褐煤水煤漿氣化的可行性及生產(chǎn)實踐介紹

李儲祥

(大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

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褐煤水煤漿氣化的可行性及生產(chǎn)實踐介紹

李儲祥

(大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

介紹了中國褐煤的儲量、煤質(zhì)特點和資源分布情況，并詳細列出了呼倫貝爾地區(qū)部分褐煤的煤質(zhì)情況。立足本地褐煤的特點，從水煤漿氣化反應(yīng)機理和大唐呼倫貝爾化肥有限公司褐煤水煤漿氣化裝置的運行實踐出發(fā)，分析了褐煤水煤漿氣化的可行性，詳細論述了世界首套褐煤水煤漿氣化裝置的運行狀況及亟待解決的問題。

褐煤；煤質(zhì)特點；水煤漿氣化；氣化機理

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.007

大唐呼倫貝爾化肥有限公司(以下簡稱“大唐呼化”)坐落于煤炭資源豐富、水資源富集的旅游名城呼倫貝爾市，是大唐中新能化科技有限公司所屬企業(yè)，年生產(chǎn)18萬t合成氨、30萬t尿素產(chǎn)品。該項目全線采用國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)，并于2012年6月建成投產(chǎn)。

大唐呼化的煤氣化技術(shù)采用非熔渣—熔渣水煤漿分級氣化工藝，是我國自主開發(fā)的新型實用水煤漿氣化技術(shù)，即49.5%的水煤漿由高壓煤漿泵打出，流量控制在28.68m3/h，送至主燒嘴的環(huán)隙，空分裝置送來氧氣,控制其壓力在5.5～5.8MPa，分別送入主燒嘴的中心氧管、外環(huán)隙管和兩支二次給氧燒嘴中，水煤漿和氧氣在工藝燒嘴中充分混合霧化后進入氣化爐燃燒室，在約4.0MPa、1 300℃的條件下進行部分氧化反應(yīng)，生成以CO和H2為有效成分的粗煤氣。粗煤氣和熔融態(tài)灰渣一起向下，經(jīng)過均勻分布著激冷水的激冷環(huán)沿下降管進入激冷室的水浴中。大部分的熔渣經(jīng)冷卻固化后，落入激冷室底部。粗煤氣經(jīng)激冷水水浴后進入文丘里洗滌器，經(jīng)其洗滌除塵后，沿洗滌塔下降管進入塔底的水浴中。粗煤氣向上穿過水層，大部分固體顆粒沉降到塔底與粗煤氣分離。上升的粗煤氣向上穿過4層塔板，與變換凝液逆向接觸，洗滌掉剩余的固體顆粒。粗煤氣在洗滌塔頂部經(jīng)過折流板除沫器，除去夾帶氣體中的霧沫，然后離開洗滌塔進入變換工序。

氣化用煤為呼倫貝爾地區(qū)所產(chǎn)褐煤，是世界首套以褐煤為原料的水煤漿氣化工業(yè)化裝置，該項目的投產(chǎn)對蒙東地區(qū)褐煤的開發(fā)和潔凈化利用具有里程碑的意義。

1 中國褐煤資源簡介

1.1 褐煤儲量及特點

我國褐煤資源豐富，20世紀末，褐煤資源保有儲量達1 300億t，占全國煤炭總儲量的13%左右[1]。褐煤是煤化程度最低的煤種，其典型特點是高水分、高揮發(fā)分、低熱值、孔隙度大、易自燃氧化、低磷、特低氯、低砷、低汞、中氟等，長途運輸易自燃，直接利用效率低[2]。

1.2 褐煤資源分布情況

我國的褐煤資源主要形成于晚侏羅系-早白堊系地層[3]，分布很不均勻。煤田地質(zhì)勘探資料表明，我國的褐煤資源主要分布在華北地區(qū)，大概占全國褐煤地質(zhì)儲量的3/4以上，其中，以內(nèi)蒙古東部靠近東北三省地區(qū)的儲存量最多，約占全國褐煤儲量的70%。西南地區(qū)是我國僅次于華北地區(qū)的第二大褐煤基地，其儲量約占到全國褐煤總量的1/8，且大部分分布在云南省境內(nèi)。但是，西南地區(qū)的褐煤幾乎全部是第三紀比較年輕的褐煤，而華北地區(qū)的褐煤則大多是侏羅紀年老褐煤。我國其他地區(qū)的褐煤資源數(shù)量則很少。全國主要褐煤儲量分布見表1[4]。

表1 全國各省區(qū)褐煤儲量分布

1.3 呼倫貝爾地區(qū)褐煤煤質(zhì)情況

呼倫貝爾周邊大型煤礦主要有寶日希勒露天礦、東明煤礦、天順煤礦、伊敏煤礦、拉布大林煤礦、五九煤礦、扎賚諾爾煤礦、免渡河煤礦等，各礦煤質(zhì)差別較大，滿足水煤漿氣化使用的煤種較少，本文列舉幾種大唐呼化曾經(jīng)使用過和正在使用的部分褐煤煤質(zhì)情況，呼倫貝爾地區(qū)部分褐煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 呼倫貝爾地區(qū)部分煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2 水煤漿氣化機理分析

水煤漿氣化反應(yīng)是一個很復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)過程，水煤漿和氧氣噴入氣化爐后瞬間經(jīng)歷煤漿升溫及水分蒸發(fā)、煤熱解揮發(fā)、殘?zhí)繗饣蜌怏w間的化學(xué)反應(yīng)等過程，最終生成以CO、H2為主要組分的粗合成氣。在氣化爐內(nèi)進行的反應(yīng)相當復(fù)雜，一般認為分三步進行[5]。

2.1 煤的裂解

水煤漿和純氧進入高溫氣化爐后，水分迅速蒸發(fā)為水蒸氣，煤粉發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)分。裂解產(chǎn)物進一步反應(yīng)變成煤焦，放出大量的反應(yīng)熱。

2.2 不完全燃燒反應(yīng)

煤裂解后生成的煤焦及揮發(fā)分在高溫、高氧濃度的條件下迅速發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)，即部分氧化還原反應(yīng)，生成CO、CO2、H2等氣體，放出反應(yīng)熱。

2.3 氣化反應(yīng)

經(jīng)過前2步反應(yīng)后，氣化爐中的氧氣已基本消耗殆盡，這時主要進行的是煤焦、甲烷等與水蒸氣、CO2發(fā)生的氣化反應(yīng)，生成CO和H2，接近化學(xué)平衡。

煤的反應(yīng)活性可以用揮發(fā)分來評估，揮發(fā)分是指煤中有機質(zhì)可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物。其中除含有氮、氫、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等氣體構(gòu)成的混合物外，還有一些復(fù)雜的有機化合物。呼倫貝爾地區(qū)褐煤揮發(fā)分基本在37%以上(煙煤揮發(fā)分基本在25%～32%)，大多數(shù)褐煤揮發(fā)分甚至高于42%。褐煤揮發(fā)分較高，反應(yīng)活性較強，這些特點對水煤漿氣化而言是非常有利的。反應(yīng)活性強的煤，在氣化和燃燒過程中反應(yīng)速度快、效率高，反應(yīng)活性的強弱直接影響氣化過程的產(chǎn)氣率、耗氧量、灰渣含碳量等。

褐煤具有較高含量的揮發(fā)分，是褐煤水煤漿在較低濃度下能夠安全氣化應(yīng)用的根本原因，也是大唐呼化實現(xiàn)世界首套褐煤水煤漿氣化裝置成功投料運行的根本保障。

由此可見，從理論來說，褐煤水煤漿氣化是可行的。

3 褐煤水煤漿氣化運行實踐

3.1 成功投料

大唐呼化建成的世界首套褐煤水煤漿氣化工業(yè)化裝置，于2012年6月25日一次性投料成功，這是中國在水煤漿氣化應(yīng)用史上跨出的重要一步，該裝置的投料成功，不僅證明了低階褐煤可以進行水煤漿氣化，而且對低濃度水煤漿氣化技術(shù)的發(fā)展有著里程碑的意義，為我國褐煤資源的潔凈深加工利用提供了大量工業(yè)化數(shù)據(jù)，為我國褐煤的綜合利用開辟了新路徑，該裝置的成功投料，向世界證明褐煤水煤漿氣化是完全可行的。

3.2 裝置基本達產(chǎn)

大唐呼化經(jīng)過3年的努力探索，克服了當?shù)貧夂驀篮蜔o成熟操作經(jīng)驗借鑒的重重難關(guān)，攻克了影響長周期生產(chǎn)的種種瓶頸問題，該裝置的運行日趨穩(wěn)定，年產(chǎn)尿素量逐年攀升：2014年尿素產(chǎn)量為24.236 8萬t/a，2015年尿素產(chǎn)量為28.557 6萬t/a，2016年尿素產(chǎn)量為28.597萬t/a(裝置設(shè)計尿素產(chǎn)能為30萬t/a)，裝置基本實現(xiàn)達產(chǎn)(未完全達產(chǎn)的主要原因是煤漿濃度較設(shè)計值低約4%)。該裝置在低濃度下的基本達產(chǎn)，進一步證明了褐煤低濃度水煤漿氣化是可行的。

3.3 負荷增加而總碳未增

氣化裝置雙爐原設(shè)計投漿量為57.36m3/h，其中煤漿碳含量為23.91t(設(shè)計濃度53.4%，全水21.7%，內(nèi)水8.5%，固定碳61.12%)，試生產(chǎn)使用免渡河煤，水煤漿濃度達到設(shè)計值，但因該煤種灰熔點高達1 450℃、煤價高、運輸距離遠，停止使用；2013年，探索將神華寶礦提質(zhì)煤與東明褐煤按1∶1摻混進行制漿，基本達到設(shè)計煤漿濃度，2013年8月、9月兩次裝置標定達到設(shè)計能力，10月1日轉(zhuǎn)固正式生產(chǎn)。由于神華寶礦提質(zhì)煤價格高、粉塵大，無法保證安全生產(chǎn)，停止使用。2014年初，為降低生產(chǎn)成本，選擇周邊低質(zhì)褐煤進行試驗篩選，先后進行了扎賚諾爾礦褐煤、東明礦褐煤、順興礦褐煤的現(xiàn)場試驗，3月份最終選定價格低廉的順興礦和東明礦褐煤作為原料煤進行氣化，通過制漿技術(shù)的攻關(guān)和調(diào)整，所制水煤漿濃度逐步提高，達到49.5%～50%，噸氨標煤耗降至1.44t，噸尿素生產(chǎn)成本(兩煤一電)降至855元，綜合能耗低于44 GJ(吉焦)，有效降低生產(chǎn)成本。

目前使用東明煤投漿量64m3/h，是設(shè)計負荷的111%，其中包含干基煤30.63t，煤漿碳含量為19.80t(實際煤漿濃度49.5%，東明煤全水33.44%，內(nèi)水10.84%，固定碳41.61%)，裝置尿素日產(chǎn)量達到960t，即設(shè)計負荷96%。由此可見，每小時入爐真正碳含量實際要低于設(shè)計值。推算可知，如果每小時入爐煤漿碳含量23.91t，氣化爐應(yīng)該投漿量為77.27m3/h，按照當前生產(chǎn)情況推算，當氣化爐投漿量達到77.27m3/h時，年產(chǎn)尿素可達到34.47萬t。可見，目前裝置未完全達產(chǎn)，根本原因是褐煤水煤漿濃度低，但是褐煤價格遠遠低于煙煤價格，故褐煤水煤漿氣化是有賬可算的，是完全可行的。

3.4 行業(yè)領(lǐng)先的爐磚壽命

經(jīng)過3年的摸索和總結(jié)，目前，大唐呼化氣化爐爐磚的使用壽命遠遠超過設(shè)計使用壽命，同時超越行業(yè)內(nèi)同類型、同等規(guī)模的使用廠家，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

目前，拱頂磚、筒體磚、錐底磚均2年更換1次，使用壽命可達16 000h，渣口磚1年半更換1次，使用壽命可達12 300h。

爐磚使用壽命較長，分析其主要原因是褐煤機械強度低，對爐磚的沖刷磨損速率慢；灰熔點低氣化操作溫度低，爐壁掛渣均勻，減緩了爐磚磨蝕。兩年一更換大大降低了氣化爐的檢維修費用，有效降低了生產(chǎn)成本。

通過大唐呼化近3年的運行實踐證明，褐煤水煤漿氣化是可行的，大唐呼化褐煤水煤漿氣化裝置的穩(wěn)定運行，對推動我國褐煤的深加工利用，起到了積極的作用。

4 世界首套褐煤水煤漿氣化裝置運行狀況

4.1 裝置存在的問題及改造措施

裝置運行之初，出現(xiàn)了水煤漿濃度低、系統(tǒng)水灰分含量高、水氣比高、粗煤氣帶水帶灰、系統(tǒng)水過剩、水平衡不匹配等問題[6]。針對存在的問題，大唐呼化多次召開氣化專題會議，組織技術(shù)攻關(guān)，制定出技術(shù)改造方案，利用2013年的大檢修，完成了氣化裝置一系列技術(shù)改造，技改主要包括：粗煤氣增加文丘里洗滌器、洗滌塔塔盤由單一塔盤改為組合塔盤、入磨煤機物料管線改造、制漿水源改造、密封水系統(tǒng)增加限流孔板和流量計改造、真空噴射器系統(tǒng)代替閃蒸真空泵改造、蒸汽系統(tǒng)改造等。系統(tǒng)改造效果顯著，裝置運行的穩(wěn)定性明顯提高：一是裝置運行時間由開車之初的7d提高至40d，2015年大檢修對變換系統(tǒng)改造后，串聯(lián)了1臺原料氣預(yù)熱器，徹底消除了預(yù)熱器結(jié)垢影響裝置長周期運行的瓶頸問題，系統(tǒng)運行周期可達211d[7]；二是煤漿濃度逐年穩(wěn)步提高，截至到目前，煤漿濃度穩(wěn)定在49.5%以上；三是系統(tǒng)水氣比完全實現(xiàn)可控可調(diào)；四是粗煤氣帶水、帶灰現(xiàn)象基本消失；五是水系統(tǒng)得以控制，做到了有序、可控、定量排放；六是系統(tǒng)水質(zhì)有了根本性改善，氣化裝置黑水管線做到1年清洗1次。

4.2 運行現(xiàn)狀

目前，大唐呼化褐煤水煤漿氣化裝置整體運行穩(wěn)定，其中，2015年全年雙爐平均運行天數(shù)為332.5d(無備爐，其中大檢修15d，大多時間均為短停換燒嘴，每次換燒嘴用時約4h)，氣化爐在線運行率達到95%，煤漿濃度穩(wěn)定在49.5%以上，有效氣含量在65%～68%，氣化爐運行負荷為設(shè)計值的110%。

2016年全年雙爐平均運行天數(shù)為321d(無備爐)，氣化爐在線運行率達到96.87%，煤漿濃度穩(wěn)定在49.7%以上，有效氣含量在65%～68%，氣化爐運行負荷為設(shè)計值的111%。

5 褐煤水煤漿氣化裝置亟待解決的問題

目前，大唐呼化褐煤水煤漿氣化裝置雖然達到了安全、穩(wěn)定、滿負荷運行，但是仍然存在幾個問題，具體如下。

5.1 中心氧含量低

目前,A爐中心氧含量7%，B爐中心氧含量8.4%，且均處于最大不可調(diào)狀態(tài)，中心氧含量對燒嘴的霧化效果影響較大，進而影響了整個氣化裝置的經(jīng)濟性。

5.2 水煤漿濃度較低

雖然經(jīng)過幾年的摸索實踐，目前單一東明煤制漿濃度達到了49.5%以上，然而離設(shè)計值53.4%尚有一定的差距。所以煤漿提濃工作越來越重要，該公司正在尋找切實可行的褐煤提濃新路徑。

5.3 燒嘴壓差波動頻繁且使用壽命短

氣化爐燒嘴使用一段時間后，燒嘴壓差會出現(xiàn)波動現(xiàn)象，波峰為0.4MPa(g)左右，波谷為0.2MPa(g)左右，因燒嘴壓差的頻繁波動，氣化裝置基本在40～60d左右需單爐停車更換1次燒嘴，每次單爐停車更換燒嘴用時約4h，褐煤燒嘴使用壽命與煙煤(60～90d)相比，差距較大。

6 結(jié)語

中國褐煤資源豐富，然而深加工利用率非常有限，大唐呼化氣化裝置的工業(yè)化運行，對我國褐煤資源的潔凈化利用意義重大。目前，該裝置已實現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、滿負荷運行，雖然仍存在一些問題，但經(jīng)過不斷的技術(shù)攻關(guān)，這些問題很快會被解決，褐煤水煤漿氣化裝置一定會像煙煤水煤漿氣化裝置一樣，實現(xiàn)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行。

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[4]戴和武，謝可玉.褐煤利用技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

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修改稿日期： 2017-02-28

Feasibility and Production Practice of Coal Water Slurry in Brown Coal

LI Cu-xiang

(DatangHulunbeierChemicalFertilizerCo.，Ltd.，HulunbeierInnerMongolia021000，China)

This paper introduces the reserves，coal quality and resource distribution of lignite in China，and the details of the coal quality of some lignite in Hulunbeier area. Based on the characteristics of local lignite，the feasibility of gasification of coal water from coal water slurry and the operation practice of coal tar gasifier in Datang Hulunbeier Chemical Fertilizer Co. Ltd.，and the feasibility of gasification of lignite coal water slurry are analyzed. The operation status and the urgent problems of the world 's first set of lignite coal-water slurry gasifier are discussed in detail.

lignite；coal quality；coal-water slurry gasification；gasification mechanism

李儲祥(1965年—)，男，吉林省吉林市人，1985年畢業(yè)于吉林石油化工學(xué)校無機化工專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事生產(chǎn)管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.007

TQ546

B

1004-8901(2017)03-0027-04