褐煤综合利用探讨

章卫星夏 吴 中国五环工程有限公司 武汉 430223

褐煤综合利用探讨

章卫星＊夏 吴 中国五环工程有限公司 武汉 430223

褐煤是一种高挥发份、高水份、高灰份、低热值、低灰熔点的煤炭,具有易自燃,不适合长期储存和长距离运输的特性,因此长期以来被视作劣质燃料,开发利用程度低。定量分析褐煤洁净化和煤化工装置的联产,提出尿素和天然气两种产品路线的技术经济方案,探索符合国情的褐煤综合利用途径。

褐煤 洁净煤技术 低碳经济

低碳经济最主要的途径是要减少化石能源的消耗,大力发展太阳能、风能、水电、核能等可再生能源。但是,从目前我国乃至世界的技术水平现状来看,化石能源在一段时间内仍然是最主要的能源,中国能源结构见表 1。

表1 中国能源结构 (%)

在以化石能源为主体的能源结构下,节能减排是我们化工行业实践低碳经济的主要任务。

1 综合利用

1.1 提高资源的利用价值

褐煤是一种高挥发份、高水份、高灰份、低热值 (14MJ/kg左右)、低灰熔点的煤炭资源,具有容易自燃,不适合长期储存和长距离运输的特性,因此长期以来被视作劣质燃料,其开发利用程度低,大多用作就近发电和气化的原料。

我国褐煤资源丰富,已探明的保有储量达1.303×1011t(1303亿吨),接近全国煤炭储量的13%,主要分布在东北、西北、西南、华北等地,集中在内蒙古、云南和黑龙江等省,其中内蒙古的褐煤储量最大,占全国褐煤储量的 77%。因此,合理开发和充分利用缺水地区的褐煤资源,提高综合利用价值是实现国家能源战略目标一系列工作中值得研究和关注的重要领域。

褐煤净化技术主要过程分为两步:第一步是干燥,除掉褐煤中的平衡水分;第二步是轻度热解,除掉部分挥发份,使褐煤改质成为理化性质相对稳定的优质固体燃料,轻度热解过程可副产液态燃料。

褐煤净化得到的优质洁净煤固体燃料,性质稳定,可长途运输、长期贮存,消除褐煤可运输性差的销售半径约束,同时燃烧特性也得到改善,热值提高近一倍,硫含量也有相当程度降低,是一种优质环保的固体动力燃料,还可以用于高炉喷吹、铁合金等行业的还原剂掺合料。

副产的液体燃料的量较大,为优质洁净煤的10%～15%,是石油资源的替代物,经过简单分离可以制得原油价值 2～3倍的原油深加工产物,或加氢变成柴油等液态烃类燃料。

对我国的褐煤资源进行净化,一方面实现了传统意义上劣质燃料的升级利用,将一种低阶能源转化为燃烧、环保和储运特性优良的固体动力燃料,缓解我国东南发达地区优质动力燃料供应紧张局面,扩大优质动力固体燃料的资源供给渠道;另一方面依据资源特点,对褐煤实现高效合理利用。褐煤中容易引起自燃的高含量挥发份,实际上是高附加值的石油成分的物质,这种物质被提取用作石油替代品,比随煤炭燃烧更有经济价值,对依靠国内资源减轻进口石油依赖有一定意义,提升褐煤利用的增值空间。

1.2 节能环保

褐煤的综合利用符合国家产业政策,是环境友好型、水资源节约型技术,也是我国水资源匮乏地区和生态环境脆弱地区理想的清洁煤技术候选项目。

我国的煤炭资源和水资源呈逆向分布,煤炭资源富裕地区同时又是生态环境脆弱和水资源匮乏的欠发达地区。国家产业政策要求,煤炭转化项目和煤化工项目需要一体化、规模化建设,需要量水而行,量环境容量而行。在煤炭资源富集的西北地区建设煤炭深加工项目,技术的环境友好和节水特性是优先于经济性的考虑因素。

褐煤净化过程只涉及物理干燥和轻度的化学反应,处理同样数量的煤炭,水资源消耗相当于典型煤化工项目的 1/10,相当于风冷发电项目的1/2,是典型的节水型项目。

褐煤净化项目也是环境友好性项目,具有生产过程和产品使用环保的特性。

(1)生产过程没有固体废弃物排放,干燥和热解过程产生的粉尘和过滤油浆成型后作为固体产品出售;干燥尾气脱硫后排空,满足美国排放标准;废水循环利用,实现近零排放。

(2)使用优质洁净煤作锅炉燃料的 NOx、SO2排放量减少,热效率提高。燃烧优质洁净煤和烟煤的混合物比直接燃烧烟煤排放的 NOx少,火焰更稳定,减少了局部的 “热点”,因此减少了 NOx排放。

优质洁净煤比褐煤的硫含量减少,燃烧后排放到大中气的 SO2含量比直接燃烧褐煤要少得多,对大气的污染也小。

与燃煤相比,优质洁净煤燃烧后残碳量低,热效率高。

因此,在生态脆弱、水资源紧张地区建设褐煤综合利用项目,选择较理想的褐煤净化技术是比较重要的。

1.3 洁净化技术经济瓶颈

在褐煤净化过程中,降低排放是首要任务,也就是热解气不能排放,这就要求采用高热值的天然气为燃料,产生的热解气才能作为二次燃料补充自身平衡。天然气的价格较高,采用管网天然气势必影响装置的经济效益。

本文从解决褐煤净化过程中的安全、环保、卫生和减少行业分割所造成的浪费两方面出发,定量分析褐煤净化和煤化工装置的联产,提出两种产品路线的技术经济方案,作为能源和化工企业的跨行业发展的参考。

2 净化的优质产品

褐煤净化的产品为优质洁净煤、油品、天然气和尿素,其工艺流程见图 1。

图1 工艺流程框图

2.1 产品方案

优质洁净煤:是一种优质固体动力燃料。

油品:销售给大型低温煤焦油深加工工厂作原料。

天然气:符合天然气国家质量标准 (GB 17820-1999)。

尿素:符合中国国家标准 GB 2440-2001(农业用)。

2.2 生产规模

项目的褐煤净化的生产规模为 5000kt/a,由 6条日处理能力 5000t的生产线组成;天然气的生产规模为 3×108Nm3/a(3亿 Nm3/a),尿素的生产规模为 800kt/a。

装置年操作 330天合 7920h。装置的产能见表 2。

表2 装置的产能

2.3 产品质量标准

2.3.1 优质洁净煤

褐煤净化后优质洁净煤的规格见表 3。

2.3.2 焦油

褐煤净化后产品焦油的规格见表 4。

2.3.3 尿素

产品尿素的规格见表 5。

表3 褐煤净化后优质洁净煤的规格

表4 褐煤净化后产品焦油的规格

表5 产品尿素的规格 (wt%)

2.4 装置组成

项目由褐煤净化装置、空分装置、煤气化装置、甲烷化装置、合成氨装置、尿素装置和公用工程、辅助工程等组成。

项目设有 6套公称能力为 5000t/d(以原料煤计)褐煤净化装置,单套生产优质洁净煤 768kt/a,油品 87 kt/a,副产煤粉 18kt/a(去煤气化装置),两套制氧能力为 52000Nm3/h的空分装置。褐煤洁净气化装置设有 4台投煤量为 1500t/d的五环炉 (WHG)或者 KBR炉 (TR IG),单台产气量(CO+H2)为 89000Nm3/h。同时为满足褐煤洁净化装置对燃料的要求,项目设置单系列甲烷化装置,能力为 2.7×108Nm3/a(2.7亿 Nm3/a)天然气,设置单系列能力为 500kt/a的合成氨装置,同时设置能力为 800 kt/a的单系列尿素装置。配置 3台 420t/h高压循环流化床锅炉和两台 25MW单抽汽轮发电机组。

2.5 项目投资

项目总投资:929942万元,其中,建设投资:860000万元;建设期贷款利息:57455万元;流动资金:12487万元。

2.6 经济评价

2.6.1 产品价格及税率

优质洁净煤的销售价格按 300元/t(含税),增值税率为 17%。

油品的销售价格按 2000元 /t(含税),增值税率为 17%。

天然气的销售价格按 1.8元 /Nm3(含税),增值税率为 13%。

尿素的销售价格按 1600元 /t(含税),增值税率为 13%。

2.6.2 财务分析

估算总成本费用时采用的价格、消耗见表 6。

表6 估算成本费用

按有关规定,生产期的长期、短期贷款利息和流动资金贷款利息计入每年的总成本费用。

项目的年均总成本费用 225125万元。

项目其他经济指标:年均销售收入为 400686万元 (含税),年均销售税金 32211万元,年均利润总额 143350万元。

项目投资利税率为 18.36%,投资利润率14.96%。资本金净利润率 37.75%。

测算出项目的国内借款偿还期为 7.73年 (含建设期 3年)。

所得税前投资回收期为 7.25年;净现值 (ic=10%)为 491739万元;内部收益率 (IRR)为14.79%。

所得税后投资回收期为 8.20年;净现值 (ic=10%)为 274817万元;内部收益率 (IRR)为14.79%。

投资回收期中含建设期 3年。

通过上述评价指标可以看出,项目经济效益较好,取基准收益率 10%,所得税前净现值大于零,所得税前内部收益率大于基准收益率。

自有资金内部收益率为 20.56%,自有资金财务净现值为 491739万元。

从上面的财务分析看,项目投产后年产优质洁净煤 3.706×106t(370.6万吨)、油品 5.22×105t(52.2万吨)、天然气 2.7×108Nm3(2.7亿Nm3)、尿素 8.87×105t(88.7万吨),所得税前内部收益率为 18.31%,大于行业基准收益率10%,敏感性分析表明项目有一定的抗风险能力,因此是可行的。

3 结语

化工和煤炭结合,发挥各装置的特点,充分利用装置间不同能级的能量,是节能减排,探索低碳发展的方向,也是该项目的最大的特点。

1 郭树才.煤化工工艺学 [M].北京:化学工业出版社,2006.

2 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册[M].第 4版.北京:化学工业出版社,2009,6.

(修改回稿 2010-11-15)

＊章卫星:高级工程师。2002年毕业于中国科技大学应用化学专业获硕士学位。主要从事煤化工工程设计工作。联系电话: (027)81926224,E-mail:zhangweixing@cwcec.com。