大型煤化工项目气化技术的应用状况及选用分析
魏有福
（陕西兴化集团有限责任公司，陕西 兴平713100）
［摘 要］介绍各种先进的煤气化技术在现代大型煤化工项目上的应用情况，以及这些煤气化技术所适应的煤质特性，并对不同煤化工项目适宜选用的煤气化技术进行了分析。
［关键词］ 煤化工；水煤浆气化技术；干煤粉加压气化技术；煤质特性；气化压力；目标产品；气化技术选用
［中图分类号］ TQ 54 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2016）
0 引 言
我国煤炭资源较为丰富，而石油、天然气资源相对贫乏。近年来，我国传统煤化工向现代煤化工的转变取得了巨大的成绩，采用现代煤气化技术的煤制合成氨、煤制甲醇继而甲醇制烯烃和芳烃、煤制乙二醇、煤制天然气、煤间接液化制油、IGCC发电等大型煤化工项目得到了极大的发展，使国内原煤产量及消费量占到一次能源生产和消费总量的70％以上；与此同时，引进了多项国外先进的煤气化技术，也促使国内煤气化技术得到了空前的发展，煤气化技术水平总体上处于国际领先地位。
气化装置的运行状况在很大程度上影响甚至决定了一个大型煤化工项目能否实现长周期、安全、环保、稳定、高效运行以及产品的成本、效益等。煤气化技术的选用适宜与否直接关系到煤化工项目的成败，所以选用时要慎之又慎。总体而言，要依据所建项目就地、就近煤种选用适宜的煤气化技术，且煤气化技术本身要技术先进、工艺成熟、装置运行安全平稳，同时还要考虑项目目标产品和整个工艺过程的协调，最终实现项目建设投资少和运行成本低。以下就目前主要的煤气化技术的应用情况、适应的煤质特性以及不同煤化工项目适宜选用的煤气化技术进行分析和探讨。
1
选择适合所用煤种的煤气化技术
1.1
水煤浆气化技术适用的煤
目前主要的水煤浆气化技术有GE水煤浆气化技术、华东理工多喷嘴对置式水煤浆气化技术、西北院多元料浆气化技术（MCSG）、清华大学水煤浆水冷壁气化及非熔渣—熔渣分级气化技术等。
水煤浆气化技术原料适应性较广，除褐煤、泥煤及热值低于22 940 kJ/kg的煤不太适应外，其他烟煤、无烟煤均可作为水煤浆气化用煤；但为了减少高温和熔渣对气化炉耐火砖的破坏，延长耐火砖的使用寿命，气化炉内最高操作温度要受到限制，而水煤浆气化工艺属液态排渣，要求煤的灰熔点（FT）要低，一般要低于操作温度50 ℃，所以灰熔点高于1 400 ℃的煤一般不适合于采用水煤浆为原料的耐火砖衬里气化炉，即煤的灰熔点要低于1 350 ℃，一般控制低于1 300 ℃。对于清华大学水煤浆水冷壁气化炉及非熔渣—熔渣分级气化炉，可采用灰熔点高出100 ℃（即1 400℃）的煤种。采用水煤浆气化技术，为确保顺利排渣，对于操作温度下的灰渣黏度，一般认为最佳应为15～40 Pa·s。尽管也有使用灰分达20%～25%的煤作为气化原料，但如煤中的灰分太高，会增加氧耗，降低碳转化率和气化炉效率（有资料表明，在同样的气化反应条件下，灰分每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增加1.3%～1.5%），且排渣负荷也相应增加，操作难度加大，难以实现气化炉的长周期、平稳运行。
因此，目前水煤浆气化技术适用煤选择的经验是：煤的灰分最好不超过13%；为减少氧耗，要求煤的成浆性要好，制成的水煤浆浓度应大于60%，一般控制煤的内在水分小于8%；为输送顺利，控制煤浆黏度为1 Pa·s；为减少制粉功耗，要求煤的哈氏可磨性指数（HGI）在50～60及以上；煤中的氯、氟、汞、砷等的含量不宜过高。
1.2 干粉煤加压气化适用的煤
目前主要的粉煤气化技术有Shell干粉煤气化技术（SCGP）、GSP干粉煤气化技术、HTL粉煤加压气化技术、TPRI两段式干粉煤气化技术、WHG（五环炉）煤气化技术及华东理工多喷嘴干粉煤气化技术等。
粉煤气化技术采用干粉煤进料并以水冷壁取代耐火砖，所以炉温可以较水煤浆为原料的耐火砖衬里气化炉提高100～200 ℃，原料适应性更为广泛，烟煤、无烟煤、次烟煤、褐煤都可作为气化用煤。粉煤气化技术要求原料煤的水分一般不超过10%，因为粉煤加压输送对煤中水分要求不超过2%，否则会给粉煤的磨制和输送带来麻烦。灰分高，氧耗、煤耗都会增加，热效率也会下降，增加堵灰和结渣的几率，从而影响装置的生产能力，而且原料煤的灰分高，气化炉内挂渣不好，起不到保护炉壁的作用，会影响气化炉的使用寿命，因此粉煤气化技术一般要求煤的灰分在12%～25%。煤的挥发分越高对气化反应越有利，但太高对煤粉的贮存影响较大，贮存时间长极易引起煤粉自燃或爆炸，所以一般要求煤中挥发分不超过35%。煤的灰熔点（FT）太低，在粉煤气化炉内气化时碳转化率偏低，无法挂渣；灰熔点太高则须添加助熔剂，否则会影响气化炉的使用寿命，因此粉煤气化技术一般要求煤的灰熔点在1 250～1 550 ℃。为了气化炉膜式水冷壁可以正常挂渣，确保顺利实现“以渣抗渣”，一般要求气化煤种最佳灰渣黏度在25～40 Pa·s。同样，为了减少制粉煤功耗，要求煤的哈氏可磨性指数（HGI）在50～60及以上。另外，粉煤气化技术还要求气化煤种拥有较好的化学活性及适中的热稳定性；煤中的氯、氟、汞、砷等含量不宜过高。
2 煤气化技术的应用状况及选用分析
2.1
Lurgi碎煤加压气化和BGL气化技术
全国目前共有处在不同阶段的煤制天然气项目50个，实际已投产或在建的项目有5个，其中，大唐克旗、新疆庆华、大唐阜新、伊利新天4家企业间接煤制天然气项目气化工艺均采用德国Lurgi气化公司的碎煤（粒径13～50 mm）加压移动（固定）床气化技术；汇能鄂尔多斯煤制天然气项目气化工艺采用多元料浆气化技术。
间接煤制天然气过程是通过煤气化将煤转化为含一定量低碳烃的粗合成气，粗合成气经变换、净化后进行甲烷化反应，制得甲烷含量大于94%的合成天然气（SNG）。Lurgi碎煤加压气化装置所产粗合成气甲烷含量较高，可达10%左右，因而可减轻后续工序的处理负荷，全厂能效较高，其炉型均为德国Lurgi气化公司的第三代MarkⅣ型鲁奇炉。Lurgi气化公司的第三代Mark-Ⅳ型鲁奇炉外径4.13 m、总高12.5 m，可以气化除焦煤外的所有煤种，操作压力4.0 MPa、φ3.8 m的气化炉产气量为35 000～65 000 m3/(h·台)。1987年天脊集团引进了4台这种气化炉，使用当地贫煤，操作压力3.1 MPa，单台炉投煤量950 t/d；后来义马、哈尔滨等煤气厂也采用这种气化炉制造城市煤气。在MarKⅣ型鲁奇炉基础上开发的Mark＋型鲁奇炉，外径5.05 m，操作压力6.0 MPa，总高17 m的碎煤加压气化炉单台产气量可达13×104 m3/h，日处理煤量提高到2 000 t。对于煤制天然气项目，提高气化压力可以降低整个气化岛的投资和操作成本，就40×108 m3/a的煤制天然气项目而言，采用外径5.05 m、操作压力6.0 MPa的气化炉比采用外径4.13 m、操作压力4.0 MPa的气化炉之数量可减少一半，气化岛投资节省17%，煤制天然气成本可望下降10%。
移动床液态排渣的BGL气化炉是Lurgi气化炉的升级版，国内中金化工（3台BGL气化炉）、中煤图克（7台BGL气化炉）等企业采用BGL气化炉制造合成氨再生产尿素，气化炉内径3.6 m、操作压力4 MPa，单台炉投煤量1 300 t/d，采用褐煤型煤气化，粗合成气甲烷含量可达8%左右。采用加压移动床气化工艺制合成天然气消耗的热能要比采用气流床气化工艺低，其热效率较高，若以褐煤为原料制合成天然气（SNG），相较于干粉煤加压气化气流床GSP、Shell和BGL气化熔融排渣移动床、Lurgi气化干排渣移动床气化技术，生产同样数量的合成天然气，煤耗最低的是BGL气化熔融排渣煤气化技术，但采用移动床比干粉煤加压气化氧耗低得多，最低的是Lurgi气化。所以，以煤耗和氧耗来看，生产合成天然气采用移动床气化技术有优势。从气化蒸汽消耗来看，Lurgi气化最大，BGL气化次之（BGL气化汽耗只是Lurgi气化的1/7）。因此，就移动床2种气化工艺进行比较，在技术指标和能耗上，BGL气化比Lurgi气化要先进。从投资上来分析，实践表明，煤气化（包括空分）制粗合成气系统的投资，移动床气化比干粉煤气化有明显的优势，其中又以BGL气化为最低（仅为干粉煤气化的50%）。拿BGL气化和Lurgi气化来比较，直径相当的气化炉，Lurgi气化炉的数量大致要多1倍，不过Lurgi气化空分规模小，投资可省25%左右，但总体来说采用Lurgi气化投资仍比BGL气化投资要高。从环境因素考虑，移动床气化炉废水产生量大，废水经过酚氨回收后酚类等杂质含量仍很高，废水的可生化能力很差，处理难度较大，需采用“物化﹢多级生化处理”工艺，考虑到在循环系统的日积月累，其杂质或盐分将逐渐增高，就需要排出一部分废水送多级蒸发浓缩系统处理，消耗高，运行成本很高，并且还存在结晶出来的杂盐资源化利用的问题，否则就会形成二次污染。BGL气化废水排放量要小得多，只是Lurgi气化废水量的1/4，但废水并没有消灭，仍需要进行处理，因此在气化技术选择上要充分考虑废水处理的问题。Lurgi气化炉渣中含碳5%以上，需予以利用。BGL气化熔融排渣，碳转化率大于98%，渣呈玻璃球状，无污染。若以水煤浆气流床、BGL气化熔融排渣移动床、Lurgi气化干排渣移动床气化工艺制合成天然气进行比较，BGL气化原料动力消耗最低，总能转化率最高，为66%，节能减排效果显著；其次为Lurgi气化，总能转化率为63.7%；水煤浆气流床气化总能转化率最低，约55.6%水煤浆气流床、BGL气化熔融排渣移动床、Lurgi气化干排渣移动床3种工艺制天然气进行比较，熔融排渣移动床气化投资最低，水煤浆气流床气化投资最高；熔融排渣移动床制天然气工厂成本最低，水煤浆气流床气化最高。
因此，随着中金化工、中煤图克等企业BGL气化技术的成功应用，并已实现了高负荷、长周期、稳定运行，以及与其他煤气化技术进行对比分析后认为，BGL气化熔融排渣移动床气化技术必将成为间接煤制合成天然气气化技术的首选。实际应用时，可选用BGL气化和水煤浆气化相结合的气化工艺，也就是“BGL气化＋水煤浆气化”，用BGL气化所排废水制水煤浆，以实现整个系统废水的平衡。大唐呼伦贝尔化肥公司是我国首家采用褐煤为原料制备水煤浆气化（采用2台非熔渣—熔渣分级气化炉）生产合成氨的企业，对于褐煤，目前制浆浓度只能达到50%左右，要继续深入研究，这样还可以消化动力粉煤锅炉用后剩余的粉煤，也可以采用“BGL气化＋干粉煤气化”组合工艺，以实现块煤和粉煤的平衡。随着采煤机械化程度的提高，粉煤量已占到50%以上，粉煤可制成型煤进行BGL气化。移动床气化可适应褐煤，也可适应热值在23 MJ/kg以下的低阶煤。
2.2 水煤浆气化技术
更多内容详见《中氮肥》2016年第5期