两段式煤气发生炉采用固定床气化技术，因而原料煤为块煤。随着机械化采煤技术的应用，粉煤产率逐渐增加，这使得块煤的价格居高不下并且供应量有限，在一定程度上制约了工业燃气的稳定生产，也增加了企业的能源成本。因此，许多企业也逐渐重视粉煤气化技术在工业燃气制备领域的应用。灰熔聚流化床粉煤气化技术作为先进的国有煤气化技术是制备工业燃气的经济有效方式，本文对两段式煤气发生炉与灰熔聚流化床气化炉用于制备工业燃气的技术经济性进行对比分析。
1 结构特点及工艺流程
①两段式煤气发生炉
两段式煤气发生炉制气工艺流程见图1。由图1可知，两段式煤气发生炉有明显区分的干馏段、气化段。原料煤进人两段式煤气发生炉后在干馏段受气化段上升的热煤气加热，先失去水分进而脱出挥发分，产生热值较高的低温干馏煤气、低温干馏半焦。由气化段煤气与低温干馏煤气组成的干馏段煤气(也称为上段煤气)经炉顶排出。煤经干馏段成为低温干馏半焦后进入气化段，与蒸汽及空气逆流接触发生气化反应，产生的气化段煤气(也称为下段煤气)经气化段上部排出。
由于干馏段为煤的低温干馏，因此干馏段煤气含有未裂解的轻质焦油，需要采用除焦器去除干馏段煤气中的焦油。气化段煤气往往含有炭黑、灰尘、水分，需要采用旋风除尘器等设备进行除尘[5]，并利用换热设备脱除气化段煤气中的水分。经处理后的干馏段煤气、气化段煤气混合后经煤气加压机及脱硫后供给用户。
②灰熔聚流化床气化炉
灰熔聚流化床气化技术是在传统流化床气化技术基础上发展而来的。灰熔聚流化床气化炉以粉煤为原料，以空气、氧气或富氧为氧化剂，蒸汽或二氧化碳为气化剂，根据粉煤的粒径及煤质特性选择流化气速使床层中粉煤沸腾，床中物料强烈返混，气固两相充分混合，在气化反应主要区域内温度均一。将气化温度提高到1000～1200℃，适用煤种从高活性褐煤、次烟煤扩展到烟煤、无烟煤[6]。
灰熔聚流化床气化炉结构见图2，灰熔聚流化床气化炉底部设计了灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团与半焦的分离，在非结渣情况下，连续有选择地排出低含碳量的灰渣。
灰熔聚流化床气化炉制气工艺流程见图3。入炉粉煤送入气化炉内与气化剂发生气化反应产生高温煤气。高温煤气带出的细粉大部分经一级旋风分离器捕集，返回气化炉进一步气化，二级旋风分离器捕集少量细粉并排出系统。除尘后的热煤气依次进入废热锅炉、脱氧水预热器回收热量，再经粗煤气水洗塔、闪蒸塔处理后送至用户。
2 气化用煤特性分析
两段式煤气发生炉适宜气化的煤种为不粘煤、弱粘煤、长焰煤等烟煤。虽然相对单段式煤气发生炉而言，两段式煤气发生炉适用煤种范围较宽，但是对原料煤的指标仍然要求比较严格。两段式煤气发生炉原料煤种的技术指标见表1。块煤限下率：块煤中小于规定粒径下限部分的质量分数。热稳定性指标TS+6：量取一定量粒径为6～13mm的煤样，在(850±15)℃的马弗炉内隔绝空气条件下加热30min后称量、筛分，粒径大于6mm的残焦质量占各级粒径残焦质量之和的百分比。抗碎强度表征一定粒径的煤样自由落下后抗破碎的能力：将粒径为60～100mm的块煤从2m高处自由落到规定厚度的钢板上，然后将落下的煤中粒径大于25mm的块煤再次落下，共落下3次，以破碎后粒径大于25mm的块煤占原煤样的质量分数表示煤的抗碎强度。
与两段式煤气发生炉对煤种的严格要求相比，灰熔聚流化床气化炉适用的煤种相对宽泛，可实现原料煤的本地化。目前，灰熔聚流化床气化炉已经进行过冶金焦、太原东山瘦煤、太原西山焦煤、太原王封贫瘦煤、陕西神木弱粘结性长焰煤、焦煤洗中煤、陕西彬县烟煤、文山褐煤、霍林河褐煤、山西晋城无烟煤、山西阳泉无烟煤及石油焦的气化试验，累积试验时间逾5000h。灰熔聚流化床气化炉部分试验煤种煤质分析数据见表2。焦渣特性代号越大说明粘结性越强，1～2号为无粘结性，3～4号为弱粘结性，5～8号为较强粘结性。试验结果表明，所有试验煤种在灰熔聚流化床气化炉中都能够实现连续稳定气化，气化效果理想。但不同煤种的气化技术经济指标与操作特性略有不同，气化系统需按具体煤种确定相应操作参数。
3 单炉生产能力
灰熔聚流化床气化炉可以实现加压操作，使得单炉的粉煤处理量相比常压气化炉大幅增加。如直径为2.4m的灰熔聚流化床气化炉在0.4MPa下的单炉生产能力可达到(3.5～4.0)×104m3/h，而直径为3m的两段式煤气发生炉单炉生产能力一般仅为5000～6000m3/h。
灰熔聚流化床气化炉单炉生产能力的提升，不仅可以满足工业燃气生产大型化的需求，而且使得气化车间占地面积减小，有效节约厂区用地。另外，操作人数也随着气化炉数量的减少而减少，为企业节省了人力成本。
4 环境保护及节能效果
两段式煤气发生炉的气化原理基于固定床气化，原料煤与气化剂在气化炉内逆向运行接触发生反应。在气化炉上部干馏段中发生煤热解反应而产生的煤气未在气化炉内完全裂解，使得出气化炉的干馏段煤气中含有大量的焦油及酚类物质，有机硫化物含量也较高。粗煤气经过净化处理后产生的含酚废水及焦油渣不易处理，容易造成环境污染。两段式煤气发生炉处理单位质量原料煤产生的含酚废水量约100kg/t，含酚废水中主要含有酚类、氰化物、焦油、悬浮物、硫化物和氨氮等有毒物质，其中酚质量浓度为8500～10000mg/L。含酚废水中有机物浓度高，生化有毒及抑制性物质多，生化处理过程难以实现有机污染物的完全降解。在工业废水达标排放要求日趋严格且水资源供应普遍紧张的现状下，实现废水的资源化利用和无害化处理尤为重要。目前，煤气发生炉含酚废水处理成本较高，如采用焚烧法焚烧单位质量含酚废水(其中酚的质量浓度为8500～10000mg/L)的成本为1200～1500元/t[7]。
灰熔聚流化床气化炉采用传质、传热效率较高的流化床处理粉煤，粉煤与气化剂在底部浓相区进入气化炉即开始发生反应，煤在气化炉内一次实现破粘、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解等过程，煤热解与气化产生的煤气均通过了高温区域发生裂解，几乎不产生焦油、酚类物质及有机硫化物。
对于节能效果，在相同规模下，灰熔聚流化床气化炉配置数量少，辅助设施少，气化系统的散热损失也相应较低。另外，灰熔聚流化床气化炉产生的带压力的煤气可以根据用户需求配套压力能回收装置，进而产生节能效益。
5 经济性
企业在新建或改造工业燃气站时都会关注气化系统造价。以产量为10×104m3/h的工业燃气站为例，制备的煤气目标低热值为6270kJ/m3。分别采用两段式煤气发生炉、灰熔聚流化床气化炉时气化系统造价见表3。
由表3可知，生产规模相同时，两种气化工艺需配置的气化炉数量有明显差别，两段式煤气发生炉配置数量是灰熔聚流化床气化炉的6倍左右。但在造价上，后者为前者的2倍左右。由于灰熔聚流化床气化炉可以使用来源广泛的廉价劣质粉煤，与两段式煤气发生炉需要使用优质块煤相比，灰熔聚流化床气化炉的运行成本具有明显优势，可在比较短的时间内收回差额投资。因此，企业在选择气化工艺时不要只关注气化系统的造价，应该综合考虑原料煤特性及运行成本等综合因素。
6 结语
我国的能源结构短期内仍以煤炭为主，利用煤炭制备工业燃气是企业较为合理的选择。虽然两段式煤气发生炉的技术成熟，但始终无法摆脱对块煤的需求。随着机械化采煤技术的发展，采煤过程中获得的块煤数量减少，粉煤产量逐年增加，因此粉煤气化制备工业燃气是今后的发展方向。相对于传统的两段式煤气发生炉，灰熔聚流化床气化炉具有适用煤种范围广、单炉生产能力大、运行成本低、节能环保效果好等优势，适应了煤气化技术的发展趋势，是企业制备工业燃气优选的气化技术。
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