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）

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

1 煤氣化工藝的介紹

按照氣化爐的物料流動方式來劃分，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30年代至今的發(fā)展經(jīng)歷大概可以分為四個階段：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70年代，魯奇公司在第二代氣化爐的基礎(chǔ)上加以改進，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 中國引進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)上將其升級設(shè)計為MK+氣化技術(shù)，在硬件上做了如下改進：氣化爐高度由12.5m增至17m,外徑由4.13m擴至5.05m，同時創(chuàng)新性地將氣化爐設(shè)計壓力提升到6.0MPa（操作壓力5.0MPa），不僅使單爐生產(chǎn)能力達到10萬Nm3/h，同時粗煤氣的質(zhì)量指標實現(xiàn)了提升，氧耗和蒸汽耗也有一定程度的下降，為大型煤化工項目的技術(shù)選擇又開辟了一個途徑（表2）。

1.2 國產(chǎn)碎煤加壓氣化技術(shù)

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

表3 國產(chǎn)碎煤加壓氣化主要業(yè)績

續(xù)表3國產(chǎn)碎煤加壓氣化主要業(yè)績

近年在煤制氣示范項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)計成熟、運行穩(wěn)定和建設(shè)周期短的特點，部分企業(yè)全系統(tǒng)在線率可達到360天，單爐在線率也可實現(xiàn)80%以上。由于操作溫度相對較低，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)，對下游的水處理要求較高，環(huán)保排放的壓力也相對較大。

2 項目煤質(zhì)情況和煤氣化工藝分析

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

通過對項目煤質(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，太低對氣化爐運行的經(jīng)濟性有影響。煤科總院對本項目煤的成漿性進行了試驗，平均可達64%，采用級配工藝后可達到67%，可滿足制漿濃度要求。但由于灰熔點太高，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降至要求值。按此計算，每標方有效氣將增加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，僅從運行的經(jīng)濟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，對煤種有相對較寬的適應(yīng)性。要求入爐煤灰熔點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)排渣工藝無法正常進行。其主要原因是硅鋁比（0.7）太低，熔渣過程中形成大量莫來石所致。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?；诋?dāng)?shù)刂苓吤悍N資源所限不具備大規(guī)模配煤的條件，實際操作難度較大。

表4 項目煤質(zhì)分析

另外從經(jīng)濟運行角度分析，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。按當(dāng)?shù)毓梦锪蟽r格計算，有效氣成本原煤約占44%，氧占14%。由于較高的灰熔點需要摻配大量助熔劑，煤耗和氧耗都會出現(xiàn)較大的上升。如按單煤種配加10%助熔劑計算，實物煤耗將突破650Kg/Nm3，氧耗也會上升至390Nm3/Nm3有效氣，每標方有效氣增加成本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)的一個新秀，它以高產(chǎn)能高效率和環(huán)境友好的優(yōu)點明顯超越了傳統(tǒng)的魯奇氣化工藝。但對于本項目煤種，液態(tài)排渣不暢和大量助熔劑添加的不經(jīng)濟問題，同樣很難逾越。

綜上所述液態(tài)排渣工藝在目前的煤質(zhì)情況下存在工藝運行不確定性和經(jīng)濟性風(fēng)險較大不宜采用。對該煤的特點對碎煤加壓氣化工藝倒是一種優(yōu)質(zhì)原料。首先特高灰熔點的特性可使氣化溫度達到1400℃以上，比同類項目操作溫度高200℃，可有效提高蒸汽分解率，降低中壓蒸汽消耗，更重要的是可減少廢水產(chǎn)量。其次該煤良好的活性可在一定程度上彌補碎煤加壓碳轉(zhuǎn)化率不高的工藝不足，灰渣返炭指標有望達到2%以下，同時該工藝特有的高甲烷特點也可大大降低后序合成的投資和運行費用。最后煤中近7%的含油量可得到充分利用，對副產(chǎn)品中焦油，中油，石腦油進一步提純加氫，將有效提高煤制氣項目的經(jīng)濟效益?？紤]到本項目煤礦粉煤的產(chǎn)率相對較低，項目配置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相對較適宜的工藝路線。

如何實現(xiàn)高灰熔點和高粘溫特性煤的高效利用，在業(yè)內(nèi)也是一個難題。一些研發(fā)部門做了大量的試驗和工業(yè)化嘗試，通過爐內(nèi)溫度場和氣流場的調(diào)整，部分液態(tài)排渣爐型對該類煤的適應(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)過多次試驗也找到一種復(fù)合助劑，在不配煤的前提下添加2%即可達到相關(guān)工藝要求，但受本地該助熔資源的限制還無法達到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

對此種煤的穩(wěn)定高效使用，筆者認為可從以下幾個方面著手，首先尋找可配強的煤對其進行調(diào)質(zhì)處理，實現(xiàn)元素的初步達標；其次根據(jù)元素平衡情況和粘溫實驗結(jié)果，輔配常規(guī)助劑或復(fù)合助劑達到基本可用；在此基礎(chǔ)上可選擇排渣適應(yīng)性較好的爐型最終實現(xiàn)煤的可用性。

3 碎煤加壓氣化對煤質(zhì)要求

目前國內(nèi)運行的煤制天然氣項目幾乎全部采用國產(chǎn)碎煤加壓?4.0m爐型，整體運行情況并不理想，主要問題為氣化爐夾套腐蝕、單爐負荷低和系統(tǒng)負荷受限酚氨水裝置等。碎煤加壓氣化工藝本身并沒有太大問題，只是原料煤與氣化爐的設(shè)計在些方面不適應(yīng)，主要原因為項目初期對煤種沒有進行全面分析，未在工程設(shè)計中增加有效措施進行相應(yīng)的風(fēng)險規(guī)避。

碎煤加壓氣化對煤質(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，而且要求在整個反應(yīng)過程無明顯結(jié)渣且粉化少，對應(yīng)于機械強度、結(jié)渣性和熱穩(wěn)定性指標要達標；其次氣化操作溫度要求在煤軟化溫度(T2)下50℃操作，這個溫度下的反應(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時需考慮破粘裝置，由于氣化爐內(nèi)部高溫機械變形和密封問題，對大型氣化爐在設(shè)計上不建議采用破粘裝置。以下是筆者總結(jié)碎煤加壓氣化爐對煤質(zhì)的基本要求指標（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

做為一個大型煤制氣項目，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)以實現(xiàn)煤氣化裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”為目的，并且全面深入分析原料煤物化性質(zhì)，堅持以煤定爐的基本原則，同時結(jié)合塊粉比例和產(chǎn)品對原料氣的需求特點進行綜合確定。

從當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)各項分析成本看，煤種的高灰熔點，高反應(yīng)活性以及良好的機械強度和較好的熱穩(wěn)定，是碎煤加壓氣化工藝理想的原料，另外煤種中等的含油量也可使項目的經(jīng)濟效益得到進一步的提升。因此對于該煤種應(yīng)優(yōu)選碎煤加壓氣化工藝，盡管其在技術(shù)先進性方面與粉煤和水煤漿工藝稍遜一籌，但是作為一個大型坑口煤化工企業(yè)，能夠嚴格遵守以煤定爐原則，使煤和氣化爐兩者互為補充，揚長避短，為將來的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。同時通過創(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，降低進入酚氨水的含油含塵量，提高廢水處理裝置效率，最終實現(xiàn)碎煤加壓氣化工藝的一個全新局面和良好的社會和環(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，長期從事煤氣化的技術(shù)和管理工作