煤资源与煤气化技术的选择.doc

煤资源与煤气化技术的选择 1 我国煤炭资源 1.1 储量 我国煤炭资源相对丰富，预测总资源量为55697亿t，查明资源储量为10430亿t，基础储量3326亿t，可直接经济利用储量为1842亿t。位列世界煤炭探明储量第3名国家。但我国人均煤炭资源量才800t，为世界平均的55，资源大国的10。我国在世界煤炭探明储量前7位国家中储采比最低。前6位分别是俄罗斯500，德国322，澳大利亚236，印度230，南非207和美国192。我国储采比才69。而且，我国煤炭资源分布很不均匀。分布特点是北多南少，西多东少。储量大于10000亿t新疆、内蒙两个省区；储量在1000亿-10000亿t的省区有山西、陕西、宁夏、贵州四省区；安徽、云南、河北、山东四省区储量在500亿-1000亿t。我们必须要珍惜和合理利用我国的煤炭资源，提高煤炭利用效率。发展煤化工，将有限的煤炭资源转化为附加值较高的化工原料是我国煤炭资源合理的利用途径之一。从我国煤炭资源分布特点出发，煤化工产业宜在富煤地区发展，特别是煤资源丰富的后备煤炭资源产地，可充分发挥煤化工产品运费相对较低的优势，对现有的煤炭市场影响也比较小。 1.2 分品种资源量 我国煤种分布比较齐全。煤资源品种中，褐煤保有资源量3194亿t，占5.74，主要分布在蒙东、黑东、云南；低变质烟煤长焰煤、不粘煤、弱粘煤28535亿t，占51.23，主要分布于新疆、陕西、内蒙古、宁夏等省区。中变质烟煤气煤、肥煤、焦煤和瘦煤资源量15993亿t，占28.71，主要分布于华北。高变质煤资源量为7968亿t，占14.31，主要分布于山西、贵州和四川南部。 总体来说，我国煤资源具有以下特点 1中高灰煤多。在尚未利用资源量8260.41亿t，其中特低灰灰分小于5、低灰灰分小于10的煤1786.76亿t，占尚未利用资源量的21.63；低中灰灰分大于10-20的煤3626.67亿t，占尚未利用资源量的43.90；中高灰灰分大于20-30的煤2698.85亿t，占尚未利用资源量32.67。 2硫分适中。特低硫和低硫煤为4160.01亿t，占尚未利用资源量的50.37；低中硫、中硫煤2823.30亿t，占尚未利用资源量的34.18；硫分大于2.00。的煤占15.45。就地域而言，内蒙古、陕西、新疆三省区特低硫、低硫煤3225.77亿t，占全国的39.05山西、陕西、内蒙古三省区低中硫、中硫煤2243.77亿t，占全国的27.16。 3发热量较高。全国尚未利用储量中煤的发热量20MJ／kg4700kcal的中高热值煤占91.80，低热值煤少，主要是分布于云南和内蒙古东部的褐煤。 归纳起来，煤炭资源的种类齐全，包括了从褐煤到无烟煤各种不同煤化阶段的煤；数量和分布极不均衡。褐煤和低变质烟煤资源量占全国煤炭资源总量的50以上，动力燃料煤资源丰富。而中变质煤，即传统意义的“炼焦用煤”数量较少，特别是焦煤资源更显不足；低变质烟煤煤质优良，是优良的燃料、动力、化工用煤；高变质煤无烟煤硫分高。 从煤资源储量看，我国适合煤气化的资源储量较大，可以满足煤化工发展的要求。 煤炭资源的优化利用与煤种密切相关，低变质煤种的分子结构主要是直链烃类，作为生产油品的原料相对较好，而高变质煤种主要是复杂的芳烃类，打断分子链能耗较高。从煤资源合理利用角度，低变质煤种宜采用焦化和温和气化干馏的方法，可将煤中的烃类转化为高附加值的油品。目前的气化一般是煤的深度转化，是将煤完全转化为CO和H2，完全打破了煤原有的分子结构。 我国煤气化技术的研究开发还应关注中高灰份煤的问题。如何用经济的方法气化中高灰份煤，目前尚没得到很好地解决，如果大规模应用目前较为成熟液态排渣的气流床气化技术气化中高灰分煤，使大量的灰渣在熔融状态排出，必然会带来氧耗高、能耗高的问题，经济上是不合理的。适用于中高灰份煤的经济、合理气化技术还需另辟蹊径。 1.3 煤炭供需关系 煤炭在我国能源结构中一直占主导地位，煤炭消费量也与国民经济同步增长。2000年，我国煤炭产量为9.9亿t。2007年达到25.36亿t。年均增长率达到14，同时我国GDP年均增长也达到14，煤炭产销量保持了与GDP同步的增长速度。 我国煤炭消费结构中，电力、钢铁、建材、化工为四大煤炭消费大户，分别占国内消费总量的53、13、15、5。化工行业在煤炭消费中所占比例并不高，但是煤化工产业是煤炭消费量中增长最快的。预计到2010年，化工用煤将由2005年的1.04亿t增长到4亿t左右，占到煤炭总消费量的11.5，由于煤化工产业主要依托后备煤炭资源和其它产业不能采用的高硫煤、低质煤为原料，因此，煤化工产业的快速发展对煤炭供需平衡影响不大，煤化工用煤从供应方面也是可以保证的。我国煤炭产量、出口量和表观消费量见图1。 我国煤炭需求预测见表1。 2 煤气化技术发展概况 煤气化实际上的煤的部分燃烧部分氧化，即煤与气化剂氧气和／或蒸汽反应生产含CO和H2、CH4等产品和副产品的过程。煤气化与燃烧的不同体现在目的产物和工艺过程的不同。气化的反应时，C转化为CO和H2；S转化为H2S；目的是为了获得更多的合成气；而煤炭燃烧的目的是将C转化为热量；反应获得更多热量。可见，气化过程追求的是冷煤气产率，与煤炭燃烧追求的是热效率。我们在选择煤气化技术时应更多地关注冷煤气效率，而这一点常常在进行煤气化技术的选择和比较时被忽视。一些关于气化热效率和碳转化率的夸大宣传常常误导了用户。 煤气化过程采用的气化炉炉型，目前主要有以下3种 固定床UGI、鲁奇；流化床灰熔聚、UGASSES、鲁奇CFB、温克勒、KBR、恩德等；气流床GE-TEXACO、SHELL、GSP、PRENFLOW、国产新型水煤浆、二段干煤粉、航天炉等。 2.1 固定床气化技术 2.1.1 常压固定层床间歇气化 该技术成熟、工艺可靠、投资较低、不需要空分制氧装置。但气化需要无烟块煤或焦炭，对煤块大小要求严格。固定床间歇气化技术目前在我国的合成氨及工业煤气行业仍应普遍应用，目前有数千台气化炉在运转。环保和效率的改进及粉煤成型技术使固定层间歇气化技术的生命力得到了提高。如造气污水闭路循环工程，可以基本使造气污水达到零排放，废气治理工程，可以使显著降低废气中的粉尘和硫化物排放。因此对间歇固定层气化技术也不宜“一刀切”，应制定严格的环保标准，使现有的固定层气化技术的水平逐步提高，允许符合新环保标准的固定层气化技术发展。 2.1.2 鲁奇加压气化 鲁奇碎煤加压气化技术是一项古老的气化技术，采用5mm以上的碎煤为原料，其气化炉型从工艺原理上是设计合理，至今仍具有较强的生命力，而且仍在不断地发展之中。鲁奇炉气化技术的特点是 1氧耗低，鲁奇炉气化工艺是目前各种采用纯氧为气化剂中氧化最低的。 2冷煤气效率高，冷煤气效率代表了煤中的热量转化为煤气中热量的程度，加上气化副产物，鲁奇炉冷煤气效率最高可达93，高于其它的煤气化技术。 3但是，其污水排放中含有较多的焦油、酚类和氨，需要配备较复杂的污水处理装置，环保处理费用较高，但副产品的价值增加已抵消了其费用。 鲁奇煤气化技术近年来也在某些方面有所改进，如排渣系统的改进熔渣气化技术，三废处理技术的改进等，鲁奇煤气化技术仍是一个先进适用的技术。鲁奇气化炉的发展情况见表2。 2.2 流化床气化技术 流化床气化通过流化状态增强气化炉的传热和传质，从而改善气化效率和气化速度，提高碳转化率，并通过重力达到煤渣分离的效果。 流化床气化技术有以下4种灰熔聚流化床气化；恩德粉煤气化；鲁奇循环流化床CFB；SES原UGAS。 2.2.1 灰熔聚流化床气化炉 该技术是中国科学院山西煤化所在20世纪80年代初开发的。其气化炉气化压力有常压和加压1.0-1.5MPa，采用空气或氧气作气化剂。该工艺根据射流原理，在流化床低部设计了灰团聚分离装置，形成床内局部高温区，使灰渣团聚成球，借助重量的差异达到灰团的分离，提高碳利用率。 2002年，陕西城化股份公司一台气化炉建成投产年产2万t合成氨。天津碱厂建设2套年产4万t合成氨气化炉，2006年建成投产。河南平顶山化肥厂，2台4万t气化炉，2007年建成投产。山西丰喜集团15万t／a合成氨加压气化炉，2007年建成投产。在示范工程上遇到很多问题，基本上属于工程化方面，目前正在逐步解决和成熟。但是由于烟煤价格上涨，削弱了常压灰熔聚气化技术的竞争力，目前示范工程还缺乏长期运转的经验。加压气化和大型化的炉型更有待进一步开发。灰熔聚气化技术仍处于工业示范阶段。 2.2.2 恩德粉煤气化炉 该技术是温克勒气化炉的改进。我国已有结合国情完善、开发的专利技术，设备已完全实现了国产化。该技术主要特点是可采用劣质粉煤；气化强度大，单台炉生产能力4万m3／h折合成标准状态合成气，相当于9万t／a合成氨；操作弹性大，运行可靠，投资省；可根据合成气的要求采用空气、氧气或富氧空气作气化剂；技术成熟。 由于该技术具有以上特点，而且投资省，被国内一些中小企业看中。目前已有较丰富的使用和运行经验，该气化炉存在的优缺点也比较明确，恩德粉煤气化炉应用业绩见表3。 该技术的缺陷是只能适应高活性的煤种，在我国分布范围窄，上部灰分排放量大、炉灰含碳量高。造气工段排放物对环境有一定污染。 2.2.3 鲁奇循环流化床气化CFB技术 鲁奇常压循环流化床气化技术是德国鲁奇公司20世纪80年代初针对小型的、多种原料的气化而开发的，属高循环倍率的流化床。该技术原料适应性广，可以采用生物体、煤、石油焦、垃圾等多种原料，气化剂可采用空气、氧气加蒸汽、氧气和二氧化碳生产CO等。该技术气化效率高，废水处理简单，具有较高的灵活性。CFB气化于1986年在奥地利投运了第一套商业化装置，采用树皮制取低热值燃料气。其后建设了一些小型的发电或燃料气装置，尚未见到生产合成气的报道。CFB气化技术目前在国内尚没有商业化装置。 2.2.4 埃新斯循环流化床技术SES 埃新斯循环流化床是在原UGAS流化床技术的基础上进一步开发的，目前国内正由外商独资在山东枣庄建设一套工业化示范装置。利用枣庄地区中煤和煤矸石资源为原料，将洗煤厂在洗煤过程中产生的副产品中煤和煤矸石气化，气体净化后提供给山东海化公司用于生产甲醇，供气量为1.76亿m3／a。2006年开始建设，预计2008年投产。 2.3 气流床气化技术 气流床气化技术温度、压力较高，气化炉生产能力大，作为合成气的质量较好。但是氧耗较高，气化高灰煤种所需代价较大。 2.3.1 水煤浆气化技术 水煤浆气化技术是目前最为成熟的气流床气化技术，采用类似于油的煤浆进料，加煤和控制系统较简单，操作容易。水煤浆气化技术的优势是1技术成熟，可靠；2投资较省；3气化压力高。该技术的不足是1对煤种有限制；2耐火砖更换麻烦；3国内仅有激冷流程。该技术在国内应用较广，采用水煤浆气化技术的国内企业见表4。 2.3.2 国产新型多喷嘴水煤浆气化 该技术具有以下所述优势1单炉生产能力大；2气化效率高；3氧耗、煤耗低。在国内已有多家工业应用实例，国产新型多喷嘴水煤浆气化工业应用业绩见表5。该技术的不足之处是1控制较复杂；2设备投资较高。 以上两种水煤浆气化技术国内都有广泛的建设、运行经验，对于投资、消耗都可做到心中有数。水煤浆气化技术今后的发展方向一是废锅流程，二是固态排渣技术。由于水煤浆气化对于联合循环发电项目的效率稍低，有必要开发废锅流程，提高热效率，使之能适用于IGCC流程的要求。固态排渣工艺开发也有重要的意义，可以适应我国高灰、高灰熔点煤种较多的要求。 2.3.3 壳牌干粉煤气化技术 国内近几年引进的壳牌炉较多，其中已有5套装置已建成投产，在工程化方面遇到很多问题。从建设运行的情况看，可以初步判断壳牌技术有以下的优缺点 壳牌干粉煤气化技术的优势是1气化效率高，煤的转化率和热效率都比较高；2单台炉能力大；3环境友好。 该技术的不足1系统复杂，抗干扰能力差，对原料、操作控制的要求很高；2投资大，显著高于水煤浆气化技术；3仅有废锅流程4单台炉无备用，灵活性较差。 单台炉无备用是采用壳牌技术的化工厂较严重的问题，虽然单炉已达100天的运行周期，对于气化系统已经很不易了，但还达不到化工厂长周期运转的要求。但是如果增加备用炉，投资增加太多，经济上不合理。对壳牌气化技术，考虑适当的冗余是必要的。因此，壳牌技术更适合一些大型或超大型煤化工装置使用。 采用壳牌干粉煤气化技术的国内企业列于表6。 2.3.4 其它气流床气化技术 其它国内正在工业化的气流床包括GSP-科林、航天炉和两段炉等。这些技术的共同特点是1采用于粉煤气化；2气化炉水冷壁结构；3单喷嘴或多喷嘴；4热回收方式为激冷或废锅。这些技术走向成熟还有一段较长的道路。但是在工程化实践成功后，前景广阔。 3 选择煤气化技术考虑因素 3.1 对原料煤的要求 在选择煤气化技术时，首先要研究煤。煤种的特性对今后气化炉的操作是至关重要的。我国现有的煤炭分类指标是按照炼焦用煤的要求来制定的，煤气化指标体系有所不同，特别是不同类型气化炉在指标要求上也有所不同。一般包括煤的种类，灰分、水份含量，灰熔点，气化活性，可磨指数和灰渣特性。 3.2 目标产品 选择煤气化技术应考虑到终端产品和配套的下游工艺。不同的下游工艺对合成气的指标要求有所差异。图2列出了各工艺强调的合成气质量指标。下游产品也关系到煤气化技术选择的经济性。 3.3 后续流程 为了向下游产品提供合格的原料合成气，还需配套后续流程，精制合成气。选择煤气化技术也应考虑要配套的后续流程的投入和运行成本见图3。一些技术从气化过程看是合理的，但对于全系统并不一定是合理的。 4 结束语 煤气化是煤化工项目成败的关键因素之一，应慎重选择煤气化技术。煤气化技术的成功取决于所选技术是否整体最优、效益最大化。重点应在可靠性与先进性；投资与运行费用；环保投入与社会效益之间取得平衡。