適應(yīng)晉城無(wú)煙煤氣化的煤氣化技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王紅林

（晉煤集團(tuán)煤化工研究院，山西 晉城 048000）

晉煤集團(tuán)是我國(guó)重要的無(wú)煙煤生產(chǎn)企業(yè)，無(wú)煙煤作為傳統(tǒng)常壓間歇式固定床（UGI）氣化技術(shù)的優(yōu)質(zhì)原料，一直是晉煤集團(tuán)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整和新型煤氣化技術(shù)的沖擊，UGI技術(shù)瀕臨淘汰，無(wú)煙煤的化工市場(chǎng)也逐漸萎縮，急需尋求適合于晉煤無(wú)煙煤的新型氣化技術(shù)工藝。在此背景下，針對(duì)無(wú)煙塊煤，晉煤集團(tuán)與賽鼎工程有限公司合作開(kāi)發(fā)了高效熱能回收的JC爐，與西安航天源動(dòng)力工程有限公司合作開(kāi)發(fā)了晉航爐；針對(duì)無(wú)煙末煤，與華東理工大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了晉煤爐。目前，三種爐型都已完成了技術(shù)研發(fā)工作，JC爐正在進(jìn)行示范裝置建設(shè)，晉航爐正在開(kāi)展中試試驗(yàn)，晉煤爐暫未開(kāi)展示范建設(shè)，仍在進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。筆者從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面對(duì)近年來(lái)的主流煤氣化技術(shù)進(jìn)行了分析探討，可為晉煤集團(tuán)無(wú)煙煤氣化技術(shù)的選擇提供理論參考。

氣化技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已基本形成一定的技術(shù)選擇的方法和規(guī)律，例如通過(guò)煤質(zhì)適應(yīng)性評(píng)價(jià)，確定煤種適應(yīng)程度；通過(guò)氣化工藝性能評(píng)價(jià)，確定技術(shù)先進(jìn)程度；通過(guò)氣化工藝市場(chǎng)份額評(píng)價(jià)，確定技術(shù)的成熟度和市場(chǎng)認(rèn)可度；通過(guò)氣化與后續(xù)工藝配置評(píng)價(jià)，確定工藝路線(xiàn)合理性；通過(guò)環(huán)保符合性評(píng)價(jià)，確定環(huán)保對(duì)標(biāo)程度；通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，確定投資效益和風(fēng)險(xiǎn)。

1 晉城無(wú)煙煤氣化特性

晉城無(wú)煙煤作為氣化原料，主要呈現(xiàn)“五高”“四低”的特點(diǎn)，即抗碎強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、固定碳含量高、灰分高、灰熔融性溫度高及可磨性指數(shù)差、內(nèi)水含量低、反應(yīng)活性低和黏溫特性差。

由于固定碳含量高、熱穩(wěn)定性好、灰熔融性溫度高，晉城無(wú)煙煤可滿(mǎn)足固定床氣化技術(shù)對(duì)煤種的要求，是該氣化技術(shù)的最佳原料。但晉城無(wú)煙煤可磨性差，較難獲得合格粒徑的粉煤；灰熔融性溫度高，不利于液態(tài)排渣；反應(yīng)活性差，碳轉(zhuǎn)化率低；黏溫特性差，氣化的操作空間窄。因此晉城無(wú)煙煤應(yīng)用于氣流床氣化技術(shù)存在一定的弊端，需進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)優(yōu)化。

2 主流氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性分析

按煤在氣化爐內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外氣化技術(shù)主要分為固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)和氣流床氣化技術(shù)3大類(lèi)[1]。其中，固定床氣化技術(shù)主要有UGI、魯奇爐、晉航爐和BGL等技術(shù)；流化床氣化技術(shù)主要有灰熔聚、U-GAS、高溫溫克勒、黃臺(tái)爐等技術(shù)；氣流床氣化技術(shù)主要有德士古、多噴嘴、晉華爐、GSP、航天爐、神寧爐、東方爐、科林爐、殼牌爐、晉煤爐等技術(shù)。

2.1 固定床氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性

魯奇爐的煤種適應(yīng)性廣，除黏結(jié)性很強(qiáng)的煙煤外，均可采用該技術(shù)。而且該技術(shù)是固態(tài)排渣，連續(xù)氣化，技術(shù)成熟度高。晉城無(wú)煙煤的揮發(fā)分低、灰熔融性溫度高等特性，決定了其是魯奇爐氣化的最佳原料[2]。為了更好地發(fā)揮無(wú)煙煤的優(yōu)勢(shì)，在魯奇爐的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了JC爐。JC爐利用氣化爐出口溫度高的特點(diǎn)，增加中壓廢鍋，副產(chǎn)高品位蒸汽，提高能量利用效率；同時(shí)，結(jié)合無(wú)煙煤氣化的廢水量少且易于處理的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化煤氣水處理流程，降低投資。

BGL爐采用熔渣技術(shù)進(jìn)行排渣，其氣化效率和氣化強(qiáng)度優(yōu)于魯奇爐。但由于晉城無(wú)煙煤的灰分高、灰融性溫度高、黏溫特性差，要實(shí)現(xiàn)熔渣氣化，其難度比液態(tài)排渣還大。

晉航爐是以塊煤為原料的一種熔渣氣化技術(shù)，通過(guò)二次補(bǔ)燃，降低CH4含量，達(dá)到其質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.5%指標(biāo)。同時(shí)，該技術(shù)通過(guò)增加廢鍋，提高熱效率。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高灰熔融性溫度煤的熔渣氣化，合成氣中甲烷含量低，適用于煤化工，目前以無(wú)煙煤為原料的晉航爐正在進(jìn)行中試示范。

2.2 流化床氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性

流化床氣化技術(shù)目前多為常、低壓技術(shù)，且處理能力小，多用于燃料氣行業(yè)[3]。該技術(shù)屬于低溫氣化（900℃左右），碳轉(zhuǎn)化率低（85%～90%），存在“上吐下瀉”的問(wèn)題，即粗合成氣和灰渣中都存在未反應(yīng)的原料。氣化壓力和規(guī)模難以放大，合成氣處理復(fù)雜。在處理晉城無(wú)煙煤時(shí)，單爐運(yùn)行周期短，部分關(guān)鍵設(shè)備缺乏長(zhǎng)時(shí)間的工程化驗(yàn)證。

2.3 氣流床氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性

2.3.1 水煤漿氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性

晉城無(wú)煙煤密度大、灰分高，不易獲得性能優(yōu)良的水煤漿；煤質(zhì)偏硬，不易獲得合理粒徑，且對(duì)耐火磚的沖刷嚴(yán)重；灰熔融性溫度高，使耐火磚的承受溫度有限；實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣較為困難，因此晉城無(wú)煙煤不適用于水煤漿氣化技術(shù)。

目前，主流的德士古、四噴嘴和晉華爐技術(shù)，均未有采用高灰熔融性溫度煤為原料進(jìn)行單燒的業(yè)績(jī)。

2.3.2 干粉煤氣化技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤的適應(yīng)性

目前投運(yùn)的干粉煤氣化裝置主要有SE-東方爐、航天爐、晉煤爐、科林爐和殼牌爐，以下主要對(duì)這些氣化裝置的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

SE-東方爐采用單噴嘴頂置結(jié)構(gòu)，無(wú)旋流。其氣化室內(nèi)近壁面高溫區(qū)位于渣口附近，可有效實(shí)現(xiàn)高溫排渣。激冷采用華東理工大學(xué)的噴淋床+鼓泡床專(zhuān)利技術(shù)，可有效解決粗合成氣的帶水帶灰問(wèn)題[4]。在無(wú)煙煤適應(yīng)性方面，該技術(shù)有摻燒50%高平煤（未加石灰石）的成功業(yè)績(jī)，相比較其他技術(shù)，對(duì)無(wú)煙煤適應(yīng)性較強(qiáng)。

航天爐技術(shù)采用單噴嘴頂置結(jié)構(gòu)，帶旋流。其高溫區(qū)位于氣化室的上部，渣口溫度較低。激冷采用雙套筒技術(shù)[5]。在無(wú)煙煤適應(yīng)性方面，該技術(shù)需要通過(guò)加入石灰石/鐵粉，來(lái)降低無(wú)煙煤的灰熔融性溫度，實(shí)現(xiàn)順利的液態(tài)排渣，不但增加能耗，而且激冷室積灰嚴(yán)重；該技術(shù)以無(wú)煙煤為原料的煤耗、氧耗高，增加成本；爐型放大需要進(jìn)一步優(yōu)化。

晉煤爐技術(shù)采用四噴嘴對(duì)置結(jié)構(gòu)，通過(guò)射流和撞擊流，強(qiáng)化混合，增加停留時(shí)間；通過(guò)分級(jí)給氧和氣渣并流，實(shí)現(xiàn)渣口局部高溫，更宜液態(tài)排渣[6]。該技術(shù)燒嘴數(shù)量決定了其更適宜大型化發(fā)展。由于晉煤爐在氣化原理、裝備設(shè)計(jì)、工藝配置方面，均充分考慮了無(wú)煙煤的氣化特性，能保證設(shè)備裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)滿(mǎn)優(yōu)運(yùn)行，特別適合于無(wú)煙末煤的氣化。

科林爐技術(shù)采用“3+1”（3個(gè)工藝燒嘴和1個(gè)點(diǎn)火燒嘴）頂置多燒嘴結(jié)構(gòu)，由于有處理貴州無(wú)煙煤的運(yùn)行業(yè)績(jī)[7]，在應(yīng)用晉城無(wú)煙煤上有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

殼牌爐（下行激冷）采用多噴嘴對(duì)置結(jié)構(gòu)（3 000 t/d級(jí)），適宜大型化發(fā)展。其激冷采用雙套筒技術(shù)。在無(wú)煙煤適應(yīng)性方面，該技術(shù)在潞安項(xiàng)目采用的是貧瘦煤，與無(wú)煙煤煤質(zhì)相近，具有一定的潛力，可以關(guān)注。

綜上，在固定床氣化技術(shù)中，魯奇爐和晉航爐可解決晉城無(wú)煙塊煤的利用問(wèn)題，但魯奇爐需結(jié)合無(wú)煙煤特性進(jìn)行工藝改進(jìn)，晉航爐正在中試示范，工業(yè)化后將成為消化無(wú)煙塊煤的重要方向之一。流化床氣化技術(shù)在處理晉城無(wú)煙煤時(shí)，問(wèn)題較多，工程化難度大。在氣流床氣化技術(shù)中，水煤漿技術(shù)受進(jìn)料方式等的限制，不適合于晉城無(wú)煙煤；干粉煤技術(shù)對(duì)無(wú)煙煤適應(yīng)性方面，單噴嘴：東方爐＞航天爐；多噴嘴：晉煤爐＞殼牌爐＞科林爐。

3 無(wú)煙煤氣化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

以晉城地區(qū)某40萬(wàn)t/a的合成氨項(xiàng)目為例進(jìn)行對(duì)比，項(xiàng)目主要流程為：氣化、低溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、氨合成。對(duì)比依據(jù)：原料煤價(jià)格（無(wú)煙塊煤1 130元/t、神木末煤610元/t、晉城末煤610元/t）、燃料煤價(jià)格550元/t、電0.5元/kWh、設(shè)備折舊以15 a計(jì)、70%投資通過(guò)貸款，貸款利率按4.9%計(jì)。

3.1 固定床氣化無(wú)煙塊煤的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

以無(wú)煙塊煤為原料的固定床氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見(jiàn)表1，噸氨成本分析見(jiàn)表2。

由表2可知，魯奇爐（甲烷轉(zhuǎn)化）的噸氨成本約2 530元；魯奇爐（甲烷分離）的噸氨成本約2 440元；JC爐的噸氨成本約2 380元。

表1 以無(wú)煙塊煤為原料的固定床技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.2 氣流床氣化無(wú)煙末煤的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

以無(wú)煙末煤為原料的氣流床氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見(jiàn)表3，噸氨成本的分析見(jiàn)表4。

表2 以無(wú)煙塊煤為原料的固定床氣化技術(shù)的噸氨成本 元/t

表3 以無(wú)煙末煤為原料的氣流床氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

由表3、表4可知，以無(wú)煙煤為原料，晉煤爐的煤耗比航天爐的低3%，氧耗低8%；晉煤爐燒無(wú)煙煤和航天爐燒神木煤比，煤耗高4%，氧耗高9%。航天爐燒神木煤的噸氨成本約1 950元；燒晉城煤的噸氨成本約2 090元。晉煤爐燒晉城煤的噸氨成本約2 040元，相比航天爐燒晉城無(wú)煙煤節(jié)約了50元/t。

表4 以無(wú)煙末煤為原料的氣流床氣化技術(shù)的噸氨成本 元/t

綜上，對(duì)于無(wú)煙塊煤，可通過(guò)JC爐技術(shù)進(jìn)行廢熱回收，降低蒸汽消耗，有效節(jié)約噸氨成本。同時(shí)，結(jié)合甲烷分離工藝，可進(jìn)一步降低成本。

對(duì)于無(wú)煙末煤，由于煤質(zhì)特性的不利因素，決定了其物料消耗和成本要高于神木煤。晉煤爐技術(shù)是針對(duì)晉城無(wú)煙末煤特性設(shè)計(jì)的，在處理無(wú)煙末煤上消耗低，節(jié)約成本，加快工業(yè)示范，可進(jìn)一步提高晉城無(wú)煙末煤的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)煙塊煤的特性決定了其是固定床氣化的最優(yōu)質(zhì)原料，無(wú)論是技術(shù)成熟度還是經(jīng)濟(jì)效益都具有一定的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化適應(yīng)無(wú)煙塊煤的JC爐技術(shù)、示范針對(duì)性開(kāi)發(fā)的晉航爐技術(shù)是當(dāng)前無(wú)煙塊煤利用的最佳方式。

無(wú)煙末煤的煤質(zhì)特性決定了其在作為化工原料方面優(yōu)勢(shì)并不明顯，但針對(duì)性地進(jìn)行航天爐技術(shù)的優(yōu)化、多噴嘴技術(shù)的開(kāi)發(fā)、晉煤爐技術(shù)的工業(yè)示范，可彌補(bǔ)煤質(zhì)帶來(lái)的不利影響。