发明人之一。长期从事煤等含碳原料气化的应用基础研究和技术开发，取得了工程化和产业化的重要成果，打破国外技术垄断。2次担任国家973 计划项目首席科学家、先后入选国家 级人才、教育部创新团队“大规模煤气化及煤基合成反应器”负责人、科技部重点领域创新团队“大型煤气化技术研究开发”负责人、新世纪百千万人才工程国家 级人选、教育部新世纪优秀人才计划入选者、上海市优秀学科带头人。现任含碳废弃物资源化零碳利用教育部工程研究中心主任、大型煤气化及煤基新材料国家工程研究中心副主任，兼任上海市化学化工学会理事及能源化工专业委员会主任、中国化工学会煤化工专业委员会副主任、中国煤炭加工利用协会煤化工专业委员会副主任。曾获国家科技进步二等奖2项（排名1、8），省部级科技进步一等奖8项（3项排名1）。

煤炭是我国的基础能源和战略原料，煤炭的清洁高效利用是社会经济发展和生态文明建设的客观要求，也是保障国家能源安全的现实需要。煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术，广泛应用于煤基大宗化学品合成（合成氨、甲醇、乙二醇、醋酸、乙烯、丙烯等）、煤制液体燃料（汽油、柴油等）、煤制天然气（SNG）、IGCC发电、煤基多联产、直接还原炼铁、制氢等过程，是这些领域的龙头技术、关键技术。
改革开放以来，特别是进入21世纪后，我国在煤气化技术的基础研究、技术开发、工程示范、工业应用等方面均取得了长足进步。编者所在的研究团队由已故的于遵宏先生创立，在国家和相关部门支持下，一直从事气流床煤气化及相关领域的应用基础研究和工程化研究，与兖矿集团公司合作，2005年开发成功了国内首个具有完全自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术，实现了我国大型煤气化技术零的突破。国内开发的多种煤气化技术也成功实现了工业应用，我国煤气化技术完成了从跟跑、并跑到领跑的跨越，支撑了现代煤化工行业的快速发展。截至2023年底，我国煤制合成氨产能约为5472万吨/年，煤制甲醇产能接近8303万吨/年，煤制油产能823万吨/年，煤制烯烃产能1872万吨/年，乙二醇产能1143万吨/年，煤制天然气产能51亿立方米/年，加上煤气化制中低热值燃气行业，全年通过气化转化的原料煤约为3亿吨，占我国煤炭消费总量的6%左右，以煤气化技术为核心的现代煤化工技术对促进国民经济可持续科学发展，保障国家能源安全发挥了重要作用。
自主知识产权大型煤气化技术在我国的成功开发和广泛应用，是几代煤化工人接续努力的结果，其间既有艰难探索中的失败，也有不懈努力后的成功，在这一过程中，很多研究单位和个人都做出了重要贡献。作为近30年来我国煤气化技术研究开发和工程应用的参与者、亲历者，本书的主要编写者见证了进入21世纪后，我国煤气化技术在几代人努力的基础上，实现了从无到有、从弱到强的快速发展。2009年编者团队编写了《煤炭气化技术》一书，并由化学工业出版社出版，该书出版后，受到了各个层面读者的欢迎。
智山慧海传真火，愿随前薪作后薪。2008年于遵宏先生去世后，编者所在团队，继续在煤气化技术领域深耕不辍，解决了多喷嘴对置式水煤浆气化技术大型化过程面临的科学和技术难题，推动了技术的不断优化与发展。多喷嘴对置式水煤浆气化技术实现了大型化跨越。2009年6月，单炉日投煤量2000吨级的多喷嘴对置式水煤浆气化装置在江苏灵谷化工有限公司建成投运，配套生产合成氨和尿素，是当时国内单炉处理能力最大的水煤浆气化装置；2016年6月，单炉日投煤量3000吨级的多喷嘴对置式水煤浆气化装置在内蒙古荣信化工有限公司建成投运，配套生产甲醇，是当时世界单炉处理规模最大的煤气化装置；2019年10月，单炉日投煤量4000吨级的多喷嘴对置式水煤浆气化装置在内蒙古荣信化工有限公司建成投运，配套生产甲醇和乙二醇，是迄今为止世界上单炉处理规模最大的煤气化装置。2020年12月，首套多喷嘴对置式废锅激冷耦合水煤浆气化炉在兖州煤业榆林能化有限公司投入运行，单炉日处理煤2000吨，提升了大型煤气化装置的系统能效；2024年5月单炉日处理煤3000吨/天的多喷嘴对置式粉煤气化装置投入运行。截至2023年底，在建和运行的多喷嘴对置式水煤浆气化炉209台，国内市场占有率第一。团队与中国石化集团公司合作开发的SE粉煤气化技术和SE水煤浆气化技术也实先后现了产业化应用。2004年1月，配套制氢的千吨级SE粉煤气化技术（单喷嘴冷壁式粉煤加压气化技术）工业示范装置在中国石化扬子石油化工有限公司建成投运；2019年6月，配套170万吨甲醇转化烯烃的七套日投煤1500吨级SE粉煤气化装置在中安联合煤化有限责任公司建成投运；2020年9月，单炉日投煤量2000吨级SE粉煤气化装置在中科（广东）炼化有限公司建成投运。2019年1月，配套制氢的千吨级SE水煤浆气化技术工业示范装置在中国石化镇海炼化公司建成投运；2021年11月，镇海炼化二期建设的单炉日投煤2500吨级SE水煤浆气化装置投运；2023年11月，单炉日处理煤1500吨级SE水煤浆水冷壁气化装置建成投运。
与此同时，国内其他煤气化技术的工业化也取得了长足进展。据不完全统计，我国现有林林总总的煤气化专利商或声称拥有煤气化技术的公司30余家，煤气化技术进入了百花齐放的时代。2010年以来，一些新的研究文献也不断发表，为了反映国内外煤气化技术领域最新的研究成果，在化学工业出版社的大力支持下，对《煤炭气化技术》一书进行了补充修订，新书名为《煤炭气化技术：理论与工程》。新书保留了原书的框架结构，但对第5章和第6章重新进行了梳理，将原书第6章中有关水煤浆输送的内容编入第5章，对第6章内容进行了扩充，新增了第11章，主要反映了最近十多年来国内煤气化技术在工程应用方面的最新应用进展，并在各章中也补充了国内外披露的最新研究内容。
华东理工大学洁净煤技术研究所的同仁们对全书的编写提出了宝贵的意见，给予了全力支持。本书的内容主要取材于团队的科研成果和国内外其他学者发表的文献，其特点是既反映了煤气化技术领域国内外的最新进展，更包含了编者所在团队30余年在煤气化领域学术研究的积累，许多重要内容为同类专著中首次披露。
全书共分11章，在分析不同煤气化技术特点和共性的基础上，以大型煤气化技术涉及的基础理论和关键技术为主线。
第1章对煤气化过程进行了分析，比较了不同煤气化技术的共性及特殊性，探讨了煤气化技术的发展方向。
第2章讲述煤的结构及其对气化过程的影响、煤气化过程的动力学、煤气化过程的热力学平衡计算。
第3章主要内容包括“射流同轴受限射流撞击流”的基本原理与计算方法，重点讲述了炉内射流与湍流多相流动的流体力学特征。
第4章探讨湍流混合基本概念、原理及其对气化过程的影响，包括湍流混合、雾化和弥散等。
第5章主要介绍水煤浆的制备技术、水煤浆特性和水煤浆输送过程。
第6章主要介绍粉煤加压输送技术。
第7章主要介绍熔渣在气流床气化炉水冷壁上的沉积规律。
第8章以气流床为基础，讨论煤气化过程的放大与集成。
第9章涉及多原料气化，主要讨论煤与气态烃的共气化。
第10章主要介绍煤气化过程与系统模拟。
第11章则主要介绍国内煤气化技术在工程应用方面的主要进展。
本书第1章，第2章第1、4、5节，第3章第5节，第4章第1、2、5节，第5章第1～4、7节，第6章第1节，第8章1、3节，第9章，第11章由王辅臣编写；第2章第2节由周志杰、沈中杰编写；第2章第3节由卫俊涛编写；第3章1～4节由李伟锋编写；第4章第3、4节由刘海峰、赵辉编写；第5章第5、6节、第8章第6节由于广锁编写；第6章第2、3节由龚欣、郭晓镭和陆海峰编写；第7章由梁钦锋、白进编写；第8章第2节由郭庆华、龚岩编写，第4节由王亦飞编写，第5节由陈雪莉编写；第10章第1、2、4、5节由代正华编写，第3节由许建良编写。全书由王辅臣统稿。王兴军帮助编者对书稿进行了校对，许建良、郭庆华、龚岩、赵辉、陆海峰、刘霞、赵丽丽、丁路、沈中杰、高云飞、唐龙飞整理了部分资料。
洁净煤技术研究所历届研究生论文中的部分研究工作，作为团队的研究成果被收集入本书。本书编写期间，许多研究生做了大量收集文献、整理数据、绘制图表的工作，一并向他们表示谢意。
本书许多内容是编者所在团队30余年学术研究的结晶，这些研究得到了国家973计划、863计划、国家攻关（支撑）计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部重点领域创新团队、教育部“长江学者和创新团队发展计划”、教育部重大项目、教育部新世纪优秀人才资助计划、中国石化重点项目、上海市科委重大项目、上海市优秀学科带头人资助计划、上海市科技启明星计划、上海市曙光计划等科技和人才计划持续不断的支持。也一直得到了中国石化集团公司、兖矿集团有限公司（现山东能源集团有限公司）等大型企业的支持。正是这些支持，才使编者及其团队的研究思路、研究目标得以实现，在本书付梓之际，对上述单位给予的各种支持表示衷心的感谢。
国内许多专家、学者对本书编者所在团队的研究工作一直给予指导和支持，他们无私的帮助，促进了多喷嘴煤气化技术的顺利开花结果，也促进了编者所在团队的继续成长和发展。在此，对他们表示衷心的感谢。
本书写作过程中，中国石化南京化学工业有限公司档案馆、上海化工研究院有限公司档案室、西北化工研究院档案室、煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院档案室、兖矿鲁南化工有限公司宣传部提供了部分珍贵的档案资料，中国科学院山西煤炭化学研究所房倚天研究员、中国科学院工程热物理研究所吕清刚研究员、清华大学张建胜教授、浙江大学杨启炜教授、天津大学曾亮博士、中国华能集团有限公司许世森研究员、航天长征化学工程股份有限公司姜丛斌总经理、新奥集团公司汪国庆博士等提供了部分第一手的研究资料，丰富了本书的内容。在此，也对他们表示衷心的感谢。
煤气化技术还在不断发展，新的研究成果也在不断涌现，限于编者水平，难免挂一漏万，不当之处敬请读者批评指正。

编者于上海
2024年6月

1煤气化过程分析001
1.1煤气化工艺过程分析001
1.1.1推论分析与合成001
1.1.2功能分析002
1.1.3形态分析005
1.1.4煤气化过程的共性006
1.1.5气化与燃烧的比较009
1.2固定（移动）床气化工艺009
1.2.1固定（移动）床气化工艺发展历史010
1.2.2主要的固定床气化工艺010
1.2.3固定（移动）床气化工艺特点011
1.3流化床气化工艺013
1.3.1流化床气化工艺发展历史013
1.3.2主要的流化床气化工艺014
1.3.3流化床气化工艺特点017
1.4气流床气化工艺018
1.4.1气流床气化工艺发展历史018
1.4.2国内外主流的气流床气化技术020
1.4.3气流床气化过程层次机理模型025
1.4.4气流床气化工艺特点026
1.5其他煤气化技术进展026
1.5.1地下气化027
1.5.2催化气化027
1.5.3加氢气化技术028
1.5.4超临界气化029
1.5.5等离子体气化029
1.5.6化学链气化030
1.6气化工艺的评价指标031
1.6.1碳转化率031
1.6.2冷煤气效率031
1.6.3合成气产出率031
1.7典型煤气化工艺的比较与选择033
1.7.1煤种适应性034
1.7.2合成气的处理034
1.7.3原料消耗035
1.7.4生产强度035
1.7.5煤气化技术选择的基本原则036
1.8煤气化技术展望036
参考文献038

2煤气化过程的物理化学基础045
2.1煤的结构特性及其对气化过程的影响045
2.1.1煤的结构特性045
2.1.2煤的结构特性对气化过程的影响051
2.2煤气化过程动力学052
2.2.1煤的热解052
2.2.2煤气化过程中的燃烧反应057
2.2.3煤焦的气化反应060
2.2.4气流床条件下煤气化反应特性068
2.3煤和生物质共气化071
2.3.1共热解特性及协同作用072
2.3.2共热解过程对共气化反应的影响072
2.3.3混合焦共气化反应特性及协同作用074
2.3.4煤和生物质共气化协同机理074
2.4煤气化过程的热力学平衡模型076
2.4.1煤气化过程的独立反应的确定077
2.4.2气化过程的热力学平衡080
2.4.3热力学平衡模型的基本方程083
2.5气化过程的平衡计算与讨论086
2.5.1平衡计算结果与实际值的比较087
2.5.2平衡条件下工艺条件对水煤浆气化过程的影响087
2.5.3平衡条件下工艺条件对干煤粉气化过程的影响093
2.5.4气化过程中工艺条件的选择097
参考文献097

3炉内射流与湍流多相流动103
3.1自由射流103
3.1.1卷吸机理104
3.1.2自由射流的发展105
3.1.3湍流自由射流计算105
3.2复杂射流109
3.2.1同轴射流109
3.2.2受限射流110
3.2.3撞击流112
3.3多相湍流116
3.3.1多相流的基本概念116
3.3.2多相湍流动力学特征117
3.3.3多相湍流的实验研究进展120
3.4气化炉内多相湍流射流研究121
3.4.1炉内湍流流动数值模拟方法121
3.4.2单喷嘴受限多相射流的实验研究与数值模拟126
3.4.3多喷嘴对置式气化炉流场实验研究和数值模拟129
3.4.4Shell气化炉流场132
3.5流化床气化炉内的流体流动137
3.5.1流化床的基本概念137
3.5.2流化床简化模型138
3.5.3流化床反应器设计的重要参数139
3.5.4流化床中的传质传热141
3.5.5典型流化床气化炉流动过程模拟142
参考文献147

4湍流混合及其对复杂气化反应的影响150
4.1湍流与混合150
4.1.1混合机理150
4.1.2混合特性151
4.1.3湍流、混合与化学反应154
4.2宏观混合与微观混合154
4.2.1宏观混合与微观混合的相互作用154
4.2.2停留时间分布155
4.2.3浓度分布169
4.3高黏度液体的雾化174
4.3.1液体雾化的概念174
4.3.2雾化过程的破裂模型182
4.3.3雾化性能的表征185
4.4湍流弥散188
4.4.1颗粒弥散基本方程188
4.4.2颗粒弥散过程研究与模拟189
4.4.3气包粉型稠密气固两相同轴射流190
4.4.4粉包气型稠密气固两相同轴射流194
4.4.5稠密颗粒撞击流197
4.5混合对气流床气化过程的影响200
4.5.1气化过程分析200
4.5.2流动模型与反应特征201
4.5.3气化炉内微观与宏观混合时间201
4.5.4宏观混合与燃料挥发的时间尺度估算202
4.5.5气化炉内微观混合时间尺度的估算202
4.5.6气化炉中各反应区的特征204
4.5.7停留时间分布对气化过程的影响205
参考文献205

5水煤浆制备与输送211
5.1概况211
5.1.1水煤浆的基本特性211
5.1.2水煤浆制备的技术基础212
5.1.3水煤浆的应用213
5.2水煤浆的成浆性及其影响因素213
5.2.1煤质对成浆性的影响214
5.2.2煤的成浆浓度经验公式217
5.2.3煤粉粒度分布对成浆性的影响218
5.2.4添加剂对成浆性的影响223
5.3水煤浆添加剂224
5.3.1分散剂及其作用机理224
5.3.2稳定剂及其作用机理229
5.3.3其他辅助剂231
5.4水焦浆的特性232
5.4.1石油焦的成浆浓度232
5.4.2影响石油焦成浆特性的因素233
5.4.3水焦浆的稳定性234
5.5高浓度有机废液制水煤浆235
5.5.1废水对水煤浆成浆性的影响235
5.5.2煤种对废水制备水煤浆的影响237
5.5.3分散剂对废水制备水煤浆的影响238
5.5.4复配分散剂对废水制备水煤浆的影响239
5.6水煤浆制备工艺240
5.6.1制浆工艺的分类及基本过程240
5.6.2典型制浆工艺241
5.6.3制浆主要设备244
5.7煤浆的输送248
5.7.1水煤浆的流变特性248
5.7.2水煤浆输送过程253
参考文献263

6粉煤的流动特性及其密相气力输送267
6.1粉煤的流动特性267
6.1.1流动性表征方法268
6.1.2流动性影响因素271
6.2粉煤密相气力输送276
6.2.1气力输送概述277
6.2.2气力输送的流型与相图278
6.2.3粉煤气力输送的管道压降287
6.2.4粉煤气力输送装置的操作特性294
6.3粉煤加压气力输送工程应用302
参考文献303

7气化炉内熔渣流动与沉积306
7.1灰渣的熔融特性及其影响因素306
7.1.1灰渣熔融性306
7.1.2灰渣成分对灰熔点的影响307
7.1.3灰熔点的预测309
7.1.4气氛对灰熔融特性的影响310
7.1.5冷却降温过程中熔渣结晶过程312
7.2灰渣黏温特性及其影响因素313
7.2.1灰渣黏度的主要特性313
7.2.2几种阳离子对灰渣黏温特性影响314
7.2.3气氛对黏温特性的影响316
7.2.4黏度模型317
7.2.5熔渣的临界黏度温度（Tcv）319
7.3煤灰在炉内的沉积和结渣过程320
7.3.1表面结渣过程320
7.3.2影响熔渣沉积的各种因素321
7.3.3熔渣的类型321
7.3.4灰渣的沉积与传热模型322
7.4气流床气化炉内熔渣沉积特点324
7.4.1渣层结构及内部温度分布324
7.4.2熔渣流动厚度变化模型325
7.4.3气流床气化炉内熔渣分布模型325
7.5用模拟介质对气流床内沉积过程的研究326
7.6中试装置试验研究327
参考文献328

8气流床气化过程放大与集成333
8.1气流床煤气化过程的基本特征333
8.1.1气化过程的基本特征333
8.1.2气化火焰334
8.1.3气流床气化炉放大基本准则339
8.2水煤浆气化过程342
8.2.1水煤浆喷嘴342
8.2.2气化炉内的流动与反应特征343
8.3粉煤气化过程347
8.3.1粉煤气化烧嘴347
8.3.2GSP气化炉流场特征348
8.3.3Shell气化炉流场特征349
8.3.4Shell粉煤气化炉内化学反应特征350
8.4高温合成气热量回收350
8.4.1废热锅炉351
8.4.2合成气激冷353
8.5合成气初步净化364
8.5.1合成气初步净化的基本工艺364
8.5.2新型旋风分离器流体特性与分离效率365
8.5.3板式洗涤塔的洗涤特性369
8.6多喷嘴对置式水煤浆气化技术的系统集成372
8.6.1备煤制浆与泵送373
8.6.2气流床气化炉及煤气冷却洗涤373
8.6.3合成气初步净化373
8.6.4黑水热量回收与水处理373
参考文献374

9煤与气态烃的共同气化378
9.1煤与气态烃共气化的基本原理378
9.1.1甲烷转化反应378
9.1.2煤与甲烷共气化的机理379
9.2固定床与流化床中煤与天然气的共气化382
9.2.1固定床中煤与天然气的共气化382
9.2.2流化床中煤与天然气的共气化384
9.3气流床中煤与天然气的共气化385
9.3.1天然气蒸汽转化工艺385
9.3.2天然气催化部分氧化工艺386
9.3.3天然气非催化部分氧化工艺388
9.3.4气流床中煤与天然气的共气化394
9.4煤与焦炉气的共气化396
9.4.1焦炉气的转化方法396
9.4.2非催化与催化部分氧化工艺比较403
9.4.3气流床中焦炉气与煤的共气化404
9.5煤与气态烃共气化应用建议405
参考文献406

10气化炉及气化系统模拟408
10.1固定床(移动床)气化炉模拟408
10.1.1固定床气化炉内流动及反应过程描述408
10.1.2固定床气化炉的数学模型411
10.1.3Lurgi气化炉的一维模拟413
10.2流化床气化炉模拟417
10.2.1流化床内流动反应过程基本描述417
10.2.2流化床内气固两相流动模拟理论418
10.2.3流化床煤气化过程模型419
10.2.4流化床煤气化过程数值模拟421
10.3气流床气化炉模拟424
10.3.1气流床气化炉数学模型424
10.3.2基于混合模型的水煤浆气化炉模拟429
10.3.3气流床煤气化炉数值模拟432
10.3.4基于降阶模型的气流床气化炉模拟452
10.3.5基于熔渣界面反应的气流床气化炉模拟457
10.4气流床气化系统过程模拟463
10.4.1过程系统的稳态模拟技术463
10.4.2气流床煤气化系统描述465
10.4.3气流床煤气化系统模型466
10.4.4多喷嘴对置水煤浆气化工艺模拟468
10.4.5气流床煤气化制备氢气的能耗分析470
10.4.6以气流床粉煤气化为基础的直接还原炼铁过程模拟475
10.5气流床气化炉动态模拟479
10.5.1基本模型479
10.5.2多喷嘴对置水煤浆气化炉异常工况动态模拟479
10.5.3多喷嘴对置水煤浆带压连投过程动态模拟482
参考文献487

11煤气化技术的工程化及其应用493
11.1水煤浆加压气化技术493
11.1.1水煤浆加压气化技术特点493
11.1.2引进水煤浆气化技术在国内的工程应用494
11.1.3国内自主水煤浆气化技术的开发及工程应用498
11.2粉煤加压气化技术506
11.2.1粉煤加压气化技术特点506
11.2.2引进粉煤加压气化技术在国内的工程应用507
11.2.3国内自主粉煤气化技术的开发及工程应用510
11.3固定床气化技术517
11.3.1固定床气化技术在国内的发展517
11.3.2Lurgi加压固定床气化技术工程应用519
11.3.3BGL固定床熔渣气化技术工程应用521
11.4流化床气化技术523
11.4.1灰熔聚流化床气化技术523
11.4.2循环流化床气化技术527
11.5煤气化技术工程应用的启示531
参考文献532