褐煤水煤浆气化的可行性及生产实践介绍

李储祥

(大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000)



褐煤水煤浆气化的可行性及生产实践介绍

李储祥

(大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

介绍了中国褐煤的储量、煤质特点和资源分布情况，并详细列出了呼伦贝尔地区部分褐煤的煤质情况。立足本地褐煤的特点，从水煤浆气化反应机理和大唐呼伦贝尔化肥有限公司褐煤水煤浆气化装置的运行实践出发，分析了褐煤水煤浆气化的可行性，详细论述了世界首套褐煤水煤浆气化装置的运行状况及亟待解决的问题。

褐煤；煤质特点；水煤浆气化；气化机理

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.007

大唐呼伦贝尔化肥有限公司(以下简称“大唐呼化”)坐落于煤炭资源丰富、水资源富集的旅游名城呼伦贝尔市，是大唐中新能化科技有限公司所属企业，年生产18万t合成氨、30万t尿素产品。该项目全线采用国内自主知识产权的工艺技术，并于2012年6月建成投产。

大唐呼化的煤气化技术采用非熔渣—熔渣水煤浆分级气化工艺，是我国自主开发的新型实用水煤浆气化技术，即49.5%的水煤浆由高压煤浆泵打出，流量控制在28.68m3/h，送至主烧嘴的环隙，空分装置送来氧气,控制其压力在5.5～5.8MPa，分别送入主烧嘴的中心氧管、外环隙管和两支二次给氧烧嘴中，水煤浆和氧气在工艺烧嘴中充分混合雾化后进入气化炉燃烧室，在约4.0MPa、1 300℃的条件下进行部分氧化反应，生成以CO和H2为有效成分的粗煤气。粗煤气和熔融态灰渣一起向下，经过均匀分布着激冷水的激冷环沿下降管进入激冷室的水浴中。大部分的熔渣经冷却固化后，落入激冷室底部。粗煤气经激冷水水浴后进入文丘里洗涤器，经其洗涤除尘后，沿洗涤塔下降管进入塔底的水浴中。粗煤气向上穿过水层，大部分固体颗粒沉降到塔底与粗煤气分离。上升的粗煤气向上穿过4层塔板，与变换凝液逆向接触，洗涤掉剩余的固体颗粒。粗煤气在洗涤塔顶部经过折流板除沫器，除去夹带气体中的雾沫，然后离开洗涤塔进入变换工序。

气化用煤为呼伦贝尔地区所产褐煤，是世界首套以褐煤为原料的水煤浆气化工业化装置，该项目的投产对蒙东地区褐煤的开发和洁净化利用具有里程碑的意义。

1 中国褐煤资源简介

1.1 褐煤储量及特点

我国褐煤资源丰富，20世纪末，褐煤资源保有储量达1 300亿t，占全国煤炭总储量的13%左右[1]。褐煤是煤化程度最低的煤种，其典型特点是高水分、高挥发分、低热值、孔隙度大、易自燃氧化、低磷、特低氯、低砷、低汞、中氟等，长途运输易自燃，直接利用效率低[2]。

1.2 褐煤资源分布情况

我国的褐煤资源主要形成于晚侏罗系-早白垩系地层[3]，分布很不均匀。煤田地质勘探资料表明，我国的褐煤资源主要分布在华北地区，大概占全国褐煤地质储量的3/4以上，其中，以内蒙古东部靠近东北三省地区的储存量最多，约占全国褐煤储量的70%。西南地区是我国仅次于华北地区的第二大褐煤基地，其储量约占到全国褐煤总量的1/8，且大部分分布在云南省境内。但是，西南地区的褐煤几乎全部是第三纪比较年轻的褐煤，而华北地区的褐煤则大多是侏罗纪年老褐煤。我国其他地区的褐煤资源数量则很少。全国主要褐煤储量分布见表1[4]。

表1 全国各省区褐煤储量分布

1.3 呼伦贝尔地区褐煤煤质情况

呼伦贝尔周边大型煤矿主要有宝日希勒露天矿、东明煤矿、天顺煤矿、伊敏煤矿、拉布大林煤矿、五九煤矿、扎赉诺尔煤矿、免渡河煤矿等，各矿煤质差别较大，满足水煤浆气化使用的煤种较少，本文列举几种大唐呼化曾经使用过和正在使用的部分褐煤煤质情况，呼伦贝尔地区部分褐煤煤质分析数据见表2。

表2 呼伦贝尔地区部分煤质分析数据

2 水煤浆气化机理分析

水煤浆气化反应是一个很复杂的物理和化学反应过程，水煤浆和氧气喷入气化炉后瞬间经历煤浆升温及水分蒸发、煤热解挥发、残炭气化和气体间的化学反应等过程，最终生成以CO、H2为主要组分的粗合成气。在气化炉内进行的反应相当复杂，一般认为分三步进行[5]。

2.1 煤的裂解

水煤浆和纯氧进入高温气化炉后，水分迅速蒸发为水蒸气，煤粉发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物进一步反应变成煤焦，放出大量的反应热。

2.2 不完全燃烧反应

煤裂解后生成的煤焦及挥发分在高温、高氧浓度的条件下迅速发生不完全燃烧反应，即部分氧化还原反应，生成CO、CO2、H2等气体，放出反应热。

2.3 气化反应

经过前2步反应后，气化炉中的氧气已基本消耗殆尽，这时主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸气、CO2发生的气化反应，生成CO和H2，接近化学平衡。

煤的反应活性可以用挥发分来评估，挥发分是指煤中有机质可挥发的热分解产物。其中除含有氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等气体构成的混合物外，还有一些复杂的有机化合物。呼伦贝尔地区褐煤挥发分基本在37%以上(烟煤挥发分基本在25%～32%)，大多数褐煤挥发分甚至高于42%。褐煤挥发分较高，反应活性较强，这些特点对水煤浆气化而言是非常有利的。反应活性强的煤，在气化和燃烧过程中反应速度快、效率高，反应活性的强弱直接影响气化过程的产气率、耗氧量、灰渣含碳量等。

褐煤具有较高含量的挥发分，是褐煤水煤浆在较低浓度下能够安全气化应用的根本原因，也是大唐呼化实现世界首套褐煤水煤浆气化装置成功投料运行的根本保障。

由此可见，从理论来说，褐煤水煤浆气化是可行的。

3 褐煤水煤浆气化运行实践

3.1 成功投料

大唐呼化建成的世界首套褐煤水煤浆气化工业化装置，于2012年6月25日一次性投料成功，这是中国在水煤浆气化应用史上跨出的重要一步，该装置的投料成功，不仅证明了低阶褐煤可以进行水煤浆气化，而且对低浓度水煤浆气化技术的发展有着里程碑的意义，为我国褐煤资源的洁净深加工利用提供了大量工业化数据，为我国褐煤的综合利用开辟了新路径，该装置的成功投料，向世界证明褐煤水煤浆气化是完全可行的。

3.2 装置基本达产

大唐呼化经过3年的努力探索，克服了当地气候严寒和无成熟操作经验借鉴的重重难关，攻克了影响长周期生产的种种瓶颈问题，该装置的运行日趋稳定，年产尿素量逐年攀升：2014年尿素产量为24.236 8万t/a，2015年尿素产量为28.557 6万t/a，2016年尿素产量为28.597万t/a(装置设计尿素产能为30万t/a)，装置基本实现达产(未完全达产的主要原因是煤浆浓度较设计值低约4%)。该装置在低浓度下的基本达产，进一步证明了褐煤低浓度水煤浆气化是可行的。

3.3 负荷增加而总碳未增

气化装置双炉原设计投浆量为57.36m3/h，其中煤浆碳含量为23.91t(设计浓度53.4%，全水21.7%，内水8.5%，固定碳61.12%)，试生产使用免渡河煤，水煤浆浓度达到设计值，但因该煤种灰熔点高达1 450℃、煤价高、运输距离远，停止使用；2013年，探索将神华宝矿提质煤与东明褐煤按1∶1掺混进行制浆，基本达到设计煤浆浓度，2013年8月、9月两次装置标定达到设计能力，10月1日转固正式生产。由于神华宝矿提质煤价格高、粉尘大，无法保证安全生产，停止使用。2014年初，为降低生产成本，选择周边低质褐煤进行试验筛选，先后进行了扎赉诺尔矿褐煤、东明矿褐煤、顺兴矿褐煤的现场试验，3月份最终选定价格低廉的顺兴矿和东明矿褐煤作为原料煤进行气化，通过制浆技术的攻关和调整，所制水煤浆浓度逐步提高，达到49.5%～50%，吨氨标煤耗降至1.44t，吨尿素生产成本(两煤一电)降至855元，综合能耗低于44 GJ(吉焦)，有效降低生产成本。

目前使用东明煤投浆量64m3/h，是设计负荷的111%，其中包含干基煤30.63t，煤浆碳含量为19.80t(实际煤浆浓度49.5%，东明煤全水33.44%，内水10.84%，固定碳41.61%)，装置尿素日产量达到960t，即设计负荷96%。由此可见，每小时入炉真正碳含量实际要低于设计值。推算可知，如果每小时入炉煤浆碳含量23.91t，气化炉应该投浆量为77.27m3/h，按照当前生产情况推算，当气化炉投浆量达到77.27m3/h时，年产尿素可达到34.47万t。可见，目前装置未完全达产，根本原因是褐煤水煤浆浓度低，但是褐煤价格远远低于烟煤价格，故褐煤水煤浆气化是有账可算的，是完全可行的。

3.4 行业领先的炉砖寿命

经过3年的摸索和总结，目前，大唐呼化气化炉炉砖的使用寿命远远超过设计使用寿命，同时超越行业内同类型、同等规模的使用厂家，在行业内处于领先地位。

目前，拱顶砖、筒体砖、锥底砖均2年更换1次，使用寿命可达16 000h，渣口砖1年半更换1次，使用寿命可达12 300h。

炉砖使用寿命较长，分析其主要原因是褐煤机械强度低，对炉砖的冲刷磨损速率慢；灰熔点低气化操作温度低，炉壁挂渣均匀，减缓了炉砖磨蚀。两年一更换大大降低了气化炉的检维修费用，有效降低了生产成本。

通过大唐呼化近3年的运行实践证明，褐煤水煤浆气化是可行的，大唐呼化褐煤水煤浆气化装置的稳定运行，对推动我国褐煤的深加工利用，起到了积极的作用。

4 世界首套褐煤水煤浆气化装置运行状况

4.1 装置存在的问题及改造措施

装置运行之初，出现了水煤浆浓度低、系统水灰分含量高、水气比高、粗煤气带水带灰、系统水过剩、水平衡不匹配等问题[6]。针对存在的问题，大唐呼化多次召开气化专题会议，组织技术攻关，制定出技术改造方案，利用2013年的大检修，完成了气化装置一系列技术改造，技改主要包括：粗煤气增加文丘里洗涤器、洗涤塔塔盘由单一塔盘改为组合塔盘、入磨煤机物料管线改造、制浆水源改造、密封水系统增加限流孔板和流量计改造、真空喷射器系统代替闪蒸真空泵改造、蒸汽系统改造等。系统改造效果显著，装置运行的稳定性明显提高：一是装置运行时间由开车之初的7d提高至40d，2015年大检修对变换系统改造后，串联了1台原料气预热器，彻底消除了预热器结垢影响装置长周期运行的瓶颈问题，系统运行周期可达211d[7]；二是煤浆浓度逐年稳步提高，截至到目前，煤浆浓度稳定在49.5%以上；三是系统水气比完全实现可控可调；四是粗煤气带水、带灰现象基本消失；五是水系统得以控制，做到了有序、可控、定量排放；六是系统水质有了根本性改善，气化装置黑水管线做到1年清洗1次。

4.2 运行现状

目前，大唐呼化褐煤水煤浆气化装置整体运行稳定，其中，2015年全年双炉平均运行天数为332.5d(无备炉，其中大检修15d，大多时间均为短停换烧嘴，每次换烧嘴用时约4h)，气化炉在线运行率达到95%，煤浆浓度稳定在49.5%以上，有效气含量在65%～68%，气化炉运行负荷为设计值的110%。

2016年全年双炉平均运行天数为321d(无备炉)，气化炉在线运行率达到96.87%，煤浆浓度稳定在49.7%以上，有效气含量在65%～68%，气化炉运行负荷为设计值的111%。

5 褐煤水煤浆气化装置亟待解决的问题

目前，大唐呼化褐煤水煤浆气化装置虽然达到了安全、稳定、满负荷运行，但是仍然存在几个问题，具体如下。

5.1 中心氧含量低

目前,A炉中心氧含量7%，B炉中心氧含量8.4%，且均处于最大不可调状态，中心氧含量对烧嘴的雾化效果影响较大，进而影响了整个气化装置的经济性。

5.2 水煤浆浓度较低

虽然经过几年的摸索实践，目前单一东明煤制浆浓度达到了49.5%以上，然而离设计值53.4%尚有一定的差距。所以煤浆提浓工作越来越重要，该公司正在寻找切实可行的褐煤提浓新路径。

5.3 烧嘴压差波动频繁且使用寿命短

气化炉烧嘴使用一段时间后，烧嘴压差会出现波动现象，波峰为0.4MPa(g)左右，波谷为0.2MPa(g)左右，因烧嘴压差的频繁波动，气化装置基本在40～60d左右需单炉停车更换1次烧嘴，每次单炉停车更换烧嘴用时约4h，褐煤烧嘴使用寿命与烟煤(60～90d)相比，差距较大。

6 结语

中国褐煤资源丰富，然而深加工利用率非常有限，大唐呼化气化装置的工业化运行，对我国褐煤资源的洁净化利用意义重大。目前，该装置已实现了安全、稳定、满负荷运行，虽然仍存在一些问题，但经过不断的技术攻关，这些问题很快会被解决，褐煤水煤浆气化装置一定会像烟煤水煤浆气化装置一样，实现“安、稳、长、满、优”运行。

[1]刘红缨，高祺，等.含氧官能团对褐煤持水能力的影响研究[J].洁净煤技术，2015，21(1)：20-23.

[2]刘彦强，解京选，等.我国褐煤资源分布及提质的重要性[J].中国化工贸易，2012，4(1)：175-176.

[3]沈萍，刘喜奇，等.浅谈褐煤的形成机制及开发加工利用[J].中国煤炭地质，2009(21)：17-18.

[4]戴和武，谢可玉.褐煤利用技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[5]唐宏青.新型煤化工技术前沿[M].北京：中国财政经济出版社，2014.

[6]李自恩.褐煤水煤浆气化装置运行存在的问题及技改措施[J].煤化工，2016，44(1)：47-49，53.

[7]李储祥，王波，等，褐煤水煤浆气化变换预热器结垢探析与阻垢技改[J].煤化工，2016，44(4)：32-35.

修改稿日期： 2017-02-28

Feasibility and Production Practice of Coal Water Slurry in Brown Coal

LI Cu-xiang

(DatangHulunbeierChemicalFertilizerCo.，Ltd.，HulunbeierInnerMongolia021000，China)

This paper introduces the reserves，coal quality and resource distribution of lignite in China，and the details of the coal quality of some lignite in Hulunbeier area. Based on the characteristics of local lignite，the feasibility of gasification of coal water from coal water slurry and the operation practice of coal tar gasifier in Datang Hulunbeier Chemical Fertilizer Co. Ltd.，and the feasibility of gasification of lignite coal water slurry are analyzed. The operation status and the urgent problems of the world 's first set of lignite coal-water slurry gasifier are discussed in detail.

lignite；coal quality；coal-water slurry gasification；gasification mechanism

李储祥(1965年—)，男，吉林省吉林市人，1985年毕业于吉林石油化工学校无机化工专业，工程师，现主要从事生产管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.007

TQ546

B

1004-8901(2017)03-0027-04