以褐煤為原料氣化工藝優化建議

金管會，張軼群

（吉林康乃爾化學工業有限公司，吉林 132011）

大唐阜新煤制天然氣項目是利用蒙東褐煤資源，建設公稱能力為1 200×104m3／d（年產40×108m3）的合成天然氣裝置。該工程在立項初期集團公司就邀請了專家和設計部門，并經過多次商討、論證，根據大唐集團自己的煤礦資源情況，最終決定利用褐煤，選擇魯奇爐氣化工藝。工程分三期，目前，設計部門正按計劃緊鑼密鼓開展工作。我們與設計院技術交底過程中，發現有兩個問題比較棘手：其一是進廠原料煤中塊煤量不足而煤粉過多，相關部門實驗得出該原料煤熱穩性TS＋6只有28.7%，屬于極差的煤，這樣在氣化過程中還會產生大量細粉；其二是魯奇工藝制氣過程中產生的污水多并較難處理，有可能給當地增加環保壓力。

為解決剩余煤粉問題，工程設計之初就采用了增加動力輔助鍋爐的方案。根據魯奇爐試燒褐煤的總結資料以及同類廠提供的生產運行數據，估算我公司采用低階褐煤為原料，進廠原料煤中的煤粉大約為50%，煤粉量3 558t／h，動力車間8臺470t／h鍋爐用去748t／h，剩余1 031t／h（8 250kt／a）的煤粉。這部分剩余煤粉采用何種方案處理，將直接影響工程項目能否按時開車、達產及增效。該工程立項初期的想法是將剩余的煤粉建成型煤，并作為魯奇爐的原料煤。關于做型煤（褐煤）的問題，我們從云天化金新煤化有限公司運行情況看，仍有許多問題等待攻克，所以此問題也嚴重影響到本項目的綜合性確定。

同樣，魯奇爐污水處理也是行業中公認的難題。

因此，如何積極尋找新工藝，開發新技術解決這兩個難題，是當前擺在我們面前的重大課題。為此，提出以下建議，并與同仁們一起探討，如有不妥，望大家批評指正。

1 魯奇氣化工藝的選擇

我們在選用煤氣化工藝時，首先，是考慮采用大唐集團自己擁有的煤礦資源，同時遵循以下原則：既要考慮目前的技術發展水平和工藝的先進性，又要根據實際情況兼顧工藝的合理性。以產品煤氣的用途為目標，我們最終選擇了魯奇加壓氣化工藝。因只有魯奇加壓氣化較適合我們使用的低階褐煤。從魯奇爐熔渣氣化工藝在國內外已運行工廠所提供的數據看，其產出的氣體中有效氣含量高于固體排渣魯奇爐，煤氣帶出的污水少，氣化熱效率等指標也均好于前者。但從云南解化廠和云天化呼倫貝爾金新BGL爐子（以褐煤原料，先干燥，破碎后做型煤）實際運行情況看，有些關鍵技術，尚需進一步攻關和改進。

1.1 技術優點

（1）原料適應范圍廣，除黏結性較強的煙煤外，從褐煤到無煙煤均可氣化。可以氣化含水分較高（原料水分最好在25%以下），灰分較高的褐煤。

（2）由于氣化壓力較高，可節省后續煤氣壓縮過程的功耗，并提高余熱回收利用率；壓力高、流速低，較小粒徑的碎煤可充分氣化。

（3）氣化溫度低，粗煤氣中CH4含量高達12%，較適合煤制城市煤氣、天然氣項目。

1.2 技術缺點

（1）蒸汽分解率低。對于固態排渣氣化爐，一般蒸汽分解率約為40%，蒸汽消耗較大，未分解的蒸汽在后續工段冷凝，造成氣化廢水較多，并且成分復雜，處理困難，流程長，投資高。以褐煤為原料時其粒度要求為13～50mm，不適合氣化粒徑較小的粉煤。煤粒徑小，粗煤氣帶出物增加，床層分布不均等因素造成爐況不好控制，消耗增高。

（2）要求入爐煤的熱穩定性在70%以上。

（3）煤氣中含有較多的焦油、酚、氨等雜質，后工序不易處理，污染環境。

酚不僅會給農業和漁業造成損失，而且危害人體健康。若長期飲用被酚污染的水，會出現慢性中毒，引起頭痛、頭暈、疲勞、失眠、耳鳴、貧血以及神經系統疾病，酚也是一種公認的致癌物。含酚廢水的處理顯得日益重要。

按照義馬工業化試燒所得煤氣水產率計算，阜新一期投產后水分離裝置產生的高濃度有機廢水量大約為600t／h，且屬于較難處理的廢水，其中的COD 平均高達16 100mg／L，氨氮平均4 130mg／L，總酚4 276mg／L，溶解性總固體平均13 600mg／L，全鹽量平均11 300mg／L。

國內魯奇爐酚回收裝置廢水排放指標如下：

COD ＜800mg／L

氨氮 ＜5 000mg／L

全酚 800～1 200mg／L

從綜合治理的角度出發，國內含酚廢水的處理工藝技術都難達到穩定、可靠和安全的水平，難以達到環保的標準。

1.3 與氣流床相比，單爐處理能力較小

綜上所述，采用魯奇技術在煤制天然氣工藝方面的確有許多優點，但同時也需要解決煤粉過剩和污水處理難以達標的問題。基于這一現狀，建議開發魯奇氣化工藝和以煤粉為原料的流化床聯合氣化工藝，可以解決大量煤粉難以處理的問題，同時減輕含酚廢水的處理工作。現國內運行的恩德爐流化床排出的廢水，無論氨氮還是COD 指標遠低于魯奇爐，且流化床氣化爐煤氣基本上不含酚，所以處理起來比魯奇工藝簡單些。

2 國內外流化床煤氣化的發展情況

當前應用較廣泛的流化床氣化技術有循環流化床（CFB）、KBR、溫克勒，還有恩德爐氣化技術等。因所有的流化床氣化其核心技術及原理基本上是一樣的，所以本文只介紹已在國內多家運行的恩德流化床氣化技術。

2.1 技術簡介

恩德爐流化床氣化工藝是在魯奇公司上個世紀30年代開發的溫克勒粉煤沸騰氣化爐基礎上發展的新技術。即在原有技術基礎上進行了3項重大改進：其一，氣化爐底部改成特殊形狀的錐體，以布風噴嘴取代原有爐箅，解決了爐箅上部氣化層容易結渣的問題；其二，爐頂帶出物中的大顆粒煤粉，經分離器返回爐內循環燃燒，以降低煤耗；其三，將廢熱鍋爐的位置改到了旋風除塵器之后，減輕了煤氣中飛灰對廢熱鍋爐爐管受熱面的磨損。國內運行的單爐最大產粗煤氣43 000m3／h。據資料報道當爐徑為5.5m，以褐煤為原料時，單爐生產能力為60 000m3／h（國外）。

2.2 技術優點

（1）可氣化煤粉，要求煤粒度在13mm以下。

（2）技術成熟可靠，開工率高，生產操作彈性大。生產能力調節范圍為額定生產能力的50%～110%。

（3）三廢處理簡單，環境影響小。

（4）投資省，運行費用低。

2.3 相對于魯奇爐，流化床氣化爐的優勢

（1）煤粉的利用

眾所周知，采用以低階褐煤為原料的魯奇工藝制天然氣具有工藝簡單、成熟可靠，較其他工藝運行成本低等優點。但原料塊煤與煤粉不平衡的問題，依前文所述，僅僅依賴動力鍋爐來消化是不夠的；根據我公司情況，可開發魯奇爐與流化床造氣原料分級使用的工藝，即13mm 以下的煤粉作為流化床造氣原料。同時，流化床氣化爐負荷調節靈活，可以作為城市燃氣調峰。這樣既能解決原料煤不平衡問題，又提高了褐煤產品附加值。

（2）廢水少，好處理

由于氣化溫度較高，廢水不含焦油和酚等有機物質。從流化床（恩德爐）造氣排出的水質分析看（表1），無論氨氮還是COD 指標遠低于魯奇爐工藝指標，所以處理起來比魯奇工藝簡單。

表1 國內某恩德爐造氣污水分析數據mg／L

（3）蒸汽梯級利用

流化床造氣過程中的氣化劑，可以選用由煤氣壓縮機蒸汽透平排出的低壓蒸汽。由此做到蒸汽梯級合理利用，同時可節約透平壓縮機的工業冷卻水。

2.4 技術缺點

（1）只能用高活性的褐煤，長焰煤等。

（2）設備體積大。氣化爐為常壓操作，設備體積較大；同時煤氣在壓縮過程中增加電耗。

（3）碳利用率低，約91%。

灰渣殘碳設計值為10%。現在流化床造氣取消爐箅之后，排灰中的殘碳可控制在5%以下。（通遼金煤，長山化肥廠，呼倫貝爾東能均控制在2%。）

原設計飛灰中殘碳26%。現在由于流化床爐子出口增加高效旋風分離器后部分大顆粒煤返回爐內重新燃燒，因此可減少帶出物，據金煤廠講該廠飛灰中殘碳為15%左右。因此隨著工藝改進和技術進步，流化床氣化爐的碳利用率也得到了一定的提高。

（4）出裝置煤氣粉塵含量設計為60mg／m3，而實際上高達200mg／m3左右。采用簡單除塵系統很難達到環保標準。

（5）煤氣洗滌過程所產生的黑水及其夾帶的細煤灰較難處理。

2.5 流化床氣化工藝亟待解決的問題

常壓流化床氣化技術，要想在激烈的市場競爭中繼續生存，必須解決煤氣夾帶飛灰的回收利用，以及由此產生的環境污染問題。否則，從環保角度出發，流化床氣化技術不會有長遠前景。

針對這些問題，國內某些廠家已經采用新技術，或即將使用新技術。比如山東海化和鞍山鋼鐵廠。這兩家在流化床造氣后續除塵系統均用布袋除塵器代替傳統的除塵技術。據說山東海化廠已運行多年，效果較好。

現國內回收粉煤灰有以下幾種方式：將洗滌煤氣的灰水送到大池里，經過自然沉淀，水循環利用，粉煤灰定期清理；或將洗滌后的污水引入大水泥池沉淀后，泥狀粉煤灰用板式過濾機過濾壓干，進一步降低水中的炭黑含量；也有采用部分干灰直接回收的技術等。這些回收的煤灰，有的送到磚廠做磚的原料，有的送到鍋爐當作輔助燃料燒掉。但實踐證明，這些措施都有一些不盡人意的地方：用來制磚，由于粉煤灰熱值偏高（6.3MJ／kg左右），不適合；而送到動力鍋爐做燃料，又不能單燒，必須和高熱值的燃料摻燒才行，結果又造成二次環境污染，摻燒不好還可能影響鍋爐的正常運行。由此可見，這些粉煤灰的處理是流化床造氣工藝的最大難點和生產瓶頸。

除了以上兩種途徑外，還可以引進粉煤灰和燃氣混燃鍋爐技術，這樣可較好地解決粉煤灰的最終處理問題。

采用上述技術后，流化床的碳利用率可提升至98%以上。

另外，傳統觀念認為，常壓流化床氣化爐壓縮煤氣過程中的動力消耗高于加壓魯奇爐，因為加壓魯奇工藝中，生成的煤氣體積遠大于氧氣，所以壓縮氧氣的動力消耗遠低于壓縮煤氣的動力消耗。經計算，在3.0MPa下操作所需氧氣體積僅為生成煤氣量的14%～15%，加壓操作比常壓可節省動力2／3左右。這些理論觀點是無可非議的，但如今，我們在綜合分析這兩種工藝能源分布結構的過程中發現，隨著裝備技術的發展以及能源利用方式的改變，有些設計理念也應隨之改變。以年產200kt甲醇廠為例，加壓魯奇爐在3.0MPa下操作，需要中壓蒸汽約89t／h（噸甲醇耗3.3t褐煤計算），而常壓流化床造氣設計用低壓蒸汽39t／h，經過調優操作后只用約20t／h即可。如今可以選用蒸汽透平排出的蒸汽或工廠多余的蒸汽作為氣化劑。如果魯奇爐所用的89t／h蒸汽，分解率按40%計算，也就是說魯奇爐所耗用的蒸汽（36t／h）去發電，可獲得7 826kW·h的電量，這相當于減少了驅動煤氣壓縮機的動力電耗，由此看出，在上述兩種工藝條件下，煤氣壓縮的動力消耗差距不會太大。兩種氣化工藝主要技術參數對照如表2所示。

表2 兩種氣化工藝主要技術參數對照表

3 結 語

采用以低階褐煤為原料的魯奇加壓工藝時，將剩下來的煤粉，按常規慣例，除用作動力鍋爐燃料之外，有條件的化工企業完全可以開發利用魯奇碎煤加壓氣化和常壓流化床造氣的聯合工藝，這不僅能解決原料煤粉過剩問題，也是增加褐煤產業鏈及附加值的好方法，由此做到原料利用上的優勢互補。

同時，在環保治理和提高經濟性方面將帶來更多的效益。流化床造氣工藝，在環境治理方面與魯奇工藝比，除造氣爐出口煤氣所攜帶灰塵較難處理之外，其余均好于魯奇工藝。粉塵處理雖然困擾常壓流化床技術的發展，但根據國內技術創新能力，只要有關單位去組織技術攻關，解決這一問題并不難。

總之，魯奇氣化技術生產天然氣時，可以采用常壓流化床制氣的聯產工藝，這不僅可以解決煤粉過剩問題，也是提高經濟效益、降低環境污染、充分合理利用煤炭資源的有效新途徑。另外，褐煤成型（做型煤）攻關問題也是一個重要研究課題，值得積極跟蹤。