鲁奇碎煤加压气化工艺在煤制天然气项目中的应用分析

张 明，张福亭

(伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 835000)

0 引 言

煤制天然气项目气化工艺选择时，鲁奇碎煤加压气化工艺颇受青睐。美国大平原合成燃料厂煤制天然气项目采用鲁奇碎煤加压气化工艺，国内已建成投产的新疆庆华能源集团有限公司煤制天然气项目、内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司煤制天然气项目、伊犁新天煤化工有限责任公司煤制天然气项目以及在建的辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司煤制天然气项目均采用鲁奇碎煤加压气化工艺。

大多数煤制天然气项目都选择了鲁奇碎煤加压气化工艺，表明该工艺能够适应煤制天然气装置的生产要求。为了更深入地了解鲁奇碎煤加压气化工艺在煤制天然气项目中应用的优势与不足，以下就鲁奇碎煤加压气化工艺与水煤浆气化工艺、粉煤气化工艺进行对比分析。

1 应用于煤制天然气项目的优势

1.1 煤种适应范围广

鲁奇碎煤加压气化工艺在国内应用较广，技术也十分成熟，其原料适应范围非常广，除黏结性较强的烟煤外，从褐煤到无烟煤，几乎适用于所有煤种。煤制天然气项目基于原料成本及产品特点的原因，原料几乎都选用褐煤、长焰煤等低阶煤。首先，低阶煤价格低廉，可明显降低煤制天然气的生产成本；其次，低阶煤挥发分含量高，挥发分在热解过程中分解出的甲烷是煤制天然气装置的产品气；再次，我国政策层面鼓励建设低热值煤炭清洁利用和加工转化项目。美国大平原合成燃料厂煤制天然气项目的原料煤为褐煤，内蒙古大唐克旗煤制天然气项目的原料煤为褐煤，新疆庆华煤制天然气项目、伊犁新天煤制天然气项目原料煤为长焰煤。低阶煤煤化程度低，有内水高、灰分低、氧碳比高、亲水官能团多、内部空隙发达等特点，这些特点使得煤的可磨性系数小；煤的可磨性系数小，制粉难度大，同时内水高、氧碳比高、可磨性系数小又是煤成浆性差的主要原因。因此，气流床气化炉对低阶煤的适应性较差，而鲁奇碎煤加压气化工艺要求入炉煤的粒径范围为6～100 mm，粒径范围大，原料煤无需磨制，不受可磨性系数的影响，其对煤种的适应范围广。

1.2 主装置建设成本低

1.2.1 甲烷化装置

图1 鲁奇碎煤加压气化炉气化过程示意图

1.2.2 空分装置

鲁奇碎煤加压气化炉内，原料煤自上而下经过干燥层、干馏层、气化层、燃烧层、灰层，而气化剂(氧气和过热蒸汽)自下而上与原料煤逆流接触，鲁奇碎煤加压气化工艺副产品种类多、产量大，在气化炉内，干馏层中产生的焦油、酚类物、甲烷等未进入气化层或燃烧层参与反应，减少了参与气化反应所需的热量及燃烧反应所需的氧量，且因气化炉内气化剂与原料煤逆流接触，使得气化炉出口粗煤气温度(400 ℃)和灰渣温度(450 ℃)都比气流床气化炉出口粗煤气温度和灰渣温度低得多，这样被粗煤气和灰渣带出的显热就少，故鲁奇碎煤加压气化炉单位煤量气化所需的氧量比气流床气化炉(水煤浆气化炉或粉煤气化炉)要小得多。

某煤制天然气项目气化装置采用鲁奇碎煤加压气化炉，与兖矿新疆煤化工有限公司采用的多喷嘴水煤浆气化炉、大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司采用的Shell粉煤气化炉的主要运行数据对比见表1。

表1 几种气化炉主要运行数据的对比

据表1数据，粗煤气经变换冷却、甲烷化反应后生产合成天然气，以20×108m3/a煤制天然气装置为例，可折算得出，气化装置采用鲁奇碎煤加压气化工艺需要配套氧气总产量120 km3/h的空分装置，气化装置采用水煤浆气化工艺和Shell粉煤气化工艺则需配套氧气总产量300 km3/h以上的空分装置。

1.2.3 变换冷却装置和低温甲醇洗装置

据表1数据，将各气化工艺所产有效气折算成相等的合成天然气产量，煤制天然气项目气化装置如果改用德士古水煤浆气化炉，粗煤气量将增大约1.22倍，变换冷却后的变换气量以及低温甲醇洗后的净化气量将增大约1.54倍；煤制天然气项目气化装置如果改用Shell粉煤气化炉，粗煤气量将增大约1.16倍，变换冷却后的变换气量以及低温甲醇洗后的净化气量将增大约1.65倍。可见，煤制天然气项目气化装置采用鲁奇碎煤加压气化工艺，其变换冷却装置的变换气量和低温甲醇洗装置的净化气量比采用气流床气化工艺少，能大大节约变换冷却装置和低温甲醇洗装置的建设成本。

1.3 运行经济性好

1.3.1 气化过程碳转化率高

鲁奇碎煤加压气化工艺，其碳转化率高达99%以上(包含焦油等副产品)，而水煤浆气化工艺的碳转换率约95%，Shell粉煤气化工艺的碳转化率约96%～98%。可见，鲁奇碎煤加压气化工艺的碳转化率明显高于气流床气化工艺。

1.3.2 气化过程氧耗低

据煤化工企业运行经验，鲁奇碎煤加压气化工艺、水煤浆气化工艺、Shell粉煤气化工艺生产1 000 m3粗煤气(CO+H2+CH4)的氧耗分别为192～240 m3、420～440 m3、360～370 m3。可以看到，鲁奇碎煤加压气化工艺生产1 000 m3粗煤气的氧耗明显低于气流床气化工艺。

1.3.3 副产品综合利用后经济效益显著

气流床气化炉，操作温度高，气化反应区温度高达1 200～1 400 ℃，煤的干馏物均被转化为CO、H2、CO2，几乎没有副产品。而鲁奇碎煤加压气化工艺副产品种类多(包括焦油、中油、粗酚、石脑油、氨水等)、产量大，以20×108m3/a煤制天然气项目为例，焦油、中油、石脑油、粗酚的年产量超过200 kt，将焦油、中油进行深加工可产出洗油、蒽油、石脑油、煤沥青等，可带来良好的经济效益。

1.4 技术成熟而生产操作稳定

鲁奇碎煤加压气化工艺是一种十分成熟的煤气化技术，由德国鲁奇公司研发，20世纪50年代已实现工业化应用，早在1955年南非的萨索尔煤制合成油公司就有18台鲁奇Ⅰ代、Ⅱ代气化炉投运。

鲁奇碎煤加压气化炉相较于气流床气化炉，省去了煤浆制备单元或制粉单元，减少了气化炉转动辅机的数量；鲁奇碎煤加压气化炉负荷调整过程也很简单，只需通过增加或减少入炉氧气量就能实现，无需调整进煤量。

在萨索尔煤制合成油公司，气化装置单炉连续运行时间已经达到320 d，36台气化炉连续运行时间超过100 d。而水煤浆气化炉和粉煤气化炉进煤方式要依靠烧嘴，烧嘴的使用寿命大约为3～6个月，故水煤浆气化炉和粉煤气化炉相较于鲁奇碎煤加压气化炉连续运行周期短。

2 应用于煤制天然气项目的不足之处

2.1 气化废水量大且处理难度大

鲁奇碎煤加压气化工艺，由于需要通过注入大量蒸汽来避免炉内超温，且煤的灰熔点越低需要注入的蒸汽量越大，产生的煤气水就越多。经验表明，鲁奇碎煤加压气化工艺每气化1 t煤约产生0.8～1.0 m3的废水，废水成分复杂且浓度高，其中含有大量的NH3、焦油、轻油、酚类物，需配套煤气水分离系统和酚回收系统，气化废水经煤气水分离系统和酚回收系统分离出其中的焦油、轻油、NH3和酚类物后，废水的CODCr一般为3 000～5 000 mg/L、最高达6 000 mg/L。以某煤制天然气项目为例，其气化装置采用鲁奇碎煤加压气化工艺，废水处理工艺组合为“预处理单元(由调节、除油、沉淀或气浮步序组成)+生化处理单元(由水解酸化、两级A/O和SBR等步序组成)+深度处理单元(由混凝、过滤、臭氧氧化、浸没式超滤及曝气生物滤池等步序组成)”，废水处理工艺复杂，污水处理装置投资及运行成本较高；实际生产情况表明，该煤制天然气项目鲁奇碎煤加压气化炉产出的废水，经煤气水分离系统和酚回收系统分离处理后，废水的CODCr约3 506 mg/L、BOD约1 168 mg/L、B/C值约0.33，属于难生物降解废水，处理后的污水浊度、COD超标问题长期得不到解决，导致回用水水质长期超标，循环水换热器结垢堵塞严重，严重影响气化装置的运行。

因此，对于配套鲁奇碎煤加压气化炉的煤制天然气工厂，可以考虑与工厂附近采用水煤浆气化工艺的企业进行合作，将煤制天然气装置污水处理系统的污水部分或全部送至水煤浆气化煤浆制备单元制浆，或者送到其他可以利用鲁奇碎煤加压气化废水的企业，以解决鲁奇碎煤加压气化工艺气化废水量大、处理难度大的问题。

2.2 粉煤大量过剩

粉煤大量过剩问题是困扰碎煤加压气化工艺的一大难题，在煤矿开采技术和型煤技术未有实质性突破之前，过剩的大量粉煤如果没有配套的装置来转化，将长期困扰采用碎煤加压气化工艺企业的生产经营。以某20×108m3/a煤制天然气项目为例，其气化装置采用鲁奇碎煤加压气化工艺，过剩的粉煤量有300 kt/a，如果企业周边没有能消纳粉煤的企业，过剩的粉煤就要远距离运输，使得企业的生产经营成本大大增加。

对于鲁奇碎煤加压气化工艺存在的粉煤大量过剩问题，可以考虑与电站结合的方式予以消纳，或者在条件允许的情况下与水煤浆气化炉、粉煤气化炉、流化床气化炉等使用粉煤或小粒径煤的气化工艺结合的方式来解决。

3 结束语

鲁奇碎煤加压气化炉出口粗煤气中的甲烷含量比水煤浆气化炉和粉煤气化炉高得多，加之鲁奇碎煤加压气化工艺对煤种的适应范围广、气化过程氧耗低和碳转化率高、副产品种类多和产量大、气化炉操作稳定、工艺技术成熟等优势，使得鲁奇碎煤加压气化工艺更适合用于城市煤气和煤制天然气项目。虽然目前鲁奇碎煤加压气化工艺还存在粉煤大量过剩与气化废水难处理以及单炉产能小等问题，但通过与电站结合或与其他气化工艺在产业链上相配合，或通过粉煤成型技术将过剩的粉煤转化成型煤，这些问题终将得到解决。总之，相较于水煤浆气化工艺和粉煤气化工艺，煤制天然气项目气化装置更适合选用鲁奇碎煤加压气化工艺。