煤制天然氣氣化技術選擇探討

陳麗 ， 程延峰

(河南能源化工集團有限公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬472300)

摘要：根據(jù)原料煤特性、產(chǎn)品定位，從投資及能效等方面進行綜合比較分析，選擇合理的、節(jié)能的工藝流程路線方案，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟、環(huán)保與節(jié)能減排效益。

關鍵詞：工藝路線 ； 選擇 ； 節(jié)能 ； 效益

中圖分類號：TQ054文獻標識碼：B

收稿日期：2014-11-07

作者簡介：陳麗(1973-)，女 ，高級工程師 ，從事煤化工工作，電話：(0398)5625516。

0前言

以煤為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的煤氣化技術很多，按照氣固相之間相接觸的方式不同，可將煤氣化工藝分為三類，分別有固定床氣化、氣流床氣化和流化床氣化工藝。自20世紀50年代加壓煤氣化技術實現(xiàn)工業(yè)化以來，隨著科技的發(fā)展，煤氣化技術也日趨先進和成熟。目前已成功開發(fā)了煤種適應性廣、氣化壓力高、生產(chǎn)能力大、氣化效率高、污染少的多種新一代煤氣化工藝。

煤氣化技術的選擇，必須根據(jù)項目所在地的原料特性、技術風險、投資、能耗進行綜合比較，通過企業(yè)自己的實力與產(chǎn)品定位，通盤考慮、審慎決策?？傊?，沒有最好的氣化方案，只有最適合的氣化方案。選擇成熟、合理的氣化方案必將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟、環(huán)保與節(jié)能減排效益。本文選取具有代表性的、工藝成熟、應用廣泛的氣流床和固定床氣化技術：Shell方案、提質+E-gas方案、碎煤加壓氣化方案以及碎煤熔渣加壓氣化(BGL)方案，重點從原料適應性、氣化規(guī)模、技術可靠性、投資及能耗方面進行分析論證，選擇合適的煤氣化技術方案，以提高項目的技術可靠性、經(jīng)濟性，降低投資風險。

1原料煤適應性比較

不同的煤氣化工藝要求有不同煤種特性。項目擬使用的煤種性質見表1。

表1　原料煤的工業(yè)分析　　　　%

表2　原料煤的元素分析　　　　%

表3　原料煤的其他分析數(shù)據(jù)

不同煤種有不同的適應工藝。從表1可以看出，原料煤全水和內水含量較高，煤種特性為灰分適中(空氣干燥基灰含量為15.36%，質量分數(shù))、灰熔點較低(流動溫度1 220 ℃)。

①Shell氣化方案對煤質的適應性較廣，本項目的灰含量為15.36 %，對采用膜式水冷壁的氣化爐來說較為有利。②E-gas水煤漿氣化要求原煤成漿性指標D≤10，根據(jù)煤炭成漿性計算得到其收到基原煤成漿性指標D=11，屬于較難成漿的煤種。如采用水煤漿氣化，可先對原料煤進行提質干燥，得到的半焦產(chǎn)品制得水煤漿的濃度為63%。

③碎煤加壓氣化供煤條件較苛刻，要求塊煤以5～50 mm的粒度進料，一般要求熱穩(wěn)定性≥ 70%，黏結指數(shù)≤4。

綜上所述，從各氣化工藝的要求的煤質來看，除了E-GAS水煤漿氣化須采用褐煤提質滿足成漿性要求，其他氣化工藝均適應該煤種。

2氣化規(guī)模比較

項目規(guī)模決定了項目必須是多臺氣化爐并聯(lián)操作，單臺氣化爐的能力是影響氣化技術比的一個關鍵指標，選擇能力較大的爐型可以減少氣化爐臺數(shù)，節(jié)約占地和投資。根據(jù)裝置規(guī)模及氣化爐能力確定項目配置氣化爐數(shù)量。由于氣化原理及操作條件的不同，四種氣化方案生產(chǎn)的粗煤氣量及組成各異，四種氣化工藝代表爐型產(chǎn)粗煤氣的情況見表4。

表4　各氣化工藝代表爐型產(chǎn)粗煤氣情況

3四種氣化方案優(yōu)缺點

Shell工藝、碎煤加壓氣化工藝、BGL工藝目前國內均有正在運行的裝置，E-gas工藝在國內只有一套在建裝置，暫無運行業(yè)績。 Shell工藝的可靠性目前正在向越來越好的方向發(fā)展，最長運行周期目前已能達到170 d。碎煤加壓氣化技術的運行業(yè)績最多，運行時間長，其運行情況國內有多家工廠可以進行調研。

3.1　碎煤加壓氣化技術

碎煤固定床加壓氣化是加壓固定床氣化的代表，在20世紀30年代已工業(yè)化，是成熟的氣化方法，目前國內外都有使用，在設計、安裝和運行方面均已取得豐富經(jīng)驗。碎煤固定床加壓氣化具有開停車簡單、檢修周期短、生產(chǎn)運行經(jīng)驗豐富等特點，能夠達到長周期穩(wěn)定運行，單爐連續(xù)穩(wěn)定運行時間可達200 d以上。

存在的主要問題：①碎煤加壓氣化要求入爐煤的粒徑在6~50 mm，塊煤進料，對煤的灰熔點、機械強度、熱穩(wěn)定性、結焦性、黏結指數(shù)等均有要求。②廢水量大，成分復雜，含有的苯、酚及油類等多種有機物，處理難度大，污水治理流程長，運行成本高。

3.2　BGL氣化技術

與碎煤固定床加壓氣化固態(tài)排渣相比，BGL氣化技術汽氧比低，蒸汽分解率高，蒸汽消耗低，煤氣化廢水產(chǎn)出量低。因為控制較高爐溫，粗煤氣中CO2含量降低。

存在的主要問題：①氣化爐檢修時間相對較長，一般為15 d左右。②入爐煤的粒徑在6~50 mm，塊煤進料，對煤的灰熔點、機械強度、熱穩(wěn)定性、結焦性、黏結指數(shù)等均有要求。③廢水量小，但廢水濃度高，成分復雜，處理難度大，污水治理流程長，廢水處理需要較高成本。 ④熱穩(wěn)定性差的煤種在氣化爐干燥過程中易粉化，影響氣化強度，造成氣化爐負荷受到限制。

3.3　Shell氣化技術

單爐處理能力大，粗煤氣有效成分(CO+H2)高達90%左右，煤種適應范圍廣，對煤質無特別要求。自國內引進該技術以來，通過多年探索改進和消化吸收，大型氣化爐(投煤量公稱能力2 000 t/d及以上)的運行時間和運行負荷也得到了長足進步。

存在的主要問題：Shell為干法進料氣化工藝，由于原料煤水分高，磨煤干燥能耗高于其他工藝。

3.4　E-gas氣化技術

E-gas煤氣化工藝的飛灰循環(huán)到氣化爐重新氣化，因此它的碳轉化率比一段式水煤漿氣化技術更高；通過調節(jié)二段水煤漿進料、汽水等流量可實現(xiàn)合成氣中CH4含量在2%～10%范圍內調節(jié)。故它對于生產(chǎn)煤基合成天然氣項目具有更大故優(yōu)勢。

存在的主要問題：①E-gas水煤漿氣化要求原煤成漿性指標D≤10，如采用水煤漿氣化，需通過提質處理。②目前在國內還沒有E-gas氣化的運行業(yè)績。對于其運行可靠性還需要進一步考察。

4投資及能耗比較

4.1　投資估算

四種方案的全廠投資估算見表5。

建設投資包括固定資產(chǎn)投資、無形資產(chǎn)投資、其他資產(chǎn)投資。其中固定資產(chǎn)投資包括主裝置、輔助生產(chǎn)裝置、公用工程、儲運、服務性工程等投資。

4.2　能耗比較

項目主要能耗指標對比見表6。

表5　四種方案的全廠投資估算表

表6　項目主要能耗指標對比表

5結論

綜上所述，從四種氣化藝的煤質角度來看，除了E-gas水煤漿氣化須采用褐煤提質滿足成漿性要求外，其他氣化工藝均適應該煤種。四種氣化工藝除了E-gas在國內還沒有氣化的運行實例，其他三種氣化工藝均在國內有運行，其中BGL氣化工藝在國內運行效果暫時還不理想，不能達到長周期穩(wěn)定運行，可靠性還有待觀察。Shell煤氣化技術和碎煤加壓氣化在國內都能夠達到長周期穩(wěn)定運行，可靠性高。本項目產(chǎn)品為SNG，要求煤氣化所產(chǎn)的粗合成氣中甲烷含量應盡可能的高。這樣的優(yōu)點在于：生產(chǎn)同樣能力的合成天然氣有效氣(CO+H2)用量較少，下游工藝裝置的規(guī)模也可以相應減小。碎煤加壓氣化的粗煤氣中甲烷含量達10%以上，粗煤氣中甲烷含量的提高降低了后續(xù)裝置的負荷，相應降低了裝置規(guī)模，無論是在總投資還是千標準立方米能耗方面都比Shell煤氣化技術有很大優(yōu)勢，可作為SNG產(chǎn)品定位項目優(yōu)先選擇的對象。在經(jīng)濟性方面有很大優(yōu)勢。