什么是煤制天然氣氣化工藝的合理配置選項(xiàng)？

2016-11-09 15:52:06 來(lái)源:

近來(lái)受國(guó)際原油價(jià)格大幅下跌、國(guó)內(nèi)資源環(huán)境約束及環(huán)保壓力日趨增強(qiáng)等諸多因素影響，我國(guó)現(xiàn)代煤化工包括煤制天然氣行業(yè)面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。國(guó)家對(duì)煤制天然氣行業(yè)的政策指導(dǎo)意見、準(zhǔn)入條件的設(shè)定，也給煤制天然氣行業(yè)的建設(shè)和發(fā)展提出了新的、更高的要求。本文對(duì)煤制天然氣項(xiàng)目國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀、煤制天然氣工藝技術(shù)特點(diǎn)及最新進(jìn)展、擬建煤制天然氣項(xiàng)目必須滿足的技術(shù)指標(biāo)、項(xiàng)目所必需的環(huán)境保護(hù)措施等方面加以闡述，供項(xiàng)目建設(shè)方和業(yè)內(nèi)同行參考。

1、概述

“十二五”時(shí)期，我國(guó)以石油替代產(chǎn)品為主要方向的現(xiàn)代煤化工，隨著一批示范工程的建成投產(chǎn)，快速步入產(chǎn)業(yè)化軌道，產(chǎn)業(yè)規(guī)模快速增長(zhǎng)；技術(shù)創(chuàng)新取得重大突破解決了一大批產(chǎn)業(yè)化、工程化和大型裝備制造等難題。以煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制氣為主的現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目均打通了工藝流程，產(chǎn)業(yè)規(guī)模快速增長(zhǎng)。其中，我國(guó)煤制天然氣行業(yè)2015年產(chǎn)能達(dá)到31億立方米，產(chǎn)量16億立方米。大唐克旗、新疆慶華等煤制氣項(xiàng)目連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)負(fù)荷也不斷提高。

但近兩年來(lái)，受國(guó)際原油價(jià)格大幅下跌、美國(guó)頁(yè)巖氣規(guī)模化開發(fā)和全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩等因素影響，世界能源供需格局發(fā)生了較大變化，油、氣市場(chǎng)供應(yīng)的日趨寬松，削弱了現(xiàn)代煤化工的成本優(yōu)勢(shì)，再加之國(guó)內(nèi)資源環(huán)境約束的日趨增強(qiáng)等諸多因素，我國(guó)現(xiàn)代煤化工及煤制燃料行業(yè)也正面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。

國(guó)家能源局在2015年7月發(fā)布的《關(guān)于規(guī)范煤制燃料示范工作的指導(dǎo)意見》（第二次征求意見稿）中指出：“十三五”期間，煤制燃料產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)是圍繞能效、環(huán)保、節(jié)水及技術(shù)裝備自主化等內(nèi)容開展產(chǎn)業(yè)化升級(jí)示范。在全面總結(jié)已建示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和問題的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)布局、嚴(yán)格準(zhǔn)入，穩(wěn)步推進(jìn)煤制燃料示范項(xiàng)目建設(shè)，依托示范項(xiàng)目不斷完善國(guó)內(nèi)自主技術(shù)，加快轉(zhuǎn)變煤炭利用方式，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)油氣保障能力，為能源革命提供堅(jiān)強(qiáng)支撐。

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)化石能源為主，國(guó)內(nèi)能源市場(chǎng)對(duì)進(jìn)口石油、天然氣的依賴程度逐年上升。因此，發(fā)展替代能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率，充分利用我國(guó)相對(duì)豐富的煤炭資源，推進(jìn)包括煤制天然氣在內(nèi)的煤的清潔利用，仍是我國(guó)保障能源安全、緩解資源環(huán)境約束的長(zhǎng)遠(yuǎn)能源戰(zhàn)略目標(biāo)。

國(guó)家能源局在2015年編制的《煤炭深加工十三五規(guī)劃》（初稿）中提出：“十三五”期間，通過升級(jí)發(fā)展建成一批具有煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化、環(huán)境友好、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的煤制油、煤制烯烴和煤制氣項(xiàng)目，其中煤制油產(chǎn)能力爭(zhēng)達(dá)到1000萬(wàn)噸，煤制烯烴力爭(zhēng)達(dá)到1000萬(wàn)噸，煤制天然氣項(xiàng)目產(chǎn)能力爭(zhēng)達(dá)到300億方。

今年3月起，國(guó)家環(huán)保部陸續(xù)批復(fù)了如中海油山西大同低變質(zhì)煙煤清潔利用示范項(xiàng)目等數(shù)個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目的環(huán)境影響報(bào)告書，對(duì)推動(dòng)我國(guó)煤制天然氣領(lǐng)域工業(yè)化示范及發(fā)展帶來(lái)積極影響，同時(shí)也對(duì)煤制氣項(xiàng)目建設(shè)方和工程設(shè)計(jì)方提出了更高的要求。

2煤制天然氣工藝技術(shù)

2.1煤氣化工藝

工業(yè)上以煤為原料生產(chǎn)合成氣已有百余年歷史，國(guó)外煤氣化技術(shù)的發(fā)展可分為三個(gè)階段，早在二十世紀(jì)五十年代煤氣化技術(shù)就已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，后因天然氣、石油的大量開發(fā)，煤氣化技術(shù)的開發(fā)一度停止；二十世紀(jì)七十年代初，國(guó)際性能源危機(jī)導(dǎo)致許多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛尋找替代能源，各國(guó)對(duì)煤氣化技術(shù)的研究重新提上日程；近二十年來(lái)，國(guó)外許多公司為了提高燃煤電廠熱效率，減少對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大量的工作，進(jìn)一步促進(jìn)了煤氣化技術(shù)的發(fā)展。

根據(jù)煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和燃料在氣化爐中進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，煤氣化工藝可分為三種類型：固定床（移動(dòng)床）、流化床和氣流床。

2.1.1固定床煤氣化工藝

固定床氣化爐中通常原料煤從爐頂部加入，氣化劑從爐底部送入。爐中一般分為干燥層、干餾層、還原層和燃燒層，在不同的區(qū)域中，各個(gè)反應(yīng)過程所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域界面比較明顯。

傳統(tǒng)的常壓固定床煤氣化爐以空氣（或富氧）和水蒸汽為氣化劑，大多以無(wú)煙塊煤為原料，具有單爐氣化強(qiáng)度小、碳轉(zhuǎn)化率低、排出的污染物多等缺點(diǎn)。

★魯奇氣化工藝

以魯奇氣化技術(shù)為代表的固定床加壓煤氣化技術(shù)研發(fā)起始于1927年，當(dāng)時(shí)主要進(jìn)行褐煤完全氣化試驗(yàn)，并于1936年首次在Hirechfelde建廠。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，魯奇不斷改進(jìn)爐型和工藝，使得該氣化技術(shù)漸趨成熟，煤種適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，煤處理能力也不斷提高，先后開發(fā)出五代爐型。目前得到廣泛應(yīng)用的為魯奇FBDBTMMk4型氣化爐，世界范圍內(nèi)大約有101臺(tái)正在運(yùn)行中，運(yùn)行狀況良好。MK+氣化爐為魯奇公司在Mk4和Mk5型氣化爐運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的最新一代氣化爐。

魯奇氣化工藝（Mk+）具有以下特點(diǎn)：

（1）采用5-50mm的塊煤進(jìn)料，要求煤的反應(yīng)性好、無(wú)粘結(jié)性和弱粘結(jié)性、機(jī)械強(qiáng)度較高、灰熔融溫度較高。因此適宜的煤種為褐煤、次煙煤、貧煤和無(wú)煙煤，對(duì)一些水分較高(20-30%)和灰分較高(如30%)的劣質(zhì)煤也適用。

（2）氣化為干法排灰，氧耗較低，約為氣流床氧耗的43%，可較大幅度節(jié)省配套空分裝置投資。

（3）氣化產(chǎn)生的煤氣中CH4含量較高，達(dá)10%以上，適合于生產(chǎn)城市煤氣和天然氣。

（4）粗煤氣中H2/CO約為2.0，不經(jīng)變換或少量變換即可用于F-T合成、甲醇合成、天然氣合成等產(chǎn)品生產(chǎn)。

（5）固定床氣化氣、固兩相逆流接觸，通過逆流操作實(shí)現(xiàn)高的“冷煤氣”熱效率，達(dá)到90%以上。

（6）氣化工藝成熟，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率高、裝置造價(jià)較低。

（7）單臺(tái)氣化爐日投煤量可達(dá)2400噸，減少設(shè)備臺(tái)數(shù)，節(jié)省裝置投資。

（8）氣化爐擁有很寬的停車負(fù)荷比率，其典型的下限值可達(dá)40%。這意味著氣化爐可以在低于最大負(fù)荷的1/3負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。此外，可以快速地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化，一般為每分鐘5%負(fù)荷變化，并對(duì)產(chǎn)氣組成或氣化爐操作性沒有任何不利影響。

（9）開車時(shí)間短，氣化爐從冷態(tài)開車至全負(fù)荷通常只需要10小時(shí)。

（10）采用雙煤鎖系統(tǒng)，通過有序的壓力平衡步驟，煤鎖氣從一個(gè)煤鎖通過減壓進(jìn)入另一個(gè)煤鎖，在提高煤處理量的同時(shí)顯著減少煤鎖氣用量。

其不足之處在于：

（1）氣化廢水中含有焦油、苯酚，氨等雜質(zhì)，處理成本高；

（2）氣化產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有經(jīng)過深加工后才具有較好的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

★BGL煤氣化工藝

英國(guó)燃?xì)夤驹谠斊婀潭ù布訅簹饣癄t技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了液態(tài)排渣的BGL煤氣化工藝。自上世紀(jì)70-80年代技術(shù)開發(fā)至90年代初，BGL技術(shù)完成了大規(guī)模中試和工業(yè)化示范，積累了大量的試燒數(shù)據(jù)，開發(fā)了完整的氣化模擬分析軟件、操作手冊(cè)和設(shè)計(jì)手冊(cè)。

90年代中后期，在德國(guó)東部德累斯頓附近的黑水泵（SchwarzePumpe）煤氣化廠建設(shè)了一臺(tái)內(nèi)徑3.6米的BGL氣化爐生產(chǎn)合成氣，為大型發(fā)電廠提供燃料氣、為甲醇生產(chǎn)提供原料氣。氣化廢水經(jīng)處理后，達(dá)到歐盟和德國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，排入附近河流。

國(guó)內(nèi)云南解化集團(tuán)2005年應(yīng)用BGL熔渣氣化技術(shù)改造原有的魯奇氣化爐，2006年10月完成改造開車成功。后于2008年9月建設(shè)3臺(tái)BGL氣化爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)20萬(wàn)噸甲醇、15萬(wàn)噸二甲醚和8萬(wàn)噸合成氨，2009年末建成投產(chǎn)。后續(xù)有云天化金星和中煤圖克項(xiàng)目采用了BGL爐。其中在中煤圖克大化肥一期工程年產(chǎn)100萬(wàn)噸合成氨175萬(wàn)噸尿素項(xiàng)目中，氣化裝置配置7套BGL氣化裝置。項(xiàng)目于2013投料試車，2015年12月通過現(xiàn)場(chǎng)考核，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行。

BGL爐操作時(shí)通過調(diào)節(jié)供入燃燒區(qū)蒸汽和氧氣的量來(lái)控制燃燒區(qū)溫度，以實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣。通過提高操作溫度，提高了碳的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)，蒸汽分解率也大大提高，減少了氣化產(chǎn)生的廢水量。BGL熔渣氣化工藝具有以下特點(diǎn)：

（1）所產(chǎn)煤氣中CH4含量高，適合于生產(chǎn)城市煤氣和天然氣；

（2）BGL氣化區(qū)溫度在1300℃-1600℃范圍，氣化率及氣化強(qiáng)度較高；

（3）冷煤氣效率高（>89％，焦油等副產(chǎn)品計(jì)算在內(nèi)）、碳轉(zhuǎn)化率最高（>99%）、熱效率高、氧耗低（與氣流床技術(shù)相比較）；

（4）對(duì)煤種的選擇范圍較寬，可氣化石油焦、無(wú)煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤；

（5）氣化蒸汽用量為傳統(tǒng)固定床氣化工藝的20%左右，蒸汽分解率超過90%，產(chǎn)生的廢水量大為減少；

該工藝不足之處有：

（1）以塊煤進(jìn)料，在不易獲得塊煤的地方需要增加型煤裝置，投資和成本較高；

（2）適合低灰熔點(diǎn)的煤，當(dāng)使用高灰熔點(diǎn)煤時(shí)需添加適量的助熔劑；

（3）爐內(nèi)使用的耐火材料需能耐高溫和抗腐蝕性能，必須致密、孔徑小，不含活性鐵，對(duì)排渣口的耐火材料要求更高；

（4）排渣是整個(gè)操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，相對(duì)魯奇爐更為復(fù)雜；

（5）氣化廢水中含有焦油、苯酚，氨等雜質(zhì)，處理成本高。

★碎煤加壓氣化技術(shù)

國(guó)內(nèi)賽鼎工程有限公司基于與魯奇公司、PKM公司等合作及參與設(shè)計(jì)了多個(gè)國(guó)內(nèi)引進(jìn)魯奇爐的氣化項(xiàng)目，積累了較為豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。“七五”～“九五”期間完成了國(guó)家科技攻關(guān)課題《魯奇碎煤加壓氣化日產(chǎn)100萬(wàn)方城市煤氣基礎(chǔ)設(shè)計(jì)》，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了自主創(chuàng)新的碎煤加壓氣化技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)煤制天然氣方面，賽鼎公司開發(fā)的Φ3.8m、氣化壓力4.0MPa碎煤加壓氣化爐，應(yīng)用于新疆慶華煤制天然氣項(xiàng)目以及大唐克旗及大唐阜新煤制天然氣項(xiàng)目。

碎煤加壓氣化工藝主要特點(diǎn)為：

（1）原料適應(yīng)范圍廣，除黏結(jié)性較強(qiáng)的煙煤外，從褐煤到無(wú)煙煤都能氣化，并能氣化高水分、高灰份的劣質(zhì)煤；

（2）合成氣中含有大量的CH4，對(duì)于以煤為原料生產(chǎn)城市煤氣更有利；

（3）國(guó)內(nèi)自主技術(shù)，單元裝置投資低；

（4）氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定。

但該工藝也存在缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

（1）氣化及后序處理單元產(chǎn)生廢水多，廢水成份復(fù)雜，廢水處理困難，處理成本較高；

（2）煤氣中含有較多的焦油、酚、氨等雜質(zhì)，后工序不易處理。

（3）目前較為成熟的Ф3.8m氣化爐與魯奇Mk+氣化爐和BGL氣化爐相比，氣化強(qiáng)度低，單爐產(chǎn)量低，對(duì)于大型項(xiàng)目需要較多氣化爐臺(tái)數(shù)，增大了總投資費(fèi)用。

2.1.2流化床煤氣化工藝

流化床氣化爐采用粉煤為原料，用氣化劑來(lái)進(jìn)行床層的流化，為防止灰熔化，溫度常保持在1000℃以下。目前流化床氣化爐的代表有KBR氣化技術(shù)。

KBR提升管氣化爐(也稱之為TRIG)是一種先進(jìn)的循環(huán)流化床反應(yīng)器，沒有內(nèi)部或移動(dòng)部件。設(shè)計(jì)在空氣和氧氣兩種模式下都可工作。TRIG的機(jī)械設(shè)計(jì)和操作是基于KBR的流化催化裂化(FCC)技術(shù)，流化催化裂化技術(shù)已有60多年的成功商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。TRIG與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床相比，其固體循環(huán)速率和氣體速度要快很多，提升管密度要高很多。因此具有較高的生產(chǎn)能力和碳轉(zhuǎn)化率、混合均勻、傳熱和傳質(zhì)速率較高。TRIG具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）尤其適合于高灰份和高水份的低階煤，如褐煤、次煙煤等；

（2）加壓氣化技術(shù)，溫和的操作溫度。操作壓力3.4-4.0MPaG，操作溫度一般在900-1000°C；

（3）氣化爐采用碳鋼外殼加耐火材料設(shè)計(jì)，無(wú)內(nèi)部件、膨脹節(jié)和煤燒嘴，無(wú)任何易損件。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造費(fèi)用低廉；

（4）低成本、高壽命的耐火材料，設(shè)計(jì)壽命10年以上；

（5）較低的水耗量和氧耗量；

（6）清潔的合成氣產(chǎn)品，不含焦油和酚類；

（7）不產(chǎn)生任何黑水；

（8）廢熱鍋爐副產(chǎn)大量高品位的過熱高壓蒸汽。

但TRIG尚無(wú)商業(yè)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，亟需在工業(yè)示范裝置上進(jìn)行應(yīng)用和完善。

2.1.3氣流床煤氣化工藝

氣流床氣化是一種并流式氣化，氣化劑與煤粉或煤漿經(jīng)噴嘴進(jìn)入氣化室，煤的熱解、燃燒以及氣化反應(yīng)幾乎同時(shí)進(jìn)行，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質(zhì)成為熔渣后離開氣化爐。目前典型的以煤為原料的氣流床工藝有：Shell粉煤氣化工藝、Texaco水煤漿加壓氣化工藝、E-gas水煤漿加壓氣化工藝、GSP粉煤氣化工藝和“東方爐”粉煤氣化等。

★Shell粉煤氣化工藝

Shell公司的SCGP粉煤氣化工藝，是近年發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)煤氣化工藝之一，最初成功地用于荷蘭聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工廠的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。中國(guó)國(guó)內(nèi)從2001年湖北雙環(huán)首臺(tái)引進(jìn)殼牌爐投運(yùn)開始，至新近已安裝待投運(yùn)的山西潞安煤制油項(xiàng)目和云天化內(nèi)蒙金星項(xiàng)目，已有近30臺(tái)/套殼牌氣化爐在國(guó)內(nèi)煤化工領(lǐng)域得到應(yīng)用。該氣化技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用干煤粉進(jìn)料，加壓N2/CO2輸送，連續(xù)性好，氣化爐操作穩(wěn)定，煤種適應(yīng)性廣，從煙煤、褐煤到石油焦均可氣化，對(duì)煤的活性沒有要求，對(duì)煤的灰分含量及灰熔點(diǎn)適應(yīng)范圍比其它氣化工藝更寬。對(duì)于高灰份、高水份，含硫量高的煤種同樣適應(yīng)；

（2）氣化溫度約1300～1700℃，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，煤氣中有效氣體(CO+H2)達(dá)到90%左右；

（3）氧耗低，與水煤漿氣化相比，氧耗低15～25%，因而配套的空分裝置投資可減少。

（4）單爐生產(chǎn)能力大，目前已投入商業(yè)運(yùn)行的單臺(tái)爐氣化壓力4.0MPa，日處理煤量已達(dá)3000噸；

（5）熱效率高，冷煤氣效率77～83%（德士古冷煤氣效率約為75%）。其余15%熱能被回收為中壓或高壓蒸汽，總的熱效率約為98%左右；

（6）氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無(wú)耐火磚襯里，維護(hù)量較少，氣化爐內(nèi)無(wú)傳動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，無(wú)需備用爐；

（7）氣化爐燒嘴及控制系統(tǒng)安全可靠。殼牌公司氣化燒嘴設(shè)計(jì)壽命為8000小時(shí)，Demkolec電廠使用燒嘴4年中未出現(xiàn)問題；

（8）氣化操作采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，設(shè)有必要的安全聯(lián)鎖，氣化操作于最佳狀態(tài)下運(yùn)行；

（9）殼牌煤氣化環(huán)保效益好。爐渣和灰可用作水泥摻合劑或道路建造材料。氣化爐高溫排出的熔渣經(jīng)激冷后成玻璃狀顆粒，性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境幾乎沒有影響。氣化污水中含氰化物少，容易處理。

★GE-Texaco水煤漿加壓氣化工藝

美國(guó)GE（TEXACO）公司在天然氣和重油為原料生產(chǎn)合成氣技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)多年研究以后，推出了水煤漿氣化工藝。該工藝采用水煤漿進(jìn)料、液態(tài)排渣、在氣流床中加壓氣化，水煤漿與純氧在高溫高壓下反應(yīng)生成煤氣。國(guó)內(nèi)引進(jìn)的渭河、魯南、上海焦化、淮南等多套裝置，均已投運(yùn)。

GE工藝具有特點(diǎn)如下：

（1）對(duì)煤種有一定適應(yīng)性。除了含水高的褐煤以外，各種煙煤、石油焦、煤加氫液化殘?jiān)勺鳛闅饣希阅贻p煙煤為主，對(duì)煤的粒度、粘結(jié)性、硫含量沒有嚴(yán)格要求。但是，國(guó)內(nèi)企業(yè)運(yùn)行證實(shí)水煤漿氣化對(duì)使用煤質(zhì)仍有一定的選擇性：氣化用煤的灰熔點(diǎn)溫度T3值低于1350℃時(shí)有利于氣化；煤中灰分含量不超過15%為宜，越低越好。

（2）氣化壓力高。工業(yè)裝置使用壓力在2.8-8.7MPaG之間，可根據(jù)使用煤氣的需要來(lái)選擇。

（3）氣化技術(shù)成熟。制備的水煤漿可用隔膜泵來(lái)輸送，操作安全又便于計(jì)量控制。氣化爐為專門設(shè)計(jì)的熱壁爐，為維持1350-1400℃溫度下反應(yīng)，燃燒室內(nèi)由多層特種耐火磚砌筑。熱回收有激冷和廢鍋兩種類型，可以根據(jù)煤氣用途加以選擇。

（4）合成氣質(zhì)量較好。其有效組分（CO+H2）含量占80vol%，甲烷量<0.1%。碳轉(zhuǎn)化率95-98%。冷煤氣效率70-76%，氣化指標(biāo)較為先進(jìn)。由于水煤漿中通常含有35-40%水分，因而氧氣用量較大。

（5）對(duì)環(huán)境影響較小。氣化過程不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物，故廢水治理簡(jiǎn)單，易達(dá)到排放指標(biāo)。高溫排出的融渣，冷卻固化后可用于建筑材料，填埋時(shí)對(duì)環(huán)境也無(wú)影響。

但是，國(guó)內(nèi)企業(yè)運(yùn)行證實(shí)水煤漿氣化對(duì)使用煤質(zhì)有較強(qiáng)的選擇性：

（1）氣化用煤的灰熔點(diǎn)溫度低于1350℃時(shí)有利于氣化；

（2）煤中灰分含量不超過15%為宜，越低越好，煤的熱值高于26000kJ/kg；

（3）煤種具有較好的成漿性能，能制成58%以上濃度的水煤漿才有較好的經(jīng)濟(jì)性。

★E-gas水煤漿加壓氣化工藝

E-gas煤氣化工藝最早由路易斯安那氣化技術(shù)公司研究和開發(fā)的，計(jì)劃歷時(shí)10年，包括在1975年氣化爐原理的研究、在1979年建設(shè)36t/d試驗(yàn)裝置和在1982年1600t/d的示范裝置。在此基礎(chǔ)上于1987年在路易斯安那州的Plaquemine的工廠建成第1個(gè)商業(yè)性Dow氣化裝置IGCC項(xiàng)目。以次煙煤為原料，每天處理約2400t煤，發(fā)電160MW。該工藝與GE-Texaco煤氣化工藝齊名，同樣是水煤漿進(jìn)料、加壓純氧氣流床氣化工藝，因此其具有Texaco工藝的優(yōu)點(diǎn)。由于E-GAS氣化爐采用特有的兩段氣化的特點(diǎn)，因此與傳統(tǒng)的一段式水煤漿氣化技術(shù)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)：

（1）由于進(jìn)入氣化爐第二段的水煤漿，在不額外添加氧氣的條件下予以了轉(zhuǎn)換利用，從而減少了裝置的耗氧量；

（2）由于它通過調(diào)節(jié)二段水煤漿進(jìn)料，來(lái)調(diào)節(jié)合成氣中氫和一氧化碳的比例，從而有效降低了后序處理設(shè)備的成本；

（3）由于它通過調(diào)節(jié)二段水煤漿進(jìn)料、汽水等可實(shí)現(xiàn)合成氣中CH4含量～5％的調(diào)節(jié)。因此它對(duì)于生產(chǎn)天然氣的項(xiàng)目具有更大的優(yōu)勢(shì)；

（4）由于它的飛灰循環(huán)到氣化爐重新氣化，因此它的碳轉(zhuǎn)化率比一段式水煤漿氣化技術(shù)更高；

（5）由于它的飛灰循環(huán)到氣化爐重新氣化，所需要的煤漿中煤的粒徑可以更大，粒徑配比更合理有利于制得更高濃度的水煤漿，經(jīng)過初步估算在相同煤質(zhì)的情況下二段氣化技術(shù)所制得的水煤漿濃度比一段氣化技術(shù)所制的煤漿濃度高2%，這樣進(jìn)一步減少該氣化技術(shù)的氧耗。

★GSP氣化工藝

GSP干粉煤加壓氣化工藝，是20世紀(jì)70年代由前民主德國(guó)燃料研究所開發(fā)，首先在弗萊堡先后建成3MW、5MW的中試裝置：從事褐煤和含鹽褐煤的氣化研究，1984～1990年試驗(yàn)了42種褐煤和15種來(lái)自世界各地的硬煤。1984年在黑水泵廠建成了單爐每天投煤量720噸的示范裝置，該裝置于1989年原料改用廢油、焦油等各種漿狀廢料進(jìn)行。該裝置運(yùn)行了10多年，未更換過氣化爐燒嘴的主體和水冷壁。GSP工藝原由德國(guó)未來(lái)能源公司擁有，現(xiàn)歸西門子公司所有。目前GSP工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的業(yè)績(jī)?yōu)椋荷袢A寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤基烯烴項(xiàng)目的煤氣化裝置采用5套GSP氣化爐，單爐處理量約為2000噸/天，現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行。

GSP工藝是一種氣流床加壓氣化工藝（屬第二代氣化工藝），可以使用固體（干煤粉或垃圾）、液體（焦油等）、氣體（天然氣等）為原料，原則上可以處理各種各樣的煤和廢物，該工藝的主要特點(diǎn)如下：

（1）干煤粉進(jìn)料，加壓二氧化碳輸送，連續(xù)性好，煤種適應(yīng)性廣。

采用濃相輸送干煤粉進(jìn)料，將煤研磨至氣化合適粒度的同時(shí)，用加熱的惰性氣體進(jìn)行干燥，充分利用全廠燃料氣，將煤粉干燥，避免燃料氣的外排及環(huán)境污染。

（2）干燥后煤粉輸送至貯倉(cāng)，通過加壓倉(cāng)加壓用CO2輸送至粉煤倉(cāng)，再由CO2將煤粉均勻送至氣化爐燒嘴。整個(gè)過程用CO2密封輸送，并由程序控制自動(dòng)進(jìn)行，實(shí)踐證實(shí)這種加壓下輸送粉煤的進(jìn)料方式，操作可靠，安全性有保證；

（3）氣化溫度約1350～1750℃，氣化壓力～4.0MPa，液態(tài)排渣，渣中含碳～1%。碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，甲烷含量極低，煤氣中有效氣體(CO+H2)～90%；

（4）氧耗低，與水煤漿氣化相比，氧耗低10～15%，因而配套的空分裝置投資可相應(yīng)減少。

（5）負(fù)荷變化為75～110%，目前已投入商業(yè)運(yùn)行的單臺(tái)爐生產(chǎn)能力可達(dá)日處理煤量2000噸，約產(chǎn)有效氣(CO+H2)120000Nm3/h。

（6）熱效率高，冷煤氣效率75～82%，其余～10%熱能被回收為低壓蒸汽，總的熱效率約為90%。

（7）氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無(wú)耐火磚襯里，維護(hù)量較少，氣化爐利用率高，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，無(wú)需備用爐，氣化爐及內(nèi)襯使用壽命在10年以上。

（8）氣化爐由一個(gè)組合式燒嘴（開工噴嘴與煤噴嘴一體化）、氣化室、激冷室及承壓外殼組成。膜壁和外殼間有約50mm間隙，間隙充CO2、N2或粗合成氣，水冷壁水冷管內(nèi)的水采用強(qiáng)制密閉循環(huán)，在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)副產(chǎn)低壓蒸汽。

（9）采用激冷和濕法除灰工藝，因而其投資較低。

2.1.4煤氣化工藝技術(shù)的選擇

在以煤為原料通過加壓氣化生產(chǎn)粗煤氣用于生產(chǎn)化學(xué)品的工程中，煤氣化裝置所占總投資比例較高，因而選擇一種合適、可靠的煤氣化工藝對(duì)項(xiàng)目的工藝、公用工程配置以及投資影響較大。具體的煤制天然氣項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目本身?xiàng)l件以及各種氣化流程的特點(diǎn)，從煤種適應(yīng)性、大型化能力、可靠性、合成氣組成對(duì)工藝和公用工程配置的要求等方面進(jìn)行比較和分析，選擇出綜合性評(píng)價(jià)靠前的氣化技術(shù)再進(jìn)一步研究。

（1）煤種適應(yīng)性

我國(guó)煤炭資源分布中煤種各異，性質(zhì)不一，不同的煤氣化工藝對(duì)原料煤有著不同的適應(yīng)性和適用性，選擇煤氣化技術(shù)主要從煤質(zhì)數(shù)據(jù)中的灰分含量、灰熔點(diǎn)、揮發(fā)分，反應(yīng)活性，熱穩(wěn)定性，成漿性等方面進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的考慮。某些煤種特定的指標(biāo)決定了氣化工藝方案選擇時(shí)的取舍。

（2）大型化能力

煤制天然氣項(xiàng)目規(guī)模較大，氣化爐為多臺(tái)并聯(lián)操作，單臺(tái)氣化爐的能力是影響氣化技術(shù)比選的一個(gè)重要因素，能力大的爐型可以減少氣化爐臺(tái)數(shù)，節(jié)約占地和投資。

（3）運(yùn)行可靠性

碎煤加壓氣化、Shell氣化、GSP氣化目前國(guó)內(nèi)均有正在運(yùn)行的裝置，MK+氣化工藝和東方爐暫無(wú)運(yùn)行業(yè)績(jī)。

目前國(guó)內(nèi)采用碎煤加壓氣化工藝的氣化爐數(shù)量達(dá)到158臺(tái)，其中70臺(tái)處于建設(shè)中，64臺(tái)正在試車，24臺(tái)投入運(yùn)行。實(shí)踐證明，該氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在線率高。

Shell干煤粉氣化技術(shù)是第一種進(jìn)入中國(guó)的干煤粉氣化技術(shù)，到目前為止國(guó)內(nèi)已引進(jìn)了22套共29臺(tái)氣化爐用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、氫氣、煤制烯烴、煤制油等，其中已投產(chǎn)的有23臺(tái)氣化爐。

GSP氣化工藝在神華寧夏煤基烯烴項(xiàng)目5臺(tái)投煤量2000t/d的氣化爐已投運(yùn)。

（4）合成氣質(zhì)量

煤制天然氣項(xiàng)目以生產(chǎn)天然氣為目的，粗煤氣中含有CH4可以減少后續(xù)裝置的規(guī)模和投資。其它惰性氣要求越低越好。

按照粗煤氣中CH4含量，依次是Mk+（～11.1%）＞碎煤加壓氣化（～10.5%）＞Shell=GSP=東方爐。因此從目標(biāo)產(chǎn)品考慮，Mk+工藝最好，碎煤加壓氣化次之，其它粉煤氣化技術(shù)相差不大。

2.1.5氣化工藝的組合配置

如屬于基于選定目標(biāo)煤礦上下游一體化的煤化工項(xiàng)目，本著資源合理充分利用和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的原則，項(xiàng)目煤礦所產(chǎn)的煤炭資源應(yīng)實(shí)現(xiàn)全部利用，尤其是價(jià)格低、單獨(dú)銷售困難和不易長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)姆勖焊鼞?yīng)該全部就地利用。

隨著煤礦機(jī)械化生產(chǎn)水平的提高，所產(chǎn)煤炭中粉煤的比例越來(lái)越高。通常情況下，煤礦所產(chǎn)原煤5mm以下的產(chǎn)率約占40%，5-50mm產(chǎn)率約占60%，因此，煤制天然氣項(xiàng)目煤氣化裝置原料煤按照塊煤、粉煤為1：1的比例考慮是合適的。

采用碎煤氣化技術(shù)生產(chǎn)煤制天然氣與采用粉煤氣化技術(shù)生產(chǎn)煤制天然氣相比，在投資和技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面有一定優(yōu)勢(shì)。但碎煤氣化要求原料煤必須是塊煤，如原料塊煤不足則需要建設(shè)型煤裝置將粉煤成型。型煤裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，用于碎煤氣化裝置還有一定問題（主要是熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度）；如果將這部分粉煤用于粉煤氣化，與碎煤氣化結(jié)合，以組合氣化工藝方案生產(chǎn)煤制天然氣的投資及操作費(fèi)用現(xiàn)值比單獨(dú)采用碎煤氣化工藝還低，故煤制天然氣項(xiàng)目采用碎煤氣化和粉煤氣化組合氣化工藝方案是一種合理的配置選擇。

（來(lái)源：化化網(wǎng)煤化工節(jié)選自《煤炭加工與綜合利用》雜志2016年第10期《煤制天然氣技術(shù)與應(yīng)用最新進(jìn)展》作者：中國(guó)五環(huán)工程公司副總工程師肖曉愚）