神華褐煤深加工利用氣化技術(shù)選擇的思考

蔣立翔

（1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.神華集團(tuán)煤制油有限公司化工部，北京市東城區(qū)，100011）

1 引言

在我國，褐煤查明資源儲量1334.69億t，占全國煤炭資源總量的13.07%，主要分布區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古東北部，占75%，西南地區(qū)占20%；其它地區(qū)占5%左右。過去人們對褐煤的開發(fā)利用不夠充分，隨著資源貧瘠化與環(huán)保壓力不斷加大，充分、有效、合理、潔凈地利用褐煤已是業(yè)界的共識。神華集團(tuán)擁有褐煤資源量數(shù)十億噸，高質(zhì)量高效益地利用好褐煤資源對集團(tuán)可持續(xù)發(fā)展無疑具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

由于褐煤是煤化程度最低的煤種，是泥炭沉積后經(jīng)脫水、壓實(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)生物巖的初期產(chǎn)物，含有較高的內(nèi)在水分 （Mt≈30%～50%，Minh≈10%～30%）和不同數(shù)量的腐植酸 （3%～68%，daf），發(fā)熱量低 （Qnet，v，ar一般為11.71～16.73 MJ／kg），揮發(fā)分高 （37%～58%，daf），固定碳含量低，熱穩(wěn)定性差，反應(yīng)活性好，機(jī)械強(qiáng)度低，灰熔點(diǎn)低，煤質(zhì)不穩(wěn)定，易風(fēng)化自燃，不易長途運(yùn)輸。故其加工利用是世界性難題。

要實(shí)現(xiàn)褐煤的資源化利用制取煤基化學(xué)品、液體燃料、IGCC、氫氣等，選擇合適的氣化技術(shù)是關(guān)鍵，因?yàn)闅饣夹g(shù)是上述過程的龍頭技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，而各種煤氣化技術(shù)均有其相應(yīng)的特點(diǎn)和使用范圍，針對褐煤氣化技術(shù)的選擇，應(yīng)盡力做到 “因煤質(zhì)制宜、因產(chǎn)品制宜、因規(guī)模制宜、因經(jīng)濟(jì)效益制宜”等各因素的平衡。本文將結(jié)合神華褐煤的煤質(zhì)特點(diǎn)，談一些褐煤氣化技術(shù)選擇方面的膚淺認(rèn)識。

2 神華褐煤煤質(zhì)特點(diǎn)

由于神華褐煤煤礦區(qū)域分布分散，煤質(zhì)變化較大，此文以較有代表性的寶日希勒煤礦煤質(zhì)為論述重點(diǎn)。寶日希勒礦區(qū)煤類單一，均為褐煤，顏色為深褐與黑褐色，條痕為棕色；光澤多為暗淡的瀝青光澤或無光澤；構(gòu)造多為層狀及塊狀、致密、堅(jiān)硬、性脆，少量呈片狀及粉狀，質(zhì)較松軟，呈均一結(jié)構(gòu)及條帶狀結(jié)構(gòu)，有時(shí)為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，偶而可見清晰的植物年輪，少量呈透鏡狀和纖維狀結(jié)構(gòu)；斷口多為貝殼狀及參差狀，外生裂隙發(fā)育；比重在1.54～1.69之間，平均為1.61。煤巖組成較單一，主要為木煤絲炭質(zhì)暗亮煤，各煤層煤巖組成變化不大，其沉積環(huán)境屬于弱氧化-弱還原環(huán)境。

寶日希勒褐煤原煤水分 （Mad）平均值在12.36%～15.32%之間，各煤層的灰分 （Ad）平均值在12.81%～15.27%之間，各煤層的揮發(fā)分（Vdaf）平均值在40.75%～43.57%之間，各煤層的發(fā)熱量 （Qb，ad）平均值在20.32～21.94MJ／kg之間，各煤層的透光率 （PM）平均值在33～44之間。由以上數(shù)據(jù)分析得知，寶日希勒褐煤根據(jù)中國煤炭分類 （GB 5751-86）屬于褐煤二號 （HM2）。

寶日希勒褐煤工藝性質(zhì)方面，各煤層灰熔融性軟化溫度（T2）平均值在1130～1214℃之間，屬低熔灰煤；燃點(diǎn)為280～329℃，平均是309℃，屬易于自燃煤，自燃期3～6個(gè)月；低溫干溜焦油回收率是1.91%～6.76%，平均為5.6%，屬于含油煤。

寶日希勒褐煤有害元素方面，各煤層的全硫（St，d）平均值在0.13%～0.26%之間，屬特低硫煤；各煤層的磷含量 （Pd）平均值在0.006%～0.018%之間，為低磷-特低磷煤；砷含量平均為0.00031%，小于8.0μg／g；氯含量為0.008%～0.032%，平均為0.019%，危害性不大。

寶日希勒褐煤可選性方面，本區(qū)多為動力用煤。假定精煤灰分為10%時(shí)，由可選性曲線得知分選比重為1.31～1.34，±0.1 含量為57.5%～66.4%，平均為61.5%，屬極難選煤。

寶日希勒褐煤煤質(zhì)數(shù)據(jù) （煤層平均值）如下：

（1）工業(yè)分析。

Mt為35.4% ，Mad為13.28% ，Ad為14.53%，Vdaf為42.16%

（2）元素分析 （w）。

Cad為59.92%，Had為3.76%，Oad為16.88%，Nad為0.72% ，St，ad為0.41%，Clad為0.005%

（3）發(fā) 熱 量Qgr，v，ar為16.49 MJ／kg，Qnet，v，ar15.11 MJ／kg。

（4）哈氏可磨指數(shù)HGI為77。

（5）灰熔點(diǎn)。變形 （T1）DT 為1140℃，軟化（T2）ST 為1150℃，半球HT1160℃，流動 （T3）FT 1170℃。

（6）灰 組 成。SiO2為44.44%，Al2O3為12.19%，F(xiàn)e2O3為16.50%，CaO 為14.97%，MgO 為2.34%，Na2O 為1.13%，K2O 為1.78%，TiO2為1.14%，MnO2為0.016%。

（7）Asad為5μg／g。

（8）顯微組分含量。凝膠化組分為47.6%，絲炭化組分42.6%，穩(wěn)定組分1.1%，無機(jī)組分9.0%。

（9）堆密度0.79t／m3。

（10）比重1.61t／m3。

（11）透光率PM為33～44。

寶日希勒褐煤篩分組成如下：

＞25mm 為1.91%，13～25mm 11.03%，6～13 mm 18.32%，3～6 mm 20.89%，1～3mm 20%，40目-1mm 11.28%，200-80目3.31%，＜200目1.06%。

3 神華褐煤不同氣化技術(shù)適應(yīng)性分析

3.1 當(dāng)前典型的煤氣化技術(shù)

按原料煤和氣化劑在氣化爐內(nèi)的流體力學(xué)狀態(tài)或氣固接觸方式，氣化爐型分為三大類，即固定床、流化床和氣流床。

固定床氣化爐內(nèi)原料層相對穩(wěn)定或隨原料的消耗緩慢向下移動，固體原料從氣化爐頂加入，灰渣從氣化爐底排出，氣化劑由爐底通過爐柵 （爐篦）送入爐內(nèi)，生成的煤氣由爐頂導(dǎo)出。固定床爐內(nèi)料層自下而上可分為灰渣層、燃燒層、還原層、干餾層和干燥層。目前加壓移動床氣化爐主要有魯奇爐和熔渣魯奇氣化爐 （BGL爐）。

氣流床氣化爐是當(dāng)今煤化工應(yīng)用最普遍的氣化爐，它是氣化劑 （蒸汽與氧氣）將煤粉 （或煤漿）夾帶入氣化爐，在高溫下進(jìn)行并流氣化反應(yīng)的過程。在氣流床爐內(nèi)，煤粉和氣化劑均勻混合，瞬間著火反應(yīng)，溫度高達(dá)2000℃。高溫下，煤干餾產(chǎn)物迅速分解，因而產(chǎn)物中CH4含量很低。為了提高反應(yīng)的傳質(zhì)效率，反應(yīng)煤粉通常磨的較細(xì)，如70%小于200目。目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的氣流床主要有GSP 爐、對置多噴嘴水煤漿氣化爐、Shell爐、GE水煤漿爐、清華爐、多元料漿爐等。

流化床氣化是指氣化劑流速增加到使全部顆粒恰好懸浮在向上流動的氣體中，此時(shí)顆粒與流體之間的摩擦力與其重力相平衡，這時(shí)床層開始流化，流化床就是床層處于流態(tài)化條件下的氣化方法。常見的流化床氣化爐有高溫溫克勒 （HTW）爐、U-gas氣化爐、TRIG 氣化爐及國內(nèi)的恩德爐和ICC （山西煤化所灰融聚）氣化爐等。由于恩德爐和ICC氣化爐是常壓氣化爐，生產(chǎn)能力受到限制，HTW 爐應(yīng)用不多。

3.2 神華褐煤選用固定床氣化技術(shù)可行性分析

對于固定床氣化爐，魯奇 （Lurgi）爐要求褐煤入爐粒度為6～40mm，小于6mm 的細(xì)粒煤控制在5%以內(nèi)，神華褐煤大于6mm 占全粒度的31.3%；水分方面魯奇爐要求較寬，但水分過高易使褐煤熱碎嚴(yán)重、氧耗增加、生產(chǎn)能力下降、凈化和污水處理難度加大，故一般要求入爐水分控制在20%內(nèi)；要求人爐煤有較好的熱穩(wěn)定性和較高的抗碎強(qiáng)度，否則容易碎裂成小塊或煤粉，增加爐內(nèi)阻力，降低氣化效率，使煤氣中未反應(yīng)煤粉的帶出量增多，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至可能造成停爐事故；灰熔融性方面，通常要求ST＞1200℃。

相比魯奇爐，BGL 爐有不少優(yōu)點(diǎn)：氣化強(qiáng)度高，氣化能力是魯奇爐的3～4倍；碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率高；水蒸汽消耗小，廢水排放約為魯奇爐的1／4；粗煤氣中CO 含量大幅增加，CO2含量由30%降至3%～5%，CH4減少；可將部分小于6 mm 的粉煤噴吹進(jìn)氣化爐，自產(chǎn)的廢水可部分噴吹回爐。

針對神華褐煤煤質(zhì)，筆者認(rèn)為將原煤經(jīng)篩分后粒度＞6 mm 的褐煤，選用BGL 較為合適，操作壓力2～3 MPa，溫度為1400～1600℃。神華褐煤的軟化溫度 （ST）為1150℃，適合BGL 液態(tài)排渣。2012年中煤鄂爾多斯能源化工有限公司圖克200萬t／年合成氨化肥項(xiàng)目就選用該爐型。BGL爐是在魯奇爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，除排渣方式不同外，其余基本與魯奇爐一樣。目前世界上有超過170臺魯奇爐在運(yùn)行，國內(nèi)也有超過30 臺運(yùn)行。通過借鑒魯奇經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)BGL 爐的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)該沒有大的障礙。

3.3 神華褐煤選用氣流床氣化技術(shù)可行性分析

對于神華褐煤，筆者不贊成選用濕法氣化技術(shù)。由于褐煤內(nèi)水含量高，孔隙發(fā)達(dá)，成漿性能差。相同濃度的煤漿其流動性、穩(wěn)定性較煙煤差，而且磨煤時(shí)易溢漿，添加劑選擇余地小、消耗大，加之褐煤固定碳含量和發(fā)熱量低，不僅煤耗高，而且水分蒸發(fā)消耗大量熱量，氣化爐內(nèi)熱量難以平衡。一般未經(jīng)改質(zhì)的褐煤，制漿濃度一般也只能達(dá)到40%多，達(dá)不到一般入爐濃度60%的要求。對于褐煤提質(zhì)后再制漿，筆者同樣也不看好，因?yàn)槿绻粚置簻\度蒸發(fā)脫水，即使將其脫水到只含水2%～10% （包括脫除了部分內(nèi)水），但在制漿時(shí)仍會發(fā)生水分的復(fù)吸，導(dǎo)致無法制得高濃度煤漿；而如果是深度提質(zhì)脫水，則經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保壓力、自燃、粉化、工程放大等一系列問題會非常突出。

對于褐煤干煤粉氣化，筆者更傾向于選擇GSP爐，該爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，即所謂的 “以渣抗渣”結(jié)構(gòu)，由于不需要耐火磚絕熱層，而且爐內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動設(shè)備，可以長周期運(yùn)行。燒嘴火焰溫度約為1800～2200℃，平均停留時(shí)間約10s，反應(yīng)速率高，因而氣化裝置的生產(chǎn)能力大，有效氣體含量高達(dá)91%以上，碳轉(zhuǎn)化率為99%。GSP 供料系統(tǒng)采用400kg／m3惰性氣體密相氣流輸送，氣化爐點(diǎn)火升溫迅速，負(fù)荷彈性50%～110%，氣化爐設(shè)有專門的點(diǎn)火燒嘴，采用電點(diǎn)火，該燒嘴在正常操作時(shí)以低負(fù)荷保持點(diǎn)燃狀態(tài)，所用燃料為氣化爐自產(chǎn)的煤氣。采用激冷流程，高溫煤氣在激冷室上部用若干水噴頭將煤氣激冷至200℃左右，然后用文丘里除塵器將煤氣含塵量降低到1mg／m3以下。這種工藝技術(shù)簡單，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用較低，除燒嘴和水冷壁、部分閥門、特殊儀表外絕大部分設(shè)備可采用國產(chǎn)化。

當(dāng)然，GSP 爐也有缺點(diǎn)或不完善的地方，根據(jù)在寧煤運(yùn)行的5臺氣化爐情況，主要有：煤粉加壓輸送過程復(fù)雜，邏輯控制太多，輸送過程易發(fā)生堵塞，造成氣化爐跳車；氣化爐激冷室采用噴嘴進(jìn)行激冷降溫除灰渣，在實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)榧?xì)灰含量大，氣化爐激冷室的除渣效果不好，激冷室出口合成氣帶灰渣量較大，造成文丘里洗滌系統(tǒng)洗滌分離后洗滌水中固體含量高，導(dǎo)致排液管線堵塞、閥門磨損、同時(shí)未經(jīng)過水浴洗滌的合成氣含灰量高導(dǎo)致變換系統(tǒng)粗合成氣加熱器、變換保護(hù)床頻繁堵塞，系統(tǒng)停車等一系列問題；GSP 氣化技術(shù)沒有成熟的黑水處理技術(shù)支持，循環(huán)水、蒸汽消耗大，水耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。這些問題都需要今后不斷改進(jìn)完善。

Shell爐優(yōu)點(diǎn)與GSP 相近，但Shell爐也有很多缺點(diǎn)與不足，主要表現(xiàn)在：由于是廢鍋型，整個(gè)爐子造價(jià)較GSP 高近1／3；煤氣的冷激問題，shell爐子上升氣體溫度大約在1400℃以上，其中夾帶著20%～30%的飛灰，若這些飛灰被煤氣帶到氣化爐頂部會在頂部過熱器上結(jié)成大塊，使氣化爐頂部阻力大無法繼續(xù)運(yùn)行，冷卻氣體中夾帶的飛灰則易磨損或堵塞管道；Shell爐采用陶瓷干法除塵，設(shè)備內(nèi)部有500多根過濾管，陶瓷管內(nèi)高壓氣反吹易使其斷裂，合成氣中飛灰含量遠(yuǎn)大于0.0001%，直接影響到激冷氣循環(huán)壓縮機(jī)的運(yùn)行和耐硫變換催化劑使用壽命。

3.4 神華褐煤選用流化床氣化技術(shù)可行性分析

對于褐煤選用流化床氣化爐，有很多優(yōu)勢：流化床直接利用細(xì)粒煤 （0～6 mm 或0～10 mm），不用加工成型煤，只需去除掉部分外水，降低了備煤成本；流化床爐內(nèi)物料分布均勻，傳熱傳質(zhì)效果好；爐內(nèi)操作溫度可以裂解大部分焦油、酚類等高烴類物質(zhì)。當(dāng)然，流化床氣化爐也有缺點(diǎn)，集中表現(xiàn)在：出渣和飛灰含碳量高，即所謂 “上吐下瀉”；由于操作溫度不是太高，故更適合于灰熔融性溫度高的煤，夾帶較多煤塵的高溫煤氣余溫利用較難等等。

針對U-Gas爐和TRIG 爐，筆者更傾向于后者，因?yàn)閁-Gas爐有其致命的缺點(diǎn)。U-Gas爐設(shè)計(jì)成灰融聚排渣的目的，是在均勻的流化床內(nèi)造成局部不均勻區(qū)，利用成球排灰，降低了灰渣含碳量，但這種灰融聚技術(shù)實(shí)際是在灰的軟化點(diǎn)附近的臨界溫度上運(yùn)行，即所謂 “成球排灰之時(shí)，也是氣化爐將全面結(jié)死之刻”，操作溫度范圍很窄。這也就是目前國內(nèi)的山東和河南U-Gas爐不能正常運(yùn)行的癥結(jié)所在。

TGIG 氣化爐是美國KBR 公司在流化催化裂化技術(shù) （FCC）基礎(chǔ)上開發(fā)而成，擁有以下技術(shù)特點(diǎn)：粉煤進(jìn)料，水分可高達(dá)20%，氣化壓力3.4～4 MPa，單爐最大處理量達(dá)5000t／d，固態(tài)排渣，空氣氣化，無制氧裝置，合成氣余熱回收，無激冷，無黑水?？梢?，針對神華褐煤，TRIG 爐是一種非常值得進(jìn)一步探討的爐型。當(dāng)然，TRIG 爐也存在一些問題與風(fēng)險(xiǎn)：大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚無成功經(jīng)驗(yàn)，只進(jìn)行了中試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；純氧氣化尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，只開發(fā)了空氣氣化工藝。盡管存在上述風(fēng)險(xiǎn)，但筆者認(rèn)為TRIG 爐應(yīng)用于神華褐煤氣化，其風(fēng)險(xiǎn)是總體可控的，應(yīng)積極探索實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

通過對神華褐煤煤質(zhì)分析和不同氣化爐爐型的比較，筆者認(rèn)為利用神華褐煤制取化工品氣化工藝的選擇可以考慮如下兩條路線。

一是將原煤過6mm 篩，篩上+6mm 粉料采用BGL 氣化爐氣化，-6 mm 細(xì)煤粉經(jīng)過工廠富余中低壓蒸汽干燥，磨細(xì)至0.25～0.5mm 后采用GSP爐氣化，后續(xù)煤氣凈化、污水處理等可以耦合考慮。此方案的優(yōu)點(diǎn)是大幅度降低了磨煤能耗，顯著提高了原煤直接入爐利用率；BGL 爐產(chǎn)生的約6%CH4可以為GSP 爐點(diǎn)火燒嘴 （長明燈）使用，這樣既解決了BGL 爐的所產(chǎn)CH4的去處問題，也實(shí)現(xiàn)了CH4的資源化利用 （在GSP 爐里氣化得合成氣）；最大限度地減排了含酚污水 （BGL爐排含酚廢水量是魯奇爐的1／3～1／4），為污水處理減輕壓力；最大限度的降低了蒸汽用量 （對低灰熔點(diǎn)的煤，BGL 蒸汽耗量比魯奇爐少7～8 倍）；整體投資合理，工藝技術(shù)成熟可靠，風(fēng)險(xiǎn)可控。

二是將原煤過6mm 篩，篩上+6mm 粉料采用BGL 氣化爐氣化，-6 mm 細(xì)煤粉經(jīng)過工廠富余中低壓蒸汽干燥，磨細(xì)至0.3～0.5 mm 后采用TRIG 爐氣化，后續(xù)煤氣凈化、污水處理等可以耦合考慮。此方案的優(yōu)點(diǎn)是大幅度降低了磨煤能耗，顯著提高了原煤直接入爐利用率；將TRIG 氣化所產(chǎn)的富H2合成氣與BGL氣化所含的富CO 合成氣耦合利用，減少后續(xù)變換裝置的投資；由于TRIG氣化無激冷，無黑水，最大限度地減少了污水處理負(fù)荷。當(dāng)然，由于TRIG 氣化技術(shù)存在前述的空氣氣化、大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)等不足，此方案實(shí)施也應(yīng)該更謹(jǐn)慎些，做足前期的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作是控制風(fēng)險(xiǎn)的前提條件。

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