什么是煤制天然气气化工艺的合理配置选项？

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1、什么是煤制天然气气化工艺的合理配置选项？2016.11 近来受国际原油价格大幅下跌、 国内资源环境约束及环保压力日趋增强等诸多因素影响， 我国现代煤化工包括煤制天然气行业面临着严峻考验。国家对煤制天然气行业的政策指导意见、 准入条件的设定， 也给煤制天然气行业的建设和发展提出了新的、 更高的要求。 本文对煤制天然气项目国内现状、煤制天然气工艺技术特点及最新进展、 拟建煤制天然气项目必须满足的技术指标、项目所必需的环境保护措施等方面加以阐述，供项目建设方和业内同行参考。1、概述“十二五”时期，我国以石油替代产品为主要方向的现代煤化工，随着一批示范工程的建成投产， 快速步入产业化轨道， 产业规模快

2、速增长； 技术创新取得重大突破解决了一大批产业化、工程化和大型装备制造等难题。以煤制油、 煤制烯烃、煤制乙二醇、 煤制气为主的现代煤化工项目均打通了工艺流程，产业规模快速增长。其中，我国煤制天然气行业2015 年产能达到 31 亿立方米，产量 16亿立方米。大唐克旗、新疆庆华等煤制气项目连续运行时间和生产负荷也不断提高。但近两年来， 受国际原油价格大幅下跌、 美国页岩气规模化开发和全球经济增长放缓等因素影响， 世界能源供需格局发生了较大变化，油、气市场供应的日趋宽松，削弱了现代煤化工的成本优势， 再加之国内资源环境约束的日趋增强等诸多因素，我国现代煤化工及煤制燃料行业也正面临着严峻考验。国家能

3、源局在 2015 年 7 月发布的关于规范煤制燃料示范工作的指导意见（第二次征求意见稿）中指出： “十三五”期间，煤制燃料产业的首要任务是围绕能效、环保、节水及技术装备自主化等内容开展产业化升级示范。在全面总结已建示范项目经验和问题的基础上，统筹规划、科学布局、严格准入，稳步推进煤制燃料示范项目建设， 依托示范项目不断完善国内自主技术，加快转变煤炭利用方式，增强国内油气保障能力，为能源革命提供坚强支撑。我国能源结构以传统化石能源为主，国内能源市场对进口石油、 天然气的依赖程度逐年上升。因此，发展替代能源、优化能源结构、提高能源效率，充分利用我国相对丰富的煤炭资源， 推进包括煤制天然气在内的煤的

4、清洁利用，仍是我国保障能源安全、缓解资源环境约束的长远能源战略目标。国家能源局在 2015 年编制的煤炭深加工十三五规划（初稿）中提出： “十三五”期间，通过升级发展建成一批具有煤炭高效清洁转化、环境友好、竞争力强的煤制油、煤制烯烃和煤制气项目，其中煤制油产能力争达到1000 万吨，煤制烯烃力争达到 1000 万吨，煤制天然气项目产能力争达到300 亿方。今年 3 月起， 国家环保部陆续批复了如中海油山西大同低变质烟煤清洁利用示范项目等数个煤制天然气项目的环境影响报告书，对推动我国煤制天然气领域工业化示范及发展带来积极影响， 同时也对煤制气项目建设方和工程设计方提出了更高的要求。2 煤制天然气

5、工艺技术2.1 煤气化工艺工业上以煤为原料生产合成气已有百余年历史，国外煤气化技术的发展可分为三个阶段，早在二十世纪五十年代煤气化技术就已实现工业化，后因天然气、石油的大量开发， 煤气化技术的开发一度停止； 二十世纪七十年代初， 国际性能源危机导致许多发达国家纷纷寻找替代能源，各国对煤气化技术的研究重新提上日程；近二十年来，国外许多公司为了提高燃煤电厂热效率，减少对环境的污染，对煤气化联合循环发电技术进行了大量的工作，进一步促进了煤气化技术的发展。根据煤气化炉的结构特点和燃料在气化炉中进行转化时的运动方式，煤气化工艺可分为三种类型：固定床（移动床） 、流化床和气流床。2.1.1 固定床煤气化工

6、艺固定床气化炉中通常原料煤从炉顶部加入，气化剂从炉底部送入。 炉中一般分为干燥层、干馏层、还原层和燃烧层，在不同的区域中，各个反应过程所对应的反应区域界面比较明显。传统的常压固定床煤气化炉以空气（或富氧） 和水蒸汽为气化剂， 大多以无烟块煤为原料，具有单炉气化强度小、碳转化率低、排出的污染物多等缺点。鲁奇气化工艺以鲁奇气化技术为代表的固定床加压煤气化技术研发起始于1927 年，当时主要进行褐煤完全气化试验，并于1936 年首次在 Hirechfelde 建厂。经过几十年的发展，鲁奇不断改进炉型和工艺， 使得该气化技术渐趋成熟， 煤种适应性不断增强，煤处理能力也不断提高， 先后开发出五代炉型。

7、目前得到广泛应用的为鲁奇 FBDBTMMk4型气化炉，世界范围内大约有101 台正在运行中，运行状况良好。MK+气化炉为鲁奇公司在Mk4 和 Mk5 型气化炉运行操作经验的基础上开发的最新一代气化炉。鲁奇气化工艺（ Mk+）具有以下特点：（1）采用 5-50mm 的块煤进料，要求煤的反应性好、无粘结性和弱粘结性、机械强度较高、 灰熔融温度较高。 因此适宜的煤种为褐煤、 次烟煤、贫煤和无烟煤，对一些水分较高 (20-30%) 和灰分较高 (如 30%)的劣质煤也适用。（2）气化为干法排灰，氧耗较低，约为气流床氧耗的43%，可较大幅度节省配套空分装置投资。（3）气化产生的煤气中CH4含量较高，达

8、10%以上，适合于生产城市煤气和天然气。（4）粗煤气中 H2 /CO约为 2.0，不经变换或少量变换即可用于F-T合成、甲醇合成、天然气合成等产品生产。（5）固定床气化气、固两相逆流接触，通过逆流操作实现高的“冷煤气”热效率，达到 90%以上。（6）气化工艺成熟，设备国产化率高、装置造价较低。（7）单台气化炉日投煤量可达2400 吨，减少设备台数，节省装置投资。（8）气化炉拥有很宽的停车负荷比率，其典型的下限值可达40%。这意味着气化炉可以在低于最大负荷的1/3 负荷下稳定运行。此外，可以快速地实现负荷变化，一般为每分钟5%负荷变化，并对产气组成或气化炉操作性没有任何不利影响。（9）开车时间短

9、，气化炉从冷态开车至全负荷通常只需要10 小时。（10）采用双煤锁系统， 通过有序的压力平衡步骤， 煤锁气从一个煤锁通过减压进入另一个煤锁，在提高煤处理量的同时显著减少煤锁气用量。其不足之处在于：（1）气化废水中含有焦油、苯酚，氨等杂质，处理成本高；（2）气化产生的副产品只有经过深加工后才具有较好的市场经济价值。BGL煤气化工艺英国燃气公司在原鲁奇固定床加压气化炉技术基础上开发了液态排渣的BGL煤气化工艺。自上世纪 70-80年代技术开发至 90 年代初，BGL技术完成了大规模中试和工业化示范， 积累了大量的试烧数据， 开发了完整的气化模拟分析软件、操作手册和设计手册。90 年代中后期，在德国

10、东部德累斯顿附近的黑水泵（SchwarzePumpe ）煤气化厂建设了一台内径3.6米的 BGL气化炉生产合成气，为大型发电厂提供燃料气、为甲醇生产提供原料气。 气化废水经处理后， 达到欧盟和德国排放标准， 排入附近河流。国内云南解化集团2005 年应用 BGL熔渣气化技术改造原有的鲁奇气化炉，2006 年 10 月完成改造开车成功。后于2008 年 9 月建设 3 台 BGL气化炉，设计年产 20 万吨甲醇、15 万吨二甲醚和 8 万吨合成氨， 2009 年末建成投产。 后续有云天化金星和中煤图克项目采用了BGL炉。 其中在中煤图克大化肥一期工程年产100 万吨合成氨 175 万吨尿素项目中

11、， 气化装置配置 7 套 BGL气化装置。 项目于2013 投料试车， 2015年 12 月通过现场考核，实现了长周期、高负荷运行。BGL炉操作时通过调节供入燃烧区蒸汽和氧气的量来控制燃烧区温度，以实现液态排渣。通过提高操作温度，提高了碳的转化率，同时，蒸汽分解率也大大提高，减少了气化产生的废水量。BGL熔渣气化工艺具有以下特点：（1）所产煤气中 CH4含量高，适合于生产城市煤气和天然气；（2）BGL气化区温度在 1300-1600范围，气化率及气化强度较高；（3）冷煤气效率高（ 89，焦油等副产品计算在内） 、碳转化率最高（ 99%） 、热效率高、氧耗低（与气流床技术相比较）；（4）对煤种的

12、选择范围较宽，可气化石油焦、无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤；（5）气化蒸汽用量为传统固定床气化工艺的20%左右，蒸汽分解率超过90%，产生的废水量大为减少；该工艺不足之处有：（1）以块煤进料， 在不易获得块煤的地方需要增加型煤装置，投资和成本较高；（2）适合低灰熔点的煤，当使用高灰熔点煤时需添加适量的助熔剂；（3）炉内使用的耐火材料需能耐高温和抗腐蚀性能，必须致密、孔径小，不含活性铁，对排渣口的耐火材料要求更高；（4）排渣是整个操作的关键环节，相对鲁奇炉更为复杂；（5）气化废水中含有焦油、苯酚，氨等杂质，处理成本高。碎煤加压气化技术国内赛鼎工程有限公司基于与鲁奇公司、PKM 公司等合作及参与设计了

13、多个国内引进鲁奇炉的气化项目， 积累了较为丰富的工程设计经验。 “七五”“九五”期间完成了国家科技攻关课题 鲁奇碎煤加压气化日产100 万方城市煤气基础设计 ，在此基础上开发了自主创新的碎煤加压气化技术。在国内煤制天然气方面，赛鼎公司开发的3.8m、气化压力 4.0MPa 碎煤加压气化炉，应用于新疆庆华煤制天然气项目以及大唐克旗及大唐阜新煤制天然气项目。碎煤加压气化工艺主要特点为：（1）原料适应范围广，除黏结性较强的烟煤外，从褐煤到无烟煤都能气化，并能气化高水分、高灰份的劣质煤；（2）合成气中含有大量的CH4 ，对于以煤为原料生产城市煤气更有利；（3）国内自主技术，单元装置投资低；（4）气化炉

14、运行稳定。但该工艺也存在缺点，主要表现在：（1）气化及后序处理单元产生废水多，废水成份复杂，废水处理困难，处理成本较高；（2）煤气中含有较多的焦油、酚、氨等杂质，后工序不易处理。（3）目前较为成熟的 3.8m 气化炉与鲁奇 Mk+气化炉和 BGL气化炉相比， 气化强度低，单炉产量低，对于大型项目需要较多气化炉台数，增大了总投资费用。2.1.2 流化床煤气化工艺流化床气化炉采用粉煤为原料， 用气化剂来进行床层的流化， 为防止灰熔化，温度常保持在 1000以下。目前流化床气化炉的代表有KBR气化技术。KBR提升管气化炉 (也称之为 TRIG) 是一种先进的循环流化床反应器，没有内部或移动部件。设计

15、在空气和氧气两种模式下都可工作。TRIG 的机械设计和操作是基于 KBR的流化催化裂化 (FCC) 技术，流化催化裂化技术已有60 多年的成功商业运行经验。 TRIG 与传统的循环流化床相比，其固体循环速率和气体速度要快很多，提升管密度要高很多。 因此具有较高的生产能力和碳转化率、混合均匀、传热和传质速率较高。 TRIG具有以下优点：（1）尤其适合于高灰份和高水份的低阶煤，如褐煤、次烟煤等；（2）加压气化技术， 温和的操作温度。操作压力3.4-4.0MPaG ，操作温度一般在900-1000C；（3）气化炉采用碳钢外壳加耐火材料设计，无内部件、膨胀节和煤烧嘴，无任何易损件。结构简单，制造费用低

16、廉；（4）低成本、高寿命的耐火材料，设计寿命10 年以上；（5）较低的水耗量和氧耗量；（6）清洁的合成气产品，不含焦油和酚类；（7）不产生任何黑水；（8）废热锅炉副产大量高品位的过热高压蒸汽。但 TRIG尚无商业化运行经验，亟需在工业示范装置上进行应用和完善。2.1.3 气流床煤气化工艺气流床气化是一种并流式气化， 气化剂与煤粉或煤浆经喷嘴进入气化室，煤的热解、燃烧以及气化反应几乎同时进行，高温保证了煤的完全气化， 煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。目前典型的以煤为原料的气流床工艺有：Shell 粉煤气化工艺、 Texaco水煤浆加压气化工艺、 E-gas水煤浆加压气化工艺、 GSP粉煤气化工艺和“东方炉”粉煤气化等。Shell粉煤气化工艺Shell公司的 SCGP 粉煤气化工艺，是近年发展起来的先进煤气化工艺之一，最初成功地用于荷兰联合循环发电工厂的商业运营。中国国内从2001 年湖北双环首台引进壳牌炉投运开始， 至新近已安装待投运的山西潞安煤制油项目和云天化内蒙金星项目， 已有近 30 台/套壳牌气化炉在国内煤化工领域得到应用。该气化技术具有