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煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術。改革開放以來，我國煤氣化技術的基礎研究、技術開發、工程示範、工業應用等均取得了長足進步，成功開發了具有完全自主智慧財產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，實現了我國大型煤氣化技術零的突破；開發的多種煤氣化技術也實現了工業應用，使我國煤氣化技術完成了從跟跑、並跑到領跑的跨越，支撐了現代煤化工行業的快速發展。
據不完全統計，我國現有煤氣化專利商或聲稱擁有煤氣化技術的公司共30餘家，但各主流煤氣化技術並未超出固定床、流化床、氣流床的技術範疇，也未超越熱化學轉化這一基本的工藝路線。
為了總結煤氣化技術在我國發展的正反兩方面經驗，梳理發展脈絡，展望未來方向。《潔淨煤技術》編輯部邀請華東理工大學潔淨煤技術研究所王輔臣教授撰寫綜述《煤氣化技術在中國：回顧與展望》。
摘 要：系統回顧了煤氣化技術在中國150多年的發展歷史，從新中國建立前、新中國建立到改革開放前、改革開放後3個階段，分別介紹了我國引進各類煤氣化技術的過程及其應用情況；以改革開放前和改革開放後2個階段，重點概括了我國煤氣化技術領域的艱難探索、系統深入研究和技術示範與應用過程中取得的重要進展與成果；對我國自主開發的主要煤氣化技術的研發歷程、技術特點、應用情況及最新進展進行概要闡述，並對地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等新型氣化技術的國內研發進展進行簡要述評；總結了我國煤氣化技術引進、自主研究與工程應用經驗，從降低裝置投資、提高系統效率、實現環境友好、協同處理液/固有機廢物、融合信息化技術、開發新技術、保護智慧財產權等方面對煤氣化技術的未來發展進行了展望。
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國外煤氣化技術在我國的應用歷程
從煤氣化技術的發展過程看，爐型從固定床到流化床，再到氣流床，入爐煤顆粒直徑從釐米級到毫米級，再到微米級，反應溫度從中溫（800～900 ℃）到高溫（1 300～1 500 ℃），爐內反應速度逐漸增加，氣化爐單位體積處理能力不斷提升，煤中碳的轉化率不斷提高；氣化爐操作壓力從常壓變為高壓，顯著增強了氣化爐單位體積的處理能力；氣化煤種也從早期的焦炭、無煙煤逐步擴展煙煤和褐煤，煤種適應性不斷改善。總之，煤氣化技術的發展過程就是煤種適應性不斷改善、碳轉化率不斷提高、單爐規模不斷增加、汙染物排放不斷減低的過程。
從新中國建立到改革開放開始的30年中，工業界採用的煤氣化技術仍以國外第1代固定床煤氣化技術為主，個別企業採用Winkler流化床氣化爐。我國學術界和工程界也進行了大量探索，為改革開放後煤氣化技術在我國的發展積累了寶貴的工程經驗，奠定了初步基礎。
改革開放後，西方發達國家逐漸解除了對我國的技術封鎖，學術、技術方面的交流恢復正常。此時國外煤氣化技術已發展到第2代，以Lurgi爐為代表的加壓固定床氣化技術得到廣泛應用；同時氣流床氣化技術快速崛起，以Texaco爐為代表的水煤漿氣化技術和以Shell爐為代表的粉煤加壓氣化技術，於1978年完成了工業示範。與發達國家相比，我國煤氣化技術的研發和應用差距較大。經煤化工界強烈呼籲，我國啟動了自主智慧財產權的煤氣化技術的研發工作，國家科委、燃料化學工業部、煤炭工業部等組織相關專家分別赴歐洲和美國考察，了解國外先進煤技術發展狀況，並結合我國當時經濟社會發展情況，決定自主研發與引進技術並重，研究開發工作服務於引進技術的消化吸收，技術路線以Lurgi加壓固定床氣化技術和Texaco水煤漿氣化技術為主。
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國內煤氣化技術的自主研發和應用進展
國內煤氣化技術的研發起步於20世紀50年代中後期，主要研究機構有建設部東北煤氣化設計研究所（現瀋陽煤氣熱力研究設計院）、煤炭工業部北京煤化學研究所（現煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院）和化學工業部上海化工研究院（現上海化工研究院有限公司），研究開發工作主要聚焦於固定床氣化技術和常壓粉煤氣流床氣化技術，粉煤流化床氣化相關研究相對較少。
「文革」結束後，為滿足我國化肥工業和城市燃氣行業發展的需求，我國決定引進國外先進的煤氣化技術。經過技術考察後，最終選擇2條主流的技術路線：一是Lurgi加壓固定床氣化技術，用以改造中小型合成氨廠和生產城市煤氣；二是Texaco水煤漿氣化技術，用以新建煤為原料的大型合成氨廠。同時化學工業部陝西化肥研究所（現西北化工研究院）、煤炭工業部北京煤炭化學研究所、建設部東北煤氣化設計研究所、中國科學院山西煤炭化學研究所、華東理工大學和太原理工大學等開始了煤氣化技術的研發工作。
1980年，中國科學院山西煤炭化學研究所黃克權先生撰寫了具有高價值的戰略研究報告——我國煤氣化研究若干問題，其中很多建議在後來均得到了實施，對我國煤氣化領域的應用基礎研究和技術開發具有重要價值。1988年，我國開展了「中國煤炭利用新技術發展戰略和政策」研究，其中對煤氣化技術的發展也提出了建設性意見。1994年，針對我國煤炭利用技術研發和應用狀況，結合國際煤轉化利用的發展趨勢，謝克昌院士提出了煤的優化利用技術及開發中的若干科學問題，對後來我國現代煤化工及煤氣化技術的應用與發展也發揮了重要指導作用。
21世紀後，清華大學、西安熱工研究院和航天部第十一研究所等開展了煤氣化技術研究。該階段煤氣化技術的研究開發工作的驅動力來自2個方面：一是國家化工行業的發展亟需自主的煤氣化技術；二是從國外引進的各種煤氣化技術在應用中出現了影響煤氣化裝置長周期穩定運行的工程問題，需要加以解決。這些研究開發工作得到了化學工業部、煤炭工業部、國家計委、科技部、教育部和國家自科學基金委等有關部委的支持，先後列入國家重點科技項目（攻關）計劃、國家「863計劃」、國家科技支撐計劃、國家「973計劃」和國家重點研發計劃。進入21世紀，由於我國現代煤化工行業的快速發展，以多噴嘴對置式水煤漿氣化技術為代表的我國自主智慧財產權大型煤氣化技術進入了世界領先行列，在核心技術水平和煤炭氣化能力上均居於國際引領地位。
近40年，國內在重點研究開發固定床、流化床、氣流床等主流煤氣化技術的同時，在地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等也進行了大量有益的探索研究。1984年以來，中國礦業大學（北京）聯合國內相關單位，在國家相關科技計劃的支持下，依託不同礦區進行了多次煤炭地下氣化試驗。2005年以來，新奧集團聯合國內相關單位，建立了催化氣化、超臨界水氣化和加氫氣化的中試裝置，並完成了催化氣化和加氫氣化工業示範裝置的建設和運行。
自1980年以來，國家科技重點攻關計劃、國家「863計劃」、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃及其他科技計劃，對煤氣化技術的研究開發進行了持續支持。特別是針對技術開發過程中暴露的基礎研究薄弱問題，國家「973計劃」於1999年立項支持「煤的熱解、氣化及高溫淨化過程的基礎研究」，主要涉及流化床煤氣化技術，提出先熱解後氣化的分級轉化思想，該項目由太原理工大學和中國科學院山西煤炭化學研究所為首席科學家單位，中國科學院過程研究所、華東理工大學等參與了部分課題的研究。2004年，為了進一步推進我國自主智慧財產權大型煤氣化技術發展，國家「973計劃」又立項支持「大規模高效氣流床煤氣化技術的基礎研究」，2010年國家「973計劃」再次立項支持「煤等含碳原料大規模高效清潔氣化的基礎研究」，這2個項目均由華東理工大學作為首席科學家單位，清華大學、浙江大學、東南大學、華中科技大學、中國礦業大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、西安熱工研究院等煤炭利用領域知名高校和研究院所參與了相關研究，較系統地研究了中國典型煤種在高溫、高壓條件下氣化反應機理、氣流床氣化爐內多相流動和熱質傳遞過程的基本規律、撞擊流流動及撞擊火焰的特徵、超濃相氣固兩相流的流動機理、高濃度水煤漿的製備與輸送機理、高溫合成氣熱量回收及細灰洗滌分離機理、過程模擬與優化等。這些基礎研究成果有力支撐了自主智慧財產權煤氣化技術的大型化，推動了國內一系列氣化技術的開發，顯著提升了我國煤氣化技術研究與工程應用在世界的地位。
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結語與展望
3.1 結 語
煤氣化技術起源於西方，在我國也有150多年的應用和發展歷史。從現有文獻看，我國對煤氣化技術的自主研發起步於20世紀50年代初，並逐漸形成了我國在煤氣化基礎研究和工程應用領域引領發展的局面。
1）要虛心向發達國家學習，但時刻不能忘記自主創新
學習和引進的目的是為了創新，要結合我國的自然資源條件、社會發展條件和行業發展需求消化、吸收、再創新。再創新是要針對引進技術中存在的各類工程問題開展基礎研究，在紮實系統的研究基礎上提出新思路、新方案、新技術，形成新工藝。再創新需要充分尊重原有智慧財產權，才能推動技術的不斷進步，才能趕超世界先進水平。改革開放42年來，煤氣化技術在我國的快速發展，充分說明了在學習的基礎上進行自主創新的重要性。
2）紮實系統的應用基礎研究是推動技術不斷進步的原動力
煤氣化技術是一個既陳舊又新穎的技術，陳舊是因為在工業革命後就提出了原創思想，有200多年的發展歷史；新穎是因為煤氣化技術隨著科學的整體進步而不斷進步，隨著化學工業的發展而不斷完善提升。從間歇進料到連續進料，從常壓氣化到高壓氣化，從固定床到流化床，再到氣流床，單爐處理能力不斷增加，氣化效率不斷提高，技術水平持續提升，技術進步與基礎研究的深入推進密不可分。
我國在煤氣化領域的基礎研究起步較晚，但進步迅速。20世紀50年代末開始，曾開展了K-T爐等各種煤氣化技術研究開發，有不少技術思路富有創新性，但改革開放前30年的煤氣化技術開發和工程示範，鮮有成功的案例，重要原因之一是基礎研究相對薄弱，對與工程問題相關的科學原理缺乏深入系統研究。近40年，華東理工大學通過基礎研究揭示引進技術存在的大量工程問題背後的科學原理，在煤氣化技術領域做出了創新性的貢獻，如首創了多噴嘴對置式煤氣化技術，發明了合成氣分級淨化工藝、預膜式高效長壽命水煤漿燒嘴和高效蒸發熱水塔等關鍵設備，清華大學首次將水冷壁用於水煤漿氣化爐等，無不得益於紮實系統的基礎研究，不僅解決了中國煤氣化技術從無到有的問題，也實現了我國煤氣化技術從弱到強的轉變。
3）現代煤化工行業快速發展是推動煤氣化技術進步的重要動力
改革開放前，我國煤氣化技術發展落後的另一個原因是行業需求不足，企業沒有成為技術創新的主體。實驗室的基礎研究要實現產業化，走向市場，企業是關鍵的一環。國內首套具有自主智慧財產權的大型煤氣化技術（多噴嘴對置式水煤漿氣化技術）的產業化，正是由於兗礦集團的大力支持才促進了該技術的廣泛推廣應用。煤氣化技術的進步支撐了我國現代煤化工行業的快速發展，而現代煤化工行業的發展又對氣化技術提出了更高的要求，從而促進煤氣化技術的不斷創新和進步。
4）煤氣化技術的選擇一定要立足企業實際
每種煤氣化技術都有其優點和不足，只是相對多少的差異，至今還沒有適應所有煤種的萬能煤氣化技術，企業在煤氣化技術的選擇上一定要從自身實際出發。
從技術上，原料煤的理化特性是選擇煤氣化技術的首要條件，對煤種要有充分的研究和認識，包括煤的反應活性、灰分高低、灰成分、灰熔點、半焦的熱強度、灰渣的黏度-溫度特性等。根據目前的運行經驗，若煤種適應水煤漿，在水煤漿氣化和粉煤氣化技術中應優先選擇水煤漿氣化技術。生產何種下遊產品是煤氣化技術選擇的重要依據，應根據下遊產品配置合適的氣化工藝流程。若下遊產品是H2（合成氨），應優先選擇合成氣激冷流程，而不應盲目選擇廢鍋流程；若下遊配置IGCC發電，則應優選廢鍋流程；若下遊產品是SNG，選擇固定床氣化較合理，但從長遠看，將固定床和氣流床水煤漿氣化技術結合，既可解決塊煤氣化後剩餘末煤的出路問題，也可解決固定床氣化廢水難處理的問題。
對於大型的煤化工裝置，能否創造良好的經濟效益，與煤氣化裝置的「安穩長滿優」運行關係密切，安全穩定是前提，長周期滿負荷是基礎，優化運行是目標。在穩定運行的基礎上逐漸實現長周期運行，在長周期運行的基礎上達到滿負荷甚至超負荷運行，優化運行是在安穩長滿運行基礎上追求的最終目標。
3.2 展 望
改革開放後，特別是近20年，我國煤氣化技術開發和應用取得了長足進步，但也存在制約技術持續發展的瓶頸問題。技術上主要表現為：裝置投資偏高，系統效率仍有提升空間，物耗、能耗還有下降餘地，微量汙染物控制任重道遠，含鹽廢水資源化利用亟待突破，基礎研究有待繼續深化。創新氛圍上，主要表現是行業自律缺乏，模仿、抄襲技術的案例屢見不鮮，侵犯智慧財產權的事時有發生，嚴重製約了煤氣化技術的創新和進步。未來煤氣化技術的發展，需加強以下工作：
1）通過過程強化，不斷提高氣化爐單位體積的處理能力，降低裝置投資
目前全世界運行的單爐處理規模最大的氣化裝置是內蒙榮信的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，單爐投煤量4 000噸級，氣化爐外直徑已達4.2 m，單純通過體積放大，增加氣化爐處理量，必然會受到設備尺寸的制約。因此通過過程強化，提高氣化爐單位體積處理能力，是氣化爐大型化並降低投資的根本途徑。回顧氣化技術發展歷程：一方面，氣化爐內平均反應時間從數十分鐘級（固定床）到分鐘級（流化床）再到十秒級（氣流床），反應時間縮短，單位體積處理能力大幅增加；另一方面，從常壓氣化向加壓氣化發展，單位體積處理能力也大幅增加。能否將目前煤顆粒在氣化爐內的反應時間降低到一秒級甚至更低？筆者認為從理論上是可行的。但會面臨極具挑戰的科學和技術問題，需在原料製備、輸送、氣化爐結構等方面進行系統創新，這是未來研究的重要方向。
2）開發新的單元技術，優化工藝流程，降低系統物耗能耗，提升全系統效率
① 粉煤加壓氣化技術。粉煤加壓輸送系統佔大部分投資，能耗也較高，開發煤粉輸送泵是工程界討論的熱點問題，但至今鮮有深入系統的試驗研究，粉煤高壓輸送技術的變革應該引起業界重視。② 水煤漿氣化技術。煤漿中水含量是影響氣化系統效率的重要因素，提高煤漿濃度，可顯著降低比氧耗和比煤耗，因此開發高濃度水煤漿製備、輸送、霧化技術，是提高水煤漿氣化系統效率、降低物耗和能耗的有效途徑。③ 全系統工藝流程的構建。由於過去20多年煤化工行業的快速發展，技術需求旺盛，工程公司沒有足夠的時間和精力在流程優化和系統能耗方面進行深入的再研究和再開發，在總體工藝流程設計上因循守舊，工藝流程缺乏變革，因此，應結合下遊合成氣的變換、淨化、合成、分離等單元的具體情況，對煤氣化系統的工藝流程進行改進和優化。
3）開發環境友好技術，實現近零排放
煤中的有害元素在煤氣化過程中會發生遷移轉化，進入合成氣、循環水或廢水和灰渣，硫、氮等有害元素的遷移轉化和控制已有成熟技術，氯和微量重金屬元素遷移轉化的機理研究方面也取得了較大進展，但尚需轉化為解決工程問題的具體技術。目前存在的主要問題有：① 氯在系統的積累，造成系統腐蝕，特別是氯含量較高的煤種更為突出；② 汞、鉻、砷、鉛等重金屬元素在系統和環境中的積累，我國相關單位開展了大量基礎研究工作，部分技術也進行了中試試驗，需進一步加大對研究工作的支持力度，建立工業示範裝置，形成先進的微量重金屬脫除與控制技術；③ 廢水問題，固定床氣化廢水酚含量高，難以處理，是世界公認的難題，而氣流床氣化過程中由於熔融態灰渣激冷，大量鹼金屬和鹼土金屬離子進入廢水，造成系統中鹽分的積累，一方面會引起系統結垢堵塞，另一方面廢水含鹽量高，難以回收利用，我國在這方面也進行了大量研究工作，取得了重要進展，需要通過工程示範，形成先進的含酚廢水處理技術和含鹽廢水資源化利用。
4）氣化系統要從單純的「氣化島」向「氣化島+環保島」的方向發展
煤氣化本質上是高溫熱化學轉化過程，決定了它不僅能實現煤的氣化，也可實現所有含碳固體廢棄物和有機廢液的轉化。因此，可通過煤氣化裝置來處理工廠自身產生的含碳固體廢棄物、有機廢液和工廠周邊的含碳固體廢棄物和有機廢液。協同處置廢物，將單獨的「氣化島」變成「氣化島+環保島」，是未來煤氣化技術發展的重要方向。
5）依託大數據、信息化技術，保障煤氣化裝置的安穩長滿優運行
依託信息技術革命帶來的技術便利，改變工廠、車間管理運行模式，通過大數據監控，實現事故早期預警、早期處理，可大幅降低工廠故障率，提高裝置運行率。將大數據與工藝原理結合，建立機理模型，實現全系統的動態優化控制，提升系統效率，進而建立智慧工廠，是未來發展的重要方向。
6）對新思路、新方法、新技術、新工藝研究開發進行持續支持
我國煤氣化技術的發展尚未突破已有煤氣化技術的範疇。一方面，需要對地下氣化、催化氣化、加氫氣化、超臨界水氣化、等離子體氣化等技術的研究給予持續支持，在中試和示範裝置運行中暴露問題、解決問題，不斷提升技術的穩定性和經濟性；另一方面也要關注太陽能與煤氣化的耦合、核能與煤氣化耦合等新技術的發展，同時關注煤氣化領域可能出現的變革性技術苗頭，在研究上予以持續支持。
7）營造尊重智慧財產權，保護智慧財產權的良好氛圍
煤氣化技術在我國150多年的發展歷史，是互相學習、互相促進的過程。但互相學習不等於相互抄襲，學習的目的是為了在前人和他人的基礎上創新。煤氣化技術專利商之間可嘗試技術互相許可，既能尊重保護已有的智慧財產權，促進技術創新，又能實現技術上的優勢互補，做到1+1＞2。
引用格式
王輔臣.煤氣化技術在中國：回顧與展望[J/OL].潔淨煤技術:1-83[2020-11-13].https://doi.org/10.13226/j.issn.1006-6772.20101820.
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