国内煤气化技术现状及发展趋势.doc

科研园地 国内煤气化技术现状及发展趋势 泸天化技术中心 叶亚莉 李天文 摘 要 目前,国内发展煤气化合成化工产品的势头很旺,特别是在产地,一批新的煤化工项目开始起步,老企业正以现代新技术改造传统落后的生产装置,以油为原料的大、中型合成氨厂开始进行煤代油的技术改造。通过改造可以达到降低生产成本,改善环境状况之目的。 关键词 煤气化 原料气 综合效益 0 引言 进入21世纪,为了保证中国经济的可持续发展,实施京都议定书,减少燃煤对大气的污染,必须大力发展洁净煤技术,煤炭气化是最重要的应用广泛的洁净煤技术,是发展现代煤化工最重要的单元技术。煤炭气化可以生产工业燃料气、民用燃料煤气、化工合成原料气、合成燃料油原料气、氢燃料电池、煤气联合循环发电、合成天然气、火箭燃料等。 煤气化技术广泛应用于化工、冶金、机械、建材等重要工业部门和城市煤气的生产。目前我国拥有各种类型的煤气炉约9000多台,其中化工行业煤气化炉约有4000余台,以固定床气化炉为主。多数中小化肥厂和少数大型化肥厂以煤炭或焦炭为原料,通过煤气化生产合成氨和甲醇,年耗原料煤4000多万吨,合成氨产量占全国总产量的60以上,为我国农业生产提供了充足的化肥。 1 以气、煤为原料的合成氨生产 煤气化技术是实现煤炭综合利用和洁净煤技术的重要技术手段,是发展现代煤化工、煤造油、燃料煤气等重要工业化生产的龙头。目前,煤炭在中国一次能源消费中占75左右。而我国煤气化技术在绝大多数企业仍使用落后的固定床间歇式煤气化技术,不仅能耗高、效率低,原料要用块装焦炭或无烟煤,而且还会排放大量烟尘和污水,对环境污染严重。 煤气化技术主要有粉煤加压气化和水煤浆气化技术等,粉煤加压气化技术是适合我国国情的煤洁净、高效利用技术,与水煤浆气化相比,粉煤气化具有较明显的节氧、节煤、有效气成分高等优势。该技术广泛应用于化工产品的生产、煤间接液化、氢能源、燃料电池等诸多领域。国际上有代表性的主要是德士古、壳牌和鲁奇公司的技术。111 以煤为原料的合成气生产 我国是世界煤炭生产大国,煤炭资源约为7650亿吨。由于资源结构的原因,我国以油、气为原料制氨,其原料成本较高,且供应往往难以保证。以煤为原料则成本较低,且资源丰富,供应充足。目前世界上技术成熟的煤气化工艺主要有德士古水煤浆气化Texaco、壳牌干煤粉气化Shell和朝鲜恩德粉煤气化。 世界现代煤炭气化技术的特点及发展趋势是 l气化压力向高压发展。气化压力由常压、低压37 固定碳含量越高越好 液渣粘度维持在1525Ps・s之间 煤中有害元素硫、氯、砷、氟等越低越好 可磨指数越大越好 煤浆浓度65左右为宜 Texaco水煤浆气化对煤质适应性较广。除褐煤、泥煤及热值低于22940kJ/kg、灰熔点高于1350℃的煤不太适用外,其他粘结性煤、含灰量较高的煤、石油焦、烟煤均可作原料。 表4 合成氨组成 CO H2CO2H2S N2Ar CH4 含量v ol41167341851018110116011 注有效气为76152 表5 粗合成气成本估算 项目单耗/kNm3 COH2 价格 元/Nm3 COH2 煤t01708250011770 锅炉给水t013196010019 低压蒸汽t010000360010018 电MW・h010296014501013 氧气kNm301425192148010818 冷却水t35110115010053 净费用012808 折旧费0108 维修01016 人工010036 合计013804 由于目前我国燃煤和燃油价格相差悬殊,即使考虑2t水煤浆替代1t油水煤浆热值一般在20000kJ/kg,油的热值一般在41000kJ/kg,其节省的燃料费用也是相当可观的。 表6 吨氨能耗 名称单位小时耗量折热106kcal 原料煤t5715372103 高压蒸汽t281525109 中压蒸汽t1191490188 低压蒸汽t241516124 循环水t158059148 电kW・t580516142 脱盐水t700124 副产蒸汽t62约47119 副产燃汽Nm38744约18106 副产硫磺kg926约21075 预热锅炉给水t268约221244401815 吨氨能耗10158,合成氨能耗接近国际水平。4121112 Texaco气化技术的主要特点 1碳转化率高,通常均≥98,产生的高温煤气间接或直接回收热能。 2压力范围广,生产能力大,气化炉内无转动部件,结构简单,生产能力与压力成正比,目前单台最大处理量2000t/d。在高压下操作,可减少气体压缩功,目前国内工业化的压力为310、410、615MPa。 3有效气体成分高,通常COH2约为75,甲烷含量低,非常适于制氨。冷煤气效率76,总热效率约92。 4气化炉开停车方便,可在短时间内加减负荷。 5三废污染少,对环境污染低。由于炉温高,煤气中有害杂质少,无焦油等高分子化合物,大部分工艺水回收利用,排出的废水少,几乎无废气排放,废渣含碳量2,处理有些困难。 6自动控制水平高,Texaco煤气化需要准确连续测定入炉煤浆浓度、粘度、比重、氧煤化、煤气组成及甲烷含量,采用一系列自控系统以及DCS计算机控制。 4121113 Texaco煤气化的关键技术 1在水煤浆中加入添加剂以降低煤浆粘度,使其易于输送,根据煤种不同控制煤浆中粒度配比,尽量提高煤浆中含固量,最廉价的添加剂为造纸废液。 2通常煤浆输送采用杜塞隔膜泵,目前多采用荷兰GEHO公司产的隔膜泵。 3喷嘴是Texaco专利技术之一,目前烧嘴的寿命最长1500h,因此气化炉必须每两个月停炉一次,检查更换烧嘴。 4耐火砖技术,这种耐火砖的寿命约8000小时,最长12000h,目前耐火砖已经全部实现了国产化人民币460万元/炉。 5排渣技术,排渣以程序控制,所以阀门均能耐高温和压力变化,在几秒钟内完成开关动作且不泄漏。 4121114 德士古煤气装置投资 德士古煤气化工艺装置投资生产1000t/d 氨的合成气约3亿元人民币。表7为国内4个厂家应用水煤浆技术的费用。 2005 年第 3 期 泸 天 化 科 技 表7 国内 4 个厂家应用水煤浆技术的费用 生产企业 鲁南化肥厂 渭河化肥厂 上海三联供 淮南化肥厂 产气量 软件费总计 进口设备费 软件费加进口设备费 万美元 万美元 万美元 万 Nm3 2119 8152 1129 5114 421 1220 101316 480 ・2 5 3 ・ 约 600 约 2030 约 3000 约 76716 1021 3250 401316 124716 高 ,一般在 1400～1600 ℃,碳转化率高达 99 ,煤 气中 甲 烷 含 量 很 少 , 不 含 重 烃 , CO H2 达 到 90 ,因而可以降低气化消耗的煤量 。三是由于 采用干煤粉作气化原料 , 不必在气化炉内蒸发水 分 ,氧气用量可减少 15 ～ 20 , 从而降低成本 。 配套空分装置规模可以缩小 ,投资也可相应降低 。 四是气化炉采用水冷壁结构 ,无耐火砖衬里 ,且每 台气化炉设有 4～6 个喷嘴 ,因此气化炉检修周期 较长 。五是气化过程无废气排放 , 系统排出的融 渣含碳低 ,可用于水泥等建筑材料 。 Shell 煤气化用煤 Shell 煤气化炉是干煤粉进 4121115 关键设备国产化 1 煤浆泵 。鲁南化肥厂同上海大隆机器厂 、 沈阳有色冶金机械总厂联合开发的高低压煤浆泵 应用于鲁南化肥厂德土古水煤浆加压气化 , 目前 运行良好 ,价格远远低于进口设备 。天辰公司设 计的多套德士古水煤浆加压气化的低压煤浆泵全 部采用国产设备 , 由于高压煤浆泵为气化部分的 心脏 ,为保证连续稳定生产 ,目前所有的工厂基本 上选用进口的高压煤浆泵 。 2 耐火砖 。洛阳耐火材料研究院 、 新乡耐火 材料厂开发的国产耐火砖成功应用于鲁南化肥厂 以后 , 经生产检验 , 各项性能已超过进口耐火砖 , 现国内新上的德士古炉都采用国产耐火砖 , 气化 炉耐火砖使用时间基本上超过一年以上 , 最长的 达到 10000h 以上 。 3 气化炉烧嘴 。随着华东理工大学开发出 具有我国自主知识产权的四喷嘴对置水煤浆加压 气化技术的成功 ,气化炉的喷嘴已可以国产化 ,其 性能优于或达到国外产品 。现国内引进的德士古 气化装置为考核德士古技术性能 , 首次基本上采 用德士古气化炉烧嘴 。 综上所述 ,德土古水煤浆气化技术的关键设 备除了引进高压煤浆泵 、 高压煤浆阀及高压氧阀 外 ,其他的所有设备都可以采用国产设备 。鲁南 化肥厂的第三台德士古气化炉也全部采用国产设 备 ,现运行良好 。因此 ,在世界上先进的以煤为原 料的气化技术之中 ,德士古投资为最省 。 41212 流化床粉煤气化 料 ,用高压氮输送到气化炉 , 该工艺对煤的粒度 、 粘结性 、 水含量 、 硫含量 、 氧含量和灰含量等不敏 感 ,对灰熔点较高的煤加入助熔剂 石灰石 就可 改变熔渣性能 , 碳转化率超过 99 。在荷兰的 Demkolec 装置上已使用澳大利亚煤 、 印尼煤 、 南 非煤 、 美国煤 、 波兰煤和石油焦等 14 个煤种 ,均能 正常生产 。只要有煤质分析数据 , 不需进行试烧 就可进行工业装置设计 。 综上所述 , Texaco 和 Shell 煤气化工艺各具 特色 ,两种技术对环境影响程度都比较低且都属 成熟技术 。比较而言 ,Shell 粉煤气化工艺的优势 在于在煤种适应性 、 氧气消耗 、 碳转化率 、 热效率 等方面 ,壳牌公司气化技术比德士古技术占有一 定优势 。 413 综合效益分析 41311 物料平衡 化肥 “油改煤” 工程的煤气化规模确定为日处 理煤 1500t ; 产 品 方 案 为 尿 素 470kt/ a , 供 氨 49kt/ a ,供氢 1318kt/ a 。 表8 化肥 “油改煤” 后主要物料互供表 流 入 物料名称 物料量 供给者 中压蒸汽 kt/ a 1521 热电厂 高压蒸汽 kt/ a 1544 热电厂 电/ kWh 13097 热电厂 新鲜水 kt/ a 772919 热电厂 煤炭 kt/ a 495～150 煤矿 石油焦 kt/ a 0～250 炼油厂 流 出 物料名称 尿素 kt/ a 液氨 kt/ a 氢气 kt/ a 锅炉水 kt/ a 氮气 10 4m3/ a 物料量 用户 470 市场 49 腈纶厂 13. 8 炼油厂 1895. 3热电厂 850 炼油厂 792 腈纶厂 该技术是荷兰壳牌公司专利技术 , 也属于先 进的第二代煤气化技术 。该技术主要是将煤通过 粉碎研磨成干煤粉 , 喷入气化炉进行燃烧制得合 成气 。目前 ,该技术已广泛用于电厂发电 ,在美国 也已用于合成氨生产 , 但在我国应用于大型合成 氨生产尚未开始 。该技术主要特点 一是采用干 煤粉作气化原料 , 操作十分安全 。二是气化温度 41312 工艺方案的比较 ・254 ・ 泸 天 化 科 技 2005 年第 3 期 表9 Shell 粉煤气化与 Texaco 水煤浆气化工艺数据比较 项 目 气化工艺 气化压力/ MPa 气化温度/ ℃ 气化剂 进料方式 1000m3 CO H2 的氧耗量/ m3 Shell Texaco 5 不同原料制氨的成本比较 气流床 、 液态排渣 气流床 、 液态 次烟 煤、 烟 煤、 褐 排渣次烟煤 、 煤、 无烟煤 无烟煤 210 或 410 1400～1600 O2 410 或 615 1300 O2 生产合成氨的原料有天然气 、 石脑油 、 渣油和 煤炭等 ,但其生产工艺和成本却各不相同 。渣油 和石脑油无论是从价格还是从用途来考虑 , 用其 生产合成氨都不是长久之计 。根据计算 , 若大型 氨厂分别用石脑油 、 渣油 、 天然气和煤为原料制 氨 , 其 价 格 分 别 按 1800 元/ t 、 1400 元/ t 、 3 1120 元/ m 和 260 元/ t 计 ,中压蒸汽价格按 78 元 / t 计 , 对应的合成氨成本分别为 1721 元/ t 、 1557 元/ t 、 1493 元/ t 和 1021 元/ t 。可见 , 在这 4 种原 料中 ,以煤为原料制氨成本最低 。 从粗略计算 ,以煤代油改造总投资约为 10 亿 人民币 , 吨氨折旧费约 200 元 , 煤每吨价取 250 元 ,石 脑 油 每 吨 价 取 1400 元 , 如 不 改 造 , 年 产 30 万 t 合成氨生产费用为 4522117 万元 , 改造后 年生产费用为 26076 万元 ,另可发挥煤气化设备 潜力 ,可副产甲醇 3 万 t/ a ,年利润有 2700 万元 , 改造前后生产费用差额达 2184517 万元 。为原料 合成氨成本估算在 700 元左右 ,每年工厂可增加 单炉烧嘴数/ 个 炉体保护装置 易损件 碳转化率 , 有效气 CO H2 含量 , 干煤粉 330～360 4～6 水冷壁 无 ≥ 99 90～94 水煤浆 380～430 1 耐火砖 烧嘴 、 耐火砖 96～98 80 表 10 两种气化炉出口粗煤气体积组成比较 工艺 Shell H2 2617 CO 6313 3917 CO 2 115 1018 H2O 210 1615 H2 S 113 110 N2 411 017 Ar 111 019 CH4 010 011 Texaco 3010 采用同等质量的原料煤时 , Shell 气化炉与 Texaco 气化炉产生的粗煤气组成不同 。 由于 Texaco 炉为湿法进料 ,在气化炉中把占 原料量 35 左右的水汽化并加热到 1300 ℃, 需 消耗原料煤能量的 1815 ; 而 Shell 炉为干粉进 料 ,避免了湿法进料中水汽化和升温而造成的能 量损失 。因此 , 在同等条件下 , Shell 煤气化有效 气体成分 H2 CO 为 91184 , 而 Texaco 煤气 化有效气体成分 H2 CO 仅为 83147 ; Shell 煤气化比 Texaco 煤气化耗氧量低 20 ; Shell 煤 气化渣中含碳量小于 015 , 能量回收较彻底 , 冷煤 气 效 率 Shell 为 80 ～ 83 , Texaco 只 有 74 ～77 。 41313 技术经济分析 利税 115 亿元以上 ,改造效益较好 。 6 大型氮肥企业节能扩产效果 611 以渣油 重油 为原料的氨厂节能途径 近几年由于国际油价涨幅很大 , 工厂生产成 本太高 ,以重油为原料的氨厂应根据当地能源特 点 ,选择 “油改气” 或 “油改煤” 。在有气的条件下 , 改气投资最省 。 由于渣油厂均带有空分 ,而且脱硫 、 脱碳的流 程与煤接近 , 因此 , 节能改造时 , 应尽量利用原有 空分 。 大型厂 “油改煤” 应充分利用原有空分 , 以节 省投资 ,缩短建设周期 。因此 ,以气流床的煤气化 为宜 。主要有以下两种气化方式 。 1 水煤浆煤气化 有 Texaco 加压水煤浆气化和 DOW 的 L GTI 两段水煤浆气化 。 2 粉煤气流床气化 有 Shell 粉煤气化和 Prenflo 粉煤气化 。 水煤浆技术 , 目前国内的国产化设备已占很 大比例 ,投资节省 ,操作也有经验 。碳的转化率都 在煤气化规模为日处理 1500t 并采取独资方 式时 , 化肥原料 “油改煤” 的综合经济效益主要 有以下几项 1 降低尿素成本 。化肥 “油改煤” 实施后 ,尿 素完全成本将由目前的 1375 元/ t 降至 848 元/ t , 仅此一项每年利润增量就达 2148 亿元 , 这将大 大提高企业的市场竞争力 。 2 降低制氢成本 。若以轻油为原料制氢 , 其完全成本约为 0184 元/ m , 而以煤为原料制 3 氢 ,其完全成本只有 0149 元/ m3 。 2005 年第 3 期 泸 天 化 科 技 ・2 5 5 ・ 在 97 以上 ,综合热效率大于 69 。 612 节能扩产效果 300kt/ a 合成氨装置改造到 450kt/ a 合成氨 装置 。项目建设投资约 312 亿 含尿素改造 ; 财 务内部收益率 税前 约 33 ; 财务内部收益率 税后 约 29 ; 投资偿还期 4 年 含建设期 ; 改 造后吨氨能耗 3316 G J。 以大 型 氨 厂 改 Shell 气 化 为 例 。氨 产 量 365kt/ a , 尿素 530kt/ a , 另外 H2 14kt/ a 。投资约 为 818 亿元 。吨氨成本约为 920 元 ,尿素 690 元 。 尿素售价在 1100 元/ t 时 ,税后的 IRR 达 1218 。 我国煤资源丰富 , 分布广 , 煤气化不仅用于合成 氨 ,还可用于合成甲醇 、 DM E 、 合成油等 , 也可采 取化工与发电联合 ,前景十分广阔 。 7 结束语 适应 ,有利于国民经济的可持续发展 。以煤资源 控制与煤气化为核心 ,实现天然气为主 ,煤制合成 气补充 ,降低对天然气资源的依赖程度 , 为合成 氨和甲醇的生产提供充足的原料合成气 。结合本 地区煤化工开发项目 ,形成煤化工等关联生产 ,达 到煤炭资源的充分利用和循环生产以及环境最优 化、 经济效益最大化 。 参考文献 1 刘军 1 山西化工 ,2005 ,25 1 46～47 2 贺永德 1 现代煤化工技术手册 1 北京 化学工业出版社 3 许祥静 ,刘军 1 煤炭气化工艺 1 北京 化学工业出版社 4 肖瑞华 ,白金锋 1 煤化学产品工艺学 1 北京 冶金工业出 版社 作者简介 叶亚莉 ,女 ,图书资料馆员 ,1992 年毕业于四川电大 图书馆专业 ,多年从事信息调研 、 参考咨询及图书资料管 理工作 。 联系电话 0830 - 4125108 收稿日期 2005 年 7 月 14 日 粉煤加压气化制备合成气新技术可为我国 大、 中、 小型以煤和石油为原料的化肥厂改造提供 可靠的技术支撑 , 该技术还与我国的能源结构相 上接第 257 页 备件落实 、 安全方案落实 , 并严格按质量标准 、 安 全标准进行现场管理 。由于准备充分 ,管理到位 , 责任落实到位 , 各装置的每次大修都优质高效地 完成 ,都实现了大修的 “三个一次” 成功 ,为装置的 长周期运行创造了条件 。 措施到位 , 提高 “三防” 能力 。为最大限度减 小 “三防” 对装置的影响 ,公司采取了提前考虑 、 早 动手进行专项治理的措施 。派有资质的单位对防 雷接地进行全面测试 ,不合格的立即整改 ; 提前针 对防洪防汛 、 防暑降温 、 山体滑坡中的薄弱环节做 好事故应急预案 , 做到项项有对策 , 事事有方案 , 防患于未然 , 保证了装置的安全稳定运行 。由于 措施到位 , 目前装置抗雷电 、 抗高温 、 抗洪的能力 明显加强 ,因上述原因造成停车的次数明显减少 。 强化考核 , 预算目标奖惩兑现 。公司通过不 断完善预算目标考核手段和建立预算目标监督检 查体系 ,对考核结果进行奖惩兑现 。每月将考核 结果汇总后 ,根据预算目标的完成情况在当月进 行奖惩兑现 ,年底再根据全年目标的完成情况与 单位的总年终奖和单位领导的个人奖挂钩 , 通过 经济的杠杆作用 , 有力地保障了预算目标的执行 力度 。股份公司在生产方面已连续 5 年超额完成 了预算目标 ,即使是去年新系统技改 ,我们也较好 地完成了公司的生产预算目标 。