煤制天然氣煤氣化工藝選擇

李斌

（天津渤化永利化工公司煤化工事業(yè)部，天津 300000）

煤制天然氣煤氣化工藝選擇

李斌

（天津渤化永利化工公司煤化工事業(yè)部，天津 300000）

本文介紹了我國(guó)天然氣消費(fèi)現(xiàn)狀和渤化內(nèi)蒙煤制天然氣項(xiàng)目基本情況。以該項(xiàng)目工藝比選確定為主線，提出以煤定爐的工藝比選原則，在對(duì)項(xiàng)目煤質(zhì)進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同煤氣化工藝對(duì)該煤的適應(yīng)性，進(jìn)行了氣化工藝的比選和確定。

煤制天然氣；煤氣化工藝；碎煤加壓氣化；煤質(zhì)指標(biāo)

1 煤氣化工藝的介紹

按照氣化爐的物料流動(dòng)方式來(lái)劃分，氣化工藝主要分有三大類(表1)：固定床、流化床和氣流床。固定床技術(shù)分常壓和加壓技術(shù)，基于篇幅，本文只介紹加壓固定床氣化。

1.1 魯奇氣化技術(shù)（魯奇MK4和MK+）

魯奇FBDB煤氣化技術(shù)從上世紀(jì)30年代至今的發(fā)展經(jīng)歷大概可以分為四個(gè)階段：第一代魯奇爐（1936～1954）、第二代魯奇爐（1952～1965）、第三代魯奇爐MK4和MK5（1969～2008）、第四代魯奇MK+。

上世紀(jì)70年代，魯奇公司在第二代氣化爐的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，形成了MK4型氣化爐。MK4型是當(dāng)今世界上使用最多的爐型，該爐型可氣化除強(qiáng)黏結(jié)性煙煤外的幾乎所有煤種，且生產(chǎn)能力及在線率得以大幅提升，最高分別達(dá)到65000Nm3/h和93%，產(chǎn)品單耗也有所下降。

表1 煤氣化工藝介紹

表2 中國(guó)引進(jìn)的魯奇氣化爐和衍生魯奇爐

魯奇公司在總結(jié)完善MK4氣化爐的基礎(chǔ)上將其升級(jí)設(shè)計(jì)為MK+氣化技術(shù)，在硬件上做了如下改進(jìn)：氣化爐高度由12.5m增至17m,外徑由4.13m擴(kuò)至5.05m，同時(shí)創(chuàng)新性地將氣化爐設(shè)計(jì)壓力提升到6.0MPa（操作壓力5.0MPa），不僅使單爐生產(chǎn)能力達(dá)到10萬(wàn)Nm3/h，同時(shí)粗煤氣的質(zhì)量指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了提升，氧耗和蒸汽耗也有一定程度的下降，為大型煤化工項(xiàng)目的技術(shù)選擇又開(kāi)辟了一個(gè)途徑（表2）。

1.2 國(guó)產(chǎn)碎煤加壓氣化技術(shù)

上世紀(jì)70年代，賽鼎工程有限公司與德國(guó)魯奇公司、PKM公司等合作，參與設(shè)計(jì)建設(shè)了天脊集團(tuán)合成氨裝置、哈爾濱依蘭煤氣工程、義馬煤氣化工程在此基礎(chǔ)上采用自主開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)，獨(dú)立完成了太原爐的設(shè)計(jì)建設(shè)工作。至此，國(guó)內(nèi)改進(jìn)型碎煤加壓氣化技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段（表3）。

表3 國(guó)產(chǎn)碎煤加壓氣化主要業(yè)績(jī)

續(xù)表3國(guó)產(chǎn)碎煤加壓氣化主要業(yè)績(jī)

近年在煤制氣示范項(xiàng)目中大部分采用賽鼎碎煤加壓氣化工藝，該技術(shù)具有投資低、設(shè)計(jì)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定和建設(shè)周期短的特點(diǎn)，部分企業(yè)全系統(tǒng)在線率可達(dá)到360天，單爐在線率也可實(shí)現(xiàn)80%以上。由于操作溫度相對(duì)較低，蒸汽分解率僅有30%～45%,再加上中高溫的干餾產(chǎn)物較多，使得該工藝廢水產(chǎn)量高，且含較多的難于處理的多烴、環(huán)烴和芳烴類物質(zhì)，對(duì)下游的水處理要求較高，環(huán)保排放的壓力也相對(duì)較大。

2 項(xiàng)目煤質(zhì)情況和煤氣化工藝分析

渤化內(nèi)蒙古煤制氣項(xiàng)目配置煤為準(zhǔn)葛爾地區(qū)不連溝礦區(qū)煤，該煤屬于特高灰熔點(diǎn)、特低硅鋁比和中低熱值的長(zhǎng)焰煤，同時(shí)該煤具有活性好，含油率高和機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目煤質(zhì)分析（表4），幾種主流高效的煤氣化工藝都不太適合，具體情況如下：

1）水煤漿氣化：在業(yè)內(nèi)以穩(wěn)定可靠著稱，該氣化工藝要求煤種灰熔點(diǎn)低于1350（水冷壁式的清華爐可適度放寬），并要求煤種有較好的成漿性，一般要求58%以上，太低對(duì)氣化爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有影響。煤科總院對(duì)本項(xiàng)目煤的成漿性進(jìn)行了試驗(yàn)，平均可達(dá)64%，采用級(jí)配工藝后可達(dá)到67%，可滿足制漿濃度要求。但由于灰熔點(diǎn)太高，變形溫度T2已經(jīng)大于1500℃，需摻配10%的助熔劑方可將灰熔點(diǎn)降至要求值。按此計(jì)算，每標(biāo)方有效氣將增加0.7分，氧耗約有11%的增量，即使不考慮黑水系統(tǒng)的堵塞和爐內(nèi)流渣的不穩(wěn)定性，僅從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性上考慮也不能選擇該工藝。

2）粉煤加壓氣化：這是當(dāng)今煤化工行業(yè)的主流，對(duì)煤種有相對(duì)較寬的適應(yīng)性。要求入爐煤灰熔點(diǎn)T4小于1400℃，硅鋁比大于1.6（下行水激冷工藝可適當(dāng)放寬），操作窗口大于120℃。該煤種在配加8%的石灰石后T4僅能達(dá)到1458℃,而且操作窗口只有30℃，表明該煤的高溫粘溫特性極差，這將使液態(tài)排渣工藝無(wú)法正常進(jìn)行。其主要原因是硅鋁比（0.7）太低，熔渣過(guò)程中形成大量莫來(lái)石所致。如選擇該工藝，只有大量摻配較高Si/AL的煤并輔以助熔劑方可使用。基于當(dāng)?shù)刂苓吤悍N資源所限不具備大規(guī)模配煤的條件，實(shí)際操作難度較大。

表4 項(xiàng)目煤質(zhì)分析

另外從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度分析，粉煤氣化工藝采用此煤做原料也很難發(fā)揮其工藝優(yōu)勢(shì)。按當(dāng)?shù)毓梦锪蟽r(jià)格計(jì)算，有效氣成本原煤約占44%，氧占14%。由于較高的灰熔點(diǎn)需要摻配大量助熔劑，煤耗和氧耗都會(huì)出現(xiàn)較大的上升。如按單煤種配加10%助熔劑計(jì)算，實(shí)物煤耗將突破650Kg/Nm3，氧耗也會(huì)上升至390Nm3/Nm3有效氣，每標(biāo)方有效氣增加成本4分。

3）碎煤加壓液態(tài)排渣爐：以BGL為代表的碎煤液態(tài)排渣工藝是近年煤化工行業(yè)的一個(gè)新秀，它以高產(chǎn)能高效率和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)明顯超越了傳統(tǒng)的魯奇氣化工藝。但對(duì)于本項(xiàng)目煤種，液態(tài)排渣不暢和大量助熔劑添加的不經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，同樣很難逾越。

綜上所述液態(tài)排渣工藝在目前的煤質(zhì)情況下存在工藝運(yùn)行不確定性和經(jīng)濟(jì)性風(fēng)險(xiǎn)較大不宜采用。對(duì)該煤的特點(diǎn)對(duì)碎煤加壓氣化工藝倒是一種優(yōu)質(zhì)原料。首先特高灰熔點(diǎn)的特性可使氣化溫度達(dá)到1400℃以上，比同類項(xiàng)目操作溫度高200℃，可有效提高蒸汽分解率，降低中壓蒸汽消耗，更重要的是可減少?gòu)U水產(chǎn)量。其次該煤良好的活性可在一定程度上彌補(bǔ)碎煤加壓碳轉(zhuǎn)化率不高的工藝不足，灰渣返炭指標(biāo)有望達(dá)到2%以下，同時(shí)該工藝特有的高甲烷特點(diǎn)也可大大降低后序合成的投資和運(yùn)行費(fèi)用。最后煤中近7%的含油量可得到充分利用，對(duì)副產(chǎn)品中焦油，中油，石腦油進(jìn)一步提純加氫，將有效提高煤制氣項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。考慮到本項(xiàng)目煤礦粉煤的產(chǎn)率相對(duì)較低，項(xiàng)目配置2X100MW的流化床鍋爐完全可消化剩余粉煤因此在現(xiàn)有總體方案下選擇碎煤加壓氣化工藝是一個(gè)相對(duì)較適宜的工藝路線。

如何實(shí)現(xiàn)高灰熔點(diǎn)和高粘溫特性煤的高效利用，在業(yè)內(nèi)也是一個(gè)難題。一些研發(fā)部門做了大量的試驗(yàn)和工業(yè)化嘗試，通過(guò)爐內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的調(diào)整，部分液態(tài)排渣爐型對(duì)該類煤的適應(yīng)性得到了一定的提高，但仍然不能得到根本上的解決。我們根據(jù)煤的元素特性，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)也找到一種復(fù)合助劑，在不配煤的前提下添加2%即可達(dá)到相關(guān)工藝要求，但受本地該助熔資源的限制還無(wú)法達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

對(duì)此種煤的穩(wěn)定高效使用，筆者認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面著手，首先尋找可配強(qiáng)的煤對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，實(shí)現(xiàn)元素的初步達(dá)標(biāo)；其次根據(jù)元素平衡情況和粘溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輔配常規(guī)助劑或復(fù)合助劑達(dá)到基本可用；在此基礎(chǔ)上可選擇排渣適應(yīng)性較好的爐型最終實(shí)現(xiàn)煤的可用性。

3 碎煤加壓氣化對(duì)煤質(zhì)要求

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的煤制天然氣項(xiàng)目幾乎全部采用國(guó)產(chǎn)碎煤加壓?4.0m爐型，整體運(yùn)行情況并不理想，主要問(wèn)題為氣化爐夾套腐蝕、單爐負(fù)荷低和系統(tǒng)負(fù)荷受限酚氨水裝置等。碎煤加壓氣化工藝本身并沒(méi)有太大問(wèn)題，只是原料煤與氣化爐的設(shè)計(jì)在些方面不適應(yīng)，主要原因?yàn)轫?xiàng)目初期對(duì)煤種沒(méi)有進(jìn)行全面分析，未在工程設(shè)計(jì)中增加有效措施進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。

碎煤加壓氣化對(duì)煤質(zhì)的要求與液態(tài)排渣的粉煤氣化有著本質(zhì)上的區(qū)別。首先固定層氣化爐對(duì)床層的通透性要求較高，不僅需要入爐煤塊度均勻且含粉少，而且要求在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程無(wú)明顯結(jié)渣且粉化少，對(duì)應(yīng)于機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)渣性和熱穩(wěn)定性指標(biāo)要達(dá)標(biāo)；其次氣化操作溫度要求在煤軟化溫度(T2)下50℃操作，這個(gè)溫度下的反應(yīng)活性決定了氣化爐的生產(chǎn)能力，理論上低活性低灰熔點(diǎn)的煤不宜選擇該爐型。另外結(jié)焦性高的煤不宜選擇固定層氣化爐，G>12時(shí)需考慮破粘裝置，由于氣化爐內(nèi)部高溫機(jī)械變形和密封問(wèn)題，對(duì)大型氣化爐在設(shè)計(jì)上不建議采用破粘裝置。以下是筆者總結(jié)碎煤加壓氣化爐對(duì)煤質(zhì)的基本要求指標(biāo)（表5）。

4 煤氣化工藝路線的確定

表5 碎煤加壓氣化爐煤質(zhì)指標(biāo)

做為一個(gè)大型煤制氣項(xiàng)目，承擔(dān)著大范圍的工業(yè)與民用用氣任務(wù)，關(guān)系民生問(wèn)題穩(wěn)定和連續(xù)是前題，因此在工藝路線選擇上應(yīng)以實(shí)現(xiàn)煤氣化裝置“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”為目的，并且全面深入分析原料煤物化性質(zhì)，堅(jiān)持以煤定爐的基本原則，同時(shí)結(jié)合塊粉比例和產(chǎn)品對(duì)原料氣的需求特點(diǎn)進(jìn)行綜合確定。

從當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)各項(xiàng)分析成本看，煤種的高灰熔點(diǎn)，高反應(yīng)活性以及良好的機(jī)械強(qiáng)度和較好的熱穩(wěn)定，是碎煤加壓氣化工藝?yán)硐氲脑希硗饷悍N中等的含油量也可使項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步的提升。因此對(duì)于該煤種應(yīng)優(yōu)選碎煤加壓氣化工藝，盡管其在技術(shù)先進(jìn)性方面與粉煤和水煤漿工藝稍遜一籌，但是作為一個(gè)大型坑口煤化工企業(yè)，能夠嚴(yán)格遵守以煤定爐原則，使煤和氣化爐兩者互為補(bǔ)充，揚(yáng)長(zhǎng)避短，為將來(lái)的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)創(chuàng)新優(yōu)化工藝，有效降低碎煤加壓氣化工藝的廢水產(chǎn)量，降低進(jìn)入酚氨水的含油含塵量，提高廢水處理裝置效率，最終實(shí)現(xiàn)碎煤加壓氣化工藝的一個(gè)全新局面和良好的社會(huì)和環(huán)境效益。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.03.002

TQ546

A

1008-1267（2015）03-0004-04

2015-03-11

李斌（1973～），男，本科，高工，長(zhǎng)期從事煤氣化的技術(shù)和管理工作