新疆准东煤制天然气项目气化技术比选研究

tudy of Comparative Selection of Gasification Technology for Xinjiang Zhundong Coal-Based SNG Project

孙天宇 Tianyu SUN , 沈玉双 Yushuang SHEN , 方林木 Linmu FANG

浙能集团新疆准东能源化工有限公司新疆奇台 831800 ZhunDong Energy Chemical Industry of Zhejiang Energy Co., Ltd., Qitai 831800, China

摘要：

针对新疆准东煤的特点，对煤制天然气项目可选用的碎煤加压气化、固定床熔渣气化和粉煤气化技术从煤质适用性、消耗、环保符合性、成熟可靠性、投资及技术经济等方面进行了比选研究。分析研究结果表明，固定床熔渣气化技术较适合新疆准东煤制天然气项目。

关键词：

准东煤; 煤制天然气; 气化技术; 比选;

Abstract：

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.

Keyword：

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

煤制天然气项目是“十二五”期间国家大力发展的现代煤化工产业，截止到目前为止，国家发改委已核准了5个煤制天然气项目，其中3个项目已开车运行，这些项目的运行为后续煤制天然气项目的发展提供了很多经验。煤气化装置是煤制天然气项目的核心，其能否满负荷稳定运行关系到煤制天然气项目的成败^[1]。只有在充分研究配套煤矿煤质的基础上，通过认真比选煤气化技术，并在项目实施阶段通过优化设计、控制投资、严控施工质量、实施精细化操作，项目才能取得成功。

1 准东煤煤质特点

准东煤是新疆准东煤田所产煤的简称，该煤田是我国目前发现的最大整装煤田。准东煤煤化程度低，主要以长焰煤、不黏煤为主，具有内水含量偏高、低灰、低硫、中高热值、低灰熔点、高钠、高反应活性等特点，是较好的煤气化原料。选取具有代表性的准东煤田西黑山矿区的长焰煤为气化原料，其主要煤质数据见表 1。

表 1

准东煤田西黑山矿区长焰煤煤质数据

	项目	指标
工业分析	w(全水)/%	17.45
	w(水分)/%	10.28
	w(灰分)/%	11.89
	w(挥发分)/%	34.05
元素分析	w(碳)/%	78.28
	w(氢)/%	3.99
	w(氮)/%	0.98
	w(硫)/%	0.20
	w(氧)/%	16.55
灰熔点	变性温度DT/℃	1 130
	软化温度ST/℃	1 160
	流动温度FT/℃	1 190
发热量/(kJ·kg^-1)		26 590
成浆性/%(质量分数)		55
灰成分	w(SiO₂)/%	41.57
	w(Al₂O₃)/%	15.40
	w(Fe₂O₃)/%	14.83
	w(CaO)/%	10.70
	w(MgO)/%	4.64
	w(SO₃)/%	3.55
	w(TiO₂)/%	0.80
	w(P₂O₅)/%	0.45
	w(K₂O)/%	1.03
	w(Na₂O)/%	4.56
格金低温干馏	w(焦油)/%	3.41
	w(半焦)/%	66.09
	w(总水)/%	19.16
	w(煤气损失)/%	11.27

2 大型煤气化技术类型

国内目前应用于大型煤化工项目的气化技术主要有碎煤加压气化技术、固定床熔渣气化技术、水煤浆气流床加压气化技术(以下简称水煤浆气化技术)和粉煤气流床加压气化技术(以下简称粉煤气化技术)，各类气化技术特点各不相同，适用于不同类型的项目和煤质。

2.1 碎煤加压气化技术

碎煤加压气化技术是在引进鲁奇气化技术MK-IV的基础上，由赛鼎工程公司开发的煤气化技术。据不完全统计，国内运行及在建的碎煤加压气化炉(包括鲁奇MK-IV)已超过100台，主要用于煤制天然气、煤制合成油、煤制甲醇、煤制合成氨等项目。

2.2 固定床熔渣气化技术

固定床熔渣气化技术是在鲁奇气化技术的基础上，由英国燃气公司和德国鲁奇公司研发成功的液态排渣型固定床气化技术(简称BGL气化技术)，其气化过程与碎煤加压气化技术相近，区别在于燃烧区的操作温度不同。碎煤加压气化技术采用干法排渣，控制燃烧区的操作温度低于煤渣的软化温度(ST)；而固定床熔渣气化技术采用液态排渣，控制该温度高于煤渣的流动温度(FT)。固定床熔渣气化技术已被中国企业收购，目前已推广应用于多个项目。云煤集团在引进该技术的基础上，开发出了具有自主知识产权的YM固定床熔渣气化技术，并在其甲醇制汽油(MTG)项目上得到成功应用。

2.3 水煤浆气化技术

水煤浆气化技术是国内最早引进的气流床气化技术，也是最成熟的大型煤气化技术之一。国内华东理工大学和兖矿集团在引进技术的基础上，通过创新研发，推出了多喷嘴对置式水煤浆气化技术，已成功应用于国内多个煤制甲醇及烯烃项目，并实现了最大投煤量3 000 t/d的商业化运行。该技术主要存在原料要求高、烧嘴使用寿命短、耐火砖易损坏等缺点，需设备炉。国内的清华炉技术为了避免耐火砖内壁易损坏的问题，采用了水冷壁，可以降低运行成本、提高单炉年运转率。在国内推广的水煤浆气化技术还有国外的GE水煤浆气化技术(前身为德士古水煤浆气化技术)，是我国最早引进的水煤浆气化技术。

2.4 粉煤气化技术

粉煤气化技术的最大投煤量可达到3 000 t/d。我国于21世纪初引进了壳牌粉煤气化技术，但多个项目在开车阶段曾遇到很多问题，主要是设计煤种与实际使用煤种不符、废锅流程复杂、设备损坏等，经多年技改及经验积累，目前采用该技术的多个项目已能正常运行。目前，业内普遍认为激冷流程更适合煤化工项目，废锅流程则较适合发电等项目^[2]。国内的航天炉气化技术消化吸收了多种气化技术的优点，目前已在多个煤化工项目上成功应用。国外的GSP气化技术以及国内的东方炉气化技术、宁煤炉气化技术等都属于比较成熟的粉煤气化技术。

3 不同煤气化技术比较

由于准东煤的内水含量高，一般成浆性都较差(表 1所示的煤质成浆性只有55%)，达不到水煤浆气化技术的经济成浆性，所以比选时排除了水煤浆气化技术，选择了技术成熟度较高的碎煤加压气化技术、固定床熔渣气化技术(以BGL气化技术为例)、粉煤气化技术(以航天炉气化技术为例)进行比较。

3.1 煤质适用性比较

各气化技术对煤质的基本要求见表 2。

表 2

各气化技术对煤质的基本要求

煤质要求	碎煤加压气化	BGL气化	航天炉气化
注：1)占质量分数90%
粒度	6~50 mm	6~50 mm	＜90 μm¹⁾
w(水分)/%	< 40	< 30	≤2
w(灰分)/%	＜30	＜30	1~25
灰熔点/℃	ST＞1 200	FT≤1 300	FT≤1 500
热稳定性	中等以上	中等以上
黏温特性		较好	较好

从表 2可以看出，表 1所示的煤质不适合碎煤加压气化技术，较适合固定床熔渣气化技术。其原因主要是因为煤灰熔点软化温度ST只有1 160 ℃，无法满足碎煤加压气化技术的要求，如果采用碎煤加压气化技术，则需要更多的蒸汽来降低反应温度，汽氧比可达7 kg/m³(标态)以上(BGL气化技术为1 kg/m³，标态)，耗水量更大，产生的废水更多；但是其流动温度FT只有1 190 ℃，满足固定床熔渣气化技术的要求；煤中钾和钠含量高，易造成碎煤气化炉内壁腐蚀，但对BGL气化炉没有影响；此外，煤中内水含量高，如果采用航天炉气化技术，需增设预干燥装置，投资和运行能耗增大。

3.2 消耗比较

产品消耗关系到项目的产品成本，3种煤气化技术生产1 000 m³(标态)天然气的主要消耗如表 3所示。

表 3

3种煤气化技术生产1 000 m³(标态)天然气的主要消耗

项目	碎煤加压气化	BGL气化	航天炉气化
注：1)方案按自发电设计
氧耗/m³(标态)	555	707	1 179
原料煤耗/t	2.42	2.56	2.87
燃料煤耗/t	0.92	0.46	0.45
新鲜水耗/t	6.24	3.53	5.64

从表 3可看出，碎煤加压气化技术的煤耗和氧耗均最低，主要原因是其气化温度低，产品气中甲烷含量高，但其水耗较高，这是由于煤灰熔点低，需要大量水蒸气来降低气化温度，这对较为缺水的新疆准东地区来说不太适宜。由于BGL气化技术制取的产品气中也含有较多的甲烷，且水耗最低，因此是较为合适的煤气化技术。

3.3 环保符合性比较

国家对现代煤化工产业的要求越来越高，并出台了准入条件，因此，选取一种环保符合性好的气化技术对煤制天然气项目至关重要。3种煤气化技术废水水质及排放情况见表 4。

表 4

3种煤气化技术废水水质及排放情况

项目	碎煤加压气化	BGL气化	航天炉气化
COD/(mg·L^-1)	3 500~4 500	4 500	550
BOD/(mg·L^-1)	1 150~1 500	1 550
NH₃-N/(mg·L^-1)	＜200	63	200
单元酚/(mg·L^-1)	500		无
多元酚/(mg·L^-1)	420		无
挥发酚/(mg·L^-1)		403	无
固酚/(mg·L^-1)		361	无
油类/(mg·L^-1)	＜200	107	无
水量/(t·h^-1)	715	144	520
污水处理难度	处理难度大	处理难度较大	处理难度小

从表 4可看出：碎煤加压气化技术和BGL气化技术的废水成分均较复杂，处理难度较大；尽管航天炉气化技术的废水量较大，但是其污水成分简单，易于处理，属于本质环保的气化技术。因此，从环保方面看，粉煤气化是较适合的气化技术。BGL气化技术的废水虽然成分复杂，但是量少，相对碎煤加压气化技术来说较易处理，已运行的中煤图克化肥项目已实现了BGL气化废水零排放。

3.4 成熟可靠性比较

气化炉的成熟可靠性是待选气化技术的重要条件，没有商业化运行的气化技术不宜选择。碎煤加压气化、BGL气化和航天炉气化均有多台气化炉在运行，其中碎煤加压气化炉运行台数(含MK-IV)最多。

碎煤加压气化技术在国内已有多年的运行业绩，气化技术本身也相对成熟。国内以往投运的碎煤加压气化炉的操作压力都在3.0 MPa以下，目前正在试运行和建设的气化炉操作压力均为4.0 MPa，这些项目都已基本实现了长周期稳定运行，但由于其他方面的原因，个别项目还没有实现满负荷运行。

内蒙古呼伦贝尔金新项目和鄂尔多斯中煤图克化肥项目均采用BGL气化炉。金新项目于2012年开车，由于设计原料与实际使用原料差别较大，产气量达不到设计值，装置一直在较低负荷下运行。中煤图克化肥项目于2013年开车运行，目前处于6炉同时运行阶段，该项目在2015年已基本实现长周期满负荷运行。

航天炉在2008年示范成功后，已推广建设了多个项目，气化装置均能实现满负荷运行。

3.5 投资及技术经济比较

3种煤气化技术年产20亿m³天然气项目的投资比较见表 5，技术经济指标比较见表 6。

表 5

3种煤气化技术年产20亿m³天然气项目的投资比较

项目	碎煤加压气化	BGL气化	航天炉气化
总投资/亿元	133	131	141
建设投资/亿元	124	122	132

表 6

3种煤气化技术的技术经济指标比较

项目	碎煤加压气化	BGL气化	航天炉气化	备注
注：1)煤价130元/t，天然气价格2元/m
年均总成本费用/万元	270 678	257 437	273 759
生产成本/万元	236 982	222 707	241 412
年均税后利润/万元	122 013	126 555	68 671
投资利润率/%	12.09	12.72	6.41
总投资收益率/%	13.49	14.11	7.80
财务内部收益率/%	12.82	13.30	8.15	所得税后
投资回收期(含建设期)/年	10.98	8.89	8.72	所得税后
盈亏平衡点(BEP)/%	51.45	50.14	65.78

从表 5可看出，采用航天炉气化技术投资最高，而采用BGL气化技术投资最低。从表 6可看出，采用BGL气化技术的经济效益最好。

4 结语

综上所述，针对新疆准东煤制天然气项目，通过比较煤质适用性、消耗、环保符合性、成熟可靠性、投资及技术经济指标等方面因素，固定床熔渣气化技术是较为合适的煤气化技术。但选择固定床熔渣气化技术仍需充分调研污水处理技术，确保满足环保要求。根据其他煤制气项目的经验，如果粉煤没有地方消纳，则需要考虑在减少固定床熔渣气化炉的基础上增设少量粉煤气化炉，达到块粉煤的平衡，但投资和管理难度相应会增大，需对方案作进一步研究。

ckwx 参考文献

苏炼,韦朋.对我国煤制天然气项目发展的思考和建议[J].煤炭加工与综合利用,2016(8):1-7.

唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京:化学工业出版社,2009:57-72.