神華褐煤深加工利用氣化技術選擇的思考

蔣立翔

（1.中國礦業大學化工學院，江蘇省徐州市，221008；2.神華集團煤制油有限公司化工部，北京市東城區，100011）

1 引言

在我國，褐煤查明資源儲量1334.69億t，占全國煤炭資源總量的13.07%，主要分布區域為內蒙古東北部，占75%，西南地區占20%；其它地區占5%左右。過去人們對褐煤的開發利用不夠充分，隨著資源貧瘠化與環保壓力不斷加大，充分、有效、合理、潔凈地利用褐煤已是業界的共識。神華集團擁有褐煤資源量數十億噸，高質量高效益地利用好褐煤資源對集團可持續發展無疑具有非常重要的戰略意義。

由于褐煤是煤化程度最低的煤種，是泥炭沉積后經脫水、壓實轉變為有機生物巖的初期產物，含有較高的內在水分 （Mt≈30%～50%，Minh≈10%～30%）和不同數量的腐植酸 （3%～68%，daf），發熱量低 （Qnet，v，ar一般為11.71～16.73 MJ／kg），揮發分高 （37%～58%，daf），固定碳含量低，熱穩定性差，反應活性好，機械強度低，灰熔點低，煤質不穩定，易風化自燃，不易長途運輸。故其加工利用是世界性難題。

要實現褐煤的資源化利用制取煤基化學品、液體燃料、IGCC、氫氣等，選擇合適的氣化技術是關鍵，因為氣化技術是上述過程的龍頭技術、關鍵技術和共性技術，而各種煤氣化技術均有其相應的特點和使用范圍，針對褐煤氣化技術的選擇，應盡力做到 “因煤質制宜、因產品制宜、因規模制宜、因經濟效益制宜”等各因素的平衡。本文將結合神華褐煤的煤質特點，談一些褐煤氣化技術選擇方面的膚淺認識。

2 神華褐煤煤質特點

由于神華褐煤煤礦區域分布分散，煤質變化較大，此文以較有代表性的寶日希勒煤礦煤質為論述重點。寶日希勒礦區煤類單一，均為褐煤，顏色為深褐與黑褐色，條痕為棕色；光澤多為暗淡的瀝青光澤或無光澤；構造多為層狀及塊狀、致密、堅硬、性脆，少量呈片狀及粉狀，質較松軟，呈均一結構及條帶狀結構，有時為木質結構，偶而可見清晰的植物年輪，少量呈透鏡狀和纖維狀結構；斷口多為貝殼狀及參差狀，外生裂隙發育；比重在1.54～1.69之間，平均為1.61。煤巖組成較單一，主要為木煤絲炭質暗亮煤，各煤層煤巖組成變化不大，其沉積環境屬于弱氧化-弱還原環境。

寶日希勒褐煤原煤水分 （Mad）平均值在12.36%～15.32%之間，各煤層的灰分 （Ad）平均值在12.81%～15.27%之間，各煤層的揮發分（Vdaf）平均值在40.75%～43.57%之間，各煤層的發熱量 （Qb，ad）平均值在20.32～21.94MJ／kg之間，各煤層的透光率 （PM）平均值在33～44之間。由以上數據分析得知，寶日希勒褐煤根據中國煤炭分類 （GB 5751-86）屬于褐煤二號 （HM2）。

寶日希勒褐煤工藝性質方面，各煤層灰熔融性軟化溫度（T2）平均值在1130～1214℃之間，屬低熔灰煤；燃點為280～329℃，平均是309℃，屬易于自燃煤，自燃期3～6個月；低溫干溜焦油回收率是1.91%～6.76%，平均為5.6%，屬于含油煤。

寶日希勒褐煤有害元素方面，各煤層的全硫（St，d）平均值在0.13%～0.26%之間，屬特低硫煤；各煤層的磷含量 （Pd）平均值在0.006%～0.018%之間，為低磷-特低磷煤；砷含量平均為0.00031%，小于8.0μg／g；氯含量為0.008%～0.032%，平均為0.019%，危害性不大。

寶日希勒褐煤可選性方面，本區多為動力用煤。假定精煤灰分為10%時，由可選性曲線得知分選比重為1.31～1.34，±0.1 含量為57.5%～66.4%，平均為61.5%，屬極難選煤。

寶日希勒褐煤煤質數據 （煤層平均值）如下：

（1）工業分析。

Mt為35.4% ，Mad為13.28% ，Ad為14.53%，Vdaf為42.16%

（2）元素分析 （w）。

Cad為59.92%，Had為3.76%，Oad為16.88%，Nad為0.72% ，St，ad為0.41%，Clad為0.005%

（3）發 熱 量Qgr，v，ar為16.49 MJ／kg，Qnet，v，ar15.11 MJ／kg。

（4）哈氏可磨指數HGI為77。

（5）灰熔點。變形 （T1）DT 為1140℃，軟化（T2）ST 為1150℃，半球HT1160℃，流動 （T3）FT 1170℃。

（6）灰 組 成。SiO2為44.44%，Al2O3為12.19%，Fe2O3為16.50%，CaO 為14.97%，MgO 為2.34%，Na2O 為1.13%，K2O 為1.78%，TiO2為1.14%，MnO2為0.016%。

（7）Asad為5μg／g。

（8）顯微組分含量。凝膠化組分為47.6%，絲炭化組分42.6%，穩定組分1.1%，無機組分9.0%。

（9）堆密度0.79t／m3。

（10）比重1.61t／m3。

（11）透光率PM為33～44。

寶日希勒褐煤篩分組成如下：

＞25mm 為1.91%，13～25mm 11.03%，6～13 mm 18.32%，3～6 mm 20.89%，1～3mm 20%，40目-1mm 11.28%，200-80目3.31%，＜200目1.06%。

3 神華褐煤不同氣化技術適應性分析

3.1 當前典型的煤氣化技術

按原料煤和氣化劑在氣化爐內的流體力學狀態或氣固接觸方式，氣化爐型分為三大類，即固定床、流化床和氣流床。

固定床氣化爐內原料層相對穩定或隨原料的消耗緩慢向下移動，固體原料從氣化爐頂加入，灰渣從氣化爐底排出，氣化劑由爐底通過爐柵 （爐篦）送入爐內，生成的煤氣由爐頂導出。固定床爐內料層自下而上可分為灰渣層、燃燒層、還原層、干餾層和干燥層。目前加壓移動床氣化爐主要有魯奇爐和熔渣魯奇氣化爐 （BGL爐）。

氣流床氣化爐是當今煤化工應用最普遍的氣化爐，它是氣化劑 （蒸汽與氧氣）將煤粉 （或煤漿）夾帶入氣化爐，在高溫下進行并流氣化反應的過程。在氣流床爐內，煤粉和氣化劑均勻混合，瞬間著火反應，溫度高達2000℃。高溫下，煤干餾產物迅速分解，因而產物中CH4含量很低。為了提高反應的傳質效率，反應煤粉通常磨的較細，如70%小于200目。目前已經工業化應用的氣流床主要有GSP 爐、對置多噴嘴水煤漿氣化爐、Shell爐、GE水煤漿爐、清華爐、多元料漿爐等。

流化床氣化是指氣化劑流速增加到使全部顆粒恰好懸浮在向上流動的氣體中，此時顆粒與流體之間的摩擦力與其重力相平衡，這時床層開始流化，流化床就是床層處于流態化條件下的氣化方法。常見的流化床氣化爐有高溫溫克勒 （HTW）爐、U-gas氣化爐、TRIG 氣化爐及國內的恩德爐和ICC （山西煤化所灰融聚）氣化爐等。由于恩德爐和ICC氣化爐是常壓氣化爐，生產能力受到限制，HTW 爐應用不多。

3.2 神華褐煤選用固定床氣化技術可行性分析

對于固定床氣化爐，魯奇 （Lurgi）爐要求褐煤入爐粒度為6～40mm，小于6mm 的細粒煤控制在5%以內，神華褐煤大于6mm 占全粒度的31.3%；水分方面魯奇爐要求較寬，但水分過高易使褐煤熱碎嚴重、氧耗增加、生產能力下降、凈化和污水處理難度加大，故一般要求入爐水分控制在20%內；要求人爐煤有較好的熱穩定性和較高的抗碎強度，否則容易碎裂成小塊或煤粉，增加爐內阻力，降低氣化效率，使煤氣中未反應煤粉的帶出量增多，影響正常運轉，甚至可能造成停爐事故；灰熔融性方面，通常要求ST＞1200℃。

相比魯奇爐，BGL 爐有不少優點：氣化強度高，氣化能力是魯奇爐的3～4倍；碳轉化率、氣化效率高；水蒸汽消耗小，廢水排放約為魯奇爐的1／4；粗煤氣中CO 含量大幅增加，CO2含量由30%降至3%～5%，CH4減少；可將部分小于6 mm 的粉煤噴吹進氣化爐，自產的廢水可部分噴吹回爐。

針對神華褐煤煤質，筆者認為將原煤經篩分后粒度＞6 mm 的褐煤，選用BGL 較為合適，操作壓力2～3 MPa，溫度為1400～1600℃。神華褐煤的軟化溫度 （ST）為1150℃，適合BGL 液態排渣。2012年中煤鄂爾多斯能源化工有限公司圖克200萬t／年合成氨化肥項目就選用該爐型。BGL爐是在魯奇爐基礎上發展起來的，除排渣方式不同外，其余基本與魯奇爐一樣。目前世界上有超過170臺魯奇爐在運行，國內也有超過30 臺運行。通過借鑒魯奇經驗實現BGL 爐的大規模工業化應該沒有大的障礙。

3.3 神華褐煤選用氣流床氣化技術可行性分析

對于神華褐煤，筆者不贊成選用濕法氣化技術。由于褐煤內水含量高，孔隙發達，成漿性能差。相同濃度的煤漿其流動性、穩定性較煙煤差，而且磨煤時易溢漿，添加劑選擇余地小、消耗大，加之褐煤固定碳含量和發熱量低，不僅煤耗高，而且水分蒸發消耗大量熱量，氣化爐內熱量難以平衡。一般未經改質的褐煤，制漿濃度一般也只能達到40%多，達不到一般入爐濃度60%的要求。對于褐煤提質后再制漿，筆者同樣也不看好，因為如果只對褐煤淺度蒸發脫水，即使將其脫水到只含水2%～10% （包括脫除了部分內水），但在制漿時仍會發生水分的復吸，導致無法制得高濃度煤漿；而如果是深度提質脫水，則經濟性、環保壓力、自燃、粉化、工程放大等一系列問題會非常突出。

對于褐煤干煤粉氣化，筆者更傾向于選擇GSP爐，該爐采用水冷壁結構，即所謂的 “以渣抗渣”結構，由于不需要耐火磚絕熱層，而且爐內沒有轉動設備，可以長周期運行。燒嘴火焰溫度約為1800～2200℃，平均停留時間約10s，反應速率高，因而氣化裝置的生產能力大，有效氣體含量高達91%以上，碳轉化率為99%。GSP 供料系統采用400kg／m3惰性氣體密相氣流輸送，氣化爐點火升溫迅速，負荷彈性50%～110%，氣化爐設有專門的點火燒嘴，采用電點火，該燒嘴在正常操作時以低負荷保持點燃狀態，所用燃料為氣化爐自產的煤氣。采用激冷流程，高溫煤氣在激冷室上部用若干水噴頭將煤氣激冷至200℃左右，然后用文丘里除塵器將煤氣含塵量降低到1mg／m3以下。這種工藝技術簡單，設備及運行費用較低，除燒嘴和水冷壁、部分閥門、特殊儀表外絕大部分設備可采用國產化。

當然，GSP 爐也有缺點或不完善的地方，根據在寧煤運行的5臺氣化爐情況，主要有：煤粉加壓輸送過程復雜，邏輯控制太多，輸送過程易發生堵塞，造成氣化爐跳車；氣化爐激冷室采用噴嘴進行激冷降溫除灰渣，在實際運行過程中，因為細灰含量大，氣化爐激冷室的除渣效果不好，激冷室出口合成氣帶灰渣量較大，造成文丘里洗滌系統洗滌分離后洗滌水中固體含量高，導致排液管線堵塞、閥門磨損、同時未經過水浴洗滌的合成氣含灰量高導致變換系統粗合成氣加熱器、變換保護床頻繁堵塞，系統停車等一系列問題；GSP 氣化技術沒有成熟的黑水處理技術支持，循環水、蒸汽消耗大，水耗遠遠高于設計值。這些問題都需要今后不斷改進完善。

Shell爐優點與GSP 相近，但Shell爐也有很多缺點與不足，主要表現在：由于是廢鍋型，整個爐子造價較GSP 高近1／3；煤氣的冷激問題，shell爐子上升氣體溫度大約在1400℃以上，其中夾帶著20%～30%的飛灰，若這些飛灰被煤氣帶到氣化爐頂部會在頂部過熱器上結成大塊，使氣化爐頂部阻力大無法繼續運行，冷卻氣體中夾帶的飛灰則易磨損或堵塞管道；Shell爐采用陶瓷干法除塵，設備內部有500多根過濾管，陶瓷管內高壓氣反吹易使其斷裂，合成氣中飛灰含量遠大于0.0001%，直接影響到激冷氣循環壓縮機的運行和耐硫變換催化劑使用壽命。

3.4 神華褐煤選用流化床氣化技術可行性分析

對于褐煤選用流化床氣化爐，有很多優勢：流化床直接利用細粒煤 （0～6 mm 或0～10 mm），不用加工成型煤，只需去除掉部分外水，降低了備煤成本；流化床爐內物料分布均勻，傳熱傳質效果好；爐內操作溫度可以裂解大部分焦油、酚類等高烴類物質。當然，流化床氣化爐也有缺點，集中表現在：出渣和飛灰含碳量高，即所謂 “上吐下瀉”；由于操作溫度不是太高，故更適合于灰熔融性溫度高的煤，夾帶較多煤塵的高溫煤氣余溫利用較難等等。

針對U-Gas爐和TRIG 爐，筆者更傾向于后者，因為U-Gas爐有其致命的缺點。U-Gas爐設計成灰融聚排渣的目的，是在均勻的流化床內造成局部不均勻區，利用成球排灰，降低了灰渣含碳量，但這種灰融聚技術實際是在灰的軟化點附近的臨界溫度上運行，即所謂 “成球排灰之時，也是氣化爐將全面結死之刻”，操作溫度范圍很窄。這也就是目前國內的山東和河南U-Gas爐不能正常運行的癥結所在。

TGIG 氣化爐是美國KBR 公司在流化催化裂化技術 （FCC）基礎上開發而成，擁有以下技術特點：粉煤進料，水分可高達20%，氣化壓力3.4～4 MPa，單爐最大處理量達5000t／d，固態排渣，空氣氣化，無制氧裝置，合成氣余熱回收，無激冷，無黑水。可見，針對神華褐煤，TRIG 爐是一種非常值得進一步探討的爐型。當然，TRIG 爐也存在一些問題與風險：大規模商業化應用尚無成功經驗，只進行了中試驗證實驗；純氧氣化尚缺乏應用經驗，只開發了空氣氣化工藝。盡管存在上述風險，但筆者認為TRIG 爐應用于神華褐煤氣化，其風險是總體可控的，應積極探索實驗。

4 結論

通過對神華褐煤煤質分析和不同氣化爐爐型的比較，筆者認為利用神華褐煤制取化工品氣化工藝的選擇可以考慮如下兩條路線。

一是將原煤過6mm 篩，篩上+6mm 粉料采用BGL 氣化爐氣化，-6 mm 細煤粉經過工廠富余中低壓蒸汽干燥，磨細至0.25～0.5mm 后采用GSP爐氣化，后續煤氣凈化、污水處理等可以耦合考慮。此方案的優點是大幅度降低了磨煤能耗，顯著提高了原煤直接入爐利用率；BGL 爐產生的約6%CH4可以為GSP 爐點火燒嘴 （長明燈）使用，這樣既解決了BGL 爐的所產CH4的去處問題，也實現了CH4的資源化利用 （在GSP 爐里氣化得合成氣）；最大限度地減排了含酚污水 （BGL爐排含酚廢水量是魯奇爐的1／3～1／4），為污水處理減輕壓力；最大限度的降低了蒸汽用量 （對低灰熔點的煤，BGL 蒸汽耗量比魯奇爐少7～8 倍）；整體投資合理，工藝技術成熟可靠，風險可控。

二是將原煤過6mm 篩，篩上+6mm 粉料采用BGL 氣化爐氣化，-6 mm 細煤粉經過工廠富余中低壓蒸汽干燥，磨細至0.3～0.5 mm 后采用TRIG 爐氣化，后續煤氣凈化、污水處理等可以耦合考慮。此方案的優點是大幅度降低了磨煤能耗，顯著提高了原煤直接入爐利用率；將TRIG 氣化所產的富H2合成氣與BGL氣化所含的富CO 合成氣耦合利用，減少后續變換裝置的投資；由于TRIG氣化無激冷，無黑水，最大限度地減少了污水處理負荷。當然，由于TRIG 氣化技術存在前述的空氣氣化、大規模商業應用缺乏經驗等不足，此方案實施也應該更謹慎些，做足前期的基礎實驗驗證工作是控制風險的前提條件。

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