劣质褐煤的清洁利用——煤制天然气

邓永斌，王二成

(大唐克旗煤制天然气公司，内蒙古 赤峰 025350)

大唐克旗煤制天然气公司运营着国内首套煤制天然气装置，此装置也是首个国家级示范项目。经过近10 年的运行示范，探索出了劣质褐煤清洁利用新途径，同时也对中国能源安全战略的实施提供了可复制的模板。本文即主要介绍其运行经验。

1 碎煤加压气化炉是劣质褐煤制天然气的关键

碎煤加压气化工艺是目前世界上应用最多的加压气化方法之一。该工艺具有流程成熟可靠、煤气中甲烷含量高、氧耗低、气化强度高等优点，是劣质褐煤制天然气的首选煤气化技术。劣质褐煤采用该技术气化还有以下几方面优势：

(1)高活性褐煤在碎煤加压气化炉中反应效率高。一方面褐煤具有挥发分高、结构疏松等特点，在气化炉内干馏层即脱去挥发分。当褐煤到达气化层时，生成的煤焦具有丰富的孔隙，反应的比表面积大，气固相反应的扩散阻力小，气化剂更容易扩散到煤焦内孔中去，气化速度加快，生成的煤气中有效气成分含量更高。另一方面，由于褐煤机械强度差，在气化炉内高温气氛中易失水碎裂导致煤的粒度进一步减小，增大了表面积，在动力学控制区的吸附和扩散速度更快，也更有利于气化反应的进行。

(2)采用碎煤加压气化工艺能直接制得高含量的终端产品——甲烷。从大唐克旗煤制天然气公司使用的劣质褐煤来看，褐煤的低位发热量仅为11.70～13.79 MJ/kg，褐煤的固定碳含量较少，入炉后气化反应快、燃烧时间短，炉内气化温度低，有利于甲烷生成反应的进行，煤气组成中甲烷含量增大，其甲烷产量占最终产品天然气组成的45%～48%。这一特点直接降低了后续生产装置的建设规模，极大减少了项目的投资水平。

(3)褐煤灰分含量低，可降低生产运行成本。褐煤的灰分含量较少，远远低于其他煤种。同时由于其粘结性较小和气化温度低，气化后产生的灰渣粒度较小，并含有一定的粉灰，炉渣的排出量较少，随炉渣排出的残炭和潜热必然减少，从而降低了能耗和运输成本。

(4)褐煤价格相对低廉，制气的经济效益良好。由于褐煤成煤年限较短，属于高水分、高挥发性、低热值煤，因此其价格低廉，仅为无烟煤售价的1/4～1/5。用其生产天然气的成本远远低于烟煤和无烟煤等，所以选择褐煤为气化原料时，具有良好的经济效益。

2 加强褐煤原料管控是提升碎煤加压气化炉稳定运行的重点

由于褐煤煤化程度低、着火点较低、煤质疏松且易碎裂，其特点是易扬尘和自燃。因此如何集中力量攻克碎煤加压气化工艺以劣质褐煤为原料时的适应性，提高碎煤加压气化工艺运行水平，是实现资源清洁利用的首要问题。从克旗煤制天然气公司的运行经验来看，主要应从以下几个方面着手：

(1)严控入厂煤质和煤的粒度。根据煤质的不同特性，对入场煤进行分堆存放，要在保证煤场库存量的同时，避免超量存储；要建立煤场褐煤存放示意图和台账，科学调配掺烧，保证入炉煤质稳定。

(2)煤场全覆盖定期测温。褐煤储存时间过长时要及时翻堆并分层压实；定期检查消防、除尘系统、冲洗系统，严格控制褐煤输送过程中产生的煤粉尘；此外还要坚持储新用旧、缩短存期原则，防止褐煤变质，减少自燃损失。

(3)严控输送过程中煤粉外泄。在褐煤通过胶带进入气化炉煤仓后，要采用惰性气体保护煤仓，确保煤仓安全；在气化炉加煤过程中产生的煤粉通过引射器抽出，再经旋风分离器分离后统一收集回用，确保加煤过程中不产生煤粉外泄情况。

(4)建立胶带定期看煤制度。通过观察胶带，如发现粉煤较多时，马上采取变换或增加振动筛，或者更换上煤掺烧比例。为防止煤种混有大块杂物，在筛分楼前设置除杂物机，避免堵塞气化炉加煤溜槽。为防止铁器等钝器损坏气化炉锥阀、炉篦、刮刀等，在输煤胶带上设置有除铁器。

3 碎煤加压气化工艺的废水处理是煤制天然气项目的难点

由于碎煤加压气化的温度较低，粗煤气中含有部分焦油、酚、氨等杂质，并在冷却过程中随水一起排出系统。清洁煤化工要做到“零”排放，除了要达到国家强制标准的排放指标外，碎煤加压气化污水的处理和回用是整个项目实施的难点。大唐克旗煤制天然气公司这方面的主要运行经验如下：

(1)针对性设置了煤气水分离装置单元。通过煤气水分离装置对气化产生的煤气水进行初步分离处理。在该单元利用节流膨胀的原理，将溶解在煤气水中的气体分离出来，并且利用无压重力沉降分离原理，根据不同组分的密度差，将煤气水中各组分进行初步分离并回收各类油品。

(2)改进和放大酚氨回收装置建设规模。结合碎煤加压气化工艺废水处理特点，根据煤制天然气装置建设规模，对传统酚氨回收装置工艺进行改进和放大。酚氨回收装置采用二异丙基醚萃取脱酚工艺处理来自煤气水分离单元的含酚废水，先脱酸、脱氨，然后再脱酚，处理后的废水送入生化处理系统。同时装置副产粗酚和氨水，氨水送往烟气脱硫。

(3)不断突破污水处理装置的各类瓶颈。从污水处理装置规划建设、生产运行到改进优化，大唐克旗煤制天然气公司做了大量卓有成效的工作。当前，污水处理装置按工艺段划分为有机污水处理、回用水处理、浓盐水处理三部分。各类废水通过综合调节池均质后进入水解酸化池，分解难降解物质，提高废水可生化性，然后进入A/O池进行好氧处理，有效去除CODcr、NH3-N、酚类等污染物。处理后的废水再经过絮凝吸附和臭氧催化氧化，去除难降解的有机物质，然后进入曝气生物滤池进一步降低废水COD含量。回用水处理段采用“浸没式超滤+反渗透”处理工艺，超滤产水一部分补入浊循环系统，一部分经反渗透产水回用至新鲜水系统。浓盐水处理段再通过“超滤+纳滤+反渗透”工艺进行脱盐处理，产水作为新鲜水补充水，浓水通过多效蒸发装置生产出固体盐，有效脱除废水中有机物及盐类物质，最终实现了废水的完全“零排放”。

4 合成天然气是褐煤清洁利用的有效终端产品

褐煤经碎煤加压气化后产出的粗煤气经过部分变换和工艺废热回收后进入低温甲醇洗单元。粗煤气在低温甲醇洗单元脱除硫化物和其他杂质后送入甲烷化单元。在甲烷化单元，全部CO和留存的部分CO2与H2在催化剂作用下，在多级反应器中发生甲烷化反应，生成甲烷和水，并放出大量的热用来副产蒸汽。产品气最终经分水、加压、干燥后通过长输管线送达用户。

甲烷化合成核心在于催化剂。甲烷化装置一直以来较长时间都是采用工艺包提供商的催化剂。鉴于进口催化剂技术封锁，生产成本高，采购周期长等不利因素，大唐克旗煤制天然气公司联合国内研究院和催化剂生产单位，开发了DTC-M1S甲烷化催化剂。经试用和评估，DTC-M1S甲烷化催化剂完全满足甲烷合成反应要求，催化剂活性和运行压差均优于进口产品，各项指标均相对稳定，可以替代进口产品。

总之，煤制天然气不仅是我国清洁煤化工的一个发展方向，更是为劣质褐煤的清洁高效利用开创了一种全新途径。大唐克旗煤制天然气公司作为国内首套煤制天然气装置和首个国家示范项目，在项目的建设运营过程中尽管遇到了诸多的困难，但经过近10年技术和管理上的不断探索实践与改进创新，特别是近3年在各项瓶颈问题上的突破，已经解决了以劣质褐煤为原料的碎煤加压气化制取天然气工艺的一系列问题，真正实现了示范引领作用。