中國中煤能源集團有限公司煤氣化技術應用現狀及發展思路

顏 文

(中國中煤能源集團有限公司，北京 100120)

煤氣化是煤炭轉化過程的“龍頭”，構成了煤化工工藝的重要成本。煤氣化是指在一定溫度、壓力條件下利用氣化劑(H2O、O2或CO2)與煤反應生成粗煤氣，通過后續凈化裝置進行脫硫、脫碳，得到潔凈合成氣(一般為H2、CO的混合物)，用以制備甲醇、氨等多種產品的工藝過程。中國中煤能源集團公司(以下簡稱中煤集團)作為國內煤炭央企，為進一步完善產業結構、促進煤炭就地轉化，近年來建設了一批煤制甲醇、烯烴、尿素、硝酸銨等煤化工項目，采用了魯奇加壓氣化、BGL、德士古水煤漿、西北院多元料漿等氣化工藝。氣化爐的穩定運行是中煤煤化工項目“安、穩、長、滿、優”運行的關鍵。因此，充分了解煤化工氣化工藝特點，有效評價中煤煤氣化工藝現狀，保障現有氣化裝置的穩定運行，后續項目選擇合適煤氣化技術，對促進中煤集團煤化工產業持續健康發展具有重要的理論與現實意義。

1 煤氣化技術概況

煤氣化技術可以分為地面氣化技術和地下氣化技術。地面氣化技術是將已經采出來的煤經過氣化獲得粗煤氣的方法，地下氣化是指對井下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的化學反應及熱作用而產生可燃氣體的過程。根據氣化劑與煤在氣化爐內的運動狀態差異，地面煤氣化技術目前常見的一般分為固定床、流化床、氣流床氣化[1]。

1.1 固定床氣化技術

固定床氣化技術是指煤炭在固定床氣化爐中進行氣化，可以分為加壓和常壓兩種[2]。常壓固定床煤氣化工藝存在單爐生產能力低、碳轉化率低、氣化效率低、管理及操作復雜、三廢產生量大等劣勢[3]。隨著國家對能源和環境要求越來越嚴格，對煤化工生產規模準入要求也相應提高，國內新建大型煤化工裝置一般不再采用常壓固定床氣化技術。

1.1.1 Lurgi加壓氣化技術

加壓固定床氣化工藝技術中，國內應用較多的是Lurgi(魯奇)加壓氣化法，運行也較穩定，但該工藝對原料煤要求較高，只能使用塊煤(一般為6～50 mm)，所產粗煤氣中CH4含量較高(體積組分約占8%～12%)，適宜生產城市煤氣和合成天然氣，且因其氣化過程溫度較低，又伴隨有干餾過程，因此副產品(如焦油、粗酚、中油等)較多，也存在廢水處理難的問題。

1.1.2 BGL煤氣化技術

BGL煤氣化技術是在魯奇爐基礎上的改進，采用固定床熔渣氣化工藝，較魯奇爐氣化技術強度提高，單爐生產能力增大，粗煤氣有效氣量增加，蒸汽分解率達90%以上，從而使蒸汽用量減少80%～90%，廢水量減少1/5～1/4[4]。

1.2 流化床氣化技術

流化床氣化是指粉煤在以粉煤與氣化劑形成的流化床內發生氣化反應。流化床氣化技術主要有溫克勒(Winkler)、高溫溫克勒(HTW)、灰團聚(U-Gas)、灰融聚氣化、恩德爐等[5]。該技術的缺點是：由于氣化爐溫較低，所以碳轉化率較低；另外，由于氣化反應時間較短，因此，形成的飛灰較多，且灰渣分離困難。

1.3 氣流床氣化技術

氣流床氣化是采取氣化劑將粉煤帶入氣化爐內(或者將粉煤先制成水煤漿，然后用煤漿泵打入氣化爐內)，原料煤在高于其灰熔點的溫度下，與氣化劑(H2O、O2)發生燃燒反應和氣化反應。其排渣方式采用液態排渣[3]。

該技術從原料形態分，有粉煤、水煤漿2類；從專利上分，殼牌(Shell)、德士古(Texaco)比較有代表性。Shell法是通過氣化劑將粉煤夾帶入氣化爐，氣化溫度為1 500～1 900 ℃；Texaco法是先將煤粉制成水煤漿，再用煤漿泵送入氣化爐，氣化溫度1 350～1 500 ℃。二者的殘渣都采用熔渣形式排出。氣流床對煤種(煙煤、褐煤)、硫分、灰分、粒度組成都有較大的適應性，國內大型煤化工企業已有多套成功運行裝置。[4]

以上幾種氣化工藝技術經濟指標對比見表1。

表1 幾種典型氣化工藝技術經濟指標對比

2 中煤集團氣化工藝應用現狀

中煤集團近年來為進一步完善產業結構、促進煤炭就地轉化，建設了一批煤化工項目。其中，中煤陜西公司榆橫煤化工項目、中煤鄂能化公司圖克大化肥項目、中煤遠興公司60萬t/a甲醇項目、中煤平朔劣質煤綜合利用示范項目、中煤龍化25萬t/a甲醇項目都使用煤氣化技術。

2.1 中煤陜西公司榆橫煤化工項目

中煤陜西公司榆橫煤化工項目位于陜西省榆林市經濟技術開發區榆橫煤化學工業園區，建設規模為180萬t/a甲醇、30萬t/a聚乙烯和30萬t/a聚丙烯，包括空分、氣化、凈化、硫回收、甲醇、DMTO、烯烴分離及C4綜合利用、聚乙烯和聚丙烯共9個工藝裝置。項目于2011年8月開工，2014年7月打通全流程，產出合格聚丙烯。

其中，氣化裝置采用美國GE公司水煤漿加壓氣化工藝，前后共建設8套水煤漿氣化爐(6開2備)，每套公稱能力為日處理干煤1 500 t，總有效氣(CO+H2)產量(壓力(G)6.26 MPa，溫度240 ℃)為530 000 m3/h，配備7套磨煤系統，裝置包括煤漿制備、氣化框架、渣水處理、氣化變電所、氣化機柜間及裝置內管廊。

2.2 中煤鄂能化公司圖克大化肥項目

中煤鄂能化公司圖克大化肥項目位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮圖克工業園區。建設規模：合成氨為100萬t/a、尿素(公稱能力)175萬t/a、甲烷氣液化3.6億m3/a。主要產品方案及設計生產能力：171.6萬t/a尿素、2.1億m3/a甲烷尾氣。項目于2011年8月正式開工建設，2014年2月產出合格尿素，進入試生產。

其中，氣化裝置采用英國BGL碎煤加壓氣化工藝，共7套BGL氣化爐，每套公稱能力為日處理干煤1 000 t，總有效氣(CO+H2)產量(壓力(G)3.8 MPa，溫度175 ℃)為295 000 m3/h。氣化車間裝置包括備煤、氣化框架、煤氣冷卻洗滌、氣化變電所、氣化機柜間及裝置內管廊。

2.3 中煤遠興公司60萬t/a甲醇項目

中煤遠興60萬t/a煤制甲醇項目位于鄂爾多斯市烏審旗納林河工業園區，建設規模為60萬t/a甲醇，副產硫磺、異丁基油。建設內容包括氣化、氣體凈化、甲醇、熱電、空分等主要裝置以及輔助生產裝置、公用工程。項目于2011年4月復工，2013年11月打通全流程，產出合格甲醇。

其中，氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿氣化技術，3臺氣化爐，2開1備；總有效氣(CO+H2)產量不小于188 400 m3/h，粗煤氣有效氣(CO+H2)體積分數大于80.15%；料漿煤質量分數不小于60%；碳轉化率不小于97%；比氧耗不大于419 m3/1 000 m3(CO+H2)；比煤耗不大于650 kg/1 000 m3(CO+H2)。

2.4 中煤平朔劣質煤綜合利用示范項目

中煤平朔劣質煤綜合利用示范項目位于山西省朔州市平魯北坪循環經濟園區，項目以平朔“四高一中低”的劣質煤為原料，年產30萬t合成氨、40萬t硝酸銨，并副產液化天然氣。項目配套的生產裝置的規模是：1套30萬t/a合成氨裝置，2套18萬t/a的硝酸裝置、2套20萬t/a硝酸銨裝置，配套鍋爐、空分、供電、水處理、倉庫、行政辦公樓等公共輔助工程。

其中，氣化裝置采用魯奇爐氣化技術，由6套單獨的氣化爐(包括加煤、廢熱鍋爐和排灰)和1套公用的煤鎖氣洗滌設備與開車氣的設備組成。氣化爐按照4開1備1檢修設置。

2.5 中煤龍化25萬t/a甲醇項目

中煤龍化公司下屬化工公司于1990年開工建設，1993年4萬t/a甲醇投產。2007年擴建25萬t/a甲醇項目，2008年投產。目前，該項目按照國家和中煤集團去產能政策已經停產。

其中，氣化裝置為民主德國PKM加壓氣化技術，5臺氣化爐。單臺爐設計壓力3.0 MPa，設計生產能力35 000 m3/h，氧負荷6 000 m3/h。

中煤集團煤化工企業所有的氣化工藝列于表2。

表2 中煤集團煤化工企業氣化工藝

注：表中固定碳、灰分、揮發分全為干基。

3 中煤集團氣化發展思路

3.1 現有氣化爐管理

由于粗煤氣的量及質直接影響到后續工藝處理，因此氣化爐的安全平穩運行需要煤化工企業從幾方面重點考慮。

3.1.1 責任機制

中煤集團各煤化工企業普遍采用企業領導班子成員包片負責各個主要裝置，車間主任負責日常工作的機制，既體現了企業及領導對各裝置單元的重視，又增強了相互協同合作的能力。氣化作為龍頭，一般都由工藝骨干負責管理。

3.1.2 原料煤管理

氣化爐能否穩定運行，所采用的原料煤起到重要作用。對于煤化工企業來說，首先要做好原料煤的采購供應工作。量上既要滿足平時生產運營的量，又要做好大修期間或特殊天氣庫存準備，質上要盡量保持煤質的穩定性；其次要做好煤質和排渣分析工作，主要分析項目為水分、灰分、揮發分、固定碳、發熱量、灰渣產量、殘炭分析等。通過分析把好原料關。

3.1.3 生產過程管理

在生產過程中，操作人員按照操作規程、工藝手冊，通過摸索確定適合的氣化劑、溫度、壓力等一系列工藝參數，并進一步修訂完善操作規程，保證裝置穩定運行。另外，要高度重視大修工作，必須提前做好大修方案和物資、人員、零配件儲備工作，以保證裝置大修的高效性。

3.1.4 人員管理

煤化工企業一方面要通過“傳幫帶”等培養方式，傳授經驗，幫助新員工成長。另一方面也要關懷員工的工作和生活，使員工以企業為榮，以企業為家，有效減少人才流失。

3.2 后續項目氣化方式選擇

中煤集團后續煤化工項目的建設大多也包括煤氣化裝置，因此煤氣化方式的選擇尤其重要。

3.2.1 煤種適用性

煤種、煤質是選擇氣化爐的核心。一種氣化爐只能適宜使用一種或幾種煤，粘溫特性好、低灰熔點的煤適用水煤漿氣化，高灰熔點煤用于粉煤氣化，熱穩定性好的塊煤適宜魯奇爐、BGL爐。氣化爐盡量用好煤(水分、灰分都對氣化不利)，有利于氣化爐的穩定運行。因此，做好原料煤煤質分析，試燒對氣化爐選擇有重要意義。

3.2.2 產品適應性

因為氣化溫度、壓力的差異，不同的煤氣化技術所生產的粗煤氣成分也不同。魯奇爐、BGL爐等固定床氣化，其粗煤氣組分中甲烷含量高，往往將CH4提取出來作為副產品，該氣化工藝多用于城市煤氣—聯產化工產品。水煤漿氣化工藝可用于大型合成氨、甲醇等工藝氣的制造。另外，新建煤化工項目選用氣化技術時要考慮生產規模與氣化裝置能力的匹配情況，避免“大馬拉小車”或氣源不足現象發生。

3.2.3 與現有系統匹配性

中煤集團現有煤化工布局已經基本完成，新建煤化工項目往往是現有項目的擴建，與現有系統及現有人員的操作習慣配套需要重點考慮。如：中煤鄂能化公司二期建設100萬t/a甲醇項目，繼續采用BGL煤氣化技術，既方便了管理也節約了投資。

3.2.4 裝置可靠性和操作性

中煤集團選擇的煤氣化技術都是成熟可靠的，能滿足“安、穩、長、滿、優”的運行要求。對于企業及操作人員來說，裝置操作要方便，氣化裝置開停車、調負荷要快捷簡便。另外，儀表自控程度、設備維修量也是需要考慮的范疇。儀表自控水平要高，能確保安全。設備維修工作量要盡量小，利于長周期穩定運行。

3.2.5 經濟效益原則

實現利潤最大化是企業的目標，中煤集團選擇煤氣化技術應從使用原料消耗、單價、能耗等方面綜合考慮運行成本。另外，還需對同規模氣化裝置的總投資進行經濟評價，力爭做到投資省，運行成本低。

3.2.6 綠色環保原則

隨著國家對環保要求越來越嚴格，中煤集團所選擇的煤氣化技術要按照可持續發展、綠色環保的原則，滿足國家和地方政府的環保要求。

4 結 語

本文通過論述煤氣化技術、中煤集團煤化工企業氣化應用現狀，探討了中煤集團煤氣化發展思路：現有氣化爐管理，要從責任機制、原料煤管理、生產過程管理、人員管理等方面加強管理；后續煤化工項目氣化方式選擇要按照煤種適應性、產品適應性、與現有系統匹配性、裝置可靠性和操作性、經濟效益原則、綠色環保原則。