煤炭地下氣化與魯奇氣化的差異性分析

路江鴻

(新奧科技發(fā)展有限公司，河北 廊坊 065001)

煤炭地下氣化與魯奇氣化的差異性分析

路江鴻

(新奧科技發(fā)展有限公司，河北 廊坊 065001)

從廠址和原料煤來(lái)源選擇、原料煤質(zhì)選擇、氣化工藝、粗煤氣成分、環(huán)境保護(hù)、氣化爐壽命、投資和效益等方面比較了地下氣化和魯奇氣化的差異，分析了這些差異產(chǎn)生的原因，探討了各自的工業(yè)化應(yīng)用范圍。

煤炭地下氣化;魯奇氣化;差異性

引言

煤炭地下氣化的設(shè)想，由俄國(guó)著名化學(xué)家門(mén)捷列夫1888年提出。他認(rèn)為，采煤的目的應(yīng)當(dāng)說(shuō)是提取煤中含能的成分，而不是采煤本身，并指出了實(shí)現(xiàn)煤炭氣化工業(yè)化的基本途徑。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，美國(guó)、原蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國(guó)均大力投入這一領(lǐng)域的技術(shù)研究，取得了大量的科研成果。我國(guó)自1958年開(kāi)始進(jìn)行自然條件下煤炭地下氣化研究，并從1980年開(kāi)始，先后在徐州、陽(yáng)泉、山東新汶等10余個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了地下氣化從試驗(yàn)到工業(yè)化的應(yīng)用。

煤炭地下氣化是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制地燃燒并通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程，是一項(xiàng)集建井、采煤、氣化工藝為一體的多學(xué)科開(kāi)發(fā)潔凈能源與化工原料的新技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是，只提取煤中含能組分，變物理采煤為化學(xué)采煤，具有安全性好、投資少、效率高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為第2代采煤方法。

煤炭地下氣化技術(shù)不僅可以回收礦井遺棄的煤炭資源，而且可以用于開(kāi)采井工難以開(kāi)采或開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性、安全性較差的薄煤層，深部煤層，“三下”壓煤和高硫、高灰、高瓦斯煤層。地下氣化煤氣不僅可作為燃?xì)庵苯用裼煤桶l(fā)電，而且可以用于提取純氫或作為合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料氣。因此，煤炭地下氣化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，可提高煤炭資源的利用率和利用水平，是我國(guó)潔凈煤技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。

煤炭的地下氣化雖然在中國(guó)已有30多年的發(fā)展歷史，但整體進(jìn)展情況不佳，不論是技術(shù)上還是工程上都有一系列未解決的問(wèn)題。和地上的各種氣化技術(shù)相比，僅粗煤氣成分上就有較大的差距。而煤氣成分的優(yōu)劣是項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性最直接的因素。本文選取和地下氣化工藝技術(shù)最相近的魯奇爐氣化來(lái)分析他們的差異性。

1 廠址和原料煤來(lái)源選擇的差異

原則上講，魯奇爐氣化項(xiàng)目的廠址選擇在任何一個(gè)地方都可以，主要取決于當(dāng)?shù)卦厦旱墓?yīng)情況;地下氣化由于其特殊性，在選擇的時(shí)候主要取決于建設(shè)地的煤炭、地質(zhì)、地下水等情況。同時(shí)，由于地下氣化只能氣化井工難以開(kāi)采或開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性、安全性較差的薄煤層，深部煤層，“三下”壓煤和高硫、高灰、高瓦斯煤層，所以極大地限制了地下氣化技術(shù)的發(fā)展。就目前中國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)存情況看，只能在內(nèi)蒙古、云南、東北地區(qū)等局部地方使用。

所以，從應(yīng)用區(qū)域的靈活性上來(lái)講，魯奇爐優(yōu)于地下氣化。

2 原料煤質(zhì)選擇的差異

各種氣化方式都有其長(zhǎng)處和短處。魯奇爐氣化和地下氣化對(duì)原料煤的要求基本上是一致的，它們對(duì)除無(wú)煙煤和不黏結(jié)煙煤之外的所有煤種都適用，都要求原料煤中有一定的揮發(fā)分(10%)。其差異表現(xiàn)在，魯奇爐要求原料煤的粒度在15 mm～50 mm;地下氣化則對(duì)原料煤的粒度無(wú)要求，但對(duì)煤炭地下的地質(zhì)、水文情況要求較多。

原料煤的粒度可以通過(guò)地上機(jī)械選配，而地下的地質(zhì)、水文情況只能根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇。對(duì)于地質(zhì)、水文條件特別復(fù)雜的儲(chǔ)煤地區(qū)，地下氣化也是解決不了的。

3 氣化工藝上的差異

魯奇氣化是一種相對(duì)成熟的地上氣化方式，其氣化爐是一個(gè)相對(duì)絕熱、容積確定的金屬筒體，所有的反應(yīng)均在其中完成，系統(tǒng)的物料和熱量平衡較易達(dá)成，熱量的損失較小。地下氣化的氣化爐是一個(gè)空間不確定、變化的空間通道，同時(shí)通道外層的煤炭、煤層中蘊(yùn)含的地下水以及地下水的靜壓頭對(duì)系統(tǒng)的影響較大，物料衡算是模糊的，熱量的損失也很大。實(shí)際上，這是造成地下氣化效率較低的重要原因。

3.1 操作溫度的差異

魯奇爐氣化的操作溫度對(duì)于同一煤種相對(duì)穩(wěn)定。一般情況下，下層溫度，即氧化層溫度，約1 100℃，上端干燥層溫度為500℃ ～550℃。氧化層、還原層、干餾層、干燥層由下至上層次清楚，極大地體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的意圖，將原料煤中的有效組分極大地取出，各層次功能充分地發(fā)揮出來(lái)。

地下氣化的操作溫度是不穩(wěn)定的。特別是在氣化通道構(gòu)建貫通、通道氣化及氣化后期，由于內(nèi)部空間的不斷擴(kuò)大和系統(tǒng)熱量的損失，一直是一個(gè)隨氣化劑量不斷增大的穩(wěn)定、衰竭、增長(zhǎng)、再穩(wěn)定、再衰竭、再增長(zhǎng)的循環(huán)過(guò)程，整個(gè)氣化過(guò)程在不斷變化的過(guò)程中。溫度的變化將直接影響氣化的效果。

3.2 操作壓力的差異

目前，魯奇爐氣化的壓力基本上是3.0 MPa。雖然根據(jù)項(xiàng)目和煤種的不同稍有變化，但變化不大。一旦項(xiàng)目和煤種確定，氣化操作壓力就基本確定。魯奇爐之所以沒(méi)有選擇更高的操作壓力，主要是與它的排灰系統(tǒng)有關(guān)。更高的壓力，工程上解決不了排灰問(wèn)題。同時(shí)，壓力增加，將會(huì)使焦油分解。目前，第2代新型魯奇爐——BGL氣化爐就選擇了熔融排渣，這樣可以提高氣化的壓力，但投資隨之增大。

地下氣化的壓力也是一個(gè)不斷變化的量。從理論上說(shuō)，只要控制氣化壓力稍大于氣化通道地下水的靜壓頭，使地下水盡量少地參與氣化，減少熱量的損失就可以了。但從實(shí)際的操作過(guò)程來(lái)看，情況比較復(fù)雜。由于氣化通道本身就是一個(gè)不斷擴(kuò)大的過(guò)程，壓力的變化也會(huì)是一個(gè)不斷變化的過(guò)程，在變化過(guò)程中系統(tǒng)壓力小于地下水靜壓頭時(shí)，地下水就會(huì)涌進(jìn)通道，水的蒸發(fā)會(huì)吸收較大的熱量，從而使系統(tǒng)氣化狀況惡化。同時(shí)，由于測(cè)控手段的缺乏，這種情況往往是滯后的，會(huì)對(duì)氣化過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。

3.3 氣化劑供應(yīng)量的差異

魯奇爐氣化在項(xiàng)目規(guī)模和目標(biāo)原料煤確定之后，所用氣化劑氧氣、水蒸氣和煤鎖合成氣量就基本確定了，僅在生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整時(shí)于一定范圍內(nèi)波動(dòng)，在一段時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，且這些波動(dòng)也是及時(shí)可控的。

地下氣化的氣化劑供應(yīng)從氣化通道構(gòu)建貫通時(shí)期就是變化的，在氣化通道構(gòu)建后轉(zhuǎn)入氣化時(shí)，氣化劑的量在氣化的初期、中期、后期也是不斷變化的，而且量的變化比較大，很難保證氣化劑的供應(yīng)量相對(duì)穩(wěn)定。正是這些變化會(huì)導(dǎo)致氣化狀況不穩(wěn)定，粗煤氣產(chǎn)量不穩(wěn)定，后續(xù)化工系統(tǒng)的匹配和生產(chǎn)能力都將受到較大的影響。所以，地下氣化對(duì)氣化劑的供應(yīng)裝置系統(tǒng)要求較高，負(fù)荷要在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，裝置的匹配較困難，投資會(huì)比較大。

4 粗煤氣成分的差異

正是上述氣化工藝上的差異，導(dǎo)致了粗煤氣組分存在差異。表1是魯奇爐氣化和中亞某地下氣化在各種氣化條件下的粗煤氣組分。

表1中的前3項(xiàng)均為中亞某國(guó)地下氣化公司氣化數(shù)據(jù)，第4項(xiàng)為某氣化廠對(duì)錫林浩特褐煤試燒時(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)。從表1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:

表1 各種氣化條件下地下氣化和魯奇爐氣化的粗煤氣組分

1)隨氣化劑氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，氫氣、一氧化碳、甲烷等有效氣體組分在逐步增加，且增長(zhǎng)幅度較大。

2)在前3項(xiàng)地下氣化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，隨氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)也在增加，增加幅度接近50%，氣化劑濃度和煤氣中的二氧化碳組分呈正相關(guān);而第3和第4項(xiàng)中的二氧化碳成分降低了34%，降低的幅度也較大，不同氣化方式之間有較大差別。

3)隨氣化劑濃度增長(zhǎng)，粗煤氣熱值也隨之增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度平均為45%。

4)地下氣化的反應(yīng)中，由于熱損失嚴(yán)重，導(dǎo)致需要燃燒更多的煤來(lái)為系統(tǒng)提供反應(yīng)熱，燃燒過(guò)程所占比例較大;魯奇爐氣化由于是在容積一定的相對(duì)絕熱的爐子內(nèi)反應(yīng)，氣化過(guò)程遠(yuǎn)大于燃燒過(guò)程。所以，從氣化效果上來(lái)講，魯奇氣化方式優(yōu)于地下氣化方式。

5 環(huán)境保護(hù)上的差異

5.1 廢水

魯奇氣化由于氧化層、還原層、干餾層、干燥層分區(qū)明顯，上層干燥層的溫度在500℃ ～550℃，低于焦油的分解溫度，可以將原料煤中的焦油以氣態(tài)的形式帶出，焦油作為魯奇氣化的副產(chǎn)品回收，所以在回收和凈化的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)大量的污水。固態(tài)排渣直接排入渣池也會(huì)有污水產(chǎn)生，在酚和氨的回收中也會(huì)產(chǎn)生一些廢水。它們同時(shí)成為魯奇氣化的缺點(diǎn)之一。

地下氣化由于是在地下進(jìn)行氣化，所產(chǎn)生廢水是粗煤氣帶出水，量約為每立方三四百克，這樣的帶水量也是較大的，廢水的成分與魯奇廢水基本上相同。但與魯奇氣化相比，地下氣化的廢水量相對(duì)較少。對(duì)區(qū)域地下水的污染，是地下氣化的一個(gè)缺點(diǎn)。

5.2 廢固

魯奇氣化會(huì)產(chǎn)生灰渣。地下氣化的灰渣遺留在地下，不對(duì)地上環(huán)境造成影響，這是地下氣化的優(yōu)勢(shì)之一。

5.3 廢氣

魯奇氣化和地下氣化一樣都會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w。魯奇氣化產(chǎn)生的二氧化碳基本上排放了;地下氣化產(chǎn)生的二氧化碳可以作為二氧化碳富氧氣化的氣化劑循環(huán)使用，多余的排入大氣，對(duì)當(dāng)?shù)販p排有益處。

6 氣化爐壽命的差異

魯奇爐主要由金屬材料制作而成，一次性投資，使用壽命較長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)使用的最早期的魯奇爐——山西天脊煤化工集團(tuán)(原山西化肥廠)30萬(wàn)t/a合成氨項(xiàng)目引進(jìn)的第1批爐子已正常運(yùn)行20余年;河南義馬氣化廠的魯奇爐也運(yùn)行10年了。

地下氣化的氣化爐有其特殊性，根據(jù)其單爐控煤量只能運(yùn)行2 a～3 a，在運(yùn)行時(shí)間上和魯奇爐不具有可比性。

7 投資上的差異

以Mark－Ⅳ型魯奇爐來(lái)說(shuō)，Mark－Ⅳ型氣化爐爐體外徑為Φ3 848 mm，爐體高度12 500 mm，爐內(nèi)燃料堆放高度4 000 mm，爐體容積為119 m3，爐體總重量169.5 t(包括內(nèi)件重量40 t)，操作重量大約250 t，操作壓力3.0 MPa(表壓)，操作溫度大約1 100℃，單爐產(chǎn)粗煤氣量約35 000 m3/h。整套氣化島裝置的投資約為4 700萬(wàn)元。氣化島的范圍包括氣化劑入爐系統(tǒng)、投煤系統(tǒng)、氣化爐本體及附件到粗煤氣出界區(qū)。

地下氣化爐的投資與爐型有關(guān)，以50萬(wàn)m3工業(yè)燃?xì)忭?xiàng)目的爐型來(lái)說(shuō)，需要構(gòu)建2個(gè)氣化爐，整個(gè)項(xiàng)目氣化島的投資約為1 910萬(wàn)元，包括進(jìn)入氣化界區(qū)的氣化劑輸配管道和粗煤氣輸配管道。

為了對(duì)比合理性，以一定量的有效氣體含量為計(jì)算基準(zhǔn)，對(duì)2種氣化方式作如下比較:

1)單臺(tái)魯奇爐產(chǎn)粗煤氣約35 000 m3/h。其中，有效氣體體積分?jǐn)?shù)約為67.81%，折合有效氣體總量為23 733.5 m3/h。

2)單條地下氣化爐(空氣氣化)產(chǎn)粗煤氣量約為10 416 m3/h。其中，有效氣體體積分?jǐn)?shù)為25.44%，折合有效氣體總量為2 650 m3/h。

以單臺(tái)魯奇爐的有效氣體23 733.5 m3/h為基準(zhǔn)，要達(dá)到這個(gè)量，上述地下氣化爐(空氣氣化)就需要9條，其投資約為8 595萬(wàn)元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于魯奇爐4 700萬(wàn)元的投資。由此可以看出，單臺(tái)魯奇爐的有效氣體產(chǎn)量是地下氣化爐的9倍，投資是地下氣化爐的一半。

8 效益上的差異

氣化爐的效益直接決定項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。氣化爐的效益最直接的因素是其有效氣體的產(chǎn)量大小。

從上述投資比較中能直接地了解到，魯奇爐的有效氣體產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下氣化爐的產(chǎn)量。那么，采用魯奇爐和地下氣化爐項(xiàng)目的效益是顯而易見(jiàn)的。那就是，魯奇氣化優(yōu)于地下氣化。

9 結(jié)論

地下氣化的效率如此之低，但目前在全球范圍內(nèi)仍有企業(yè)在使用它。這是因?yàn)椋瑢?duì)于氣化方式的選擇不能僅從氣化方式來(lái)考慮，還有很多影響因素，一定要從具體項(xiàng)目的實(shí)際情況出發(fā)，選擇最合適的氣化方式，而不是選擇最好的氣化方式。

各種氣化方式之間的差異是比較大的，每種氣化爐都有其生存的空間。地下氣化作為煤氣化的一種補(bǔ)充方式是有其存在和生存空間的。

Differences analysis between underground coal gasification and Luqi gasification

LU Jianghong

(ENN Science and Technology Development Co.，Ltd.，Langfang Hebei 065001，China)

The difference between underground gasification and Luqi gasification from various aspects including factory address，source of feed coal，gasification technology，ingredient of raw gas，environment protection，lifetime of gasifier as well as investment and benefits is introduced，and the causes of these differences and the range of industrial application are analyzed.

underground coal gasification;Luqi gasification;difference

TQ546

A

1004－7050(2016)06－0067－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.20

2016－10－19

路江鴻，男，1965年出生，1986年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，大學(xué)本科，長(zhǎng)期從事煤化工方面的研究和開(kāi)發(fā)工作。