煤制天然氣項目氣化技術對比淺析

范富武

摘 要：隨著社會的發展，我國的現代化建設的發展也有了進步。我國化石能源結構為富煤、貧油、少氣，煤炭資源在我國的能源結構中占據重要地位。隨著我國對環保要求日益提高，推動煤炭資源清潔高效利用，建立“清潔、低碳、安全、高效”的現代化能源體系，已成為煤炭資源利用的必然要求。煤制天然氣作為我國能源戰略的重點之一，近年來得到迅速發展。煤制天然氣生產過程在消耗大量新鮮水的同時，也產生了近5億t/a廢水。煤制氣廢水常含有高濃度酚、氨、氰化物、雜環和多環類、無機鹽等污染物，其組成及產生強度受煤種及轉化工藝影響大，成分復雜、毒性強、可生化性差，處理難度很大。煤制氣項目大多分布在煤炭資源豐富的西北地區，而這些地區恰恰水資源匱乏，水環境容量不足，甚至缺乏納污水體。水資源和水環境問題己經成為制約煤制氣產業發展的瓶頸。廢水“零排放”能最大限度地處理和回用項目產生的各種廢水，是緩解當地水資源緊缺的重要途徑。但由于煤化工廢水組成復雜，“零排放”設計、建設及運行經驗欠缺，目前我國煤化工廢水“零排放”運行效果并不理想。因此，有必要對現有煤化工廢水“零排放”技術及工程進行分析總結，剖析存在的問題，并提出對策建議。

關鍵詞：煤制天然氣項目;氣化技術;對比淺析

我國是原煤消耗大國，每年消耗的煤炭在30萬t/a，近年煤制氣與煤制油、煤制烯烴方興未艾，但相比與煉油化工，煤化工能耗要高，如何規劃合理的技術路線及充分利用能源是煤化工急需解決的問題，對大力推進我國煤制天然氣項目發展具有重要意義。

1 氣化工藝路線

目前世界范圍內可選用的煤氣化技術多達十幾種，但在煤制氣中得到工業化應用的也只有幾種，不同技術之間的工藝適用性、先進性、煤種適應性和技術成熟程度均有所差異。根據反應器的結構形式可分為移動床、流化床和氣流床等氣化工藝。移動床氣化技術采用碎煤、型煤進料，床層逆流移動氣化，氧氣消耗和煤消耗量低，副產油類、粗酚等副產品，整體碳效率較高，適用于高水分、高灰分的劣質煤。工業化技術應用成熟，代表技術為魯奇（LURGI）碎煤加壓氣化和BGL碎煤熔渣氣化。碎煤加壓氣化的代表為LURGI氣化技術，其特點是采用固態排渣，氣化溫度低、蒸汽消耗高、廢水量高。碎煤熔渣氣化的代表為BGL氣化技術，其特點是采用液態排渣，氣化溫度高、蒸汽消耗低、廢水量低。碎煤加壓氣化是世界上工業化最早的煤加壓氣化技術，在國內外有廣泛應用。BGL碎煤熔渣氣化則是在碎煤加壓氣化與熔渣技術的基礎上進行試驗并開發出來的。流化床氣化以KBR-TRIG氣化技術為代表。該技術采用粉煤作為原料，煤種適應性較好，操作溫度適中，粗合成氣中含有一定量的CH4。但存在氣化爐整體結構復雜，產生的飛灰量較大的問題，且無商業化運行業績，對于大型工業化應用的可行性還需進一步調研和論證。

氣流床氣化根據煤進料形式的不同分為水煤漿氣化和干粉氣化。其主要優點是氣化溫度高，煤在數秒內幾乎全部氣化，碳轉化率可達96%～98%，有效氣（H2+CO）體積分數高達80%～92%，氣化熱效率高，不產生油、萘和酚等雜質，凈化及污水處理流程簡單，在世界范圍內有廣泛的工業化運行業績。水煤漿氣化的代表為GE氣化技術和華東理工大學四噴嘴氣化技術，其特點是將原料煤制成水煤漿，加壓后送入氣化爐與高純氧進行高溫氣化。粉煤氣化的代表為SHELL粉煤氣化技術、航天粉煤氣化技術和中石化SE粉煤氣化技術，其特點是將原料煤烘干、磨粉后，通過載氣送入氣化爐與高純氧和蒸汽進行高溫氣化。

2 煤制天然氣項目氣化技術優化

2.1 生化處理

針對以固定床氣化為主的煤氣化廢水，近年來國內外研究者不斷提出新的方法和技術用于處理該股廢水，但各有優缺點。①普通活性污泥工藝難以承受如此高濃度的難降解物質，即使在短時間內取得較高的COD去除率，但出水中難降解有機物含量依然較高、氨氮脫除率較低;②A/O工藝能夠較好的去除氨氮，但出水COD濃度仍難以達到排放標準;③SBR工藝對負荷波動具有較強的抵抗力，但對酚類物質毒性的耐受性較差，污泥容易流失;④生物膜法能夠較好的保持污泥量，但COD去除效率低，負荷低，難以處理大流量煤化工廢水;⑤物理吸附工藝雖能有效降低出水COD，但存在吸附劑再生和二次污染等問題;⑥高級氧化工藝能夠快速氧化分解難降解有機物并提高廢水可生化性，但實際應用中運行費用過高，無法形成產業規模;⑦膜分離技術能夠較好的將各種污染物從廢水中分離出來，使得出水水質較好，但也存在嚴重的膜污染和使用壽命等問題。因此，采用多種處理工藝的優化組合，在達到處理效果的同時減少污泥的產生是煤化工廢水處理技術的發展方向。

2.2 動力裝置

①優化工藝系統減少能量損失，如為提高能源綜合利用效率，化工區返回富余的0.5MPa（g）低壓蒸汽，用作高壓除氧器的加熱用汽;動力車間給化工區提供高、中、低壓三種規格的蒸汽，化工區將冷凝液通過化工變換裝置回收廢熱后送到動力車間除氧器;②做好保溫節能工作，如保溫材料的品種將根據不同的介質溫度和設備、管道外型、用途來選擇，初步考慮有硅酸鋁、巖棉等，以上材料都是具有輕質、保溫性能好、施工損失率低等優點，設計按經濟厚度法確定保溫厚度。

2.3 酚氨回收

酚氨回收在整個煤氣化廢水處理過程中是不可或缺的關鍵技術環節。魯奇工藝目前在中國沒有工業化實施案例，該工藝將脫氨過程脫除的酸氣重新溶于水用于降低進水的pH，雖然能起到提高萃取脫酚效率的作用，但是酸氣與廢水中的游離氨結合成鹽，形成碳銨結晶，容易造成設備管道堵塞。該工藝流程復雜，萃取采用五級混合--澄清槽，占地面積大。賽鼎工藝能有效脫除煤氣化廢水中的酸性氣和氨，但是脫酚效率低，特別是多元酚的脫除率。主要原因是先脫除酸氣導致萃取pH>10，pH過高不利于酚萃取，而且DIPE萃取劑對多元酚的脫除率不高。華南理工大學進行了單塔脫酸脫氨和新型萃取劑的開發等大量基礎研究，提出了單塔加壓側線抽提工藝，實現了煤氣化廢水中酸性氣、游離氨和固定氨在氣體單塔中的同時脫除。改善了萃取脫酚的酸堿環境，并且改進了萃取工藝，采用MIBK作為萃取劑并使用填料萃取塔作為萃取設備，強化萃取過程，提高脫酚效率，特別是對多元酚脫除率明顯提高。

2.4 固定床純氧加壓氣化

固定床純氧加壓氣化有干排灰和液態排渣2種工藝。其工藝特點是：①煤的適應性廣，幾乎所有煤種，包括強黏結性、高水分（37%）、高灰（35%）、高/低灰熔融性溫度煤都是可用的原料。煤質越好，其經濟性越好，唯一的要求是煤粒徑5mm～50mm;②氣-固相逆流接觸，由干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層、灰渣層構成穩定的氣化床層;③物料冷進冷出，氣化爐類似一個熱交換器，碳轉化率、氣化效率、熱效率是3種氣化工藝中最高的，氧消耗僅為氣流床氣化的1/3～2/5;④能有效實現煤的分質利用。煤在干餾過程中產出焦油、酚、氨、硫、煤氣等副產品，能有效降低產品的投資與成本;⑤氣化壓力高，一般為3MPa～4MPa，最高可達10MPa，為在各種壓力下的等壓合成天然氣提供了技術基礎，有效降低了投資和能耗。

3 結語

經核算，該煤制天然氣項目單位產品綜合能耗由于《煤制天然氣單位產品能源能耗限額》（GB30179-2013）規定的先進值1.3噸標煤/千標方，能源轉化率優于《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》的基準值（51%）、接近先進值（57%）。通過對煤制天然氣裝置進行優化，可有效實現節能降耗，提高能量利用率。

參考文獻：

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