中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司煤氣化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展思路

顏 文

(中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120)

煤氣化是煤炭轉(zhuǎn)化過程的“龍頭”，構(gòu)成了煤化工工藝的重要成本。煤氣化是指在一定溫度、壓力條件下利用氣化劑(H2O、O2或CO2)與煤反應(yīng)生成粗煤氣，通過后續(xù)凈化裝置進(jìn)行脫硫、脫碳，得到潔凈合成氣(一般為H2、CO的混合物)，用以制備甲醇、氨等多種產(chǎn)品的工藝過程。中國(guó)中煤能源集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱中煤集團(tuán))作為國(guó)內(nèi)煤炭央企，為進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)煤炭就地轉(zhuǎn)化，近年來建設(shè)了一批煤制甲醇、烯烴、尿素、硝酸銨等煤化工項(xiàng)目，采用了魯奇加壓氣化、BGL、德士古水煤漿、西北院多元料漿等氣化工藝。氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行是中煤煤化工項(xiàng)目“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，充分了解煤化工氣化工藝特點(diǎn)，有效評(píng)價(jià)中煤煤氣化工藝現(xiàn)狀，保障現(xiàn)有氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，后續(xù)項(xiàng)目選擇合適煤氣化技術(shù)，對(duì)促進(jìn)中煤集團(tuán)煤化工產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤氣化技術(shù)概況

煤氣化技術(shù)可以分為地面氣化技術(shù)和地下氣化技術(shù)。地面氣化技術(shù)是將已經(jīng)采出來的煤經(jīng)過氣化獲得粗煤氣的方法，地下氣化是指對(duì)井下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過對(duì)煤的化學(xué)反應(yīng)及熱作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。根據(jù)氣化劑與煤在氣化爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異，地面煤氣化技術(shù)目前常見的一般分為固定床、流化床、氣流床氣化[1]。

1.1 固定床氣化技術(shù)

固定床氣化技術(shù)是指煤炭在固定床氣化爐中進(jìn)行氣化，可以分為加壓和常壓兩種[2]。常壓固定床煤氣化工藝存在單爐生產(chǎn)能力低、碳轉(zhuǎn)化率低、氣化效率低、管理及操作復(fù)雜、三廢產(chǎn)生量大等劣勢(shì)[3]。隨著國(guó)家對(duì)能源和環(huán)境要求越來越嚴(yán)格，對(duì)煤化工生產(chǎn)規(guī)模準(zhǔn)入要求也相應(yīng)提高，國(guó)內(nèi)新建大型煤化工裝置一般不再采用常壓固定床氣化技術(shù)。

1.1.1 Lurgi加壓氣化技術(shù)

加壓固定床氣化工藝技術(shù)中，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是Lurgi(魯奇)加壓氣化法，運(yùn)行也較穩(wěn)定，但該工藝對(duì)原料煤要求較高，只能使用塊煤(一般為6～50 mm)，所產(chǎn)粗煤氣中CH4含量較高(體積組分約占8%～12%)，適宜生產(chǎn)城市煤氣和合成天然氣，且因其氣化過程溫度較低，又伴隨有干餾過程，因此副產(chǎn)品(如焦油、粗酚、中油等)較多，也存在廢水處理難的問題。

1.1.2 BGL煤氣化技術(shù)

BGL煤氣化技術(shù)是在魯奇爐基礎(chǔ)上的改進(jìn)，采用固定床熔渣氣化工藝，較魯奇爐氣化技術(shù)強(qiáng)度提高，單爐生產(chǎn)能力增大，粗煤氣有效氣量增加，蒸汽分解率達(dá)90%以上，從而使蒸汽用量減少80%～90%，廢水量減少1/5～1/4[4]。

1.2 流化床氣化技術(shù)

流化床氣化是指粉煤在以粉煤與氣化劑形成的流化床內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)。流化床氣化技術(shù)主要有溫克勒(Winkler)、高溫溫克勒(HTW)、灰團(tuán)聚(U-Gas)、灰融聚氣化、恩德爐等[5]。該技術(shù)的缺點(diǎn)是：由于氣化爐溫較低，所以碳轉(zhuǎn)化率較低；另外，由于氣化反應(yīng)時(shí)間較短，因此，形成的飛灰較多，且灰渣分離困難。

1.3 氣流床氣化技術(shù)

氣流床氣化是采取氣化劑將粉煤帶入氣化爐內(nèi)(或者將粉煤先制成水煤漿，然后用煤漿泵打入氣化爐內(nèi))，原料煤在高于其灰熔點(diǎn)的溫度下，與氣化劑(H2O、O2)發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)。其排渣方式采用液態(tài)排渣[3]。

該技術(shù)從原料形態(tài)分，有粉煤、水煤漿2類；從專利上分，殼牌(Shell)、德士古(Texaco)比較有代表性。Shell法是通過氣化劑將粉煤夾帶入氣化爐，氣化溫度為1 500～1 900 ℃；Texaco法是先將煤粉制成水煤漿，再用煤漿泵送入氣化爐，氣化溫度1 350～1 500 ℃。二者的殘?jiān)疾捎萌墼问脚懦?。氣流床?duì)煤種(煙煤、褐煤)、硫分、灰分、粒度組成都有較大的適應(yīng)性，國(guó)內(nèi)大型煤化工企業(yè)已有多套成功運(yùn)行裝置。[4]

以上幾種氣化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 幾種典型氣化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

2 中煤集團(tuán)氣化工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

中煤集團(tuán)近年來為進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)煤炭就地轉(zhuǎn)化，建設(shè)了一批煤化工項(xiàng)目。其中，中煤陜西公司榆橫煤化工項(xiàng)目、中煤鄂能化公司圖克大化肥項(xiàng)目、中煤遠(yuǎn)興公司60萬t/a甲醇項(xiàng)目、中煤平朔劣質(zhì)煤綜合利用示范項(xiàng)目、中煤龍化25萬t/a甲醇項(xiàng)目都使用煤氣化技術(shù)。

2.1 中煤陜西公司榆橫煤化工項(xiàng)目

中煤陜西公司榆橫煤化工項(xiàng)目位于陜西省榆林市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)榆橫煤化學(xué)工業(yè)園區(qū)，建設(shè)規(guī)模為180萬t/a甲醇、30萬t/a聚乙烯和30萬t/a聚丙烯，包括空分、氣化、凈化、硫回收、甲醇、DMTO、烯烴分離及C4綜合利用、聚乙烯和聚丙烯共9個(gè)工藝裝置。項(xiàng)目于2011年8月開工，2014年7月打通全流程，產(chǎn)出合格聚丙烯。

其中，氣化裝置采用美國(guó)GE公司水煤漿加壓氣化工藝，前后共建設(shè)8套水煤漿氣化爐(6開2備)，每套公稱能力為日處理干煤1 500 t，總有效氣(CO+H2)產(chǎn)量(壓力(G)6.26 MPa，溫度240 ℃)為530 000 m3/h，配備7套磨煤系統(tǒng)，裝置包括煤漿制備、氣化框架、渣水處理、氣化變電所、氣化機(jī)柜間及裝置內(nèi)管廊。

2.2 中煤鄂能化公司圖克大化肥項(xiàng)目

中煤鄂能化公司圖克大化肥項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)圖克工業(yè)園區(qū)。建設(shè)規(guī)模：合成氨為100萬t/a、尿素(公稱能力)175萬t/a、甲烷氣液化3.6億m3/a。主要產(chǎn)品方案及設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：171.6萬t/a尿素、2.1億m3/a甲烷尾氣。項(xiàng)目于2011年8月正式開工建設(shè)，2014年2月產(chǎn)出合格尿素，進(jìn)入試生產(chǎn)。

其中，氣化裝置采用英國(guó)BGL碎煤加壓氣化工藝，共7套BGL氣化爐，每套公稱能力為日處理干煤1 000 t，總有效氣(CO+H2)產(chǎn)量(壓力(G)3.8 MPa，溫度175 ℃)為295 000 m3/h。氣化車間裝置包括備煤、氣化框架、煤氣冷卻洗滌、氣化變電所、氣化機(jī)柜間及裝置內(nèi)管廊。

2.3 中煤遠(yuǎn)興公司60萬t/a甲醇項(xiàng)目

中煤遠(yuǎn)興60萬t/a煤制甲醇項(xiàng)目位于鄂爾多斯市烏審旗納林河工業(yè)園區(qū)，建設(shè)規(guī)模為60萬t/a甲醇，副產(chǎn)硫磺、異丁基油。建設(shè)內(nèi)容包括氣化、氣體凈化、甲醇、熱電、空分等主要裝置以及輔助生產(chǎn)裝置、公用工程。項(xiàng)目于2011年4月復(fù)工，2013年11月打通全流程，產(chǎn)出合格甲醇。

其中，氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿氣化技術(shù)，3臺(tái)氣化爐，2開1備；總有效氣(CO+H2)產(chǎn)量不小于188 400 m3/h，粗煤氣有效氣(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)大于80.15%；料漿煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于60%；碳轉(zhuǎn)化率不小于97%；比氧耗不大于419 m3/1 000 m3(CO+H2)；比煤耗不大于650 kg/1 000 m3(CO+H2)。

2.4 中煤平朔劣質(zhì)煤綜合利用示范項(xiàng)目

中煤平朔劣質(zhì)煤綜合利用示范項(xiàng)目位于山西省朔州市平魯北坪循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)，項(xiàng)目以平朔“四高一中低”的劣質(zhì)煤為原料，年產(chǎn)30萬t合成氨、40萬t硝酸銨，并副產(chǎn)液化天然氣。項(xiàng)目配套的生產(chǎn)裝置的規(guī)模是：1套30萬t/a合成氨裝置，2套18萬t/a的硝酸裝置、2套20萬t/a硝酸銨裝置，配套鍋爐、空分、供電、水處理、倉(cāng)庫(kù)、行政辦公樓等公共輔助工程。

其中，氣化裝置采用魯奇爐氣化技術(shù)，由6套單獨(dú)的氣化爐(包括加煤、廢熱鍋爐和排灰)和1套公用的煤鎖氣洗滌設(shè)備與開車氣的設(shè)備組成。氣化爐按照4開1備1檢修設(shè)置。

2.5 中煤龍化25萬t/a甲醇項(xiàng)目

中煤龍化公司下屬化工公司于1990年開工建設(shè)，1993年4萬t/a甲醇投產(chǎn)。2007年擴(kuò)建25萬t/a甲醇項(xiàng)目，2008年投產(chǎn)。目前，該項(xiàng)目按照國(guó)家和中煤集團(tuán)去產(chǎn)能政策已經(jīng)停產(chǎn)。

其中，氣化裝置為民主德國(guó)PKM加壓氣化技術(shù)，5臺(tái)氣化爐。單臺(tái)爐設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力35 000 m3/h，氧負(fù)荷6 000 m3/h。

中煤集團(tuán)煤化工企業(yè)所有的氣化工藝列于表2。

表2 中煤集團(tuán)煤化工企業(yè)氣化工藝

注：表中固定碳、灰分、揮發(fā)分全為干基。

3 中煤集團(tuán)氣化發(fā)展思路

3.1 現(xiàn)有氣化爐管理

由于粗煤氣的量及質(zhì)直接影響到后續(xù)工藝處理，因此氣化爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行需要煤化工企業(yè)從幾方面重點(diǎn)考慮。

3.1.1 責(zé)任機(jī)制

中煤集團(tuán)各煤化工企業(yè)普遍采用企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)班子成員包片負(fù)責(zé)各個(gè)主要裝置，車間主任負(fù)責(zé)日常工作的機(jī)制，既體現(xiàn)了企業(yè)及領(lǐng)導(dǎo)對(duì)各裝置單元的重視，又增強(qiáng)了相互協(xié)同合作的能力。氣化作為龍頭，一般都由工藝骨干負(fù)責(zé)管理。

3.1.2 原料煤管理

氣化爐能否穩(wěn)定運(yùn)行，所采用的原料煤起到重要作用。對(duì)于煤化工企業(yè)來說，首先要做好原料煤的采購(gòu)供應(yīng)工作。量上既要滿足平時(shí)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的量，又要做好大修期間或特殊天氣庫(kù)存準(zhǔn)備，質(zhì)上要盡量保持煤質(zhì)的穩(wěn)定性；其次要做好煤質(zhì)和排渣分析工作，主要分析項(xiàng)目為水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、發(fā)熱量、灰渣產(chǎn)量、殘?zhí)糠治龅?。通過分析把好原料關(guān)。

3.1.3 生產(chǎn)過程管理

在生產(chǎn)過程中，操作人員按照操作規(guī)程、工藝手冊(cè)，通過摸索確定適合的氣化劑、溫度、壓力等一系列工藝參數(shù)，并進(jìn)一步修訂完善操作規(guī)程，保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行。另外，要高度重視大修工作，必須提前做好大修方案和物資、人員、零配件儲(chǔ)備工作，以保證裝置大修的高效性。

3.1.4 人員管理

煤化工企業(yè)一方面要通過“傳幫帶”等培養(yǎng)方式，傳授經(jīng)驗(yàn)，幫助新員工成長(zhǎng)。另一方面也要關(guān)懷員工的工作和生活，使員工以企業(yè)為榮，以企業(yè)為家，有效減少人才流失。

3.2 后續(xù)項(xiàng)目氣化方式選擇

中煤集團(tuán)后續(xù)煤化工項(xiàng)目的建設(shè)大多也包括煤氣化裝置，因此煤氣化方式的選擇尤其重要。

3.2.1 煤種適用性

煤種、煤質(zhì)是選擇氣化爐的核心。一種氣化爐只能適宜使用一種或幾種煤，粘溫特性好、低灰熔點(diǎn)的煤適用水煤漿氣化，高灰熔點(diǎn)煤用于粉煤氣化，熱穩(wěn)定性好的塊煤適宜魯奇爐、BGL爐。氣化爐盡量用好煤(水分、灰分都對(duì)氣化不利)，有利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，做好原料煤煤質(zhì)分析，試燒對(duì)氣化爐選擇有重要意義。

3.2.2 產(chǎn)品適應(yīng)性

因?yàn)闅饣瘻囟?、壓力的差異，不同的煤氣化技術(shù)所生產(chǎn)的粗煤氣成分也不同。魯奇爐、BGL爐等固定床氣化，其粗煤氣組分中甲烷含量高，往往將CH4提取出來作為副產(chǎn)品，該氣化工藝多用于城市煤氣—聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品。水煤漿氣化工藝可用于大型合成氨、甲醇等工藝氣的制造。另外，新建煤化工項(xiàng)目選用氣化技術(shù)時(shí)要考慮生產(chǎn)規(guī)模與氣化裝置能力的匹配情況，避免“大馬拉小車”或氣源不足現(xiàn)象發(fā)生。

3.2.3 與現(xiàn)有系統(tǒng)匹配性

中煤集團(tuán)現(xiàn)有煤化工布局已經(jīng)基本完成，新建煤化工項(xiàng)目往往是現(xiàn)有項(xiàng)目的擴(kuò)建，與現(xiàn)有系統(tǒng)及現(xiàn)有人員的操作習(xí)慣配套需要重點(diǎn)考慮。如：中煤鄂能化公司二期建設(shè)100萬t/a甲醇項(xiàng)目，繼續(xù)采用BGL煤氣化技術(shù)，既方便了管理也節(jié)約了投資。

3.2.4 裝置可靠性和操作性

中煤集團(tuán)選擇的煤氣化技術(shù)都是成熟可靠的，能滿足“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”的運(yùn)行要求。對(duì)于企業(yè)及操作人員來說，裝置操作要方便，氣化裝置開停車、調(diào)負(fù)荷要快捷簡(jiǎn)便。另外，儀表自控程度、設(shè)備維修量也是需要考慮的范疇。儀表自控水平要高，能確保安全。設(shè)備維修工作量要盡量小，利于長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.5 經(jīng)濟(jì)效益原則

實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化是企業(yè)的目標(biāo)，中煤集團(tuán)選擇煤氣化技術(shù)應(yīng)從使用原料消耗、單價(jià)、能耗等方面綜合考慮運(yùn)行成本。另外，還需對(duì)同規(guī)模氣化裝置的總投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，力爭(zhēng)做到投資省，運(yùn)行成本低。

3.2.6 綠色環(huán)保原則

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，中煤集團(tuán)所選擇的煤氣化技術(shù)要按照可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的原則，滿足國(guó)家和地方政府的環(huán)保要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過論述煤氣化技術(shù)、中煤集團(tuán)煤化工企業(yè)氣化應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了中煤集團(tuán)煤氣化發(fā)展思路：現(xiàn)有氣化爐管理，要從責(zé)任機(jī)制、原料煤管理、生產(chǎn)過程管理、人員管理等方面加強(qiáng)管理；后續(xù)煤化工項(xiàng)目氣化方式選擇要按照煤種適應(yīng)性、產(chǎn)品適應(yīng)性、與現(xiàn)有系統(tǒng)匹配性、裝置可靠性和操作性、經(jīng)濟(jì)效益原則、綠色環(huán)保原則。