以褐煤為原料的碎煤加壓氣化工藝適應性的探討

常旭（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350）

碎煤加壓氣化工藝是目前世界上應用最多的加壓氣化方法之一，具有流程成熟可靠、煤氣中甲烷含量高、氧耗低、氣化強度高等優點，是煤制天然氣行業的首選煤氣化技術。因此如何集中力量攻克碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時的適應性，提高碎煤加壓氣化工藝水平，降低成本提高經濟效益，是適應煤制天然氣快速發展、降低天然氣對外依存度的關鍵，也是解決我國煤制天然氣化工產業發展困境的有效途徑。

1 碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時的優點

1.1 煤價低廉

由于褐煤成煤年齡較短，其固定碳含量較少，因此其價格低廉，僅為無煙煤售價的1/4至1/5左右，每標方天然氣的生產成本遠遠低于煙煤和無煙煤等，當選擇褐煤為原料時，具有良好的市場經濟效益。（如表1所示）

1.2 反應活性高

同時褐煤還具有揮發分含量高，結構疏松等特點，在氣化爐內干燥預熱層和干餾層即脫去揮發分，當褐煤到達氣化層時，生成的煤焦具有豐富的孔隙，反應的比表面積大，氣固相反應的擴散阻力小，氣化劑更容易擴散到煤焦內孔中去，因而褐煤的化學活性較高，氣化速度加快，生成的煤氣中有效氣成分含量更高。另一方面，由于褐煤機械強度差，在氣化爐內高溫氣氛中易失水碎裂導致煤的粒度進一步減小，增大了表面積，在動力學控制區的吸附和擴散速度更快，也更有利于氣化反應進行。

1.3 產品煤氣中甲烷含量高

褐煤的固定碳含量較少，低位發熱量僅為2900-3400kcal/kg，入爐后氣化反應快、燃燒時間短，爐內氣化溫度低，但有利于甲烷的生成反應（甲烷化反應為放熱反應），煤氣組成中甲烷含量增大，其甲烷產量占最終產品天然氣組成的48%-56%。

1.4 灰分含量低

褐煤的灰分含量較少，遠遠低于其它煤種，同時由于其粘結性較小和氣化溫度低，氣化后產生的灰渣粒度較小，并含有一定的粉灰，爐渣的排出量較少，隨爐渣排出的殘炭和潛熱必然減少，降低了能耗和運輸成本，具有良好的經濟效益。

2 碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時出現的問題

由于褐煤變質程度較淺，工業分析各組分含量波動范圍較大，而碎煤加壓氣化工藝對原料煤煤質要求極其嚴格，不能偏離設計指標。因此使用褐煤為原料，碎煤加壓氣化裝置運行初期，氣化爐會頻繁故障跳車，經過長時間摸索及調試，主要發現以下幾點問題：

2.1 篩分率較低，煤粉量較大

褐煤的機械強度較差，經過破碎、篩分、火車轉運、輸煤皮帶運輸、二次篩分等過程會產生大量的煤粉，這部分煤粉作為動力鍋爐原料時無法消耗，這就造成了氣化爐和動力鍋爐負荷無法平衡的問題，影響了系統負荷的進一步提升。

2.2 產品煤氣含塵量較高，副產煤氣水量較大

褐煤變質程度較淺，具有較高的水分含量，在進入氣化爐內干燥預熱層及干餾層受熱時，煤中大量的表面水分逸出太快，容易使煤塊碎裂而產生大量煤粉，而氣化爐出口位置位于干餾層附近，大量煤粉易隨煤氣帶出，進而使廢熱鍋爐集水槽及煤氣變換冷卻系統變換爐催化劑床層堵塞，同時也易使煤氣凈化系統再吸收給料泵和CO2吸收塔給料泵入口濾網頻繁堵塞，造成煤氣變換效率下降及催化劑使用壽命縮短等影響。堵塞嚴重時，會造成氣化爐停車或系統停車甚至催化劑失活無法使用等情況的發生。

同時由于煤氣中水含量增高，在廢熱鍋爐集水槽及煤氣變換冷卻系統會產生大量的煤氣水，增加了煤氣水處理系統負荷及廢水處理成本。嚴重時，氣化爐裝置僅為70%負荷的情況下，煤氣水處理系統負荷已達到100%。

2.3 氧氣消耗增加，煤塊粘連煤粉

褐煤較高的水分含量同時增加氣化爐內干燥預熱層所需熱量從而增加氧氣消耗。根據計算及實際消耗統計，每增加1%的水分，氧消耗將增加1.5%；同時，褐煤較高的水分含量會影響篩分效果，褐煤表面附著大量的煤粉，給原料預處理造成困難。

2.4 氣化爐工況較差，停車頻繁

褐煤熱穩定性TS+6僅為28.7%，且其機械強度差，在氣化爐內高溫高水分氛圍氣化過程中易爆裂，導致煤的粒度減小，使氣化爐床層阻力增大，從而造成氣化劑分布不均及床層紊亂壓差增高。同時，粒度過小使煤在氣化爐內床層下移過程中產生偏析現象，致使床層不勻，易產生偏斜或燒穿。以上氣化爐工況惡化情況使氣化爐煤鎖大法蘭溫度、煤氣出口溫度同時增高，氣化爐與水夾套壓差增大，出口煤氣成分分析CO2和O2含量增加，有效氣體成分CO和CH4含量減少，限制了氣化爐的生產能力，工況惡化嚴重時會導致氣化爐停車。

表1 褐煤工業分析

表2 褐煤元素分析

2.5 堿金屬及鹵族元素含量高

部分地區褐煤含有較高含量的堿金屬及鹵族元素，同時還包含釩、硫等元素。褐煤在氣化爐內燃燒層與灰層交界區域及低負載運行情況下，易發生燃燒區下移的現象，結合高腐蝕性鹵素氣氛、氣化爐內夾套材料15CrMo抗鹵化性能不足的現象，容易導致氣化爐內夾套爐蓖上方灰分區域及燃燒區域發生“鹵化-氧化腐蝕加劇下的高溫磨蝕腐蝕”，出現內夾套材料15CrMo的異常腐蝕減薄。（如表2所示）

3 相關整改措施

3.1 提高破碎及篩分粒度上限，制定摻燒方案

為了提高篩分率，減小氣化爐入口煤粉量及產品煤氣含塵量，改善篩分效果及氣化爐工況，降低煤氣水產量及氧氣消耗，將入爐原料褐煤粒度進行調整，對最小粒度進行適當放大（顆粒過大易造成加煤系統堵塞和架橋，灰中殘炭量不易控制），原料煤要求采用13-50mm粒度級的褐煤；同時要求褐煤顆粒組成均勻，最大粒徑與最小粒徑比為5-8（低負荷時可適當放寬到8）；同時，為降低因產品煤氣夾帶煤粉而導致的碳損失，要求入爐煤最小粒徑宜在6mm以上，小于6mm的煤粉量控制在1.5%以內，小于13mm的細粒煤量控制在5%以內。并且制定摻燒配比方案，將各礦區不同品質褐煤按照固定比例進行摻燒，即將機械強度略高、含水量略小的褐煤和機械強度差、含水量高的褐煤按照固定比例進行摻燒。

3.2 采用鎳基合金Inconel625對氣化爐內夾套進行堆焊防腐

為了適應褐煤含有較高含量的堿金屬及鹵族元素的情況，避免氣化爐內夾套材料出現異常腐蝕減薄情況，需使用在氯化物介質中具有出色的抗點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕及侵蝕的性能和具有很好的耐無機酸腐蝕性能，同時在氧化及還原環境中也具有耐堿和有機酸腐蝕的性能和有效的抗氯離子還原性應力腐蝕開裂性能的Inconel625鎳基合金對氣化爐內夾套內壁進行機械自動化堆焊防腐。

4 結語

碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料生產天然氣，盡管遇到了諸多的困難，但經過不斷的摸索實踐與整改創新，已解決了碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時適應性的問題，這對提高碎煤加壓氣化工藝水平起到了至關重要的示范作用，是適應煤制天然氣快速發展、降低天然氣對外依存度的關鍵，也是解決我國煤制天然氣化工產業發展困境的有效途徑。

［1］荊宏健，王光彪，張振芳.《魯奇煤加壓氣化制氨工藝及裝置的實踐與研究》，化學工業出版社.

［2］沙興中，楊南星.《煤的氣化與應用》，華東理工大學出版社.