主流煤气化技术及市场情况系列展示（之六）
SES U-GAS®气化技术
技术拥有单位：综合能源系统公司
综合能源系统公司（Synthesis Energy Systems, Inc.，以下简称“SES”）成立于2003年，于2007年在纳斯达克上市（股票代码：SYMX），其全球总部位于美国休斯顿，亚太总部位于中国上海。
SES拥有美国气体技术研究院（GTI）授权的SES U-GAS®气化技术的全球独家使用权和独家对外技术许可权。GTI始于20世纪40年代，是世界领先的流化床气化技术供应商，同时拥有70多年的行业经验。SES U-GAS®气化技术由GTI在20世纪70年代研发，40年来，在美国能源部的支持下，SES U-GAS®气化技术获得了长足的发展，并于2009年通过山东省科技厅的科技成果鉴定，专家评价SES U-GAS®气化技术成功试烧内蒙古褐煤及其他多个煤种，创新点明显，具有较高的推广价值，达到了流化床褐煤气化技术的国际先进水平。
总体来看，SES U-GAS®技术相比其他气化技术的优势主要体现在：更低的运行成本、更高的燃料灵活性、更高的气化工艺效率、更简单的系统及其环境友好的特点。
一、技术特点
1、工艺流程简介
SES U-GAS®气化技术属于一段式鼓泡流化床气化技术。原料煤与蒸汽和氧气（或空气、富氧）在气化反应器的床层内发生反应，生产出合成气，供给下游合成化学产品或用作燃料。其工艺流程基本如下：
原料煤需先经破碎、干燥、筛分处理，以满足SES U-GAS®气化的要求。加工后符合气化要求的煤经若干套气力输送加煤系统送入气化炉。加煤系统主要由常压缓冲斗，锁斗、加压输煤斗及旋转给料器构成。
蒸汽和氧气从气化炉底部附近注入，在约1000℃（取决于原料煤的等级）及一定压力的条件下将气化炉内的固体颗粒流化并与之进行反应，同时发生炉内气体之间的反应，生成粗煤气，释放热量。粗煤气夹带较小的一部分颗粒从气化炉顶部离开，进入第一旋风分离器。离开气化炉的粗煤气以一氧化碳、氢气、二氧化碳、水和甲烷为主要组分，还有少量氮气、氩、硫化物（硫化氢、羰基硫）、氰化氢、氨等气体杂质。
气化炉出口有两个串联设置的旋风分离器：一级旋风分离器和二级旋风分离器，它们捕集绝大部分离开气化炉的细粉，捕集的细粉通过料封管返回到气化炉中进行反应。
来自二级旋风分离器出口的粗合成气进入余热锅炉降温，同时回收合成气的显热。产生的高压/中压蒸汽回供气化炉作为气化剂。若有需要，也可送至界区外，供其它系统使用。
被余热锅炉冷却后的合成气中仍有少量的粉尘。来自余热锅炉的含尘合成气先后分别经高效旋风分离器和飞灰过滤器除去其中的粉尘，净化后合成气中粉尘含量通常≤10mg/Nm3。
由高效旋风分离器和飞灰过滤器分离下来的粉尘均经气力输送方式送至粉仓或采用SES专有的细粉回炉技术返回气化炉气化。
气化炉底部排出的灰渣经冷却降压后送至灰仓处理。
2、技术优势
原料成本低
与其它气化技术相比，SES U-GAS®气化技术在气化廉价的高水分、高灰分、高灰熔点的劣质煤方面有得天独厚的优势，且不需使用块煤，因此制取合成气的成本也会相应地更低，从而为生产企业奠定终端产品的低成本优势。
山东某一合成氨生产企业的可行性研究表明：利用SES U-GAS®气化技术进行原料改造，使用本地的劣质煤，与采用优质无烟块煤资源相比，吨合成氨的直接成本可下降40%左右。
燃料灵活性高
SES U-GAS®气化具有极强的燃料适应性，可气化包括优质煤和劣质煤在内的各种煤，使客户能最大限度地利用本地资源或者挑选性价比最高的原料。
SES U-GAS®气化技术在中国境内曾经成功气化过的劣质煤，包括：内蒙古白音华高水分低热值的褐煤（总水26.5wt%，热值～3,700kcal/Nm3）；高灰分的义马长焰煤（灰含量37～45%）；高灰分、高灰熔点的澳大利亚烟煤（灰含量最高38wt%，灰熔点T2>1,450℃，T4>1,450℃）；高灰分的兖矿烟煤（灰含量34wt%）；山东枣庄当地洗中煤和高灰煤（灰含量最高55wt%）。
SES在其位于山东枣庄的在商业气化装置（“枣庄工厂”）上实现了多个煤种的不停车在线平稳切换，充分验证了其独树一帜的燃料灵活性。
气化工艺效率高
SES U-GAS®气化技术由于其独特的反应器设计和操作条件，在采用相同原料的情况下，可以比其它技术取得更好的性能指标。
对于其它众多技术无法采用的劣质煤，SES U-GAS®气化技术不仅能够利用这些劣质资源，而且仍能取得较好的甚至接近或比其它气化技术采用优质资源更好的性能指标。通常，U-GAS®气化的煤耗（折标准煤）和氧耗均更低；冷煤气效率大于80%，碳转化率可达98%以上，使整个项目的能效更易于达到国家相关政策规定的指标。
SES U-GAS®气化技术制得的合成气中，含有一定量的甲烷，合成气热值较一般合成气更高，所以尤其适合以燃烧为目的或合成化学产品但同时副产燃料气的应用场合。
SES U-GAS®气化技术通过余热锅炉回收合成气中的热量，产生高品位的高压/中压蒸汽，从而提升了整个项目的能效。
系统简单
SES U-GAS®气化技术流程简单、操作稳定，不易出现温度、产气量等主要控制参数快速、剧烈的变化。操作弹性大（50%～110%），自动化程度高。气化岛全部设备可100%在中国国内生产。开停车容易，成本低；大部分为静设备，动设备少，因而维护工作量小。
环境友好
SES U-GAS®气化技术独特的反应器设计和操作条件使其在生产合成气的过程中避免产生焦油和酚类物质，没有复杂困难的废水处理问题，简化了整个气化岛的工艺流程。
SES U-GAS®气化技术采用干法排灰和排粉，底灰和细粉以干燥的状态送至储仓，因而不产生黑水，可实现废水的零排放；同时又节约了用水，特别适合水资源缺乏的地方建设煤化工项目。
SES U-GAS®气化技术是一种加压连续气化工艺，在正常生产过程中除和固体输送相关的载气排放外没有诸如吹风气等气体对外排放，减少了对环境的污染，确保操作环境的安全可靠，同时也杜绝了有用资源的浪费，属于国家鼓励的洁净煤技术。
二、技术特点参数表
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气化技术类型
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干粉式流化床气化技术
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气化技术名称
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SES U-GAS®气化技术
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气化炉组合方式
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当气化炉数量较少时，采用备炉，以保证生产的连续性和稳定性；当项目规模较大，气化炉数量较多时，可不设置备炉
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进料方式
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输送载气携带原料煤入炉；氧气（或空气、富氧）和水蒸汽从气化炉底部不同部位进入气化炉
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进料位置
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气化炉下部
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进料口类型和特点
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单层进料管，非喷嘴，输送载气携带原料煤入炉
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气化炉燃烧室流场结构
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中心射流，四周流化
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耐火衬里
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耐火浇注料
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合成气冷却方式
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余热锅炉
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气化介质
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蒸汽和氧气（或空气、富氧）
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原料煤输送介质
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根据需要，可选择氮气、二氧化碳或合成气等
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技术运行的阶段
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已规模化工业运用
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运行周期
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最长单炉连续运行时间91天（因下游用户原因停车）
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煤的粒度范围
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小于10毫米
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煤种适应性
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褐煤、次烟煤、烟煤
（可使用高灰份、高内水、高灰熔点煤）
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煤的工业分析
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水含量（wt%）：1～41
挥发份（wt%）：3～69
固定碳（wt%）：6～83
硫（wt%）：0.2～4.6
自由膨胀指数：0～8
灰含量（wt%）：<1～55%
灰软化点（–T1,℃）：1040～1460+
热值（HHV,kcal/kg）：3100～6100
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操作负荷弹性
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可较大幅度调降负荷，对负荷变化具有灵活性，气化炉有较大的碳容量可应对负荷突降和变化
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操作条件
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温度：～1000℃
压力：0.2MPa～3.0MPa(G)[注]
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干粗煤气的组成
（氧气气化）
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CO：26～44vol%
H2：27～39vol%
CO2：18～31vol%
CH4：2～8vol%
可采用的原料煤性质变化范围较广，煤气组成变化范围也较大
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工艺指标
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氧耗
（氧气气化）
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230～340Nm3O2/kNm3(CO+H2+CH4)
可采用的原料煤性质变化范围较广，氧耗变化范围也较大
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蒸汽消耗
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气化岛副产蒸汽
（余热锅炉产蒸汽量大于气化炉自用量）
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单炉煤气产量
（氧气气化）
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14000～110000Nm3/h(CO+H2+CH4)
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碳转化率
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最高可达99%
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适合工业领域
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小氮肥改造项目
燃气项目（SNG、DRI及其它工业燃气）
化学品（如甲醇、乙二醇、合成氨等）合成，同时副产燃料产品的项目，或其它在劣质煤坑口的化工项目
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[注]3.0MPa(G)是美国GTI的U-GAS®中试装置操作压力。SES目前已经完成了处理能力3000吨/天、操作压力4.0MPa(G)的高压气化炉的工艺设计包，并积极致力于其示范装置的开发和商业化过程。
三、市场应用情况
SES目前运营的项目有两个：SES枣庄工厂和义煤综能30万吨/年甲醇项目（“SES义马合资工厂”）。
1、SES枣庄工厂
2006年7月，SES与山东海化煤业集团有限公司签订了合资协议，成立合资公司——埃新斯（枣庄）新气体有限公司，即枣庄工厂。2008年1月，枣庄工厂竣工。工厂设计产能为22000标方/小时净合成气，并销售给一墙之隔的合资方海化，用以生产甲醇。2008年12月，枣庄工厂实现了商业运行。在商业运行的第一年，工厂利用劣质高灰煤（包括洗中煤）进行气化，在98%的时间内都能满足海化对合成气的需求。
在枣庄工厂，SES不断通过从潜在的被许可方引入原料进行商业试烧的方式来满足不同客户的项目需求：
2008年11月，SES枣庄工厂成功地对5000吨义马长焰煤进行了试烧。试烧期间，SES U-GAS®技术表现出可高效气化不同种类煤的灵活性，也展现了高碳转化率和较强的经济性。
2009年10月，SES对内蒙古白音华褐煤进行了长达数周的试烧。针对这种对于其他技术来说很难处理的煤种，试烧取得了很高的碳转化率和冷煤气效率。
2010年12月，SES与澳大利亚Ambre能源公司一同对其运往枣庄工厂的3000多吨澳洲昆士兰高灰、高灰熔点的次烟煤进行了试烧。对于这种若干国外气化技术无法处理的煤种，SES U-GAS®气化技术不仅可以安全、稳定地处理，并且取得了超过82%的冷煤气效率以及高于98%的碳转化率。Ambre能源公司CEO和执行总裁Edek Choros对此次试烧的评价如下：“该技术在气化我们的高灰煤过程中显示了其优越的性能。更重要的是，我们现场实时观察到我们的煤在枣庄工厂得到有效气化，这给我们和我们的项目投资者增添了信心，我们的煤炭资源将给我们创造巨大的价值。”
2011年8月，SES成功地对1500多吨的兖矿高灰（灰含量34wt%）烟煤进行了试烧，各项技术性能指标优秀，再次证明了SES U-GAS®技术的效率和处理高难度原料的有效性。通过试烧，业主已经认定SES U-GAS®是他们最佳的气化技术选择，并认为SES U-GAS®气化技术对原料煤的要求相对宽松，可以气化高灰分、高硫分、高灰熔点和低发热量的劣质煤，可以满足原料煤本地化的需要。目前业主正在积极筹备项目。
具体数据参考下表：
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项目业主
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埃新斯（枣庄）新气体有限公司
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项目名称
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埃新斯（枣庄）新气体有限公司资源综合利用合成气项目
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项目地点
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山东枣庄
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项目规模
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2.2万Nm3/h精合成气，用于甲醇合成
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项目开发历程
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2006年10月，项目批准
2006年12月，项目奠基
2007年5月，气化炉开始吊装
2007年12月，装置建设完成
2008年1月，开始生产合成气
2008年11月，成功进行义马长焰煤试烧
2008年12月，开始商业化运行
2009年10月，成功进行内蒙古褐煤试烧
2010年12月，成功进行澳大利亚次烟煤试烧
2011年8月，成功进行兖矿高灰煤试烧
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气化岛设置
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2开0备
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原料煤
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当地中煤/烟煤
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主要成绩
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单炉连续运行时间>91天（因下游用户原因停车）；
碳转化率最高达99%；
成功试烧国内外多种原料煤，包括褐煤、次烟煤和烟煤。
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主要运行数据
（基于当地烟煤，灰分～34%）
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（CO+H2）：～72vol%（干粗气）
CH4：～2vol%（干粗气）
比氧耗：330Nm3/1000Nm3(CO+H2+CH4)
比煤耗（折低位热值为7000kcal/kg的标准煤）：500kg/1000Nm3(CO+H2+CH4)
冷煤气效率：～82%
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2、SES义马合资工厂
鉴于SES枣庄工厂的成功商业化运营，SES进行了其第二个BOO项目（BOO项目意为“建造/拥有/运行”模式的项目），即义马合资工厂项目。
2009年8月，SES与义马煤业集团有限公司（“义煤集团”）签订合同，合资建立一座综合气化甲醇工厂（30万吨/年）。
义煤集团是国有特大型煤炭企业，其总部位于中国河南省义马市，目前拥有荷兰壳牌煤气化炉。义马合资工厂由SES（占25%股份）和义马煤业集团有限公司（占75%股份）共同出资建设。通过义马合资公司，SES将拥有并运行义马合资工厂，并向一墙之隔的义马甲醇蛋白工厂销售净合成气收取费用。义马合资工厂共3台气化炉，两开一备，投产后的煤处理能力为2400吨/天，是枣庄工厂的6倍。
目前SES和义马煤业集团有限公司的合资工厂一期已完成建设，进行了试运行，并于2012年底打通了全流程，顺利产出粗甲醇，操作负荷正在稳步推升。
合资双方正在就项目的二期和三期进行讨论，SES有权在扩建中增加其股权比例至49%。当项目一期在2012年下半年竣工后，工厂预期产能为30万吨/年精甲醇。二期计划增加产能30万吨/年精甲醇或甲醇等价物，三期则计划增加产能60万吨/年精甲醇或甲醇等价物。
四、最新动态
1、将SES U-GAS®技术应用于直接还原铁（DRI）领域是SES全球战略之一。DRI是一种利用合成气中的一氧化碳和氢气等还原性气体去还原铁矿石从而生产海绵铁的方法。传统上以天然气作为原料气，经重整/转化后变成还原气去还原铁矿石，还原气的压力要求不太高，但需含有一定量的甲烷和较高的氢气/一氧化碳比。与其它气化技术相比，采用SES U-GAS®气化工艺由劣质煤气化制得的含一定量甲烷的合成气可以更好地满足DRI工艺对于原料气的上述要求，降低生产成本，这是SES U-GAS®技术应用于DRI领域的最大优势之一。目前SES正在全球范围内（亚洲和美国）洽谈SES U-GAS®与气基DRI的联合开发项目。
2、SES正积极推进3000吨/天的SES U-GAS®高压（4.0MPa(G)）气化炉的商业化项目，以便为客户提供更优化的气化技术。目前，已完成了工艺设计包的开发，并正在与国内外客户就示范装置的建设展开卓有成效地沟通和对话。此前，SES U-GAS®气化工艺在GTI已成功运行了3.0MPa(G)压力的中试装置。
3、除GTI的专利技术外，SES已获得及正在申请的技术专利有10多项。目前通过工艺改进，还有更多的专利正在研发之中。
