褐煤綜合利用探討

章衛(wèi)星夏 吳 中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

褐煤綜合利用探討

章衛(wèi)星＊夏 吳 中國五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

褐煤是一種高揮發(fā)份、高水份、高灰份、低熱值、低灰熔點(diǎn)的煤炭,具有易自燃,不適合長期儲存和長距離運(yùn)輸?shù)奶匦?因此長期以來被視作劣質(zhì)燃料,開發(fā)利用程度低。定量分析褐煤潔凈化和煤化工裝置的聯(lián)產(chǎn),提出尿素和天然氣兩種產(chǎn)品路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案,探索符合國情的褐煤綜合利用途徑。

褐煤 潔凈煤技術(shù) 低碳經(jīng)濟(jì)

低碳經(jīng)濟(jì)最主要的途徑是要減少化石能源的消耗,大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、水電、核能等可再生能源。但是,從目前我國乃至世界的技術(shù)水平現(xiàn)狀來看,化石能源在一段時間內(nèi)仍然是最主要的能源,中國能源結(jié)構(gòu)見表 1。

表1 中國能源結(jié)構(gòu) (%)

在以化石能源為主體的能源結(jié)構(gòu)下,節(jié)能減排是我們化工行業(yè)實(shí)踐低碳經(jīng)濟(jì)的主要任務(wù)。

1 綜合利用

1.1 提高資源的利用價值

褐煤是一種高揮發(fā)份、高水份、高灰份、低熱值 (14MJ/kg左右)、低灰熔點(diǎn)的煤炭資源,具有容易自燃,不適合長期儲存和長距離運(yùn)輸?shù)奶匦?因此長期以來被視作劣質(zhì)燃料,其開發(fā)利用程度低,大多用作就近發(fā)電和氣化的原料。

我國褐煤資源豐富,已探明的保有儲量達(dá)1.303×1011t(1303億噸),接近全國煤炭儲量的13%,主要分布在東北、西北、西南、華北等地,集中在內(nèi)蒙古、云南和黑龍江等省,其中內(nèi)蒙古的褐煤儲量最大,占全國褐煤儲量的 77%。因此,合理開發(fā)和充分利用缺水地區(qū)的褐煤資源,提高綜合利用價值是實(shí)現(xiàn)國家能源戰(zhàn)略目標(biāo)一系列工作中值得研究和關(guān)注的重要領(lǐng)域。

褐煤凈化技術(shù)主要過程分為兩步:第一步是干燥,除掉褐煤中的平衡水分;第二步是輕度熱解,除掉部分揮發(fā)份,使褐煤改質(zhì)成為理化性質(zhì)相對穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)固體燃料,輕度熱解過程可副產(chǎn)液態(tài)燃料。

褐煤凈化得到的優(yōu)質(zhì)潔凈煤固體燃料,性質(zhì)穩(wěn)定,可長途運(yùn)輸、長期貯存,消除褐煤可運(yùn)輸性差的銷售半徑約束,同時燃燒特性也得到改善,熱值提高近一倍,硫含量也有相當(dāng)程度降低,是一種優(yōu)質(zhì)環(huán)保的固體動力燃料,還可以用于高爐噴吹、鐵合金等行業(yè)的還原劑摻合料。

副產(chǎn)的液體燃料的量較大,為優(yōu)質(zhì)潔凈煤的10%～15%,是石油資源的替代物,經(jīng)過簡單分離可以制得原油價值 2～3倍的原油深加工產(chǎn)物,或加氫變成柴油等液態(tài)烴類燃料。

對我國的褐煤資源進(jìn)行凈化,一方面實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)意義上劣質(zhì)燃料的升級利用,將一種低階能源轉(zhuǎn)化為燃燒、環(huán)保和儲運(yùn)特性優(yōu)良的固體動力燃料,緩解我國東南發(fā)達(dá)地區(qū)優(yōu)質(zhì)動力燃料供應(yīng)緊張局面,擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)動力固體燃料的資源供給渠道;另一方面依據(jù)資源特點(diǎn),對褐煤實(shí)現(xiàn)高效合理利用。褐煤中容易引起自燃的高含量揮發(fā)份,實(shí)際上是高附加值的石油成分的物質(zhì),這種物質(zhì)被提取用作石油替代品,比隨煤炭燃燒更有經(jīng)濟(jì)價值,對依靠國內(nèi)資源減輕進(jìn)口石油依賴有一定意義,提升褐煤利用的增值空間。

1.2 節(jié)能環(huán)保

褐煤的綜合利用符合國家產(chǎn)業(yè)政策,是環(huán)境友好型、水資源節(jié)約型技術(shù),也是我國水資源匱乏地區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)理想的清潔煤技術(shù)候選項目。

我國的煤炭資源和水資源呈逆向分布,煤炭資源富裕地區(qū)同時又是生態(tài)環(huán)境脆弱和水資源匱乏的欠發(fā)達(dá)地區(qū)。國家產(chǎn)業(yè)政策要求,煤炭轉(zhuǎn)化項目和煤化工項目需要一體化、規(guī)模化建設(shè),需要量水而行,量環(huán)境容量而行。在煤炭資源富集的西北地區(qū)建設(shè)煤炭深加工項目,技術(shù)的環(huán)境友好和節(jié)水特性是優(yōu)先于經(jīng)濟(jì)性的考慮因素。

褐煤凈化過程只涉及物理干燥和輕度的化學(xué)反應(yīng),處理同樣數(shù)量的煤炭,水資源消耗相當(dāng)于典型煤化工項目的 1/10,相當(dāng)于風(fēng)冷發(fā)電項目的1/2,是典型的節(jié)水型項目。

褐煤凈化項目也是環(huán)境友好性項目,具有生產(chǎn)過程和產(chǎn)品使用環(huán)保的特性。

(1)生產(chǎn)過程沒有固體廢棄物排放,干燥和熱解過程產(chǎn)生的粉塵和過濾油漿成型后作為固體產(chǎn)品出售;干燥尾氣脫硫后排空,滿足美國排放標(biāo)準(zhǔn);廢水循環(huán)利用,實(shí)現(xiàn)近零排放。

(2)使用優(yōu)質(zhì)潔凈煤作鍋爐燃料的 NOx、SO2排放量減少,熱效率提高。燃燒優(yōu)質(zhì)潔凈煤和煙煤的混合物比直接燃燒煙煤排放的 NOx少,火焰更穩(wěn)定,減少了局部的 “熱點(diǎn)”,因此減少了 NOx排放。

優(yōu)質(zhì)潔凈煤比褐煤的硫含量減少,燃燒后排放到大中氣的 SO2含量比直接燃燒褐煤要少得多,對大氣的污染也小。

與燃煤相比,優(yōu)質(zhì)潔凈煤燃燒后殘?zhí)剂康?熱效率高。

因此,在生態(tài)脆弱、水資源緊張地區(qū)建設(shè)褐煤綜合利用項目,選擇較理想的褐煤凈化技術(shù)是比較重要的。

1.3 潔凈化技術(shù)經(jīng)濟(jì)瓶頸

在褐煤凈化過程中,降低排放是首要任務(wù),也就是熱解氣不能排放,這就要求采用高熱值的天然氣為燃料,產(chǎn)生的熱解氣才能作為二次燃料補(bǔ)充自身平衡。天然氣的價格較高,采用管網(wǎng)天然氣勢必影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

本文從解決褐煤凈化過程中的安全、環(huán)保、衛(wèi)生和減少行業(yè)分割所造成的浪費(fèi)兩方面出發(fā),定量分析褐煤凈化和煤化工裝置的聯(lián)產(chǎn),提出兩種產(chǎn)品路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案,作為能源和化工企業(yè)的跨行業(yè)發(fā)展的參考。

2 凈化的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品

褐煤凈化的產(chǎn)品為優(yōu)質(zhì)潔凈煤、油品、天然氣和尿素,其工藝流程見圖 1。

圖1 工藝流程框圖

2.1 產(chǎn)品方案

優(yōu)質(zhì)潔凈煤:是一種優(yōu)質(zhì)固體動力燃料。

油品:銷售給大型低溫煤焦油深加工工廠作原料。

天然氣:符合天然氣國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (GB 17820-1999)。

尿素:符合中國國家標(biāo)準(zhǔn) GB 2440-2001(農(nóng)業(yè)用)。

2.2 生產(chǎn)規(guī)模

項目的褐煤凈化的生產(chǎn)規(guī)模為 5000kt/a,由 6條日處理能力 5000t的生產(chǎn)線組成;天然氣的生產(chǎn)規(guī)模為 3×108Nm3/a(3億 Nm3/a),尿素的生產(chǎn)規(guī)模為 800kt/a。

裝置年操作 330天合 7920h。裝置的產(chǎn)能見表 2。

表2 裝置的產(chǎn)能

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 優(yōu)質(zhì)潔凈煤

褐煤凈化后優(yōu)質(zhì)潔凈煤的規(guī)格見表 3。

2.3.2 焦油

褐煤凈化后產(chǎn)品焦油的規(guī)格見表 4。

2.3.3 尿素

產(chǎn)品尿素的規(guī)格見表 5。

表3 褐煤凈化后優(yōu)質(zhì)潔凈煤的規(guī)格

表4 褐煤凈化后產(chǎn)品焦油的規(guī)格

表5 產(chǎn)品尿素的規(guī)格 (wt%)

2.4 裝置組成

項目由褐煤凈化裝置、空分裝置、煤氣化裝置、甲烷化裝置、合成氨裝置、尿素裝置和公用工程、輔助工程等組成。

項目設(shè)有 6套公稱能力為 5000t/d(以原料煤計)褐煤凈化裝置,單套生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)潔凈煤 768kt/a,油品 87 kt/a,副產(chǎn)煤粉 18kt/a(去煤氣化裝置),兩套制氧能力為 52000Nm3/h的空分裝置。褐煤潔凈氣化裝置設(shè)有 4臺投煤量為 1500t/d的五環(huán)爐 (WHG)或者 KBR爐 (TR IG),單臺產(chǎn)氣量(CO+H2)為 89000Nm3/h。同時為滿足褐煤潔凈化裝置對燃料的要求,項目設(shè)置單系列甲烷化裝置,能力為 2.7×108Nm3/a(2.7億 Nm3/a)天然氣,設(shè)置單系列能力為 500kt/a的合成氨裝置,同時設(shè)置能力為 800 kt/a的單系列尿素裝置。配置 3臺 420t/h高壓循環(huán)流化床鍋爐和兩臺 25MW單抽汽輪發(fā)電機(jī)組。

2.5 項目投資

項目總投資:929942萬元,其中,建設(shè)投資:860000萬元;建設(shè)期貸款利息:57455萬元;流動資金:12487萬元。

2.6 經(jīng)濟(jì)評價

2.6.1 產(chǎn)品價格及稅率

優(yōu)質(zhì)潔凈煤的銷售價格按 300元/t(含稅),增值稅率為 17%。

油品的銷售價格按 2000元 /t(含稅),增值稅率為 17%。

天然氣的銷售價格按 1.8元 /Nm3(含稅),增值稅率為 13%。

尿素的銷售價格按 1600元 /t(含稅),增值稅率為 13%。

2.6.2 財務(wù)分析

估算總成本費(fèi)用時采用的價格、消耗見表 6。

表6 估算成本費(fèi)用

按有關(guān)規(guī)定,生產(chǎn)期的長期、短期貸款利息和流動資金貸款利息計入每年的總成本費(fèi)用。

項目的年均總成本費(fèi)用 225125萬元。

項目其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo):年均銷售收入為 400686萬元 (含稅),年均銷售稅金 32211萬元,年均利潤總額 143350萬元。

項目投資利稅率為 18.36%,投資利潤率14.96%。資本金凈利潤率 37.75%。

測算出項目的國內(nèi)借款償還期為 7.73年 (含建設(shè)期 3年)。

所得稅前投資回收期為 7.25年;凈現(xiàn)值 (ic=10%)為 491739萬元;內(nèi)部收益率 (IRR)為14.79%。

所得稅后投資回收期為 8.20年;凈現(xiàn)值 (ic=10%)為 274817萬元;內(nèi)部收益率 (IRR)為14.79%。

投資回收期中含建設(shè)期 3年。

通過上述評價指標(biāo)可以看出,項目經(jīng)濟(jì)效益較好,取基準(zhǔn)收益率 10%,所得稅前凈現(xiàn)值大于零,所得稅前內(nèi)部收益率大于基準(zhǔn)收益率。

自有資金內(nèi)部收益率為 20.56%,自有資金財務(wù)凈現(xiàn)值為 491739萬元。

從上面的財務(wù)分析看,項目投產(chǎn)后年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)潔凈煤 3.706×106t(370.6萬噸)、油品 5.22×105t(52.2萬噸)、天然氣 2.7×108Nm3(2.7億Nm3)、尿素 8.87×105t(88.7萬噸),所得稅前內(nèi)部收益率為 18.31%,大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率10%,敏感性分析表明項目有一定的抗風(fēng)險能力,因此是可行的。

3 結(jié)語

化工和煤炭結(jié)合,發(fā)揮各裝置的特點(diǎn),充分利用裝置間不同能級的能量,是節(jié)能減排,探索低碳發(fā)展的方向,也是該項目的最大的特點(diǎn)。

1 郭樹才.煤化工工藝學(xué) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

2 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司編.化工工藝設(shè)計手冊[M].第 4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009,6.

(修改回稿 2010-11-15)

＊章衛(wèi)星:高級工程師。2002年畢業(yè)于中國科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事煤化工工程設(shè)計工作。聯(lián)系電話: (027)81926224,E-mail:zhangweixing@cwcec.com。