以褐煤為原料的碎煤加壓氣化工藝適應(yīng)性的探討

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

碎煤加壓氣化工藝是目前世界上應(yīng)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(yōu)點，是煤制天然氣行業(yè)的首選煤氣化技術(shù)。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(yīng)性，提高碎煤加壓氣化工藝水平，降低成本提高經(jīng)濟效益，是適應(yīng)煤制天然氣快速發(fā)展、降低天然氣對外依存度的關(guān)鍵，也是解決我國煤制天然氣化工產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yōu)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(chǎn)成本遠遠低于煙煤和無煙煤等，當(dāng)選擇褐煤為原料時，具有良好的市場經(jīng)濟效益。（如表1所示）

1.2 反應(yīng)活性高

同時褐煤還具有揮發(fā)分含量高，結(jié)構(gòu)疏松等特點，在氣化爐內(nèi)干燥預(yù)熱層和干餾層即脫去揮發(fā)分，當(dāng)褐煤到達氣化層時，生成的煤焦具有豐富的孔隙，反應(yīng)的比表面積大，氣固相反應(yīng)的擴散阻力小，氣化劑更容易擴散到煤焦內(nèi)孔中去，因而褐煤的化學(xué)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(nèi)高溫氣氛中易失水碎裂導(dǎo)致煤的粒度進一步減小，增大了表面積，在動力學(xué)控制區(qū)的吸附和擴散速度更快，也更有利于氣化反應(yīng)進行。

1.3 產(chǎn)品煤氣中甲烷含量高

褐煤的固定碳含量較少，低位發(fā)熱量僅為2900-3400kcal/kg，入爐后氣化反應(yīng)快、燃燒時間短，爐內(nèi)氣化溫度低，但有利于甲烷的生成反應(yīng)（甲烷化反應(yīng)為放熱反應(yīng)），煤氣組成中甲烷含量增大，其甲烷產(chǎn)量占最終產(chǎn)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(jié)性較小和氣化溫度低，氣化后產(chǎn)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?zhí)亢蜐摕岜厝粶p少，降低了能耗和運輸成本，具有良好的經(jīng)濟效益。

2 碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時出現(xiàn)的問題

由于褐煤變質(zhì)程度較淺，工業(yè)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(zhì)要求極其嚴格，不能偏離設(shè)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(jīng)過長時間摸索及調(diào)試，主要發(fā)現(xiàn)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(jīng)過破碎、篩分、火車轉(zhuǎn)運、輸煤皮帶運輸、二次篩分等過程會產(chǎn)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(tǒng)負荷的進一步提升。

2.2 產(chǎn)品煤氣含塵量較高，副產(chǎn)煤氣水量較大

褐煤變質(zhì)程度較淺，具有較高的水分含量，在進入氣化爐內(nèi)干燥預(yù)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(chǎn)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(tǒng)變換爐催化劑床層堵塞，同時也易使煤氣凈化系統(tǒng)再吸收給料泵和CO2吸收塔給料泵入口濾網(wǎng)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(tǒng)停車甚至催化劑失活無法使用等情況的發(fā)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(tǒng)會產(chǎn)生大量的煤氣水，增加了煤氣水處理系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)干燥預(yù)熱層所需熱量從而增加氧氣消耗。根據(jù)計算及實際消耗統(tǒng)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(yù)處理造成困難。

2.4 氣化爐工況較差，停車頻繁

褐煤熱穩(wěn)定性TS+6僅為28.7%，且其機械強度差，在氣化爐內(nèi)高溫高水分氛圍氣化過程中易爆裂，導(dǎo)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(nèi)床層下移過程中產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，致使床層不勻，易產(chǎn)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(chǎn)能力，工況惡化嚴重時會導(dǎo)致氣化爐停車。

表1 褐煤工業(yè)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(qū)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(nèi)燃燒層與灰層交界區(qū)域及低負載運行情況下，易發(fā)生燃燒區(qū)下移的現(xiàn)象，結(jié)合高腐蝕性鹵素氣氛、氣化爐內(nèi)夾套材料15CrMo抗鹵化性能不足的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致氣化爐內(nèi)夾套爐蓖上方灰分區(qū)域及燃燒區(qū)域發(fā)生“鹵化-氧化腐蝕加劇下的高溫磨蝕腐蝕”，出現(xiàn)內(nèi)夾套材料15CrMo的異常腐蝕減薄。（如表2所示）

3 相關(guān)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(chǎn)品煤氣含塵量，改善篩分效果及氣化爐工況，降低煤氣水產(chǎn)量及氧氣消耗，將入爐原料褐煤粒度進行調(diào)整，對最小粒度進行適當(dāng)放大（顆粒過大易造成加煤系統(tǒng)堵塞和架橋，灰中殘?zhí)苛坎灰卓刂疲厦阂蟛捎?3-50mm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(dāng)放寬到8）；同時，為降低因產(chǎn)品煤氣夾帶煤粉而導(dǎo)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(nèi)，小于13mm的細粒煤量控制在5%以內(nèi)。并且制定摻燒配比方案，將各礦區(qū)不同品質(zhì)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(nèi)夾套進行堆焊防腐

為了適應(yīng)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(nèi)夾套材料出現(xiàn)異常腐蝕減薄情況，需使用在氯化物介質(zhì)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(huán)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(yīng)力腐蝕開裂性能的Inconel625鎳基合金對氣化爐內(nèi)夾套內(nèi)壁進行機械自動化堆焊防腐。

4 結(jié)語

碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料生產(chǎn)天然氣，盡管遇到了諸多的困難，但經(jīng)過不斷的摸索實踐與整改創(chuàng)新，已解決了碎煤加壓氣化工藝以褐煤為原料時適應(yīng)性的問題，這對提高碎煤加壓氣化工藝水平起到了至關(guān)重要的示范作用，是適應(yīng)煤制天然氣快速發(fā)展、降低天然氣對外依存度的關(guān)鍵，也是解決我國煤制天然氣化工產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xué)工業(yè)出版社.

［2］沙興中，楊南星.《煤的氣化與應(yīng)用》，華東理工大學(xué)出版社.