煤制天然氣項(xiàng)目氣化技術(shù)對(duì)比淺析

范富武

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也有了進(jìn)步。我國(guó)化石能源結(jié)構(gòu)為富煤、貧油、少氣，煤炭資源在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保要求日益提高，推動(dòng)煤炭資源清潔高效利用，建立“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)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(guó)能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。煤制天然氣生產(chǎn)過(guò)程在消耗大量新鮮水的同時(shí)，也產(chǎn)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(huán)和多環(huán)類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽等污染物，其組成及產(chǎn)生強(qiáng)度受煤種及轉(zhuǎn)化工藝影響大，成分復(fù)雜、毒性強(qiáng)、可生化性差，處理難度很大。煤制氣項(xiàng)目大多分布在煤炭資源豐富的西北地區(qū)，而這些地區(qū)恰恰水資源匱乏，水環(huán)境容量不足，甚至缺乏納污水體。水資源和水環(huán)境問(wèn)題己經(jīng)成為制約煤制氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。廢水“零排放”能最大限度地處理和回用項(xiàng)目產(chǎn)生的各種廢水，是緩解當(dāng)?shù)厮Y源緊缺的重要途徑。但由于煤化工廢水組成復(fù)雜，“零排放”設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)欠缺，目前我國(guó)煤化工廢水“零排放”運(yùn)行效果并不理想。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有煤化工廢水“零排放”技術(shù)及工程進(jìn)行分析總結(jié)，剖析存在的問(wèn)題，并提出對(duì)策建議。

關(guān)鍵詞：煤制天然氣項(xiàng)目;氣化技術(shù);對(duì)比淺析

我國(guó)是原煤消耗大國(guó)，每年消耗的煤炭在30萬(wàn)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(guī)劃合理的技術(shù)路線及充分利用能源是煤化工急需解決的問(wèn)題，對(duì)大力推進(jìn)我國(guó)煤制天然氣項(xiàng)目發(fā)展具有重要意義。

1 氣化工藝路線

目前世界范圍內(nèi)可選用的煤氣化技術(shù)多達(dá)十幾種，但在煤制氣中得到工業(yè)化應(yīng)用的也只有幾種，不同技術(shù)之間的工藝適用性、先進(jìn)性、煤種適應(yīng)性和技術(shù)成熟程度均有所差異。根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式可分為移動(dòng)床、流化床和氣流床等氣化工藝。移動(dòng)床氣化技術(shù)采用碎煤、型煤進(jìn)料，床層逆流移動(dòng)氣化，氧氣消耗和煤消耗量低，副產(chǎn)油類(lèi)、粗酚等副產(chǎn)品，整體碳效率較高，適用于高水分、高灰分的劣質(zhì)煤。工業(yè)化技術(shù)應(yīng)用成熟，代表技術(shù)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L(zhǎng)URGI氣化技術(shù)，其特點(diǎn)是采用固態(tài)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(shù)，其特點(diǎn)是采用液態(tài)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(yè)化最早的煤加壓氣化技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外有廣泛應(yīng)用。BGL碎煤熔渣氣化則是在碎煤加壓氣化與熔渣技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)并開(kāi)發(fā)出來(lái)的。流化床氣化以KBR-TRIG氣化技術(shù)為代表。該技術(shù)采用粉煤作為原料，煤種適應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的飛灰量較大的問(wèn)題，且無(wú)商業(yè)化運(yùn)行業(yè)績(jī)，對(duì)于大型工業(yè)化應(yīng)用的可行性還需進(jìn)一步調(diào)研和論證。

氣流床氣化根據(jù)煤進(jìn)料形式的不同分為水煤漿氣化和干粉氣化。其主要優(yōu)點(diǎn)是氣化溫度高，煤在數(shù)秒內(nèi)幾乎全部氣化，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)96%～98%，有效氣（H2+CO）體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80%～92%，氣化熱效率高，不產(chǎn)生油、萘和酚等雜質(zhì)，凈化及污水處理流程簡(jiǎn)單，在世界范圍內(nèi)有廣泛的工業(yè)化運(yùn)行業(yè)績(jī)。水煤漿氣化的代表為GE氣化技術(shù)和華東理工大學(xué)四噴嘴氣化技術(shù)，其特點(diǎn)是將原料煤制成水煤漿，加壓后送入氣化爐與高純氧進(jìn)行高溫氣化。粉煤氣化的代表為SHELL粉煤氣化技術(shù)、航天粉煤氣化技術(shù)和中石化SE粉煤氣化技術(shù)，其特點(diǎn)是將原料煤烘干、磨粉后，通過(guò)載氣送入氣化爐與高純氧和蒸汽進(jìn)行高溫氣化。

2 煤制天然氣項(xiàng)目氣化技術(shù)優(yōu)化

2.1 生化處理

針對(duì)以固定床氣化為主的煤氣化廢水，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者不斷提出新的方法和技術(shù)用于處理該股廢水，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。①普通活性污泥工藝難以承受如此高濃度的難降解物質(zhì)，即使在短時(shí)間內(nèi)取得較高的COD去除率，但出水中難降解有機(jī)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn);③SBR工藝對(duì)負(fù)荷波動(dòng)具有較強(qiáng)的抵抗力，但對(duì)酚類(lèi)物質(zhì)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(fù)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(wèn)題;⑥高級(jí)氧化工藝能夠快速氧化分解難降解有機(jī)物并提高廢水可生化性，但實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模;⑦膜分離技術(shù)能夠較好的將各種污染物從廢水中分離出來(lái)，使得出水水質(zhì)較好，但也存在嚴(yán)重的膜污染和使用壽命等問(wèn)題。因此，采用多種處理工藝的優(yōu)化組合，在達(dá)到處理效果的同時(shí)減少污泥的產(chǎn)生是煤化工廢水處理技術(shù)的發(fā)展方向。

2.2 動(dòng)力裝置

①優(yōu)化工藝系統(tǒng)減少能量損失，如為提高能源綜合利用效率，化工區(qū)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(dòng)力車(chē)間給化工區(qū)提供高、中、低壓三種規(guī)格的蒸汽，化工區(qū)將冷凝液通過(guò)化工變換裝置回收廢熱后送到動(dòng)力車(chē)間除氧器;②做好保溫節(jié)能工作，如保溫材料的品種將根據(jù)不同的介質(zhì)溫度和設(shè)備、管道外型、用途來(lái)選擇，初步考慮有硅酸鋁、巖棉等，以上材料都是具有輕質(zhì)、保溫性能好、施工損失率低等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)按經(jīng)濟(jì)厚度法確定保溫厚度。

2.3 酚氨回收

酚氨回收在整個(gè)煤氣化廢水處理過(guò)程中是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。魯奇工藝目前在中國(guó)沒(méi)有工業(yè)化實(shí)施案例，該工藝將脫氨過(guò)程脫除的酸氣重新溶于水用于降低進(jìn)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(jié)合成鹽，形成碳銨結(jié)晶，容易造成設(shè)備管道堵塞。該工藝流程復(fù)雜，萃取采用五級(jí)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(dǎo)致萃取pH>10，pH過(guò)高不利于酚萃取，而且DIPE萃取劑對(duì)多元酚的脫除率不高。華南理工大學(xué)進(jìn)行了單塔脫酸脫氨和新型萃取劑的開(kāi)發(fā)等大量基礎(chǔ)研究，提出了單塔加壓側(cè)線抽提工藝，實(shí)現(xiàn)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(shí)脫除。改善了萃取脫酚的酸堿環(huán)境，并且改進(jìn)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(shè)備，強(qiáng)化萃取過(guò)程，提高脫酚效率，特別是對(duì)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(tài)排渣2種工藝。其工藝特點(diǎn)是：①煤的適應(yīng)性廣，幾乎所有煤種，包括強(qiáng)黏結(jié)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(zhì)越好，其經(jīng)濟(jì)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(gòu)成穩(wěn)定的氣化床層;③物料冷進(jìn)冷出，氣化爐類(lèi)似一個(gè)熱交換器，碳轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)煤的分質(zhì)利用。煤在干餾過(guò)程中產(chǎn)出焦油、酚、氨、硫、煤氣等副產(chǎn)品，能有效降低產(chǎn)品的投資與成本;⑤氣化壓力高，一般為3MPa～4MPa，最高可達(dá)10MPa，為在各種壓力下的等壓合成天然氣提供了技術(shù)基礎(chǔ)，有效降低了投資和能耗。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)核算，該煤制天然氣項(xiàng)目單位產(chǎn)品綜合能耗由于《煤制天然氣單位產(chǎn)品能源能耗限額》（GB30179-2013）規(guī)定的先進(jìn)值1.3噸標(biāo)煤/千標(biāo)方，能源轉(zhuǎn)化率優(yōu)于《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》的基準(zhǔn)值（51%）、接近先進(jìn)值（57%）。通過(guò)對(duì)煤制天然氣裝置進(jìn)行優(yōu)化，可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高能量利用率。

參考文獻(xiàn)：

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