碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术推进化工和燃气产业煤气化技术转型升级 （续）

田守国

（江西昌昱实业有限公司，江西南昌 330013）

4.3 环保措施

碎煤 （UGI）纯氧连续气化工艺完全符合国家低碳环保的产业政策和能源综合利用发展循环经济的战略发展思路，属于洁净、高效、节能的煤气化技术。

碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术依据国家有关规范要求，本着节能、减排、安全、环保的原则，为达到清洁燃气质量标准，避免煤气燃烧过程中产生大量的SO2、氮氧化物（NOX）和黑色烟气，并且避免煤气管道的腐蚀以及煤焦油和尘埃在煤气管道内产生淤堵而影响正常供气，需对煤气进行净化处理，去除煤气中的粉尘、煤焦油和硫化物。具体措施如下。

（1）水煤气生产过程不产生废气，没有废气排放。

（2）采用封闭式皮带廊，避免原料煤输送过程中产生扬尘。

（3）配置旋风除尘器，将煤气携带的粉尘予以去除并回收利用。

（4）采用灰渣箱加湿出灰、旋风除尘器封闭式自动排灰，避免传统人工操作造成的大量扬尘，减轻操作人员的劳动强度，同时极大地改善生产车间的现场操作环境，生产现场干净、整洁、安静，无灰尘、无异味。

（5）配置洗气塔，对煤气进行清洗和降温。

（6）配置静电捕焦器去除并回收煤气中的煤焦油。

（7）采用湿法脱硫技术去除煤气中的硫化物。

（8）灰渣进行无害化综合利用。

（9）洗涤煤气的冷却水循环使用，即配套新型循环冷却水净化处理系统，使循环冷却水水质达到二次使用标准，实现闭路循环及零排放。

以上环保集成技术中，静电捕焦技术、湿法脱硫技术、循环冷却水零排放新技术、灰渣资源化利用技术是碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术的主要环保措施，以下对这些关键环保技术进行重点介绍。

4.3.1 静电捕焦技术

煤焦油混杂在煤气中不仅造成煤气燃烧时产生烟尘，而且久而久之会因为焦油附着在管道内壁粘附灰尘使管道有效通径缩小，影响煤气正常输送，还会造成管道淤堵，影响整套装置的正常运行。而同时，煤焦油又是一种十分重要的化工原料，含有400多种化合物，是化工、钢铁、有色冶炼、医药、农药、航空、航海等行业的重要原料，其中很多化合物是国防工业的贵重原料，也有一部分多环烃化合物是石油化工所难以生产和替代的。因此，煤气除焦净化并将其充分回收利用，不仅是煤气净化所必须的，而且还是资源回收利用的必要措施。

静电捕焦器的工作原理：经变压、整流后的高压直流电接通电晕极后，在电晕极与沉淀极间形成不均匀强电场，电晕极为负极，沉淀极为正极，带有灰尘、焦油的水煤气从塔体下部进入电滤器后，在电场作用下，灰尘及焦油粒子带电向两极运动，在电极上放电后成为不带电灰尘粒子，依靠重力顺壁流下，积聚于底部，然后从底部排污管排出，而净化后的水煤气从上部出口导出。

采用无烟块煤、半焦 （兰炭）或型煤作气化原料的，水煤气中的焦油含量在1.0～2.0g／m3；采用焦炭作气化原料的，水煤气中的焦油含量≤1.0g／m3。而这些水煤气经静电捕焦器处理后，水煤气中的煤焦油含量≤1.0mg／m3、尘含量≤2.0mg／m3。

4.3.2 湿法脱硫技术

硫化物脱除是煤气净化的重要环节，是防止设备腐蚀和水煤气作合成气时后续系统溶液或媒介物 （催化剂）中毒的必要措施，同时也是将煤气用作工业燃气时降低燃烧尾气中SO2含量的必要手段。

环保集成技术中水煤气中硫化物的脱除采用湿式氧化法脱硫 （PDS脱硫）技术，该技术以碱液为吸收剂，以PDS为催化剂。PDS催化剂对脱硫过程与再生过程均有催化作用，能快速地将液相中的HS－氧化成单质硫，从而使液相中H2S的浓度大幅下降，进而大幅度增加煤气中的H2S溶解于液相中的速率，实现高效脱除煤气中H2S之目的；同时，PDS催化剂对脱硫液所接触的设备、管道均具有明显的缓蚀作用。

气柜来的水煤气经静电捕焦器除去所含的部分粉尘、煤焦油等杂质后，由罗茨鼓风机增压到脱硫系统 （或压缩机入口）所需压力后送入气体冷却塔，冷却后进入脱硫塔，与塔顶喷淋而下的脱硫液逆流接触，水煤气中的硫化物被贫液吸收；脱硫后的气体由脱硫塔上部出来，从清洗塔底部进入，经水喷淋洗净后，水煤气中的H2S含量 （＜3000mg／m3）降至达到二类天然气国家强制性标准 （GB17820—2012）（20mg／m3以下），经一级除滴塔除去煤气中的水雾后去压缩工段加压外供。脱硫塔中，吸收了H2S的富液自塔底经调节阀流入富液槽，然后由再生泵打入自吸喷射氧化器，与喷射器吸入的空气进行氧化反应，氧化反应后的溶液进入再生槽继续氧化再生，并浮选出硫泡沫；再生后的贫液经液面调节器 （升降阀）进入贫液槽，在贫液槽内补充新鲜碱液后，经贫液泵加压进入脱硫塔顶部，循环使用；氧化再生槽浮选出来的硫泡沫去硫泡沫槽，用硫泡沫泵输送至板框压滤机，分离掉清液后的硫膏去熔硫釜，在熔硫釜内通过蒸汽加热生产硫磺外售，板框压滤机出来的清液则回收至系统继续使用。

脱硫后的煤气加压外供时，若用户距离气化装置达到2km，即属于较远程输送，需提高煤气压力至0.8MPa才能保证用户正常使用，且煤气压力的提高可减小外送煤气管道的直径。因此，清洁燃气生产装置后序需配套建设煤气压缩机。

4.3.3 循环冷却水零排放新技术

（1）强化物理处理。经沉淀池粗沉后一般污水中杂质含量≤200mg／L，再经新型微涡流澄清器深度净化后，水中杂质含量可降至20～30 mg／L，循环冷却水浊度 （SS）＜70mg／L，达到二次使用标准。

（2）强化冷却。采用冷却塔强制降温，夏季要求水温＜35℃，冬季要求水温＜30℃。

（3）强化水质调整。循环冷却水中的硫化物、氰化物，可采用向循环水中加药将其分解的办法予以去除；循环冷却水长期运行后，必然会使各种物质富集，破坏原来的平衡，产生新的动态平衡，可有针对性地加入化学药品 （如絮凝剂、阻垢剂、缓蚀剂、剥离剂等）进行调节，达到防垢、防腐、防积泥之目的。简言之，可通过水质调整将循环冷却水中的有害物控制在许可范围内，使水质达到二次使用标准。

（4）控制水量平衡。循环冷却水在冷却塔降温过程中有1%～2%的蒸发损失，而煤气生产过程中有增水因素，可将未分解的蒸汽冷凝水和夹套锅炉、余热锅炉定期排放炉水作为循环冷却水系统的补水，从而达到水量平衡；另外，循环冷却水系统采用敞开式水池，水池设计时留有一定的裕量，雨季时雨水也是增水因素之一，但如果长时间干旱无雨，需适量补充新鲜水，以保持循环水系统的容量。

4.3.4 灰渣资源化利用

碎煤 （UGI）纯氧连续气化炉生产过程产生的灰渣，经过1300℃高温煅烧，无毒、无害，灰渣中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分总含量占比96%左右，其他为残炭 （0～5%），属第Ⅱ类工业固体废弃物，其化学成分以及矿物组成与水泥生产中所用的粘土原料极为相近，且含有大量的富氧矿物和微量元素，活性很好，用作生料配料可以促进熟料的烧成，用作水泥混合材料也有利于水泥的水化作用，对抗压抗折强度的提高大有裨益。因此，气化灰渣可以作为水泥生产的配料使用，也可用于砖瓦制造和道路铺设。此外，气化装置开车投产阶段煤气炉负荷由低到高的过程中，灰渣残炭率可能会有偏高一些的情况，可以将其破碎掺入动力锅炉的燃料煤中重复利用。总之，不论采用何种方法，均能实现灰渣资源化利用，使原料煤转化利用率接近100%。

4.4 技术优势

4.4.1 原料适应面广

碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术，气化原料可采用无烟块煤、冶金焦、气化焦、半焦 （兰炭）、型煤等。适宜的入炉粒度为6～100mm的大、中、小块或小籽粒，技术经济上较理想的粒度为10～30mm，但为了充分利用资源，粒度分级规则为小籽煤 （6～20mm）、小粒煤 （8～25mm）、小块煤 （10～30mm）、中块煤 （20～50mm）。实际应用过程中，若原料煤粒度过大，其比表面积小、蓄热能力小的特点使显热散失严重，导致气化效率低、煤气出口温度高、灰渣残炭率高、热效率低，因此碎煤（UGI）纯氧连续气化要尽量少采用或不采用粒度50mm以上的原料煤。

碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术的入炉原料煤基本技术要求见表2。可以看出，表2所示的技术指标，中等质量的原料煤就能达到要求。简言之，碎煤 （UGI）纯氧连续气化对原料煤没有特殊的要求，相较于间歇气化 （UGI煤气发生炉），其对原料煤的适应面更广，特别是适宜于气化小籽粒煤、劣质煤或型煤，会有更高的生产效率和更好的经济效益。碎煤 （UGI）纯氧连续气化能够消化利用6～20mm的小籽粒煤，进一步提高原料煤的利用率，使原本的“燃料煤”提质为气化原料煤，提质升价1000元／t左右，从而大幅度地降低生产成本。

表2 入炉原料煤的基本技术要求

4.4.2 消化利用低阶煤和小粒原料方面更具优势

4.4.2.1 小粒煤更有利于气化反应

由于碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术的设备配置和工艺条件得到优化，因此其适用于粒度较小的原料煤，这样不仅原料的采购成本大幅降低，且相较于气化大块煤，相同煤气炉物容量的条件下，原料煤的表面积呈几何倍数增加，而原料煤表面积的增加会使气化效率同步提升。

气化过程中，蒸汽先与原料煤表面接触，被原料煤表面吸附，在高温作用下，氢与氧分子断链脱附形成单质气体，而氧与碳分子组合生成一氧化碳，从化学反应原理角度而言，原料煤表面吸附的蒸汽越多，蒸汽分解率就越高。蒸汽被原料煤表面吸附的数量在很大程度上取决于蒸汽与原料煤表面的接触面积，而蒸汽与原料煤表面接触的面积又取决于原料煤表面积的大小。

分析表明，扩大床层内原料煤的表面积，有利于增大气化剂与原料煤表面的接触几率，有利于氧化反应和蒸汽分解以及二氧化碳还原反应。

4.4.2.2 适于粒度小且粒度相对均匀原料煤的消化利用

间歇气化煤气炉设计的入炉原料煤粒度下限为20mm，为提高原料煤的利用率，一些企业将入炉原料煤粒度下限降为10mm，此举虽然使原料煤的利用率有所提高，但却是以牺牲生产能力、增加单位产品能耗、降低煤气质量为代价的，而且间歇气化消化小籽粒原料对煤气炉工况也会造成一定的负面影响，容易出现火层分布不均匀，进而发展为偏灰、偏火、局部结疤现象频发，为稳定工况只好降负荷生产，系统产能下降，纷纷被迫增建煤气炉，可谓得不偿失。

原则性的问题不能违背，间歇气化入炉原料粒度下限的确定是有科学依据的，因为高流量的吹风过程对床层的透气性和透气的均匀性均有严格的要求。而纯氧连续气化取消了吹风过程，相较于间歇气化的吹风过程，气化剂的流速降至其1／4左右，避免了床层吹翻和带出物增多的问题，适合粒度小且粒度相对均匀的原料煤的消化利用，并且能够保证煤气炉的长周期、稳定运行。总的来说，小籽粒原料煤纯氧连续气化的突出优势是气化效率高、出气温度低和灰渣残炭率低。

4.4.3 气化装置的自动化程度较高

纯氧连续气化装置自动化程度较高，配套使用自动加煤、自动排渣、液位自调、自动调节气化剂流量、自动探测床层高度及旋风除尘器、有自动清灰装置的余热锅炉，工艺调节控制方便，检测设施齐全，炭层高度、气化剂流量、汽包液位能够保持在允许范围内，为稳定和优化气化工况奠定了良好的基础，进而保证系统的长周期、满负荷运行。

提高生产装置的自控水平是提高生产效率的重要措施之一。纯氧连续气化系统自动检测和自动控制技术较完善，配置了多项安全检测、安全联锁、自动报警和联锁停车装置：① 加煤采用全自动控制，输送带将原料煤输送至各煤气炉贮煤仓，DCS系统按照工艺要求控制自动加煤机定量定时将煤加入煤气炉内；② DCS控制变频调速炉条机自动按照工艺要求定量排出灰渣，不停炉下灰装置在保证煤气炉正常运行的条件下将喷淋湿的灰渣排至炉外，然后灰渣箱通过V形管将灰渣卸至输送带上，由输送带送至灰渣场；③配套使用全密闭水力自动除灰或气体输灰装置，自动排出上行旋风除尘器和废热锅炉底部的细灰，减轻操作人员的劳动强度，消除人工操作带来的扬尘，避免形成污染。

4.4.4 利于实现企业资源的综合利用

碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术配套使用深冷制氧装置，生产的氧气纯度高，且副产纯度很高的氮气和氩气 （≥98%），由于氮气和氩气是副产品，生产成本很低，利用空分装置副产品替代原有专门制造或市场采购的原材料 （如：铝材加工生产需要氮气和氩气，多数企业氮气由专门建设的制氮机供给，制氮装置功耗高且生产效率较低，氮气生产成本较高；所有燃气消耗企业氩气都是靠市场采购的，目前氩气的应用领域越来越广泛，其市场价格较高），属资源的综合利用，可实现节能降耗。

5 碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气替代天然气作工业燃气的效益分析

5.1 水煤气锅炉替代天然气锅炉

5.1.1 环保效益

5.1.1.1 降低氮氧化物排放浓度

天然气属化石能源，是目前公认的较为清洁的能源，但也存在清洁燃烧的问题，主要是燃烧过程中会产生大量的氮氧化物，相较于清洁、高热值的水煤气，其燃烧氮氧化物产生量大。

环保部2016年燃气锅炉氮氧化物 （NOX）排放标准 （上限）为：新建燃气锅炉200mg／m3，在用燃气锅炉400mg／m3。但据环保部门公布的资料显示，天然气锅炉运行中氮氧化物排放浓度小于200mg／m3的仅占35%，小于400mg／m3的占94%，大部分天然气锅炉氮氧化物排放浓度在300mg／m3左右。而水煤气锅炉可以将氮氧化物排放浓度控制在100mg／m3以下，大多能够稳定在75～80mg／m3。可见，水煤气锅炉替代天然气锅炉可有效降低氮氧化物的排放浓度。

5.1.1.2 燃烧配空气量较少

由于气体组分、浓度等的差异，天然气燃烧相较于碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产的水煤气燃烧，需氧量差异很大；以1000kcal发热量作为基准，天然气燃烧所需氧量为水煤气燃烧所需氧量的175%。

天然气燃烧需氧量大，配入的助燃空气量大，空气中约78%的氮气在高温下氧化而产生大量有害物质——氮氧化物 （NOX），同时带走部分热量使燃烧过程的热效率降低，不仅浪费了能源，而且污染了环境。

5.1.1.3 用于燃气发电更清洁、高效

纯氧连续气化生产的优质水煤气，水煤气中CO、H2、CH4、CnHm等可燃成分高达85%左右，用于燃气发电机组发电比煤炭直接燃烧发电可减少43%的CO2排放，而且主要成分H2燃烧主要生成H2O和少量NH3，不会产生CO、CO2和碳氢化合物等，与其他燃料相比更清洁、高效。

5.1.2 经济效益

天然气锅炉蒸汽生产成本：生产1t（1.0 MPa）蒸汽需82.4m3天然气，按工业天然气热值 8000kcal／m3、价格 3.0元／m3、天然气锅炉热效率91%计算，蒸汽的生产成本为247元／t。

水煤气锅炉蒸汽生产成本：生产1t（1.0 MPa）蒸汽需248m3水煤气，按水煤气热值2600kcal／m3、价格 0.45元／m3、水煤气锅炉热效率93%计算，蒸汽生产成本为114元／t。

天然气锅炉蒸汽生产成本247元／t，水煤气锅炉蒸汽生产成本114元／t，两者成本差异133元／t，则1台20t／h的燃气锅炉，以水煤气为燃料相较于以天然气为燃料年可节约生产成本2100万元左右。

目前，为鼓励锅炉减排改造，政府会给予一定的资金补贴。据相关政策，在减排幅度不小于50%的前提下，氮氧化物排放浓度达30mg／m3以下的，政府按改造投资额的1／3予以补贴；氮氧化物排放浓度在30～80mg／m3之间的，政府按改造投资额的1／4予以补贴。

目前不少地方在推动燃煤锅炉改天然气锅炉，结合上述分析来看，若将燃煤锅炉直接改为水煤气锅炉，在经济效益和环境保护等方面将具有更加明显的优势。

5.2 水煤气用作工业窑炉燃气

清洁、高热值水煤气替代天然气作熔炼炉、焙烧炉、烧结炉、烘干炉等工业窑炉的燃气，节能减排效果十分明显，经济效益好，社会效益好。以下以河南省某有色金属型材加工企业为实际案例进行效益分析。

5.2.1 节能减排效益和社会效益

河南省某有色金属型材加工企业，原采用天然气作熔炼燃气，需求量为10000m3／h，企业增加1条生产线后，天然气供给量不足，只能靠收购部分压缩天然气 （CNG）弥补约25%的缺口，时值天然气价格大幅上涨，对企业生产经营和经济效益均造成了极大的影响。2013年该企业联同市环保部门经过考察论证，决定建设1套能够生产清洁、高热值水煤气的碎煤 （UGI）纯氧连续气化装置，用企业自产的水煤气作工业燃气。气化装置于2014年5月份建成投产，生产实践表明，自产水煤气作工业燃气氮氧化物（NOX）排放量大幅减少，节能减排效果显著，环保性能优越；同时，企业扩大了生产规模，增加了营收，税额增加贡献于社会，还增加了就业岗位，减轻了社会负担。投运1a后，河南省环保部门组织召开现场办公会，号召全省的燃气消费企业以此为样板加速推广新兴清洁燃气生产技术，加速淘汰或关停传统低热值燃气生产装置。

5.2.2 经济效益

3m3水煤气的热值相当于1m3天然气的热值 （8000kcal／m3）。天然气市场售价3.0元／m3，自产水煤气成本0.45元／m3，3m3水煤气成本1.35元，即天然气与自产水煤气两者价差为1.65元／m3，以30000m3／h水煤气生产装置为例，30000m3／h水煤气可以替代10000m3／h天然气，合计年经济效益为1.32亿元。而30000 m3／h水煤气生产装置 （包括空分系统、纯氧气化系统、脱硫系统、煤气压缩机、燃气或燃煤锅炉、气柜、循环冷却水系统、软化水系统等全部设施）整体建设投资在1亿元左右，建设周期约10个月，气化装置运行不到1a即可收回全部建设投资。

除上述直接经济效益以外，碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产的水煤气用作工业窑炉燃气的间接经济效益也十分可观：一是投资省、建设周期短、见效快；二是改用自产工业燃气后，关掉了依赖多年的天然气，真正实现了企业的自主经营，外部影响因素减少，系统运行稳定，铝材加工的成本大幅降低；三是空分装置副产的氮气和氩气供铝材加工系统使用，可大幅减少外购开支，实现资源的综合利用；四是煤炭气化后产生的灰渣还可以通过综合利用产生经济效益。

可以看出，在目前的经济形势下，碎煤（UGI）纯氧连续气化生产水煤气用作工业窑炉燃气属于很难得的效益较好的投资项目。

6 碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术的技术风险分析

（1）在我国，常压固定床煤气发生炉广泛应用于化工、冶金、机械、建材、城市燃气等行业，目前总保有量10000余台，其中约46%用于煤化工生产。值得一提的是，生产化工合成气的UGI煤气发生炉，与生产工业燃气的一段式或二段式煤气发生炉虽然都属于常压固定床煤气发生炉，但其结构特点与工作原理却有着很大的区别，在煤气生产成本、环境保护、煤气质量和单炉生产能力等方面其差距是很大的。总的来讲，UGI煤气发生炉在主体设备的设计和对配套装置的要求等方面均优于生产工业燃气的盆式底盘排渣式煤气发生炉，其性价比也高于后者。

（2）UGI煤气发生炉在我国有大量的应用，其应用始于上世纪60年代初，至今已有50a以上，目前在煤化工行业中有4600余台的保有量。煤化工行业对技术装备的节能、效率、环保、自动化和生产连续性等方面的要求均十分严格，在长期的运行中对原有装置进行了大量的技术改进，使气化工艺和各系列气化装置在热效率、安全、环保等方面均已较为完善。

（3）碎煤 （UGI）纯氧连续气化炉属于低压气化设备，其主体结构和配套附件均较为简单，经过专用设计后主体设备各项性能进一步增强，配套设施进一步简化，设备连续运行周期较长，操作控制更加容易。总之，碎煤 （UGI）纯氧连续气化工艺和技术装备均成熟可靠。

（4）碎煤 （UGI）纯氧连续气化工艺流程是在UGI煤气发生炉系统的基础上升级发展而来，主要是对UGI煤气发生炉主体部分和附属配套设施进行了大量的改进和完善，相较于间歇气化工艺单台煤气炉减少了8台工艺阀门，消除了频繁的制气阶段转换，其生产过程更加安全、稳定、可靠，操作也简单、方便。

（5）碎煤 （UGI）纯氧连续气化装置自动化程度进一步提高，生产环境安静、卫生，相较于间歇气化操作人员可减少30%，气化强度则提高1倍以上；同时，所产水煤气中CO和H2含量高 （合计在82%以上）、氮气含量低 （0.1%左右），煤气成分明显改善，且原料煤转化利用率提高25%以上。

（6）碎煤 （UGI）纯氧连续气化装置采用了20项安全措施，增设了多个安全检测和安全联锁，并且增设了防回火装置，使气化装置的安全保障能力大幅提高。

（7）碎煤 （UGI）纯氧连续气化装置气化强度大、原料煤适应性广、无吹风气排放、原料煤转化利用率高，且实现了废气、废水零排放和废渣的资源化综合利用，气化装置生产现场无灰尘、无泄漏，现场环境干净、整洁、安静，环保性能良好，完全符合国家有关产业政策的要求，属于允许发展的煤气化技术之一。

（8）碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术和配套设施成熟可靠，其应用遍及多个行业，有水煤气产能在200000m3／h左右的大型装置，或水煤气产能在100000m3／h左右的中型装置，或水煤气产能在50000m3／h左右的小型装置，均已经过国内多领域数十家生产单位多年的生产实践检验。

7 结束语

碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术属投资省、建设周期短、运行成本低的气化技术，十分适合我国国情和原料煤资源特点 （随着煤炭开采机械化程度的提高，粉煤占比越来越大，块煤占比越来越小），十分适合目前煤化工行业和燃气消费企业的发展状况，是诸多行业新建和改扩建工程项目的首选气化工艺，同时我国用氧技术的转变和制氧技术的发展也为碎煤 （UGI）纯氧连续气化技术的推广应用奠定了基础。当前正值氮肥行业和燃气行业气化技术转型升级的大好时机，相信碎煤 （UGI）纯氧连续气化生产水煤气技术必将在很大程度上替代间歇气化和富氧连续气化技术以及一段式煤气发生炉、二段式煤气发生炉，成为多个行业的主流气化技术。