碎煤加压气化技术的应用与改进

2017-11-06靳小龙内蒙古矿业集团兴安能源化工有限公司内蒙古兴安盟137400

化工管理 2017年31期

靳小龙(内蒙古矿业(集团)兴安能源化工有限公司，内蒙古兴安盟 137400)

碎煤加压气化技术的应用与改进

靳小龙(内蒙古矿业(集团)兴安能源化工有限公司，内蒙古兴安盟 137400)

碎煤加压气化技术是国有自主知识产权的煤气化技术，可以褐煤等低价煤为原料生产清洁燃料气或合成气(CO+H2)，已经在工业生产领域应用成功。研究其生产原理、技术特点，总结其运行经验，通过对酚氨回收改用甲基异丁基酮萃取工艺、污水系统引入分盐技术、增加气化炉直径等内容的改进，碎煤加压气化技术将更加完善。

碎煤加压气化技术；褐煤；煤制气；改进

煤气化技术问世100多年，工艺流程不断完善与更新。国外煤气化技术发展较早，相对较成熟，主要有西门子GSP气化技术、壳牌煤气化技术、泽玛克熔渣气化技术、Texaco德士古煤气化技术等。但是近些年来，国产煤气化技术发展较快，在国内市场上已经逐渐取代国外的引进技术，其中碎煤加压气化技术发展迅速，碎煤加压气化技术是我国自主知识产权研发的工艺技术，中国化学赛鼎工程有限公司是国内唯一具有碎煤加压气化工业化装置工程设计业绩的工程公司。以下对国产碎煤加压气化技术应用进行以下探讨和总结。

1 碎煤加压气化的技术特点

(1)煤种的适应性宽，能解决褐煤等低价煤种的利用问题广泛的煤种适应性，煤种从褐煤到无烟煤均可，尤其是对高水分、高灰分、高灰熔点的劣质煤利用有德天独厚的优势，能实现最大限度的原料本地化。中国已经探明的褐煤储量在1300亿吨以上。主要分布在内蒙古与东北三省相连的蒙东地区，占全国褐煤资源的3/4，其次是云南省，占全国褐煤资源的1/8左右，其他各省(区)褐煤的储量均不到总量的3%。褐煤是煤化程度最低的一类煤。外观成褐色到黑色，光泽暗淡或呈沥青光泽，含有较高的内在水和不同数量的腐植酸，在空气中易风化破碎。最大特点是水分含量高，灰分含量高，发热量低。褐煤的全水分可达20%～50%，灰分20%～30%，收到基地位发热量一般为11.7-16.7MJ/kg[1]。

褐煤的特性决定其不适合储运和长途运输，直接用做燃料效率极低，因此褐煤的有效利用是煤化学领域的重要课题，碎煤加压气化技术可以褐煤为原料生产清洁燃料气或合成气(CO+H2)，是解决褐煤有效利用的很好途径。

(2)在煤制天然气项目上有相对优势该技术煤气化过程中产生甲烷量相当于天然气中甲烷总量的45%左右，即有45%的甲烷是在气化炉内生成的。碎煤加压气化粗煤气(干气)中CH4的含量为8%～13%，经过净化工段处理后在净化气中的含量为11%～18%，净化气体的热值较高，特别适合于生产SNG产品，气化所生成的CH4在最终SNG产品中的比例约占40%，与其它气化技术相比较，变换冷却及净化装置的规模要小1/3，投资要省1/4。从而降低了甲烷合成的负荷，提高了煤制天然气过程的效率；煤气化过程中生成甲烷放出的热量，可以为煤气化提供部分反应热，从而降低了煤制天然气的煤耗和氧耗。

(3)副产品经济效益可观碎煤加压气化是集煤干馏和半焦气化于一体的气化工艺，可以回收煤中部分有机物，获得部分石油化工的替代产品。碎煤加压气化技术通过对煤气废水的处理可获得焦油、中油、石脑油、粗酚、氨等副产品，提高企业整体经济效益。

(4)运行稳定，技术成熟碎煤加压气化技术运行可靠，在线率高，单炉连续运行一般可达150天以上，碎煤加压气化炉在国内运行已30多年，通过不断的经验积累及技术改进，碎煤气化装置运行稳定、操作安全可靠，技术先进成熟，已在国内已广泛使用目前运行较好的有山西天脊化肥厂(5台)，河南义马煤气厂(5台)，哈尔滨气化厂(5台)，山西潞安煤制合成油(6台)，还有石家庄金石化肥厂、国电赤峰3052项目、大唐克旗煤制天然气项目、大唐阜新煤制天然气项目、新疆广汇甲醇二甲醚项目、新疆庆华煤制天然气项目、新疆新天煤制天然气项目等合计气化炉台数超过200台。

(5)投资少，消耗低碎煤加压气化炉与气流床气化炉相比投资较低，单台气化炉总投资约5000万元。根据项目规模，气化装置正常生产时都设有备炉，在发生气化炉故障或计划停车时，启用备炉以保障全厂生产稳定。单位有效气的氧耗低，碎煤加压气化(未把煤气中的甲烷作为有效气算)氧耗约为干粉煤气化的60%，水煤浆气化的52%，配套空分装置较小，空分装置投资最省。该技术备煤系统简单，原料煤只需要简单的破碎、筛分使粒度控制在5-70mm即可，而不需要设置磨煤制浆及预干燥、磨煤制粉装置，设备投资较少，流程较为简单。且后续装置以及空分装置原材料、动力消耗都较低，因此单位成本较低。

(6)不足之处该气化技术的缺点是蒸汽耗量大，污水量大且成分复杂，治理费用高和处理难度大。气化炉单炉负荷偏低。另外气化技术需要5mm以上的粒煤，会产生粉煤再利用问题。因此粉煤要与燃煤锅炉配合，以达到煤的粒度平衡。

2 碎煤加压气化技术的生产原理

碎煤加压气化工艺，在气化炉内煤向下移动，与向上流动的气流逆流接触，蒸汽与氧气混合作为气化剂由气化炉底部通入，原料煤从气化炉上部加入，气体在气化炉内由下至上依次通过灰层、燃烧区、气化区、干馏区与干燥区，最终从炉子顶部排出。在此过程中煤经过干燥、干馏和气化后，生成粗煤气(气化原理图见图1)在气化炉内发生的化学反应主要有：

燃烧反应： C + O2→CO2H2+ 1/2 O2→H2O

CnHm + (n + m/4) O2→n CO2+ (m/2) H2O

部分氧化反应： C + 1/2 O2→CO

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

蒸汽重整反应：

CO + H2O→CO2+ H2C + H2O→CO + H2

CO2还原反应： C + CO2→2 CO

3 碎煤加压气化技术工艺流程简述(工艺流程图见图2)

碎煤经煤锁加入气化炉。煤锁装满煤之后，用来自煤气变换及冷却装置的粗煤气和来自气化炉的粗煤气分两步对其充压，至气化炉操作压力后向气化炉加煤，之后煤锁卸压至常压，卸压的煤锁气送至煤气变换及冷却工段。减压后，留在煤锁中的少部分煤锁气用引射器抽出，经布袋除尘后送气化火炬燃烧后排放(G3-1)。

图1 碎煤加压气化原理图

蒸汽和氧气混合后经气化炉下部的旋转炉篦喷入，在燃烧区燃烧一部分，为吸热的气化反应提供所需的热量。气化炉夹套产生的中压蒸汽经夹套蒸汽分离器分离液滴后与界外来的中压过热蒸汽混合后送往气化剂混合管，分离出的夹套排污(W3-2)送循环水系统。在气化炉的上段，刚加进来的煤向下移动，与向上流动的气流逆流接触。在此过程中，煤经过干燥、干馏和气化后，只有灰(S3-1)残留下来，灰由气化炉中经旋转炉篦排入灰锁，再经灰斗排至水力排渣系统，灰锁通过过热蒸汽济园区，建设规模为公称能力40亿立方米/年煤制天然气(含5亿方天然气液化)+50万吨焦油加氢及相应附属产品。项目年用褐煤2150万吨，煤源来自内蒙古白音华煤田。项目的设计已经完成，改进内容如下：

(1)气化炉内衬腐蚀问题的解决措施经调研，大唐克旗的气化炉的腐蚀问题经分析是Cl—(即卤素)K+、Na+等(碱进行充压、卸压的循环，冲渣废水(W3-1)经过滤后回用。

图2 碎煤加压气化技术工艺流程图

离开气化炉的粗煤气以CO、H2、CH4和CO2为主要组分，还包括CnHm、N2硫化物(H2S)等次要组分。离开气化炉的煤气首先进入洗涤冷却器进行洗涤，冷却煤气并除去可能夹带的颗粒物。饱和并冷却后的煤气进入废热锅炉进一步冷凝，气液分离器后进入下工序净化、合成相关产品，并副产0.5MPa(G)低压蒸汽，废热锅炉排污(W3-3)送往循环水系统。

在废热锅炉下部收集的煤气水部分与高压煤气水混合后洗涤粗煤气，另一部分煤气水送往煤气水分离装置，分离出成尘泥、洁净煤气水和焦油、中油等，其中焦油、中油去油加氢装置，尘泥返回气化炉燃烧，洁净煤气水经处理后回收利用。

煤锁泄压排出的粗煤气经煤气水洗涤、分离后进入煤锁气气柜，煤锁气分离器底部的煤气水大部分循环加压后作为煤锁气洗涤用水循环使用，剩余小部分低压煤气水送往煤气水装置。煤锁气气柜收集的煤锁气送到煤锁气压缩机。气化炉非正常工况下的废气通过火炬燃烧后排放。

4 实践应用情况分析

碎煤加压气化技术的优势是以褐煤为原料在煤制气项目的应用。此应用已经在大唐克旗煤制气项目基本取得成功。大唐克旗煤制气项目以内蒙古锡林郭勒东胜利二号煤田的褐煤为原料，2009年8月开工建设，2013年12月成功运行。至今生产基本稳定，但同时也暴露出一问题，如气化炉内衬出现过腐蚀现象，酚氨回收效果不好、污水处理运行不稳定等。

因此内蒙古矿业(集团)兴安能源化工有限公司的煤制气项目(简称兴安能源煤制气项目)，认真总结了大唐克旗煤制气项目的运行经验，对其不足之处进行了优化和改进。兴安能源煤制气项目位于内蒙古兴安盟科右中旗百吉纳工业循环经金属)共同作用的结果，因此兴安能源煤制气项目气化炉内衬设计采用 E-NiCrMo-3材质堆焊内衬处理。经实践证明，用ERNiCrMo-3材质堆焊内衬防腐蚀的解决办法可行。

(2)对酚氨回收工艺的改进大唐克旗煤制气项目酚氨回收工序采用的是二异丙基醚萃取工艺，运行效果不好。兴安能源煤制气项目酚氨回收工序采用的是我国自主知识产权研发的单塔加压、脱酸脱氨及甲基异丁基酮萃取工艺。该工艺的先进性为：①脱COD及脱酚效果远高于二异丙基醚萃取工艺；②该工艺的操作条件较二异丙基醚萃取工艺条件更宽松；③该工艺的出水指标远低于德国的鲁奇污水处理工艺的出水指标,且完全能满足下一工段生化处理的需要：即：CODcr≤3000mg/L；总酚：≤500mg/L；NH3-N≤300mg/L;④该工艺使用的萃取剂更稳定,不易损失；⑤该工艺使装置运行更加稳定,避免了发泡体系造成的液泛；⑥该工艺在中煤龙化哈尔滨化工有限公司运行效果非常好，且有鉴定成果。

5 污水处理工序引入分盐技术

由于国内的煤制气项目的污水处理大多没有做到零排放，这不符合环保的发展理念。为此兴安能源煤制气项目通过调研及科学的论证，污水处理工序上引用了内蒙古久科康瑞环保科技有限公司的纳滤及催化氧化的分盐技术，该项技术在3.5t/h的中试装置已经通过中国环境科学学会及内蒙古自治区科学技术厅所组织的科技成果鉴定(中科鉴字[2014]第45号、内科鉴字[2014]第63号)。分出的氯化钠产品由中科院广州化学所分析检测中心分析其指标，完全达到工业盐标准，可以当做PVC的原材料。

该分盐技术真正实现工艺废水零排放及资源化目标，同时能保证污水处理系统的稳定运行。

6 碎煤加压气化技术的最新动态

目前，中国化学赛鼎工程有限公司正在研发5米碎煤加压气化炉，已经取得阶段性的成功，可以解决单炉负荷偏低的问题。

碎煤加压气化技术的粗煤气产品中富含甲烷，特别适合于生产城镇燃气或煤制天然气。现在国内成熟的3.8米气化炉与气流床气化工艺相比气化强度低、单炉产量低，SHELL、E-GAS、GSP、TEXACO等气流床气化工艺处理煤量最大达到2000吨煤/天，碎煤加压气化典型炉型Φ3.8米气化炉单炉日处理量最大仅为700-800吨/天。根据国家煤化工产业政策，煤制天然气的最小规模为20亿立方米/年，使用同等气化压力的5米碎煤加压气化炉所需台数减少37%左右，气化炉台数的直接减少不仅节约设备投资，对土建、仪控、占地面积也会有很多节约。投产以后的生产维修人员也会相应减少，经济效益明显。