煤制天然氣煤氣化工藝選擇

第29卷第3期天津化工Vol.29 No.32015年5月Tianjin Chemical IndustryMay.2015煤制天然氣煤氣化工藝選擇李斌(天津渤化永利化工公司煤化工事業(yè)部,天津30000)摘要:本文介紹了我國天然氣消費現狀和渤化內蒙煤制天然氣項目基本情況。以該項目工藝比選確定為主線(xiàn),提出以煤定爐的工藝比選原則,在對項目煤質(zhì)進(jìn)行全面分析的基礎上,根據不同煤氣化工藝對該煤的適應性,進(jìn)行了氣化工藝的比選和確定。關(guān)鍵詞:煤制天然氣;煤氣化工藝;碎煤加壓氣化;煤質(zhì)指標doi: 10.3969/j.issn.1008- 1267.2015.03.002中圖分類(lèi)號:TQ546文獻標志碼:A文章編號:1008-1267(2015)03-0004-04魯奇爐MK4和MK5(1969~2008)、第四代魯奇1煤氣化工藝的介紹MK+。按照氣化爐的物料流動(dòng)方式來(lái)劃分,氣化工藝上世紀70年代,魯奇公司在第二代氣化爐的基主要分有三大類(lèi)(表1):固定床、流化床和氣流床。礎上加以改進(jìn),形成了MK4型氣化爐。MK4型是當固定床技術(shù)分常壓和加壓技術(shù),基于篇幅,本文只介今世界上使用最多的爐型,該爐型可氣化除強黏結紹加壓固定床氣化。性煙煤外的幾乎所有煤種,且生產(chǎn)能力及在線(xiàn)率得1.1 魯奇氣化技術(shù)(魯奇MK4和MK+)以大幅提升,最高分別達到65000Nm2/h和93%,產(chǎn)魯奇FBDB煤氣化技術(shù)從上世紀30年代至今的品單耗也有所下降。.發(fā)展經(jīng)歷大概可以分為四個(gè)階段:第一代魯奇爐.收稿日期:2015- 03-11(1936 ~ 1954)、第二代魯奇爐(1952 ~ 1965)第三代作者簡(jiǎn)介:李斌( 1973-),男,本科,高I,長(cháng)期從事煤氣化的技術(shù)和管理工作[D].中國礦業(yè)大學(xué), 2011.[12]衣麗霞,王學(xué)魁扎布耶鹽湖冷凍后鹵水常溫蒸發(fā)(20C)析鹽[2]禹文龍北大池鹽湖鹵水析鹽規律的研究[]鹽業(yè)與化工.規律[]海湖鹽與化工, 2002,31(4):4-8.2010, 39(3); 33-35.[13]桑世華,卜令忠侯彩紅等扎布耶鹽湖鹵水-10C冷凍后0吣[3]徐文芳,沙作良,王彥飛，廖耀華.查波措鹽湖鹵水凍硝過(guò)程的等溫蒸發(fā)實(shí)驗研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報.2010,37(5); 518- -522研究[]鹽業(yè)與化工2011, 40(6); 8-14.[ 14 ]曾英,林曉峰,盂世軍四元體系Li+,K +//CO3-，[4]陳麗芳,陳俠，孫之南.達板城鹽湖鹵水綜合利用工藝研究[].鹽B.0號-H2O 273 K介穩相平衡研究[]化學(xué)工程.2008, 3619);:業(yè)與化工.2006, 35(5): 5-8.47- 50.[5]李樹(shù)生,靳志玲,等.定邊鹽湖鹵水析鹽規律的研究[].鹽業(yè)與[15]王瑞麟,曾英.四元體系Na: /CIr ,CO子，B,03 -H20273K介化工.2008, 37(5):1-16.穩相平衡研究[J].礦物巖石,2008, 28(4):109-112.[6]索智錄,張占良.東臺吉乃湖鹵水脫鈉后冬季鹽田生產(chǎn)最佳工[ 16]曹付家.五元體系Na" /CI , CO32 , SsO.*, B.0-*-H20273 K介穩藝研究[J]鹽業(yè)與化工.2009, 39(2); 23-25.相平衡實(shí)驗研究[D],成都:成都理工大學(xué), 2012.[7]目亦功湖鹽在低溫下鹵水濃縮析鹽規律探討[J].科技信息.[ 17 ]烏志明,鄧小川鹽水冷凍淡化研究[].無(wú)機鹽工業(yè),2001, 332013, 15.(2):6-8.[8]杜鵑,袁建軍,張愛(ài)群.硫酸鈉型鹽礦鹵水冷凍法脫巰的研究[ 18 ]烏志明,鄭綿平,劉喜方,等.多格錯仁鹽湖鹵水冷凍、日曬兩[]中國井礦鹽2008, 39(3); 10-12步法濃縮制鹵研究[J].無(wú)機化學(xué)學(xué)報, 2012, 285);99 1000.[9]付振海,張志宏，馬艷芳,等硫酸鹽型鹵水低溫處理及其液相[ 19 ]張霞,黃雪莉,等.含硝酸鹽水鹽體系降溫過(guò)程研究[J].無(wú)機鹽蒸發(fā)析鹽規律的理論研究[].無(wú)機鹽工業(yè)2013, 45(2): 29 -32.工業(yè), 2014, 46(4): 18-21.[ 10 ]馬林,尚小剛，劉春娥，等硫酸鹽型鹵水降溫新鹽特征初步分[ 20 ]張霞.新疆含硝酸鹽鹵水低溫相平衡研究[D]新疆:新疆大析[].青?？萍? 2008, 3:23-. -26.學(xué).2014.中國煤化工.[11]張永生，乜貞,鄭綿平.富含碳酸鹽型鹵水在系列冷凍溫度下[21 ]高世揚,.HCNMHG鹵水的冷凍實(shí)驗[1組成演變[]海湖鹽與化工, 2001, 30(1):3-6.鹽湖研究,.第29卷第3期李斌:煤制天然氣煤氣化工藝選擇表1煤氣化工藝介紹續表3國產(chǎn)碎煤加壓氣化主要 業(yè)績(jì)分類(lèi)類(lèi)別爐型氣化爐投產(chǎn)序號企業(yè)用途固定床常壓固定床UGI、富氧連續氣化臺數2013年一-其情況加壓固定床魯奇MK+、MK4、BCL煤制氣項目煤制天然氣流化床HTW、恩德?tīng)t、灰熔聚、KBR大唐阜新干粉氣殼牌、科林、GSP、航天、煤制天然氣-期在建東方爐氣流床新汶礦業(yè)在建水煤漿.德士古、多噴嘴氣化、多元料漿、清華爐、E-Gas近年在煤制氣示范項目中大部分采用賽鼎碎表2中國引進(jìn)的魯 奇氣化爐和衍生魯奇爐煤加壓氣化工藝,該技術(shù)具有投資低設計成熟、運臺數/爐型專(zhuān)利技術(shù) 建設時(shí)間行穩定和建設周期短的特點(diǎn),部分企業(yè)全系統在線(xiàn)原云南解放軍二代爐前蘇聯(lián)1958年率可達到360天,單爐在線(xiàn)率也可實(shí)現80%以上?；蕪S(chǎng)由于操作溫度相對較低,蒸汽分解率僅有30%~山西天脊煤化工4臺，MK4魯奇1987年45%,再加上中高溫的干餾產(chǎn)物較多,使得該工藝廢公司水產(chǎn)量高,且含較多的難于處理的多烴、環(huán)烴和芳蘭州煤氣廠(chǎng)捷克1991年烴類(lèi)物質(zhì),對下游的水處理要求較高,環(huán)保排放的哈爾濱依蘭煤氣廠(chǎng)5臺，MK4東德1993年壓力也相對較大。河南義馬煤氣廠(chǎng)4臺 ，MK4魯奇1998年2項目煤質(zhì)情況和煤 氣化工藝分析魯奇公司在總結完善MK4氣化爐的基礎上將其升級設計為MK+氣化技術(shù),在硬件上做了如下改渤化內蒙古煤制氣項目配置煤為準葛爾地區進(jìn):氣化爐高度由12.5m增至17m,外徑由4.13m擴不連溝礦區煤，該煤屬于特高灰熔點(diǎn)、特低硅鋁比至5.05m,同時(shí)創(chuàng )新性地將氣化爐設計壓力提升到和中低熱值的長(cháng)焰煤,同時(shí)該煤具有活性好,含油6.0MPa(操作壓力5.0MPa) ,不僅使單爐生產(chǎn)能力達率高和機械強度及熱穩定性好的特點(diǎn)。到10萬(wàn)Nm2/h,同時(shí)粗煤氣的質(zhì)量指標實(shí)現了提升,通過(guò)對項目煤質(zhì)分析(表4),幾種主流高效的氧耗和蒸汽耗也有一定程度的 下降,為大型煤化工煤氣化工藝都不太適合,具體情況如下:項目的技術(shù)選擇又開(kāi)辟了一一個(gè)途徑(表2)。1)水煤漿氣化:在業(yè)內以穩定可靠著(zhù)稱(chēng),該氣化工藝要求煤種灰熔點(diǎn)低于1350(水冷壁式的清華1.2 國產(chǎn)碎煤加壓氣化技術(shù)上世紀70年代，賽鼎工程有限公司與德國魯奇爐可適度放寬),并要求煤種有較好的成漿性,- -般公司、PKM公司等合作,參與設計建設了天脊集團要求58%以上,太低對氣化爐運行的經(jīng)濟性有影合成氨裝置、哈爾濱依蘭煤氣工程、義馬煤氣化工響。煤科總院對本項目煤的成漿性進(jìn)行了試驗,平程在此基礎上采用自主開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù),獨立完成均可達64% ,采用級配工藝后可達到67%,可滿(mǎn)足制了太原爐的設計建設工作。至此,國內改進(jìn)型碎煤漿濃度要求。但由于灰熔點(diǎn)太高,變形溫度T2已經(jīng)加壓氣化技術(shù)進(jìn)人應用階段(表3)。大于1500C,需摻配10%的助熔劑方可將灰熔點(diǎn)降至要求值。按此計算,每標方有效氣將增加0.7分,表3_ 國產(chǎn)碎煤加壓氣化主要業(yè)績(jì)氧耗約有11%的增量,即使不考慮黑水系統的堵塞和爐內流渣的不穩定性,僅從運行的經(jīng)濟性上考慮山西潞安煤業(yè)62008年也不能選擇該工藝。集團合成氨、尿素2)粉煤加壓氣化:這是當今煤化工行業(yè)的主，新疆廣匯能源甲醇、二甲醚2013年流,對煤種有相對較寬的適應性。要求人爐煤灰熔點(diǎn)T4小于1400C,硅鋁比大于1.6(下行水激冷工藝國電赤峰可適當放寬)操作窗大干1209該煤種在配加化肥項目中國煤化工大唐克旗2013年-期8%的石灰石沮操作窗口只18有30C,表MHCNMHS差,這將使液.天津化工2015年5月.表4項目煤質(zhì)分析擇該工藝,只有大量摻配較高SiAL的煤并輔以助煤種項目煤源選煤熔劑方可使用?；诋數刂苓吤悍N資源所限不具序號名稱(chēng)來(lái)源備大規模配煤的條件,實(shí)際操作難度較大。單位設計煤種另外從經(jīng)濟運行角度分析,粉煤氣化工藝采用水分Mad w1%15.6此煤做原料也很難發(fā)揮其工藝優(yōu)勢。按當地公用灰分Adt%10.67工業(yè)分析物料價(jià)格計算,有效氣成本原煤約占44%,氧占揮發(fā)分Vd wt%37.0314%。由于較高的灰熔點(diǎn)需要摻配大量助熔劑,煤固定碳FCd wt%48.49耗和氧耗都會(huì )出現較大的上升。如按單煤種配加碳Cdnt%54.0210%助熔劑計算,實(shí)物煤耗將突破650Kg/Nm3,氧耗氫Hdwt%3.072元素分析也會(huì )上升至390Nm/Nm'有效氣,每標方有效氣增加氮Nd0.91成本4分。氧0d wr%10.21發(fā)熱量Qgr.adMJ/Kg21.023)碎煤加壓液態(tài)排渣爐:以BGL為代表的碎煤可磨指數HGI74液態(tài)排渣工藝是近年煤化工行業(yè)的一-個(gè)新秀 ,它以變形溫度DT1470高產(chǎn)能高效率和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)明顯超越了傳統軟化溫度ST C. > 1500的魯奇氣化工藝。但對于本項目煤種,液態(tài)排渣不灰熔點(diǎn)半球溫度Ht C> 1500暢和大量助熔劑添加的不經(jīng)濟問(wèn)題,同樣很難逾流動(dòng)溫度FT 0越。SiO2wt41.54綜上所述液態(tài)排渣工藝在目前的煤質(zhì)情況下Al2O3 wt%44.65存在工藝運行不確定性和經(jīng)濟性風(fēng)險較大不宜采Fe2O,2.74用。對該煤的特點(diǎn)對碎煤加壓氣化工藝倒是- -種TiO21.57優(yōu)質(zhì)原料。首先特高灰熔點(diǎn)的特性可使氣化溫度CaO2.24達到1400C以上,比同類(lèi)項目操作溫度高200C,可6灰組成分析MgO0.32有效提高蒸汽分解率,降低中壓蒸汽消耗,更重要K200.22的是可減少廢水產(chǎn)量。其次該煤良好的活性可在Na:O0.12一定程度上彌補碎煤加壓碳轉化率不高的工藝不MnOz0.01足,灰渣返炭指標有望達到2 %以下,同時(shí)該工藝特SO,1.20有的高甲烷特點(diǎn)也可大大降低后序合成的投資和P20,0.24運行費用。最后煤中近7%的含油量可得到充分利煤對二氧71100%91.9用,對副產(chǎn)品中焦油,中油,石腦油進(jìn)-步提純加反應性氫,將有效提高煤制氣項目的經(jīng)濟效益?？紤]到本90.6項目煤礦粉煤的產(chǎn)率相對較低,項目配置2X100MW熱穩定性TSa,.9的流化床鍋爐完全可消化剩余粉煤因此在現有總.5體方案下選擇碎煤加壓氣化工藝是一個(gè)相對較適0.1m/s9.0宜的工藝路線(xiàn)。9結渣性0.2m/s17.2如何實(shí)現高灰熔點(diǎn)和高粘溫特性煤的高效利0.3m/s18.8用,在業(yè)內也是一個(gè)難題。一些研發(fā)部門(mén)做了大量粘結指數的試驗和工業(yè)化嘗試,通過(guò)爐內溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的( Gn)自由膨脹系調整,部分液態(tài)排渣爐型對該類(lèi)煤的適應性得到了10粘結指標 數 (CSN)一定 的提高,但仍然不能得到根本上的解決。我們膠質(zhì)層根據煤的元素特性,經(jīng)過(guò)多次試驗也找到- -種復合最大厚度0( Ymm)助劑,在不配煤的前提下添加2%即可達到相關(guān)工藝態(tài)排渣工藝無(wú)法正常進(jìn)行。其主要原因是硅鋁比要求,但受4中國煤化工無(wú)法達到大規.(0.7)太低,熔渣過(guò)程中形成大量莫來(lái)石所致。如選模工業(yè)應用。:YHCNMHG.第29卷第3期李斌:煤制天然氣煤(化工藝選擇對此種煤的穩定高效使用,筆者認為可從以下應的風(fēng)險規避。幾個(gè)方面著(zhù)手,首先尋找可配強的煤對其進(jìn)行調質(zhì)碎煤加壓氣化對煤質(zhì)的要求與液態(tài)排渣的粉處理,實(shí)現元素的初步達標;其次根據元素平衡情煤氣化有著(zhù)本質(zhì)上的區別。首先固定層氣化爐對況和粘溫實(shí)驗結果,輔配常規助劑或復合助劑達到床層的通透性要求較高,不僅需要人爐煤塊度均勻基本可用;在此基礎上可選擇排渣適應性較好的爐且含粉少,而且要求在整個(gè)反應過(guò)程無(wú)明顯結渣且型最終實(shí)現煤的可用性。粉化少,對應于機械強度、結渣性和熱穩定性指標要達標;其次氣化操作溫度要求在煤軟化溫度(T2)3碎煤加壓氣化對煤質(zhì)要求下50C操作,這個(gè)溫度下的反應活性決定了氣化爐目前國內運行的煤制天然氣項目幾乎全部采的生產(chǎn)能力,理論上低活性低灰熔點(diǎn)的煤不宜選擇用國產(chǎn)碎煤加壓4.0m爐型,整體運行情況并不理該爐型。另外結焦性高的煤不宜選擇固定層氣化想,主要問(wèn)題為氣化爐夾套腐蝕、單爐負荷低和系爐,G>12時(shí)需考慮破粘裝置，由于氣化爐內部高溫統負荷受限酚氨水裝置等。碎煤加壓氣化工藝本機械變形和密封問(wèn)題,對大型氣化爐在設計上不建身并沒(méi)有太大問(wèn)題,只是原料煤與氣化爐的設計在議采用破粘裝置。以下是筆者總結碎煤加壓氣化些方面不適應,主要原因為項目初期對煤種沒(méi)有進(jìn)爐對煤質(zhì)的基本要求指標(表5)。行全面分析,未在工程設計中增加有效措施進(jìn)行相4煤氣化工藝路線(xiàn)的確定辰5 碎煤加壓氣化爐煤質(zhì)指標序號項目人爐煤指標級別備注低位發(fā)熱量( kealkg)>4500灰分(質(zhì)量分數) %≤25B影響經(jīng)濟性越低越好灰熔點(diǎn)T2 (C)>1250A如煤的活性較好 ，可做適當下調外水:≤10水分(Mad)內水:待定粒度( mm)8-50熱穩定性TS+6≥85機械強度≥60焦渣特征<該反應活性指低于軟化溫度T250- 100C溫C02反應性≥90度下的反應活性10總硫(St,ad/) (質(zhì)量分≤1.0超標后需對系統采取有針對性的防腐設計氯(質(zhì)量分數) %≤0.01氟(質(zhì)量分數)ug/g≤100B備注:A為必須滿(mǎn)足指標,B為可讓步指標做為-一個(gè)大型煤制氣項目,承擔著(zhù)大范圍的工等的含油量也可使項目的經(jīng)濟效益得到進(jìn)一步的業(yè)與民用用氣任務(wù),關(guān)系民生問(wèn)題穩定和連續是前提升。因此對于該煤種應優(yōu)選碎煤加壓氣化工藝,題，因此在工藝路線(xiàn)選擇上應以實(shí)現煤氣化裝置盡管其在技術(shù)先進(jìn)性方面與粉煤和水煤漿工藝稍“安穩、長(cháng)、滿(mǎn)優(yōu)"為目的,并且全面深入分析原料遜一籌,但是作為-個(gè)大型坑口煤化工企業(yè),能夠煤物化性質(zhì),堅持以煤定爐的基本原則,同時(shí)結合嚴格遵守以煤定爐原則,使煤和氣化爐兩者互為補塊粉比例和產(chǎn)品對原料氣的需求特點(diǎn)進(jìn)行綜合確充,揚長(cháng)避短,為將來(lái)的穩定生產(chǎn)奠定良好的基定。礎。同時(shí)通過(guò)創(chuàng )新優(yōu)化工藝,有效降低碎煤加壓氣從當地煤質(zhì)各項分析成本看,煤種的高灰熔化工藝的廢水產(chǎn)量:降低進(jìn)人酚氨水的含油含塵點(diǎn),高反應活性以及良好的機械強度和較好的熱穩量 ,提高廢水中國煤化工碎煤加壓氣定,是碎煤加壓氣化工藝理想的原料,另外煤種中化工藝的一個(gè)YHCNMHG環(huán)境效益。.