劣質(zhì)褐煤的清潔利用
——煤制天然氣

鄧永斌，王二成

(大唐克旗煤制天然氣公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

大唐克旗煤制天然氣公司運(yùn)營(yíng)著國(guó)內(nèi)首套煤制天然氣裝置，此裝置也是首個(gè)國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目。經(jīng)過近10 年的運(yùn)行示范，探索出了劣質(zhì)褐煤清潔利用新途徑，同時(shí)也對(duì)中國(guó)能源安全戰(zhàn)略的實(shí)施提供了可復(fù)制的模板。本文即主要介紹其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1 碎煤加壓氣化爐是劣質(zhì)褐煤制天然氣的關(guān)鍵

碎煤加壓氣化工藝是目前世界上應(yīng)用最多的加壓氣化方法之一。該工藝具有流程成熟可靠、煤氣中甲烷含量高、氧耗低、氣化強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是劣質(zhì)褐煤制天然氣的首選煤氣化技術(shù)。劣質(zhì)褐煤采用該技術(shù)氣化還有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

(1)高活性褐煤在碎煤加壓氣化爐中反應(yīng)效率高。一方面褐煤具有揮發(fā)分高、結(jié)構(gòu)疏松等特點(diǎn)，在氣化爐內(nèi)干餾層即脫去揮發(fā)分。當(dāng)褐煤到達(dá)氣化層時(shí)，生成的煤焦具有豐富的孔隙，反應(yīng)的比表面積大，氣固相反應(yīng)的擴(kuò)散阻力小，氣化劑更容易擴(kuò)散到煤焦內(nèi)孔中去，氣化速度加快，生成的煤氣中有效氣成分含量更高。另一方面，由于褐煤機(jī)械強(qiáng)度差，在氣化爐內(nèi)高溫氣氛中易失水碎裂導(dǎo)致煤的粒度進(jìn)一步減小，增大了表面積，在動(dòng)力學(xué)控制區(qū)的吸附和擴(kuò)散速度更快，也更有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。

(2)采用碎煤加壓氣化工藝能直接制得高含量的終端產(chǎn)品——甲烷。從大唐克旗煤制天然氣公司使用的劣質(zhì)褐煤來看，褐煤的低位發(fā)熱量?jī)H為11.70～13.79 MJ/kg，褐煤的固定碳含量較少，入爐后氣化反應(yīng)快、燃燒時(shí)間短，爐內(nèi)氣化溫度低，有利于甲烷生成反應(yīng)的進(jìn)行，煤氣組成中甲烷含量增大，其甲烷產(chǎn)量占最終產(chǎn)品天然氣組成的45%～48%。這一特點(diǎn)直接降低了后續(xù)生產(chǎn)裝置的建設(shè)規(guī)模，極大減少了項(xiàng)目的投資水平。

(3)褐煤灰分含量低，可降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。褐煤的灰分含量較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他煤種。同時(shí)由于其粘結(jié)性較小和氣化溫度低，氣化后產(chǎn)生的灰渣粒度較小，并含有一定的粉灰，爐渣的排出量較少，隨爐渣排出的殘?zhí)亢蜐摕岜厝粶p少，從而降低了能耗和運(yùn)輸成本。

(4)褐煤價(jià)格相對(duì)低廉，制氣的經(jīng)濟(jì)效益良好。由于褐煤成煤年限較短，屬于高水分、高揮發(fā)性、低熱值煤，因此其價(jià)格低廉，僅為無煙煤售價(jià)的1/4～1/5。用其生產(chǎn)天然氣的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙煤和無煙煤等，所以選擇褐煤為氣化原料時(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 加強(qiáng)褐煤原料管控是提升碎煤加壓氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的重點(diǎn)

由于褐煤煤化程度低、著火點(diǎn)較低、煤質(zhì)疏松且易碎裂，其特點(diǎn)是易揚(yáng)塵和自燃。因此如何集中力量攻克碎煤加壓氣化工藝以劣質(zhì)褐煤為原料時(shí)的適應(yīng)性，提高碎煤加壓氣化工藝運(yùn)行水平，是實(shí)現(xiàn)資源清潔利用的首要問題。從克旗煤制天然氣公司的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

(1)嚴(yán)控入廠煤質(zhì)和煤的粒度。根據(jù)煤質(zhì)的不同特性，對(duì)入場(chǎng)煤進(jìn)行分堆存放，要在保證煤場(chǎng)庫存量的同時(shí)，避免超量存儲(chǔ)；要建立煤場(chǎng)褐煤存放示意圖和臺(tái)賬，科學(xué)調(diào)配摻燒，保證入爐煤質(zhì)穩(wěn)定。

(2)煤場(chǎng)全覆蓋定期測(cè)溫。褐煤儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)要及時(shí)翻堆并分層壓實(shí)；定期檢查消防、除塵系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)，嚴(yán)格控制褐煤輸送過程中產(chǎn)生的煤粉塵；此外還要堅(jiān)持儲(chǔ)新用舊、縮短存期原則，防止褐煤變質(zhì)，減少自燃損失。

(3)嚴(yán)控輸送過程中煤粉外泄。在褐煤通過膠帶進(jìn)入氣化爐煤倉后，要采用惰性氣體保護(hù)煤倉，確保煤倉安全；在氣化爐加煤過程中產(chǎn)生的煤粉通過引射器抽出，再經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后統(tǒng)一收集回用，確保加煤過程中不產(chǎn)生煤粉外泄情況。

(4)建立膠帶定期看煤制度。通過觀察膠帶，如發(fā)現(xiàn)粉煤較多時(shí)，馬上采取變換或增加振動(dòng)篩，或者更換上煤摻燒比例。為防止煤種混有大塊雜物，在篩分樓前設(shè)置除雜物機(jī)，避免堵塞氣化爐加煤溜槽。為防止鐵器等鈍器損壞氣化爐錐閥、爐篦、刮刀等，在輸煤膠帶上設(shè)置有除鐵器。

3 碎煤加壓氣化工藝的廢水處理是煤制天然氣項(xiàng)目的難點(diǎn)

由于碎煤加壓氣化的溫度較低，粗煤氣中含有部分焦油、酚、氨等雜質(zhì)，并在冷卻過程中隨水一起排出系統(tǒng)。清潔煤化工要做到“零”排放，除了要達(dá)到國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的排放指標(biāo)外，碎煤加壓氣化污水的處理和回用是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的難點(diǎn)。大唐克旗煤制天然氣公司這方面的主要運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)如下：

(1)針對(duì)性設(shè)置了煤氣水分離裝置單元。通過煤氣水分離裝置對(duì)氣化產(chǎn)生的煤氣水進(jìn)行初步分離處理。在該單元利用節(jié)流膨脹的原理，將溶解在煤氣水中的氣體分離出來，并且利用無壓重力沉降分離原理，根據(jù)不同組分的密度差，將煤氣水中各組分進(jìn)行初步分離并回收各類油品。

(2)改進(jìn)和放大酚氨回收裝置建設(shè)規(guī)模。結(jié)合碎煤加壓氣化工藝廢水處理特點(diǎn)，根據(jù)煤制天然氣裝置建設(shè)規(guī)模，對(duì)傳統(tǒng)酚氨回收裝置工藝進(jìn)行改進(jìn)和放大。酚氨回收裝置采用二異丙基醚萃取脫酚工藝處理來自煤氣水分離單元的含酚廢水，先脫酸、脫氨，然后再脫酚，處理后的廢水送入生化處理系統(tǒng)。同時(shí)裝置副產(chǎn)粗酚和氨水，氨水送往煙氣脫硫。

(3)不斷突破污水處理裝置的各類瓶頸。從污水處理裝置規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行到改進(jìn)優(yōu)化，大唐克旗煤制天然氣公司做了大量卓有成效的工作。當(dāng)前，污水處理裝置按工藝段劃分為有機(jī)污水處理、回用水處理、濃鹽水處理三部分。各類廢水通過綜合調(diào)節(jié)池均質(zhì)后進(jìn)入水解酸化池，分解難降解物質(zhì)，提高廢水可生化性，然后進(jìn)入A/O池進(jìn)行好氧處理，有效去除CODcr、NH3-N、酚類等污染物。處理后的廢水再經(jīng)過絮凝吸附和臭氧催化氧化，去除難降解的有機(jī)物質(zhì)，然后進(jìn)入曝氣生物濾池進(jìn)一步降低廢水COD含量。回用水處理段采用“浸沒式超濾+反滲透”處理工藝，超濾產(chǎn)水一部分補(bǔ)入濁循環(huán)系統(tǒng)，一部分經(jīng)反滲透產(chǎn)水回用至新鮮水系統(tǒng)。濃鹽水處理段再通過“超濾+納濾+反滲透”工藝進(jìn)行脫鹽處理，產(chǎn)水作為新鮮水補(bǔ)充水，濃水通過多效蒸發(fā)裝置生產(chǎn)出固體鹽，有效脫除廢水中有機(jī)物及鹽類物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)了廢水的完全“零排放”。

4 合成天然氣是褐煤清潔利用的有效終端產(chǎn)品

褐煤經(jīng)碎煤加壓氣化后產(chǎn)出的粗煤氣經(jīng)過部分變換和工藝廢熱回收后進(jìn)入低溫甲醇洗單元。粗煤氣在低溫甲醇洗單元脫除硫化物和其他雜質(zhì)后送入甲烷化單元。在甲烷化單元，全部CO和留存的部分CO2與H2在催化劑作用下，在多級(jí)反應(yīng)器中發(fā)生甲烷化反應(yīng)，生成甲烷和水，并放出大量的熱用來副產(chǎn)蒸汽。產(chǎn)品氣最終經(jīng)分水、加壓、干燥后通過長(zhǎng)輸管線送達(dá)用戶。

甲烷化合成核心在于催化劑。甲烷化裝置一直以來較長(zhǎng)時(shí)間都是采用工藝包提供商的催化劑。鑒于進(jìn)口催化劑技術(shù)封鎖，生產(chǎn)成本高，采購周期長(zhǎng)等不利因素，大唐克旗煤制天然氣公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)研究院和催化劑生產(chǎn)單位，開發(fā)了DTC-M1S甲烷化催化劑。經(jīng)試用和評(píng)估，DTC-M1S甲烷化催化劑完全滿足甲烷合成反應(yīng)要求，催化劑活性和運(yùn)行壓差均優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，各項(xiàng)指標(biāo)均相對(duì)穩(wěn)定，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。

總之，煤制天然氣不僅是我國(guó)清潔煤化工的一個(gè)發(fā)展方向，更是為劣質(zhì)褐煤的清潔高效利用開創(chuàng)了一種全新途徑。大唐克旗煤制天然氣公司作為國(guó)內(nèi)首套煤制天然氣裝置和首個(gè)國(guó)家示范項(xiàng)目，在項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中盡管遇到了諸多的困難，但經(jīng)過近10年技術(shù)和管理上的不斷探索實(shí)踐與改進(jìn)創(chuàng)新，特別是近3年在各項(xiàng)瓶頸問題上的突破，已經(jīng)解決了以劣質(zhì)褐煤為原料的碎煤加壓氣化制取天然氣工藝的一系列問題，真正實(shí)現(xiàn)了示范引領(lǐng)作用。