以褐煤为原料气化工艺优化建议

金管会，张轶群

（吉林康乃尔化学工业有限公司，吉林 132011）

大唐阜新煤制天然气项目是利用蒙东褐煤资源，建设公称能力为1 200×104m3／d（年产40×108m3）的合成天然气装置。该工程在立项初期集团公司就邀请了专家和设计部门，并经过多次商讨、论证，根据大唐集团自己的煤矿资源情况，最终决定利用褐煤，选择鲁奇炉气化工艺。工程分三期，目前，设计部门正按计划紧锣密鼓开展工作。我们与设计院技术交底过程中，发现有两个问题比较棘手：其一是进厂原料煤中块煤量不足而煤粉过多，相关部门实验得出该原料煤热稳性TS＋6只有28.7%，属于极差的煤，这样在气化过程中还会产生大量细粉；其二是鲁奇工艺制气过程中产生的污水多并较难处理，有可能给当地增加环保压力。

为解决剩余煤粉问题，工程设计之初就采用了增加动力辅助锅炉的方案。根据鲁奇炉试烧褐煤的总结资料以及同类厂提供的生产运行数据，估算我公司采用低阶褐煤为原料，进厂原料煤中的煤粉大约为50%，煤粉量3 558t／h，动力车间8台470t／h锅炉用去748t／h，剩余1 031t／h（8 250kt／a）的煤粉。这部分剩余煤粉采用何种方案处理，将直接影响工程项目能否按时开车、达产及增效。该工程立项初期的想法是将剩余的煤粉建成型煤，并作为鲁奇炉的原料煤。关于做型煤（褐煤）的问题，我们从云天化金新煤化有限公司运行情况看，仍有许多问题等待攻克，所以此问题也严重影响到本项目的综合性确定。

同样，鲁奇炉污水处理也是行业中公认的难题。

因此，如何积极寻找新工艺，开发新技术解决这两个难题，是当前摆在我们面前的重大课题。为此，提出以下建议，并与同仁们一起探讨，如有不妥，望大家批评指正。

1 鲁奇气化工艺的选择

我们在选用煤气化工艺时，首先，是考虑采用大唐集团自己拥有的煤矿资源，同时遵循以下原则：既要考虑目前的技术发展水平和工艺的先进性，又要根据实际情况兼顾工艺的合理性。以产品煤气的用途为目标，我们最终选择了鲁奇加压气化工艺。因只有鲁奇加压气化较适合我们使用的低阶褐煤。从鲁奇炉熔渣气化工艺在国内外已运行工厂所提供的数据看，其产出的气体中有效气含量高于固体排渣鲁奇炉，煤气带出的污水少，气化热效率等指标也均好于前者。但从云南解化厂和云天化呼伦贝尔金新BGL炉子（以褐煤原料，先干燥，破碎后做型煤）实际运行情况看，有些关键技术，尚需进一步攻关和改进。

1.1 技术优点

（1）原料适应范围广，除黏结性较强的烟煤外，从褐煤到无烟煤均可气化。可以气化含水分较高（原料水分最好在25%以下），灰分较高的褐煤。

（2）由于气化压力较高，可节省后续煤气压缩过程的功耗，并提高余热回收利用率；压力高、流速低，较小粒径的碎煤可充分气化。

（3）气化温度低，粗煤气中CH4含量高达12%，较适合煤制城市煤气、天然气项目。

1.2 技术缺点

（1）蒸汽分解率低。对于固态排渣气化炉，一般蒸汽分解率约为40%，蒸汽消耗较大，未分解的蒸汽在后续工段冷凝，造成气化废水较多，并且成分复杂，处理困难，流程长，投资高。以褐煤为原料时其粒度要求为13～50mm，不适合气化粒径较小的粉煤。煤粒径小，粗煤气带出物增加，床层分布不均等因素造成炉况不好控制，消耗增高。

（2）要求入炉煤的热稳定性在70%以上。

（3）煤气中含有较多的焦油、酚、氨等杂质，后工序不易处理，污染环境。

酚不仅会给农业和渔业造成损失，而且危害人体健康。若长期饮用被酚污染的水，会出现慢性中毒，引起头痛、头晕、疲劳、失眠、耳鸣、贫血以及神经系统疾病，酚也是一种公认的致癌物。含酚废水的处理显得日益重要。

按照义马工业化试烧所得煤气水产率计算，阜新一期投产后水分离装置产生的高浓度有机废水量大约为600t／h，且属于较难处理的废水，其中的COD 平均高达16 100mg／L，氨氮平均4 130mg／L，总酚4 276mg／L，溶解性总固体平均13 600mg／L，全盐量平均11 300mg／L。

国内鲁奇炉酚回收装置废水排放指标如下：

COD ＜800mg／L

氨氮 ＜5 000mg／L

全酚 800～1 200mg／L

从综合治理的角度出发，国内含酚废水的处理工艺技术都难达到稳定、可靠和安全的水平，难以达到环保的标准。

1.3 与气流床相比，单炉处理能力较小

综上所述，采用鲁奇技术在煤制天然气工艺方面的确有许多优点，但同时也需要解决煤粉过剩和污水处理难以达标的问题。基于这一现状，建议开发鲁奇气化工艺和以煤粉为原料的流化床联合气化工艺，可以解决大量煤粉难以处理的问题，同时减轻含酚废水的处理工作。现国内运行的恩德炉流化床排出的废水，无论氨氮还是COD 指标远低于鲁奇炉，且流化床气化炉煤气基本上不含酚，所以处理起来比鲁奇工艺简单些。

2 国内外流化床煤气化的发展情况

当前应用较广泛的流化床气化技术有循环流化床（CFB）、KBR、温克勒，还有恩德炉气化技术等。因所有的流化床气化其核心技术及原理基本上是一样的，所以本文只介绍已在国内多家运行的恩德流化床气化技术。

2.1 技术简介

恩德炉流化床气化工艺是在鲁奇公司上个世纪30年代开发的温克勒粉煤沸腾气化炉基础上发展的新技术。即在原有技术基础上进行了3项重大改进：其一，气化炉底部改成特殊形状的锥体，以布风喷嘴取代原有炉箅，解决了炉箅上部气化层容易结渣的问题；其二，炉顶带出物中的大颗粒煤粉，经分离器返回炉内循环燃烧，以降低煤耗；其三，将废热锅炉的位置改到了旋风除尘器之后，减轻了煤气中飞灰对废热锅炉炉管受热面的磨损。国内运行的单炉最大产粗煤气43 000m3／h。据资料报道当炉径为5.5m，以褐煤为原料时，单炉生产能力为60 000m3／h（国外）。

2.2 技术优点

（1）可气化煤粉，要求煤粒度在13mm以下。

（2）技术成熟可靠，开工率高，生产操作弹性大。生产能力调节范围为额定生产能力的50%～110%。

（3）三废处理简单，环境影响小。

（4）投资省，运行费用低。

2.3 相对于鲁奇炉，流化床气化炉的优势

（1）煤粉的利用

众所周知，采用以低阶褐煤为原料的鲁奇工艺制天然气具有工艺简单、成熟可靠，较其他工艺运行成本低等优点。但原料块煤与煤粉不平衡的问题，依前文所述，仅仅依赖动力锅炉来消化是不够的；根据我公司情况，可开发鲁奇炉与流化床造气原料分级使用的工艺，即13mm 以下的煤粉作为流化床造气原料。同时，流化床气化炉负荷调节灵活，可以作为城市燃气调峰。这样既能解决原料煤不平衡问题，又提高了褐煤产品附加值。

（2）废水少，好处理

由于气化温度较高，废水不含焦油和酚等有机物质。从流化床（恩德炉）造气排出的水质分析看（表1），无论氨氮还是COD 指标远低于鲁奇炉工艺指标，所以处理起来比鲁奇工艺简单。

表1 国内某恩德炉造气污水分析数据mg／L

（3）蒸汽梯级利用

流化床造气过程中的气化剂，可以选用由煤气压缩机蒸汽透平排出的低压蒸汽。由此做到蒸汽梯级合理利用，同时可节约透平压缩机的工业冷却水。

2.4 技术缺点

（1）只能用高活性的褐煤，长焰煤等。

（2）设备体积大。气化炉为常压操作，设备体积较大；同时煤气在压缩过程中增加电耗。

（3）碳利用率低，约91%。

灰渣残碳设计值为10%。现在流化床造气取消炉箅之后，排灰中的残碳可控制在5%以下。（通辽金煤，长山化肥厂，呼伦贝尔东能均控制在2%。）

原设计飞灰中残碳26%。现在由于流化床炉子出口增加高效旋风分离器后部分大颗粒煤返回炉内重新燃烧，因此可减少带出物，据金煤厂讲该厂飞灰中残碳为15%左右。因此随着工艺改进和技术进步，流化床气化炉的碳利用率也得到了一定的提高。

（4）出装置煤气粉尘含量设计为60mg／m3，而实际上高达200mg／m3左右。采用简单除尘系统很难达到环保标准。

（5）煤气洗涤过程所产生的黑水及其夹带的细煤灰较难处理。

2.5 流化床气化工艺亟待解决的问题

常压流化床气化技术，要想在激烈的市场竞争中继续生存，必须解决煤气夹带飞灰的回收利用，以及由此产生的环境污染问题。否则，从环保角度出发，流化床气化技术不会有长远前景。

针对这些问题，国内某些厂家已经采用新技术，或即将使用新技术。比如山东海化和鞍山钢铁厂。这两家在流化床造气后续除尘系统均用布袋除尘器代替传统的除尘技术。据说山东海化厂已运行多年，效果较好。

现国内回收粉煤灰有以下几种方式：将洗涤煤气的灰水送到大池里，经过自然沉淀，水循环利用，粉煤灰定期清理；或将洗涤后的污水引入大水泥池沉淀后，泥状粉煤灰用板式过滤机过滤压干，进一步降低水中的炭黑含量；也有采用部分干灰直接回收的技术等。这些回收的煤灰，有的送到砖厂做砖的原料，有的送到锅炉当作辅助燃料烧掉。但实践证明，这些措施都有一些不尽人意的地方：用来制砖，由于粉煤灰热值偏高（6.3MJ／kg左右），不适合；而送到动力锅炉做燃料，又不能单烧，必须和高热值的燃料掺烧才行，结果又造成二次环境污染，掺烧不好还可能影响锅炉的正常运行。由此可见，这些粉煤灰的处理是流化床造气工艺的最大难点和生产瓶颈。

除了以上两种途径外，还可以引进粉煤灰和燃气混燃锅炉技术，这样可较好地解决粉煤灰的最终处理问题。

采用上述技术后，流化床的碳利用率可提升至98%以上。

另外，传统观念认为，常压流化床气化炉压缩煤气过程中的动力消耗高于加压鲁奇炉，因为加压鲁奇工艺中，生成的煤气体积远大于氧气，所以压缩氧气的动力消耗远低于压缩煤气的动力消耗。经计算，在3.0MPa下操作所需氧气体积仅为生成煤气量的14%～15%，加压操作比常压可节省动力2／3左右。这些理论观点是无可非议的，但如今，我们在综合分析这两种工艺能源分布结构的过程中发现，随着装备技术的发展以及能源利用方式的改变，有些设计理念也应随之改变。以年产200kt甲醇厂为例，加压鲁奇炉在3.0MPa下操作，需要中压蒸汽约89t／h（吨甲醇耗3.3t褐煤计算），而常压流化床造气设计用低压蒸汽39t／h，经过调优操作后只用约20t／h即可。如今可以选用蒸汽透平排出的蒸汽或工厂多余的蒸汽作为气化剂。如果鲁奇炉所用的89t／h蒸汽，分解率按40%计算，也就是说鲁奇炉所耗用的蒸汽（36t／h）去发电，可获得7 826kW·h的电量，这相当于减少了驱动煤气压缩机的动力电耗，由此看出，在上述两种工艺条件下，煤气压缩的动力消耗差距不会太大。两种气化工艺主要技术参数对照如表2所示。

表2 两种气化工艺主要技术参数对照表

3 结 语

采用以低阶褐煤为原料的鲁奇加压工艺时，将剩下来的煤粉，按常规惯例，除用作动力锅炉燃料之外，有条件的化工企业完全可以开发利用鲁奇碎煤加压气化和常压流化床造气的联合工艺，这不仅能解决原料煤粉过剩问题，也是增加褐煤产业链及附加值的好方法，由此做到原料利用上的优势互补。

同时，在环保治理和提高经济性方面将带来更多的效益。流化床造气工艺，在环境治理方面与鲁奇工艺比，除造气炉出口煤气所携带灰尘较难处理之外，其余均好于鲁奇工艺。粉尘处理虽然困扰常压流化床技术的发展，但根据国内技术创新能力，只要有关单位去组织技术攻关，解决这一问题并不难。

总之，鲁奇气化技术生产天然气时，可以采用常压流化床制气的联产工艺，这不仅可以解决煤粉过剩问题，也是提高经济效益、降低环境污染、充分合理利用煤炭资源的有效新途径。另外，褐煤成型（做型煤）攻关问题也是一个重要研究课题，值得积极跟踪。