靳小龍(內蒙古礦業(yè)(集團)興安能源化工有限公司， 內蒙古 興安盟 137400)

碎煤加壓氣化技術的應用與改進

靳小龍(內蒙古礦業(yè)(集團)興安能源化工有限公司， 內蒙古 興安盟 137400)

碎煤加壓氣化技術是國有自主知識產權的煤氣化技術，可以褐煤等低價煤為原料生產清潔燃料氣或合成氣(CO+H2)，已經在工業(yè)生產領域應用成功。研究其生產原理、技術特點，總結其運行經驗，通過對酚氨回收改用甲基異丁基酮萃取工藝、污水系統(tǒng)引入分鹽技術、增加氣化爐直徑等內容的改進，碎煤加壓氣化技術將更加完善。

碎煤加壓氣化技術；褐煤；煤制氣；改進

煤氣化技術問世100多年，工藝流程不斷完善與更新。國外煤氣化技術發(fā)展較早，相對較成熟，主要有西門子GSP氣化技術、殼牌煤氣化技術、澤瑪克熔渣氣化技術、Texaco德士古煤氣化技術等。但是近些年來，國產煤氣化技術發(fā)展較快，在國內市場上已經逐漸取代國外的引進技術，其中碎煤加壓氣化技術發(fā)展迅速，碎煤加壓氣化技術是我國自主知識產權研發(fā)的工藝技術，中國化學賽鼎工程有限公司是國內唯一具有碎煤加壓氣化工業(yè)化裝置工程設計業(yè)績的工程公司。以下對國產碎煤加壓氣化技術應用進行以下探討和總結。

1 碎煤加壓氣化的技術特點

(1)煤種的適應性寬，能解決褐煤等低價煤種的利用問題 廣泛的煤種適應性，煤種從褐煤到無煙煤均可，尤其是對高水分、高灰分、高灰熔點的劣質煤利用有德天獨厚的優(yōu)勢，能實現(xiàn)最大限度的原料本地化。中國已經探明的褐煤儲量在1300億噸以上。主要分布在內蒙古與東北三省相連的蒙東地區(qū)，占全國褐煤資源的3/4，其次是云南省，占全國褐煤資源的1/8左右，其他各省(區(qū))褐煤的儲量均不到總量的3%。褐煤是煤化程度最低的一類煤。外觀成褐色到黑色，光澤暗淡或呈瀝青光澤，含有較高的內在水和不同數(shù)量的腐植酸，在空氣中易風化破碎。最大特點是水分含量高，灰分含量高，發(fā)熱量低。褐煤的全水分可達20%～50%，灰分20%～30%，收到基地位發(fā)熱量一般為11.7-16.7MJ/kg[1]。

褐煤的特性決定其不適合儲運和長途運輸，直接用做燃料效率極低，因此褐煤的有效利用是煤化學領域的重要課題，碎煤加壓氣化技術可以褐煤為原料生產清潔燃料氣或合成氣(CO+H2)，是解決褐煤有效利用的很好途徑。

(2)在煤制天然氣項目上有相對優(yōu)勢 該技術煤氣化過程中產生甲烷量相當于天然氣中甲烷總量的45%左右，即有45%的甲烷是在氣化爐內生成的。碎煤加壓氣化粗煤氣(干氣)中CH4的含量為8%～13%，經過凈化工段處理后在凈化氣中的含量為11%～18%，凈化氣體的熱值較高，特別適合于生產SNG產品，氣化所生成的CH4在最終SNG產品中的比例約占40%，與其它氣化技術相比較，變換冷卻及凈化裝置的規(guī)模要小1/3，投資要省1/4。從而降低了甲烷合成的負荷，提高了煤制天然氣過程的效率；煤氣化過程中生成甲烷放出的熱量，可以為煤氣化提供部分反應熱，從而降低了煤制天然氣的煤耗和氧耗。

(3)副產品經濟效益可觀 碎煤加壓氣化是集煤干餾和半焦氣化于一體的氣化工藝，可以回收煤中部分有機物，獲得部分石油化工的替代產品。碎煤加壓氣化技術通過對煤氣廢水的處理可獲得焦油、中油、石腦油、粗酚、氨等副產品，提高企業(yè)整體經濟效益。

(4)運行穩(wěn)定，技術成熟 碎煤加壓氣化技術運行可靠，在線率高，單爐連續(xù)運行一般可達150天以上，碎煤加壓氣化爐在國內運行已30多年，通過不斷的經驗積累及技術改進，碎煤氣化裝置運行穩(wěn)定、操作安全可靠，技術先進成熟，已在國內已廣泛使用目前運行較好的有山西天脊化肥廠(5臺)，河南義馬煤氣廠(5臺)，哈爾濱氣化廠(5臺)，山西潞安煤制合成油(6臺)，還有石家莊金石化肥廠、國電赤峰3052項目、大唐克旗煤制天然氣項目、大唐阜新煤制天然氣項目、新疆廣匯甲醇二甲醚項目、新疆慶華煤制天然氣項目、新疆新天煤制天然氣項目等合計氣化爐臺數(shù)超過200臺。

(5)投資少，消耗低 碎煤加壓氣化爐與氣流床氣化爐相比投資較低，單臺氣化爐總投資約5000萬元。根據項目規(guī)模，氣化裝置正常生產時都設有備爐，在發(fā)生氣化爐故障或計劃停車時，啟用備爐以保障全廠生產穩(wěn)定。單位有效氣的氧耗低，碎煤加壓氣化(未把煤氣中的甲烷作為有效氣算)氧耗約為干粉煤氣化的60%，水煤漿氣化的52%，配套空分裝置較小，空分裝置投資最省。該技術備煤系統(tǒng)簡單，原料煤只需要簡單的破碎、篩分使粒度控制在5-70mm即可，而不需要設置磨煤制漿及預干燥、磨煤制粉裝置，設備投資較少，流程較為簡單。且后續(xù)裝置以及空分裝置原材料、動力消耗都較低，因此單位成本較低。

(6)不足之處 該氣化技術的缺點是蒸汽耗量大，污水量大且成分復雜，治理費用高和處理難度大。氣化爐單爐負荷偏低。另外氣化技術需要5mm以上的粒煤，會產生粉煤再利用問題。因此粉煤要與燃煤鍋爐配合，以達到煤的粒度平衡。

2 碎煤加壓氣化技術的生產原理

碎煤加壓氣化工藝，在氣化爐內煤向下移動，與向上流動的氣流逆流接觸，蒸汽與氧氣混合作為氣化劑由氣化爐底部通入，原料煤從氣化爐上部加入，氣體在氣化爐內由下至上依次通過灰層、燃燒區(qū)、氣化區(qū)、干餾區(qū)與干燥區(qū)，最終從爐子頂部排出。在此過程中煤經過干燥、干餾和氣化后，生成粗煤氣(氣化原理圖見圖1)在氣化爐內發(fā)生的化學反應主要有：

燃燒反應： C + O2→CO2H2+ 1/2 O2→H2O

CnHm + (n + m/4) O2→n CO2+ (m/2) H2O

部分氧化反應： C + 1/2 O2→CO

CnHm + (n/2 + m/4) O2→n CO + (m/2) H2O

蒸汽重整反應：

CO + H2O→CO2+ H2C + H2O→CO + H2

CO2還原反應： C + CO2→2 CO

3 碎煤加壓氣化技術工藝流程簡述(工藝流程圖見圖2)

碎煤經煤鎖加入氣化爐。煤鎖裝滿煤之后，用來自煤氣變換及冷卻裝置的粗煤氣和來自氣化爐的粗煤氣分兩步對其充壓，至氣化爐操作壓力后向氣化爐加煤，之后煤鎖卸壓至常壓，卸壓的煤鎖氣送至煤氣變換及冷卻工段。減壓后，留在煤鎖中的少部分煤鎖氣用引射器抽出，經布袋除塵后送氣化火炬燃燒后排放(G3-1)。

圖1 碎煤加壓氣化原理圖

蒸汽和氧氣混合后經氣化爐下部的旋轉爐篦噴入，在燃燒區(qū)燃燒一部分，為吸熱的氣化反應提供所需的熱量。氣化爐夾套產生的中壓蒸汽經夾套蒸汽分離器分離液滴后與界外來的中壓過熱蒸汽混合后送往氣化劑混合管，分離出的夾套排污(W3-2)送循環(huán)水系統(tǒng)。在氣化爐的上段，剛加進來的煤向下移動，與向上流動的氣流逆流接觸。在此過程中，煤經過干燥、干餾和氣化后，只有灰(S3-1)殘留下來，灰由氣化爐中經旋轉爐篦排入灰鎖，再經灰斗排至水力排渣系統(tǒng)，灰鎖通過過熱蒸汽濟園區(qū)，建設規(guī)模為公稱能力40億立方米/年煤制天然氣(含5億方天然氣液化)+50萬噸焦油加氫及相應附屬產品。項目年用褐煤2150萬噸，煤源來自內蒙古白音華煤田。項目的設計已經完成，改進內容如下：

(1)氣化爐內襯腐蝕問題的解決措施 經調研，大唐克旗的氣化爐的腐蝕問題經分析是Cl—(即鹵素)K+、Na+等(堿進行充壓、卸壓的循環(huán)，沖渣廢水(W3-1)經過濾后回用。

圖2 碎煤加壓氣化技術工藝流程圖

離開氣化爐的粗煤氣以CO、H2、CH4和CO2為主要組分，還包括CnHm、N2硫化物(H2S)等次要組分。離開氣化爐的煤氣首先進入洗滌冷卻器進行洗滌，冷卻煤氣并除去可能夾帶的顆粒物。飽和并冷卻后的煤氣進入廢熱鍋爐進一步冷凝，氣液分離器后進入下工序凈化、合成相關產品，并副產0.5MPa(G)低壓蒸汽，廢熱鍋爐排污(W3-3)送往循環(huán)水系統(tǒng)。

在廢熱鍋爐下部收集的煤氣水部分與高壓煤氣水混合后洗滌粗煤氣，另一部分煤氣水送往煤氣水分離裝置，分離出成塵泥、潔凈煤氣水和焦油、中油等，其中焦油、中油去油加氫裝置，塵泥返回氣化爐燃燒，潔凈煤氣水經處理后回收利用。

煤鎖泄壓排出的粗煤氣經煤氣水洗滌、分離后進入煤鎖氣氣柜，煤鎖氣分離器底部的煤氣水大部分循環(huán)加壓后作為煤鎖氣洗滌用水循環(huán)使用，剩余小部分低壓煤氣水送往煤氣水裝置。煤鎖氣氣柜收集的煤鎖氣送到煤鎖氣壓縮機。氣化爐非正常工況下的廢氣通過火炬燃燒后排放。

4 實踐應用情況分析

碎煤加壓氣化技術的優(yōu)勢是以褐煤為原料在煤制氣項目的應用。此應用已經在大唐克旗煤制氣項目基本取得成功。大唐克旗煤制氣項目以內蒙古錫林郭勒東勝利二號煤田的褐煤為原料，2009年8月開工建設，2013年12月成功運行。至今生產基本穩(wěn)定，但同時也暴露出一問題，如氣化爐內襯出現(xiàn)過腐蝕現(xiàn)象，酚氨回收效果不好、污水處理運行不穩(wěn)定等。

因此內蒙古礦業(yè)(集團)興安能源化工有限公司的煤制氣項目(簡稱興安能源煤制氣項目)，認真總結了大唐克旗煤制氣項目的運行經驗，對其不足之處進行了優(yōu)化和改進。興安能源煤制氣項目位于內蒙古興安盟科右中旗百吉納工業(yè)循環(huán)經金屬)共同作用的結果，因此興安能源煤制氣項目氣化爐內襯設計采用 E-NiCrMo-3材質堆焊內襯處理。經實踐證明，用ERNiCrMo-3材質堆焊內襯防腐蝕的解決辦法可行。

(2)對酚氨回收工藝的改進 大唐克旗煤制氣項目酚氨回收工序采用的是二異丙基醚萃取工藝，運行效果不好。興安能源煤制氣項目酚氨回收工序采用的是我國自主知識產權研發(fā)的單塔加壓、脫酸脫氨及甲基異丁基酮萃取工藝。該工藝的先進性為：①脫COD及脫酚效果遠高于二異丙基醚萃取工藝；②該工藝的操作條件較二異丙基醚萃取工藝條件更寬松；③該工藝的出水指標遠低于德國的魯奇污水處理工藝的出水指標,且完全能滿足下一工段生化處理的需要：即：CODcr≤3000mg/L；總酚：≤500mg/L；NH3-N≤300mg/L;④該工藝使用的萃取劑更穩(wěn)定,不易損失；⑤該工藝使裝置運行更加穩(wěn)定,避免了發(fā)泡體系造成的液泛；⑥該工藝在中煤龍化哈爾濱化工有限公司運行效果非常好，且有鑒定成果。

5 污水處理工序引入分鹽技術

由于國內的煤制氣項目的污水處理大多沒有做到零排放，這不符合環(huán)保的發(fā)展理念。為此興安能源煤制氣項目通過調研及科學的論證，污水處理工序上引用了內蒙古久科康瑞環(huán)?？萍加邢薰镜募{濾及催化氧化的分鹽技術，該項技術在3.5t/h的中試裝置已經通過中國環(huán)境科學學會及內蒙古自治區(qū)科學技術廳所組織的科技成果鑒定(中科鑒字[2014]第45號、內科鑒字[2014]第63號)。分出的氯化鈉產品由中科院廣州化學所分析檢測中心分析其指標，完全達到工業(yè)鹽標準，可以當做PVC的原材料。

該分鹽技術真正實現(xiàn)工藝廢水零排放及資源化目標，同時能保證污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

6 碎煤加壓氣化技術的最新動態(tài)

目前，中國化學賽鼎工程有限公司正在研發(fā)5米碎煤加壓氣化爐，已經取得階段性的成功，可以解決單爐負荷偏低的問題。

碎煤加壓氣化技術的粗煤氣產品中富含甲烷，特別適合于生產城鎮(zhèn)燃氣或煤制天然氣。現(xiàn)在國內成熟的3.8米氣化爐與氣流床氣化工藝相比氣化強度低、單爐產量低，SHELL、E-GAS、GSP、TEXACO等氣流床氣化工藝處理煤量最大達到2000噸煤/天，碎煤加壓氣化典型爐型Φ3.8米氣化爐單爐日處理量最大僅為700-800噸/天。根據國家煤化工產業(yè)政策，煤制天然氣的最小規(guī)模為20億立方米/年，使用同等氣化壓力的5米碎煤加壓氣化爐所需臺數(shù)減少37%左右，氣化爐臺數(shù)的直接減少不僅節(jié)約設備投資，對土建、儀控、占地面積也會有很多節(jié)約。投產以后的生產維修人員也會相應減少，經濟效益明顯。

7 結語

碎煤加壓氣化技術以褐煤為原料，在大唐克旗煤制氣項目的成功應用，開辟了一條褐煤有效利用的新途徑，興安能源煤制氣項目又對該技術進行了相應改進，必將使碎煤加壓氣化技術得到升華，更加完善，達到一個新的高度，為我國的煤化工發(fā)展做出巨大貢獻。

[1]尚建選,等.低價煤分質轉化多聯(lián)產技術[M].北京，煤炭工業(yè)出版社，2013：2-4.

靳小龍(1973- )，男，吉林松原人；學士學位，工程師，1999年7月畢業(yè)于吉林化工學院化工工藝專業(yè)，現(xiàn)為內蒙古礦業(yè)(集團)興安能源化工有限公司技術管理部部長，主要負責企業(yè)的技術管理及研發(fā)工作。