新疆準東煤制天然氣項目氣化技術比選研究

孫天宇，沈玉雙，方林木

(浙能集團新疆準東能源化工有限公司 新疆奇臺 831800)

新疆準東煤制天然氣項目氣化技術比選研究

孫天宇，沈玉雙，方林木

(浙能集團新疆準東能源化工有限公司 新疆奇臺 831800)

針對新疆準東煤的特點，對煤制天然氣項目可選用的碎煤加壓氣化、固定床熔渣氣化和粉煤氣化技術從煤質適用性、消耗、環保符合性、成熟可靠性、投資及技術經濟等方面進行了比選研究。分析研究結果表明，固定床熔渣氣化技術較適合新疆準東煤制天然氣項目。

準東煤；煤制天然氣；氣化技術；比選

煤制天然氣項目是“十二五”期間國家大力發展的現代煤化工產業，截止到目前為止，國家發改委已核準了5個煤制天然氣項目，其中3個項目已開車運行，這些項目的運行為后續煤制天然氣項目的發展提供了很多經驗。煤氣化裝置是煤制天然氣項目的核心，其能否滿負荷穩定運行關系到煤制天然氣項目的成敗[1]。只有在充分研究配套煤礦煤質的基礎上，通過認真比選煤氣化技術，并在項目實施階段通過優化設計、控制投資、嚴控施工質量、實施精細化操作，項目才能取得成功。

1 準東煤煤質特點

準東煤是新疆準東煤田所產煤的簡稱，該煤田是我國目前發現的最大整裝煤田。準東煤煤化程度低，主要以長焰煤、不黏煤為主，具有內水含量偏高、低灰、低硫、中高熱值、低灰熔點、高鈉、高反應活性等特點，是較好的煤氣化原料。選取具有代表性的準東煤田西黑山礦區的長焰煤為氣化原料，其主要煤質數據見表1。

2 大型煤氣化技術類型

國內目前應用于大型煤化工項目的氣化技術主要有碎煤加壓氣化技術、固定床熔渣氣化技術、水煤漿氣流床加壓氣化技術(以下簡稱水煤漿氣化技術)和粉煤氣流床加壓氣化技術(以下簡稱粉煤氣化技術)，各類氣化技術特點各不相同，適用于不同類型的項目和煤質。

表1 準東煤田西黑山礦區長焰煤煤質數據

項目指標工業分析w(全水)/%17.45w(水分)/%10.28w(灰分)/%11.89w(揮發分)/%34.05元素分析w(碳)/%78.28w(氫)/%3.99w(氮)/%0.98w(硫)/%0.20w(氧)/%16.55灰熔點變性溫度DT/℃1130軟化溫度ST/℃1160流動溫度FT/℃1190發熱量/(kJ·kg-1)26590成漿性/%(質量分數)55灰成分w(SiO2)/%41.57w(Al2O3)/%15.40w(Fe2O3)/%14.83w(CaO)/%10.70w(MgO)/%4.64w(SO3)/%3.55w(TiO2)/%0.80w(P2O5)/%0.45w(K2O)/%1.03w(Na2O)/%4.56格金低溫干餾w(焦油)/%3.41w(半焦)/%66.09w(總水)/%19.16w(煤氣損失)/%11.27

2.1 碎煤加壓氣化技術

碎煤加壓氣化技術是在引進魯奇氣化技術MK- IV的基礎上，由賽鼎工程公司開發的煤氣化技術。據不完全統計，國內運行及在建的碎煤加壓氣化爐(包括魯奇MK- IV)已超過100臺，主要用于煤制天然氣、煤制合成油、煤制甲醇、煤制合成氨等項目。

2.2 固定床熔渣氣化技術

固定床熔渣氣化技術是在魯奇氣化技術的基礎上，由英國燃氣公司和德國魯奇公司研發成功的液態排渣型固定床氣化技術(簡稱BGL氣化技術)，其氣化過程與碎煤加壓氣化技術相近，區別在于燃燒區的操作溫度不同。碎煤加壓氣化技術采用干法排渣，控制燃燒區的操作溫度低于煤渣的軟化溫度(ST)；而固定床熔渣氣化技術采用液態排渣，控制該溫度高于煤渣的流動溫度(FT)。固定床熔渣氣化技術已被中國企業收購，目前已推廣應用于多個項目。云煤集團在引進該技術的基礎上，開發出了具有自主知識產權的YM固定床熔渣氣化技術，并在其甲醇制汽油(MTG)項目上得到成功應用。

2.3 水煤漿氣化技術

水煤漿氣化技術是國內最早引進的氣流床氣化技術，也是最成熟的大型煤氣化技術之一。國內華東理工大學和兗礦集團在引進技術的基礎上，通過創新研發，推出了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，已成功應用于國內多個煤制甲醇及烯烴項目，并實現了最大投煤量3 000 t/d的商業化運行。該技術主要存在原料要求高、燒嘴使用壽命短、耐火磚易損壞等缺點，需設備爐。國內的清華爐技術為了避免耐火磚內壁易損壞的問題，采用了水冷壁，可以降低運行成本、提高單爐年運轉率。在國內推廣的水煤漿氣化技術還有國外的GE水煤漿氣化技術(前身為德士古水煤漿氣化技術)，是我國最早引進的水煤漿氣化技術。

2.4 粉煤氣化技術

粉煤氣化技術的最大投煤量可達到3 000 t/d。我國于21世紀初引進了殼牌粉煤氣化技術，但多個項目在開車階段曾遇到很多問題，主要是設計煤種與實際使用煤種不符、廢鍋流程復雜、設備損壞等，經多年技改及經驗積累，目前采用該技術的多個項目已能正常運行。目前，業內普遍認為激冷流程更適合煤化工項目，廢鍋流程則較適合發電等項目[2]。國內的航天爐氣化技術消化吸收了多種氣化技術的優點，目前已在多個煤化工項目上成功應用。國外的GSP氣化技術以及國內的東方爐氣化技術、寧煤爐氣化技術等都屬于比較成熟的粉煤氣化技術。

3 不同煤氣化技術比較

由于準東煤的內水含量高，一般成漿性都較差(表1所示的煤質成漿性只有55%)，達不到水煤漿氣化技術的經濟成漿性，所以比選時排除了水煤漿氣化技術，選擇了技術成熟度較高的碎煤加壓氣化技術、固定床熔渣氣化技術(以BGL氣化技術為例)、粉煤氣化技術(以航天爐氣化技術為例)進行比較。

3.1 煤質適用性比較

各氣化技術對煤質的基本要求見表2。

表2 各氣化技術對煤質的基本要求

煤質要求碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化粒度6～50mm6～50mm<90μm1)w(水分)/%<40<30≤2w(灰分)/%<30<301～25灰熔點/℃ST>1200FT≤1300FT≤1500熱穩定性中等以上中等以上黏溫特性較好較好

注：1)占質量分數90%

從表2可以看出，表1所示的煤質不適合碎煤加壓氣化技術，較適合固定床熔渣氣化技術。其原因主要是因為煤灰熔點軟化溫度ST只有1 160 ℃，無法滿足碎煤加壓氣化技術的要求，如果采用碎煤加壓氣化技術，則需要更多的蒸汽來降低反應溫度，汽氧比可達7 kg/m3(標態)以上(BGL氣化技術為1 kg/m3，標態)，耗水量更大，產生的廢水更多；但是其流動溫度FT只有1 190 ℃，滿足固定床熔渣氣化技術的要求；煤中鉀和鈉含量高，易造成碎煤氣化爐內壁腐蝕，但對BGL氣化爐沒有影響；此外，煤中內水含量高，如果采用航天爐氣化技術，需增設預干燥裝置，投資和運行能耗增大。

3.2 消耗比較

產品消耗關系到項目的產品成本，3種煤氣化技術生產1 000 m3(標態)天然氣的主要消耗如表3所示。

表3 3種煤氣化技術生產1 000 m3(標態)天然氣的主要消耗

項目碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化氧耗/m3(標態)5557071179原料煤耗/t2.422.562.87燃料煤耗/t0.920.460.45新鮮水耗/t6.243.535.64

注：1)方案按自發電設計

從表3可看出，碎煤加壓氣化技術的煤耗和氧耗均最低，主要原因是其氣化溫度低，產品氣中甲烷含量高，但其水耗較高，這是由于煤灰熔點低，需要大量水蒸氣來降低氣化溫度，這對較為缺水的新疆準東地區來說不太適宜。由于BGL氣化技術制取的產品氣中也含有較多的甲烷，且水耗最低，因此是較為合適的煤氣化技術。

3.3 環保符合性比較

國家對現代煤化工產業的要求越來越高，并出臺了準入條件，因此，選取一種環保符合性好的氣化技術對煤制天然氣項目至關重要。3種煤氣化技術廢水水質及排放情況見表4。

表4 3種煤氣化技術廢水水質及排放情況

項目碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化COD/(mg·L-1)3500～45004500550BOD/(mg·L-1)1150～15001550NH3-N/(mg·L-1)<20063200單元酚/(mg·L-1)500無多元酚/(mg·L-1)420無揮發酚/(mg·L-1)403無固酚/(mg·L-1)361無油類/(mg·L-1)<200107無水量/(t·h-1)715144520污水處理難度處理難度大處理難度較大處理難度小

從表4可看出：碎煤加壓氣化技術和BGL氣化技術的廢水成分均較復雜，處理難度較大；盡管航天爐氣化技術的廢水量較大，但是其污水成分簡單，易于處理，屬于本質環保的氣化技術。因此，從環保方面看，粉煤氣化是較適合的氣化技術。BGL氣化技術的廢水雖然成分復雜，但是量少，相對碎煤加壓氣化技術來說較易處理，已運行的中煤圖克化肥項目已實現了BGL氣化廢水零排放。

3.4 成熟可靠性比較

氣化爐的成熟可靠性是待選氣化技術的重要條件，沒有商業化運行的氣化技術不宜選擇。碎煤加壓氣化、BGL氣化和航天爐氣化均有多臺氣化爐在運行，其中碎煤加壓氣化爐運行臺數(含MK- IV)最多。

碎煤加壓氣化技術在國內已有多年的運行業績，氣化技術本身也相對成熟。國內以往投運的碎煤加壓氣化爐的操作壓力都在3.0 MPa以下，目前正在試運行和建設的氣化爐操作壓力均為4.0 MPa，這些項目都已基本實現了長周期穩定運行，但由于其他方面的原因，個別項目還沒有實現滿負荷運行。

內蒙古呼倫貝爾金新項目和鄂爾多斯中煤圖克化肥項目均采用BGL氣化爐。金新項目于2012年開車，由于設計原料與實際使用原料差別較大，產氣量達不到設計值，裝置一直在較低負荷下運行。中煤圖克化肥項目于2013年開車運行，目前處于6爐同時運行階段，該項目在2015年已基本實現長周期滿負荷運行。

航天爐在2008年示范成功后，已推廣建設了多個項目，氣化裝置均能實現滿負荷運行。

3.5 投資及技術經濟比較

3種煤氣化技術年產20億m3天然氣項目的投資比較見表5，技術經濟指標比較見表6。

表5 3種煤氣化技術年產20億m3天然氣項目的投資比較

項目 碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化總投資/億元133131141建設投資/億元124122132

表6 3種煤氣化技術的技術經濟指標比較

項目 碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化備注年均總成本費用/萬元270678257437273759生產成本/萬元236982222707241412年均稅后利潤/萬元12201312655568671投資利潤率/%12.0912.726.41總投資收益率/%13.4914.117.80財務內部收益率/%12.8213.308.15所得稅后投資回收期(含建設期)/年10.988.898.72所得稅后盈虧平衡點(BEP)/%51.4550.1465.78

注：1)煤價130元/t，天然氣價格2元/m3

從表5可看出，采用航天爐氣化技術投資最高，而采用BGL氣化技術投資最低。從表6可看出，采用BGL氣化技術的經濟效益最好。

4 結語

綜上所述，針對新疆準東煤制天然氣項目，通過比較煤質適用性、消耗、環保符合性、成熟可靠性、投資及技術經濟指標等方面因素，固定床熔渣氣化技術是較為合適的煤氣化技術。但選擇固定床熔渣氣化技術仍需充分調研污水處理技術，確保滿足環保要求。根據其他煤制氣項目的經驗，如果粉煤沒有地方消納，則需要考慮在減少固定床熔渣氣化爐的基礎上增設少量粉煤氣化爐，達到塊粉煤的平衡，但投資和管理難度相應會增大，需對方案作進一步研究。

[1] 蘇煉，韋朋.對我國煤制天然氣項目發展的思考和建議[J].煤炭加工與綜合利用，2016(8)：1- 7.

[2] 唐宏青.現代煤化工新技術[M].北京：化學工業出版社，2009：57- 72.

StudyofComparativeSelectionofGasificationTechnologyforXinjiangZhundongCoal-BasedSNGProject

SUN Tianyu, SHEN Yushuang, FANG Linmu

(ZhunDong Energy Chemical Industry of Zhejiang Energy Co., Ltd., Qitai 831800, China)

Based on characteristics of Xinjiang Zhundong coal, from aspects of coal quality applicability, consumption, environmental protection conformity, maturity and reliability, investment and technological economy, a study of comparative selection is carried out from among technologies for coal- based synthetic natural gas project including crushed coal pressurized gasification, fixed bed slag gasification and dust coal gasification. Analytical study results show that fixed bed slag gasification technology is more suitable for Xinjiang Zhundong coal- based SNG project.

Zhundong coal; coal-based synthetic natural gas; gasification technology; comparison and selection

TQ546.2

A

1006- 7779(2017)04- 0041- 04

2017- 04- 14)

孫天宇(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事煤化工技術管理工作；zhudalizdl@126.com