适应晋城无烟煤气化的煤气化技术经济分析

王红林

（晋煤集团煤化工研究院，山西 晋城 048000）

晋煤集团是我国重要的无烟煤生产企业，无烟煤作为传统常压间歇式固定床（UGI）气化技术的优质原料，一直是晋煤集团的核心竞争力。近年来，随着产业政策的调整和新型煤气化技术的冲击，UGI技术濒临淘汰，无烟煤的化工市场也逐渐萎缩，急需寻求适合于晋煤无烟煤的新型气化技术工艺。在此背景下，针对无烟块煤，晋煤集团与赛鼎工程有限公司合作开发了高效热能回收的JC炉，与西安航天源动力工程有限公司合作开发了晋航炉；针对无烟末煤，与华东理工大学合作开发了晋煤炉。目前，三种炉型都已完成了技术研发工作，JC炉正在进行示范装置建设，晋航炉正在开展中试试验，晋煤炉暂未开展示范建设，仍在进行技术优化。笔者从技术、经济、环保等方面对近年来的主流煤气化技术进行了分析探讨，可为晋煤集团无烟煤气化技术的选择提供理论参考。

气化技术历经几十年的发展，已基本形成一定的技术选择的方法和规律，例如通过煤质适应性评价，确定煤种适应程度；通过气化工艺性能评价，确定技术先进程度；通过气化工艺市场份额评价，确定技术的成熟度和市场认可度；通过气化与后续工艺配置评价，确定工艺路线合理性；通过环保符合性评价，确定环保对标程度；通过技术经济环境综合评价，确定投资效益和风险。

1 晋城无烟煤气化特性

晋城无烟煤作为气化原料，主要呈现“五高”“四低”的特点，即抗碎强度高、热稳定性好、固定碳含量高、灰分高、灰熔融性温度高及可磨性指数差、内水含量低、反应活性低和黏温特性差。

由于固定碳含量高、热稳定性好、灰熔融性温度高，晋城无烟煤可满足固定床气化技术对煤种的要求，是该气化技术的最佳原料。但晋城无烟煤可磨性差，较难获得合格粒径的粉煤；灰熔融性温度高，不利于液态排渣；反应活性差，碳转化率低；黏温特性差，气化的操作空间窄。因此晋城无烟煤应用于气流床气化技术存在一定的弊端，需进行针对性的改进优化。

2 主流气化技术对无烟煤的适应性分析

按煤在气化炉内的流动状态，国内外气化技术主要分为固定床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术3大类[1]。其中，固定床气化技术主要有UGI、鲁奇炉、晋航炉和BGL等技术；流化床气化技术主要有灰熔聚、U-GAS、高温温克勒、黄台炉等技术；气流床气化技术主要有德士古、多喷嘴、晋华炉、GSP、航天炉、神宁炉、东方炉、科林炉、壳牌炉、晋煤炉等技术。

2.1 固定床气化技术对无烟煤的适应性

鲁奇炉的煤种适应性广，除黏结性很强的烟煤外，均可采用该技术。而且该技术是固态排渣，连续气化，技术成熟度高。晋城无烟煤的挥发分低、灰熔融性温度高等特性，决定了其是鲁奇炉气化的最佳原料[2]。为了更好地发挥无烟煤的优势，在鲁奇炉的基础上开发了JC炉。JC炉利用气化炉出口温度高的特点，增加中压废锅，副产高品位蒸汽，提高能量利用效率；同时，结合无烟煤气化的废水量少且易于处理的优势，简化煤气水处理流程，降低投资。

BGL炉采用熔渣技术进行排渣，其气化效率和气化强度优于鲁奇炉。但由于晋城无烟煤的灰分高、灰融性温度高、黏温特性差，要实现熔渣气化，其难度比液态排渣还大。

晋航炉是以块煤为原料的一种熔渣气化技术，通过二次补燃，降低CH4含量，达到其质量分数低于1.5%指标。同时，该技术通过增加废锅，提高热效率。该技术可以实现高灰熔融性温度煤的熔渣气化，合成气中甲烷含量低，适用于煤化工，目前以无烟煤为原料的晋航炉正在进行中试示范。

2.2 流化床气化技术对无烟煤的适应性

流化床气化技术目前多为常、低压技术，且处理能力小，多用于燃料气行业[3]。该技术属于低温气化（900℃左右），碳转化率低（85%～90%），存在“上吐下泻”的问题，即粗合成气和灰渣中都存在未反应的原料。气化压力和规模难以放大，合成气处理复杂。在处理晋城无烟煤时，单炉运行周期短，部分关键设备缺乏长时间的工程化验证。

2.3 气流床气化技术对无烟煤的适应性

2.3.1 水煤浆气化技术对无烟煤的适应性

晋城无烟煤密度大、灰分高，不易获得性能优良的水煤浆；煤质偏硬，不易获得合理粒径，且对耐火砖的冲刷严重；灰熔融性温度高，使耐火砖的承受温度有限；实现液态排渣较为困难，因此晋城无烟煤不适用于水煤浆气化技术。

目前，主流的德士古、四喷嘴和晋华炉技术，均未有采用高灰熔融性温度煤为原料进行单烧的业绩。

2.3.2 干粉煤气化技术对无烟煤的适应性

目前投运的干粉煤气化装置主要有SE-东方炉、航天炉、晋煤炉、科林炉和壳牌炉，以下主要对这些气化装置的适应性进行分析。

SE-东方炉采用单喷嘴顶置结构，无旋流。其气化室内近壁面高温区位于渣口附近，可有效实现高温排渣。激冷采用华东理工大学的喷淋床+鼓泡床专利技术，可有效解决粗合成气的带水带灰问题[4]。在无烟煤适应性方面，该技术有掺烧50%高平煤（未加石灰石）的成功业绩，相比较其他技术，对无烟煤适应性较强。

航天炉技术采用单喷嘴顶置结构，带旋流。其高温区位于气化室的上部，渣口温度较低。激冷采用双套筒技术[5]。在无烟煤适应性方面，该技术需要通过加入石灰石/铁粉，来降低无烟煤的灰熔融性温度，实现顺利的液态排渣，不但增加能耗，而且激冷室积灰严重；该技术以无烟煤为原料的煤耗、氧耗高，增加成本；炉型放大需要进一步优化。

晋煤炉技术采用四喷嘴对置结构，通过射流和撞击流，强化混合，增加停留时间；通过分级给氧和气渣并流，实现渣口局部高温，更宜液态排渣[6]。该技术烧嘴数量决定了其更适宜大型化发展。由于晋煤炉在气化原理、装备设计、工艺配置方面，均充分考虑了无烟煤的气化特性，能保证设备装置的安稳长满优运行，特别适合于无烟末煤的气化。

科林炉技术采用“3+1”（3个工艺烧嘴和1个点火烧嘴）顶置多烧嘴结构，由于有处理贵州无烟煤的运行业绩[7]，在应用晋城无烟煤上有可借鉴的经验。

壳牌炉（下行激冷）采用多喷嘴对置结构（3 000 t/d级），适宜大型化发展。其激冷采用双套筒技术。在无烟煤适应性方面，该技术在潞安项目采用的是贫瘦煤，与无烟煤煤质相近，具有一定的潜力，可以关注。

综上，在固定床气化技术中，鲁奇炉和晋航炉可解决晋城无烟块煤的利用问题，但鲁奇炉需结合无烟煤特性进行工艺改进，晋航炉正在中试示范，工业化后将成为消化无烟块煤的重要方向之一。流化床气化技术在处理晋城无烟煤时，问题较多，工程化难度大。在气流床气化技术中，水煤浆技术受进料方式等的限制，不适合于晋城无烟煤；干粉煤技术对无烟煤适应性方面，单喷嘴：东方炉＞航天炉；多喷嘴：晋煤炉＞壳牌炉＞科林炉。

3 无烟煤气化的技术经济性分析

以晋城地区某40万t/a的合成氨项目为例进行对比，项目主要流程为：气化、低温变换、低温甲醇洗、液氮洗、氨合成。对比依据：原料煤价格（无烟块煤1 130元/t、神木末煤610元/t、晋城末煤610元/t）、燃料煤价格550元/t、电0.5元/kWh、设备折旧以15 a计、70%投资通过贷款，贷款利率按4.9%计。

3.1 固定床气化无烟块煤的经济指标

以无烟块煤为原料的固定床气化技术的经济性指标见表1，吨氨成本分析见表2。

由表2可知，鲁奇炉（甲烷转化）的吨氨成本约2 530元；鲁奇炉（甲烷分离）的吨氨成本约2 440元；JC炉的吨氨成本约2 380元。

表1 以无烟块煤为原料的固定床技术的经济性指标

3.2 气流床气化无烟末煤的经济指标

以无烟末煤为原料的气流床气化技术的经济性指标见表3，吨氨成本的分析见表4。

表2 以无烟块煤为原料的固定床气化技术的吨氨成本 元/t

表3 以无烟末煤为原料的气流床气化技术的经济性指标

由表3、表4可知，以无烟煤为原料，晋煤炉的煤耗比航天炉的低3%，氧耗低8%；晋煤炉烧无烟煤和航天炉烧神木煤比，煤耗高4%，氧耗高9%。航天炉烧神木煤的吨氨成本约1 950元；烧晋城煤的吨氨成本约2 090元。晋煤炉烧晋城煤的吨氨成本约2 040元，相比航天炉烧晋城无烟煤节约了50元/t。

表4 以无烟末煤为原料的气流床气化技术的吨氨成本 元/t

综上，对于无烟块煤，可通过JC炉技术进行废热回收，降低蒸汽消耗，有效节约吨氨成本。同时，结合甲烷分离工艺，可进一步降低成本。

对于无烟末煤，由于煤质特性的不利因素，决定了其物料消耗和成本要高于神木煤。晋煤炉技术是针对晋城无烟末煤特性设计的，在处理无烟末煤上消耗低，节约成本，加快工业示范，可进一步提高晋城无烟末煤的市场竞争力。

4 结 语

无烟块煤的特性决定了其是固定床气化的最优质原料，无论是技术成熟度还是经济效益都具有一定的优势。优化适应无烟块煤的JC炉技术、示范针对性开发的晋航炉技术是当前无烟块煤利用的最佳方式。

无烟末煤的煤质特性决定了其在作为化工原料方面优势并不明显，但针对性地进行航天炉技术的优化、多喷嘴技术的开发、晋煤炉技术的工业示范，可弥补煤质带来的不利影响。