孫天宇，沈玉雙，方林木

(浙能集團(tuán)新疆準(zhǔn)東能源化工有限公司 新疆奇臺 831800)

新疆準(zhǔn)東煤制天然氣項(xiàng)目氣化技術(shù)比選研究

孫天宇，沈玉雙，方林木

(浙能集團(tuán)新疆準(zhǔn)東能源化工有限公司 新疆奇臺 831800)

針對新疆準(zhǔn)東煤的特點(diǎn)，對煤制天然氣項(xiàng)目可選用的碎煤加壓氣化、固定床熔渣氣化和粉煤氣化技術(shù)從煤質(zhì)適用性、消耗、環(huán)保符合性、成熟可靠性、投資及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行了比選研究。分析研究結(jié)果表明，固定床熔渣氣化技術(shù)較適合新疆準(zhǔn)東煤制天然氣項(xiàng)目。

準(zhǔn)東煤；煤制天然氣；氣化技術(shù)；比選

煤制天然氣項(xiàng)目是“十二五”期間國家大力發(fā)展的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，截止到目前為止，國家發(fā)改委已核準(zhǔn)了5個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目，其中3個(gè)項(xiàng)目已開車運(yùn)行，這些項(xiàng)目的運(yùn)行為后續(xù)煤制天然氣項(xiàng)目的發(fā)展提供了很多經(jīng)驗(yàn)。煤氣化裝置是煤制天然氣項(xiàng)目的核心，其能否滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到煤制天然氣項(xiàng)目的成敗[1]。只有在充分研究配套煤礦煤質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過認(rèn)真比選煤氣化技術(shù)，并在項(xiàng)目實(shí)施階段通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制投資、嚴(yán)控施工質(zhì)量、實(shí)施精細(xì)化操作，項(xiàng)目才能取得成功。

1 準(zhǔn)東煤煤質(zhì)特點(diǎn)

準(zhǔn)東煤是新疆準(zhǔn)東煤田所產(chǎn)煤的簡稱，該煤田是我國目前發(fā)現(xiàn)的最大整裝煤田。準(zhǔn)東煤煤化程度低，主要以長焰煤、不黏煤為主，具有內(nèi)水含量偏高、低灰、低硫、中高熱值、低灰熔點(diǎn)、高鈉、高反應(yīng)活性等特點(diǎn)，是較好的煤氣化原料。選取具有代表性的準(zhǔn)東煤田西黑山礦區(qū)的長焰煤為氣化原料，其主要煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

2 大型煤氣化技術(shù)類型

國內(nèi)目前應(yīng)用于大型煤化工項(xiàng)目的氣化技術(shù)主要有碎煤加壓氣化技術(shù)、固定床熔渣氣化技術(shù)、水煤漿氣流床加壓氣化技術(shù)(以下簡稱水煤漿氣化技術(shù))和粉煤氣流床加壓氣化技術(shù)(以下簡稱粉煤氣化技術(shù))，各類氣化技術(shù)特點(diǎn)各不相同，適用于不同類型的項(xiàng)目和煤質(zhì)。

表1 準(zhǔn)東煤田西黑山礦區(qū)長焰煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)

項(xiàng)目指標(biāo)工業(yè)分析w(全水)/%17.45w(水分)/%10.28w(灰分)/%11.89w(揮發(fā)分)/%34.05元素分析w(碳)/%78.28w(氫)/%3.99w(氮)/%0.98w(硫)/%0.20w(氧)/%16.55灰熔點(diǎn)變性溫度DT/℃1130軟化溫度ST/℃1160流動溫度FT/℃1190發(fā)熱量/(kJ·kg-1)26590成漿性/%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))55灰成分w(SiO2)/%41.57w(Al2O3)/%15.40w(Fe2O3)/%14.83w(CaO)/%10.70w(MgO)/%4.64w(SO3)/%3.55w(TiO2)/%0.80w(P2O5)/%0.45w(K2O)/%1.03w(Na2O)/%4.56格金低溫干餾w(焦油)/%3.41w(半焦)/%66.09w(總水)/%19.16w(煤氣損失)/%11.27

2.1 碎煤加壓氣化技術(shù)

碎煤加壓氣化技術(shù)是在引進(jìn)魯奇氣化技術(shù)MK- IV的基礎(chǔ)上，由賽鼎工程公司開發(fā)的煤氣化技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)運(yùn)行及在建的碎煤加壓氣化爐(包括魯奇MK- IV)已超過100臺，主要用于煤制天然氣、煤制合成油、煤制甲醇、煤制合成氨等項(xiàng)目。

2.2 固定床熔渣氣化技術(shù)

固定床熔渣氣化技術(shù)是在魯奇氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，由英國燃?xì)夤竞偷聡斊婀狙邪l(fā)成功的液態(tài)排渣型固定床氣化技術(shù)(簡稱BGL氣化技術(shù))，其氣化過程與碎煤加壓氣化技術(shù)相近，區(qū)別在于燃燒區(qū)的操作溫度不同。碎煤加壓氣化技術(shù)采用干法排渣，控制燃燒區(qū)的操作溫度低于煤渣的軟化溫度(ST)；而固定床熔渣氣化技術(shù)采用液態(tài)排渣，控制該溫度高于煤渣的流動溫度(FT)。固定床熔渣氣化技術(shù)已被中國企業(yè)收購，目前已推廣應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目。云煤集團(tuán)在引進(jìn)該技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的YM固定床熔渣氣化技術(shù)，并在其甲醇制汽油(MTG)項(xiàng)目上得到成功應(yīng)用。

2.3 水煤漿氣化技術(shù)

水煤漿氣化技術(shù)是國內(nèi)最早引進(jìn)的氣流床氣化技術(shù)，也是最成熟的大型煤氣化技術(shù)之一。國內(nèi)華東理工大學(xué)和兗礦集團(tuán)在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新研發(fā)，推出了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)煤制甲醇及烯烴項(xiàng)目，并實(shí)現(xiàn)了最大投煤量3 000 t/d的商業(yè)化運(yùn)行。該技術(shù)主要存在原料要求高、燒嘴使用壽命短、耐火磚易損壞等缺點(diǎn)，需設(shè)備爐。國內(nèi)的清華爐技術(shù)為了避免耐火磚內(nèi)壁易損壞的問題，采用了水冷壁，可以降低運(yùn)行成本、提高單爐年運(yùn)轉(zhuǎn)率。在國內(nèi)推廣的水煤漿氣化技術(shù)還有國外的GE水煤漿氣化技術(shù)(前身為德士古水煤漿氣化技術(shù))，是我國最早引進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)。

2.4 粉煤氣化技術(shù)

粉煤氣化技術(shù)的最大投煤量可達(dá)到3 000 t/d。我國于21世紀(jì)初引進(jìn)了殼牌粉煤氣化技術(shù)，但多個(gè)項(xiàng)目在開車階段曾遇到很多問題，主要是設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際使用煤種不符、廢鍋流程復(fù)雜、設(shè)備損壞等，經(jīng)多年技改及經(jīng)驗(yàn)積累，目前采用該技術(shù)的多個(gè)項(xiàng)目已能正常運(yùn)行。目前，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為激冷流程更適合煤化工項(xiàng)目，廢鍋流程則較適合發(fā)電等項(xiàng)目[2]。國內(nèi)的航天爐氣化技術(shù)消化吸收了多種氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，目前已在多個(gè)煤化工項(xiàng)目上成功應(yīng)用。國外的GSP氣化技術(shù)以及國內(nèi)的東方爐氣化技術(shù)、寧煤爐氣化技術(shù)等都屬于比較成熟的粉煤氣化技術(shù)。

3 不同煤氣化技術(shù)比較

由于準(zhǔn)東煤的內(nèi)水含量高，一般成漿性都較差(表1所示的煤質(zhì)成漿性只有55%)，達(dá)不到水煤漿氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成漿性，所以比選時(shí)排除了水煤漿氣化技術(shù)，選擇了技術(shù)成熟度較高的碎煤加壓氣化技術(shù)、固定床熔渣氣化技術(shù)(以BGL氣化技術(shù)為例)、粉煤氣化技術(shù)(以航天爐氣化技術(shù)為例)進(jìn)行比較。

3.1 煤質(zhì)適用性比較

各氣化技術(shù)對煤質(zhì)的基本要求見表2。

表2 各氣化技術(shù)對煤質(zhì)的基本要求

煤質(zhì)要求碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化粒度6～50mm6～50mm<90μm1)w(水分)/%<40<30≤2w(灰分)/%<30<301～25灰熔點(diǎn)/℃ST>1200FT≤1300FT≤1500熱穩(wěn)定性中等以上中等以上黏溫特性較好較好

注：1)占質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%

從表2可以看出，表1所示的煤質(zhì)不適合碎煤加壓氣化技術(shù)，較適合固定床熔渣氣化技術(shù)。其原因主要是因?yàn)槊夯胰埸c(diǎn)軟化溫度ST只有1 160 ℃，無法滿足碎煤加壓氣化技術(shù)的要求，如果采用碎煤加壓氣化技術(shù)，則需要更多的蒸汽來降低反應(yīng)溫度，汽氧比可達(dá)7 kg/m3(標(biāo)態(tài))以上(BGL氣化技術(shù)為1 kg/m3，標(biāo)態(tài))，耗水量更大，產(chǎn)生的廢水更多；但是其流動溫度FT只有1 190 ℃，滿足固定床熔渣氣化技術(shù)的要求；煤中鉀和鈉含量高，易造成碎煤氣化爐內(nèi)壁腐蝕，但對BGL氣化爐沒有影響；此外，煤中內(nèi)水含量高，如果采用航天爐氣化技術(shù)，需增設(shè)預(yù)干燥裝置，投資和運(yùn)行能耗增大。

3.2 消耗比較

產(chǎn)品消耗關(guān)系到項(xiàng)目的產(chǎn)品成本，3種煤氣化技術(shù)生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))天然氣的主要消耗如表3所示。

表3 3種煤氣化技術(shù)生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))天然氣的主要消耗

項(xiàng)目碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化氧耗/m3(標(biāo)態(tài))5557071179原料煤耗/t2.422.562.87燃料煤耗/t0.920.460.45新鮮水耗/t6.243.535.64

注：1)方案按自發(fā)電設(shè)計(jì)

從表3可看出，碎煤加壓氣化技術(shù)的煤耗和氧耗均最低，主要原因是其氣化溫度低，產(chǎn)品氣中甲烷含量高，但其水耗較高，這是由于煤灰熔點(diǎn)低，需要大量水蒸氣來降低氣化溫度，這對較為缺水的新疆準(zhǔn)東地區(qū)來說不太適宜。由于BGL氣化技術(shù)制取的產(chǎn)品氣中也含有較多的甲烷，且水耗最低，因此是較為合適的煤氣化技術(shù)。

3.3 環(huán)保符合性比較

國家對現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的要求越來越高，并出臺了準(zhǔn)入條件，因此，選取一種環(huán)保符合性好的氣化技術(shù)對煤制天然氣項(xiàng)目至關(guān)重要。3種煤氣化技術(shù)廢水水質(zhì)及排放情況見表4。

表4 3種煤氣化技術(shù)廢水水質(zhì)及排放情況

項(xiàng)目碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化COD/(mg·L-1)3500～45004500550BOD/(mg·L-1)1150～15001550NH3-N/(mg·L-1)<20063200單元酚/(mg·L-1)500無多元酚/(mg·L-1)420無揮發(fā)酚/(mg·L-1)403無固酚/(mg·L-1)361無油類/(mg·L-1)<200107無水量/(t·h-1)715144520污水處理難度處理難度大處理難度較大處理難度小

從表4可看出：碎煤加壓氣化技術(shù)和BGL氣化技術(shù)的廢水成分均較復(fù)雜，處理難度較大；盡管航天爐氣化技術(shù)的廢水量較大，但是其污水成分簡單，易于處理，屬于本質(zhì)環(huán)保的氣化技術(shù)。因此，從環(huán)保方面看，粉煤氣化是較適合的氣化技術(shù)。BGL氣化技術(shù)的廢水雖然成分復(fù)雜，但是量少，相對碎煤加壓氣化技術(shù)來說較易處理，已運(yùn)行的中煤圖克化肥項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了BGL氣化廢水零排放。

3.4 成熟可靠性比較

氣化爐的成熟可靠性是待選氣化技術(shù)的重要條件，沒有商業(yè)化運(yùn)行的氣化技術(shù)不宜選擇。碎煤加壓氣化、BGL氣化和航天爐氣化均有多臺氣化爐在運(yùn)行，其中碎煤加壓氣化爐運(yùn)行臺數(shù)(含MK- IV)最多。

碎煤加壓氣化技術(shù)在國內(nèi)已有多年的運(yùn)行業(yè)績，氣化技術(shù)本身也相對成熟。國內(nèi)以往投運(yùn)的碎煤加壓氣化爐的操作壓力都在3.0 MPa以下，目前正在試運(yùn)行和建設(shè)的氣化爐操作壓力均為4.0 MPa，這些項(xiàng)目都已基本實(shí)現(xiàn)了長周期穩(wěn)定運(yùn)行，但由于其他方面的原因，個(gè)別項(xiàng)目還沒有實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。

內(nèi)蒙古呼倫貝爾金新項(xiàng)目和鄂爾多斯中煤圖克化肥項(xiàng)目均采用BGL氣化爐。金新項(xiàng)目于2012年開車，由于設(shè)計(jì)原料與實(shí)際使用原料差別較大，產(chǎn)氣量達(dá)不到設(shè)計(jì)值，裝置一直在較低負(fù)荷下運(yùn)行。中煤圖克化肥項(xiàng)目于2013年開車運(yùn)行，目前處于6爐同時(shí)運(yùn)行階段，該項(xiàng)目在2015年已基本實(shí)現(xiàn)長周期滿負(fù)荷運(yùn)行。

航天爐在2008年示范成功后，已推廣建設(shè)了多個(gè)項(xiàng)目，氣化裝置均能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。

3.5 投資及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3種煤氣化技術(shù)年產(chǎn)20億m3天然氣項(xiàng)目的投資比較見表5，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表6。

表5 3種煤氣化技術(shù)年產(chǎn)20億m3天然氣項(xiàng)目的投資比較

項(xiàng)目 碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化總投資/億元133131141建設(shè)投資/億元124122132

表6 3種煤氣化技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

項(xiàng)目 碎煤加壓氣化BGL氣化航天爐氣化備注年均總成本費(fèi)用/萬元270678257437273759生產(chǎn)成本/萬元236982222707241412年均稅后利潤/萬元12201312655568671投資利潤率/%12.0912.726.41總投資收益率/%13.4914.117.80財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率/%12.8213.308.15所得稅后投資回收期(含建設(shè)期)/年10.988.898.72所得稅后盈虧平衡點(diǎn)(BEP)/%51.4550.1465.78

注：1)煤價(jià)130元/t，天然氣價(jià)格2元/m3

從表5可看出，采用航天爐氣化技術(shù)投資最高，而采用BGL氣化技術(shù)投資最低。從表6可看出，采用BGL氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益最好。

4 結(jié)語

綜上所述，針對新疆準(zhǔn)東煤制天然氣項(xiàng)目，通過比較煤質(zhì)適用性、消耗、環(huán)保符合性、成熟可靠性、投資及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面因素，固定床熔渣氣化技術(shù)是較為合適的煤氣化技術(shù)。但選擇固定床熔渣氣化技術(shù)仍需充分調(diào)研污水處理技術(shù)，確保滿足環(huán)保要求。根據(jù)其他煤制氣項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，如果粉煤沒有地方消納，則需要考慮在減少固定床熔渣氣化爐的基礎(chǔ)上增設(shè)少量粉煤氣化爐，達(dá)到塊粉煤的平衡，但投資和管理難度相應(yīng)會增大，需對方案作進(jìn)一步研究。

[1] 蘇煉，韋朋.對我國煤制天然氣項(xiàng)目發(fā)展的思考和建議[J].煤炭加工與綜合利用，2016(8)：1- 7.

[2] 唐宏青.現(xiàn)代煤化工新技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：57- 72.

StudyofComparativeSelectionofGasificationTechnologyforXinjiangZhundongCoal-BasedSNGProject

SUN Tianyu, SHEN Yushuang, FANG Linmu

(ZhunDong Energy Chemical Industry of Zhejiang Energy Co., Ltd., Qitai 831800, China)

Based on characteristics of Xinjiang Zhundong coal, from aspects of coal quality applicability, consumption, environmental protection conformity, maturity and reliability, investment and technological economy, a study of comparative selection is carried out from among technologies for coal- based synthetic natural gas project including crushed coal pressurized gasification, fixed bed slag gasification and dust coal gasification. Analytical study results show that fixed bed slag gasification technology is more suitable for Xinjiang Zhundong coal- based SNG project.

Zhundong coal; coal-based synthetic natural gas; gasification technology; comparison and selection

TQ546.2

A

1006- 7779(2017)04- 0041- 04

2017- 04- 14)

孫天宇(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事煤化工技術(shù)管理工作；zhudalizdl@126.com