魯奇碎煤加壓氣化工藝在煤制天然氣項目中的應(yīng)用分析

張 明，張福亭

(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

煤制天然氣項目氣化工藝選擇時，魯奇碎煤加壓氣化工藝頗受青睞。美國大平原合成燃料廠煤制天然氣項目采用魯奇碎煤加壓氣化工藝，國內(nèi)已建成投產(chǎn)的新疆慶華能源集團有限公司煤制天然氣項目、內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司煤制天然氣項目、伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司煤制天然氣項目以及在建的遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司煤制天然氣項目均采用魯奇碎煤加壓氣化工藝。

大多數(shù)煤制天然氣項目都選擇了魯奇碎煤加壓氣化工藝，表明該工藝能夠適應(yīng)煤制天然氣裝置的生產(chǎn)要求。為了更深入地了解魯奇碎煤加壓氣化工藝在煤制天然氣項目中應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，以下就魯奇碎煤加壓氣化工藝與水煤漿氣化工藝、粉煤氣化工藝進行對比分析。

1 應(yīng)用于煤制天然氣項目的優(yōu)勢

1.1 煤種適應(yīng)范圍廣

魯奇碎煤加壓氣化工藝在國內(nèi)應(yīng)用較廣，技術(shù)也十分成熟，其原料適應(yīng)范圍非常廣，除黏結(jié)性較強的煙煤外，從褐煤到無煙煤，幾乎適用于所有煤種。煤制天然氣項目基于原料成本及產(chǎn)品特點的原因，原料幾乎都選用褐煤、長焰煤等低階煤。首先，低階煤價格低廉，可明顯降低煤制天然氣的生產(chǎn)成本；其次，低階煤揮發(fā)分含量高，揮發(fā)分在熱解過程中分解出的甲烷是煤制天然氣裝置的產(chǎn)品氣；再次，我國政策層面鼓勵建設(shè)低熱值煤炭清潔利用和加工轉(zhuǎn)化項目。美國大平原合成燃料廠煤制天然氣項目的原料煤為褐煤，內(nèi)蒙古大唐克旗煤制天然氣項目的原料煤為褐煤，新疆慶華煤制天然氣項目、伊犁新天煤制天然氣項目原料煤為長焰煤。低階煤煤化程度低，有內(nèi)水高、灰分低、氧碳比高、親水官能團多、內(nèi)部空隙發(fā)達等特點，這些特點使得煤的可磨性系數(shù)??；煤的可磨性系數(shù)小，制粉難度大，同時內(nèi)水高、氧碳比高、可磨性系數(shù)小又是煤成漿性差的主要原因。因此，氣流床氣化爐對低階煤的適應(yīng)性較差，而魯奇碎煤加壓氣化工藝要求入爐煤的粒徑范圍為6～100 mm，粒徑范圍大，原料煤無需磨制，不受可磨性系數(shù)的影響，其對煤種的適應(yīng)范圍廣。

1.2 主裝置建設(shè)成本低

1.2.1 甲烷化裝置

圖1 魯奇碎煤加壓氣化爐氣化過程示意圖

1.2.2 空分裝置

魯奇碎煤加壓氣化爐內(nèi)，原料煤自上而下經(jīng)過干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層、灰層，而氣化劑(氧氣和過熱蒸汽)自下而上與原料煤逆流接觸，魯奇碎煤加壓氣化工藝副產(chǎn)品種類多、產(chǎn)量大，在氣化爐內(nèi)，干餾層中產(chǎn)生的焦油、酚類物、甲烷等未進入氣化層或燃燒層參與反應(yīng)，減少了參與氣化反應(yīng)所需的熱量及燃燒反應(yīng)所需的氧量，且因氣化爐內(nèi)氣化劑與原料煤逆流接觸，使得氣化爐出口粗煤氣溫度(400 ℃)和灰渣溫度(450 ℃)都比氣流床氣化爐出口粗煤氣溫度和灰渣溫度低得多，這樣被粗煤氣和灰渣帶出的顯熱就少，故魯奇碎煤加壓氣化爐單位煤量氣化所需的氧量比氣流床氣化爐(水煤漿氣化爐或粉煤氣化爐)要小得多。

某煤制天然氣項目氣化裝置采用魯奇碎煤加壓氣化爐，與兗礦新疆煤化工有限公司采用的多噴嘴水煤漿氣化爐、大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司采用的Shell粉煤氣化爐的主要運行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 幾種氣化爐主要運行數(shù)據(jù)的對比

據(jù)表1數(shù)據(jù)，粗煤氣經(jīng)變換冷卻、甲烷化反應(yīng)后生產(chǎn)合成天然氣，以20×108m3/a煤制天然氣裝置為例，可折算得出，氣化裝置采用魯奇碎煤加壓氣化工藝需要配套氧氣總產(chǎn)量120 km3/h的空分裝置，氣化裝置采用水煤漿氣化工藝和Shell粉煤氣化工藝則需配套氧氣總產(chǎn)量300 km3/h以上的空分裝置。

1.2.3 變換冷卻裝置和低溫甲醇洗裝置

據(jù)表1數(shù)據(jù)，將各氣化工藝所產(chǎn)有效氣折算成相等的合成天然氣產(chǎn)量，煤制天然氣項目氣化裝置如果改用德士古水煤漿氣化爐，粗煤氣量將增大約1.22倍，變換冷卻后的變換氣量以及低溫甲醇洗后的凈化氣量將增大約1.54倍；煤制天然氣項目氣化裝置如果改用Shell粉煤氣化爐，粗煤氣量將增大約1.16倍，變換冷卻后的變換氣量以及低溫甲醇洗后的凈化氣量將增大約1.65倍?？梢姡褐铺烊粴忭椖繗饣b置采用魯奇碎煤加壓氣化工藝，其變換冷卻裝置的變換氣量和低溫甲醇洗裝置的凈化氣量比采用氣流床氣化工藝少，能大大節(jié)約變換冷卻裝置和低溫甲醇洗裝置的建設(shè)成本。

1.3 運行經(jīng)濟性好

1.3.1 氣化過程碳轉(zhuǎn)化率高

魯奇碎煤加壓氣化工藝，其碳轉(zhuǎn)化率高達99%以上(包含焦油等副產(chǎn)品)，而水煤漿氣化工藝的碳轉(zhuǎn)換率約95%，Shell粉煤氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率約96%～98%?？梢?，魯奇碎煤加壓氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率明顯高于氣流床氣化工藝。

1.3.2 氣化過程氧耗低

據(jù)煤化工企業(yè)運行經(jīng)驗，魯奇碎煤加壓氣化工藝、水煤漿氣化工藝、Shell粉煤氣化工藝生產(chǎn)1 000 m3粗煤氣(CO+H2+CH4)的氧耗分別為192～240 m3、420～440 m3、360～370 m3。可以看到，魯奇碎煤加壓氣化工藝生產(chǎn)1 000 m3粗煤氣的氧耗明顯低于氣流床氣化工藝。

1.3.3 副產(chǎn)品綜合利用后經(jīng)濟效益顯著

氣流床氣化爐，操作溫度高，氣化反應(yīng)區(qū)溫度高達1 200～1 400 ℃，煤的干餾物均被轉(zhuǎn)化為CO、H2、CO2，幾乎沒有副產(chǎn)品。而魯奇碎煤加壓氣化工藝副產(chǎn)品種類多(包括焦油、中油、粗酚、石腦油、氨水等)、產(chǎn)量大，以20×108m3/a煤制天然氣項目為例，焦油、中油、石腦油、粗酚的年產(chǎn)量超過200 kt，將焦油、中油進行深加工可產(chǎn)出洗油、蒽油、石腦油、煤瀝青等，可帶來良好的經(jīng)濟效益。

1.4 技術(shù)成熟而生產(chǎn)操作穩(wěn)定

魯奇碎煤加壓氣化工藝是一種十分成熟的煤氣化技術(shù)，由德國魯奇公司研發(fā)，20世紀(jì)50年代已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，早在1955年南非的薩索爾煤制合成油公司就有18臺魯奇Ⅰ代、Ⅱ代氣化爐投運。

魯奇碎煤加壓氣化爐相較于氣流床氣化爐，省去了煤漿制備單元或制粉單元，減少了氣化爐轉(zhuǎn)動輔機的數(shù)量；魯奇碎煤加壓氣化爐負荷調(diào)整過程也很簡單，只需通過增加或減少入爐氧氣量就能實現(xiàn)，無需調(diào)整進煤量。

在薩索爾煤制合成油公司，氣化裝置單爐連續(xù)運行時間已經(jīng)達到320 d，36臺氣化爐連續(xù)運行時間超過100 d。而水煤漿氣化爐和粉煤氣化爐進煤方式要依靠燒嘴，燒嘴的使用壽命大約為3～6個月，故水煤漿氣化爐和粉煤氣化爐相較于魯奇碎煤加壓氣化爐連續(xù)運行周期短。

2 應(yīng)用于煤制天然氣項目的不足之處

2.1 氣化廢水量大且處理難度大

魯奇碎煤加壓氣化工藝，由于需要通過注入大量蒸汽來避免爐內(nèi)超溫，且煤的灰熔點越低需要注入的蒸汽量越大，產(chǎn)生的煤氣水就越多。經(jīng)驗表明，魯奇碎煤加壓氣化工藝每氣化1 t煤約產(chǎn)生0.8～1.0 m3的廢水，廢水成分復(fù)雜且濃度高，其中含有大量的NH3、焦油、輕油、酚類物，需配套煤氣水分離系統(tǒng)和酚回收系統(tǒng)，氣化廢水經(jīng)煤氣水分離系統(tǒng)和酚回收系統(tǒng)分離出其中的焦油、輕油、NH3和酚類物后，廢水的CODCr一般為3 000～5 000 mg/L、最高達6 000 mg/L。以某煤制天然氣項目為例，其氣化裝置采用魯奇碎煤加壓氣化工藝，廢水處理工藝組合為“預(yù)處理單元(由調(diào)節(jié)、除油、沉淀或氣浮步序組成)+生化處理單元(由水解酸化、兩級A/O和SBR等步序組成)+深度處理單元(由混凝、過濾、臭氧氧化、浸沒式超濾及曝氣生物濾池等步序組成)”，廢水處理工藝復(fù)雜，污水處理裝置投資及運行成本較高；實際生產(chǎn)情況表明，該煤制天然氣項目魯奇碎煤加壓氣化爐產(chǎn)出的廢水，經(jīng)煤氣水分離系統(tǒng)和酚回收系統(tǒng)分離處理后，廢水的CODCr約3 506 mg/L、BOD約1 168 mg/L、B/C值約0.33，屬于難生物降解廢水，處理后的污水濁度、COD超標(biāo)問題長期得不到解決，導(dǎo)致回用水水質(zhì)長期超標(biāo)，循環(huán)水換熱器結(jié)垢堵塞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響氣化裝置的運行。

因此，對于配套魯奇碎煤加壓氣化爐的煤制天然氣工廠，可以考慮與工廠附近采用水煤漿氣化工藝的企業(yè)進行合作，將煤制天然氣裝置污水處理系統(tǒng)的污水部分或全部送至水煤漿氣化煤漿制備單元制漿，或者送到其他可以利用魯奇碎煤加壓氣化廢水的企業(yè)，以解決魯奇碎煤加壓氣化工藝氣化廢水量大、處理難度大的問題。

2.2 粉煤大量過剩

粉煤大量過剩問題是困擾碎煤加壓氣化工藝的一大難題，在煤礦開采技術(shù)和型煤技術(shù)未有實質(zhì)性突破之前，過剩的大量粉煤如果沒有配套的裝置來轉(zhuǎn)化，將長期困擾采用碎煤加壓氣化工藝企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營。以某20×108m3/a煤制天然氣項目為例，其氣化裝置采用魯奇碎煤加壓氣化工藝，過剩的粉煤量有300 kt/a，如果企業(yè)周邊沒有能消納粉煤的企業(yè)，過剩的粉煤就要遠距離運輸，使得企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本大大增加。

對于魯奇碎煤加壓氣化工藝存在的粉煤大量過剩問題，可以考慮與電站結(jié)合的方式予以消納，或者在條件允許的情況下與水煤漿氣化爐、粉煤氣化爐、流化床氣化爐等使用粉煤或小粒徑煤的氣化工藝結(jié)合的方式來解決。

3 結(jié)束語

魯奇碎煤加壓氣化爐出口粗煤氣中的甲烷含量比水煤漿氣化爐和粉煤氣化爐高得多，加之魯奇碎煤加壓氣化工藝對煤種的適應(yīng)范圍廣、氣化過程氧耗低和碳轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)品種類多和產(chǎn)量大、氣化爐操作穩(wěn)定、工藝技術(shù)成熟等優(yōu)勢，使得魯奇碎煤加壓氣化工藝更適合用于城市煤氣和煤制天然氣項目。雖然目前魯奇碎煤加壓氣化工藝還存在粉煤大量過剩與氣化廢水難處理以及單爐產(chǎn)能小等問題，但通過與電站結(jié)合或與其他氣化工藝在產(chǎn)業(yè)鏈上相配合，或通過粉煤成型技術(shù)將過剩的粉煤轉(zhuǎn)化成型煤，這些問題終將得到解決?？傊噍^于水煤漿氣化工藝和粉煤氣化工藝，煤制天然氣項目氣化裝置更適合選用魯奇碎煤加壓氣化工藝。