煤制天然气工艺的研究与应用

第31卷第11期企业技术开发2012年4月.Vol.31 No.11TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISEApr.2012煤制天然气工艺的研究与应用李积强1,盛莉莉2,黎菲3(1.中电投新疆能源有限公司塔城分公司,新疆乌鲁木齐830000;2.青海省化工设计研究院有限公司,青海西宁810000;3.山东正信安全评价有限责任公司,山东聊城252000)摘要:文章采用先进的煤气化和甲烷化技术建设大型煤制天然气项目,阐述了研究和开发煤气化技术的重要意义,详细介绍了目前国内外主流煤气化技术的进展及应用，比较了各种煤气化技术的优缺点,并对如何选择煤气化技术提出了详细的方案。关键词:煤气化;气化炉;碎煤加压;应用中图分类号:TQ546文献标识码:A .文章编号: 1006- 8937 (2012)11-0169-03我国煤炭资源较丰富,近年来煤化工行业发展迅速,游一体化发展,有效带动了大型煤制甲醇装置的建设。在煤化工行业中最为关键和重要的是通过洁净、高效的1.3 煤制烯烃技术将煤炭转化为合成气(CO+H2),即煤的气化技术。先煤制烯烃分为煤气化、合成气净化、甲醇合成及甲醇进的煤气化技术不仅能减轻燃烧排放物对大气的污染，制烯烃四项技术。煤制烯烃即煤基甲醇制烯烃,是指以煤而且还能够很大地提高煤炭利用率，是煤炭化工、煤炭直为原料合成甲醇后再通过甲醇制取乙烯、丙烯等烯烃的接或间接液化、IGCC技术、燃料电池等高新洁净煤利用技术。甲醇制烯烃技术已日趋成熟,具备工业化条件,存:技术的先导性技术和核心技术。在的主要问题不在工艺上，而在催化剂上。目前,催化剂的长周期运转的数据并没有出来,催化剂的单程转化率、1煤制气技术的发展收率、副产物的组成,催化剂、原材料和公用工程的消耗煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气定 额、催化剂衰减的特性曲线、废催化剂的毒性和处理、体、液体、固体燃料以及化学品的过程。煤化工分为传统催化剂制备的污水组成和数量、整个装置单程和年连续煤化工和现代煤化工，传统煤化工产品主要包括合成氨、运行的时间 、废液废气的排放等多项重要数据目前没有甲醇、焦炭和电石等。目前，我国现代煤化工明确了把煤公布。因此,大规模工业化尚需时日。制油、煤制烯烃、煤制二甲醚、煤制天然气、煤制乙二醇作2天然气的消费量为现代煤化工的代表。1.1 煤炭气化天然气是埋在地下的古生物经过亿万年的高温和高煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一-定温度及压压作用下形成的可燃气体。天然气的主要成份是甲烷,是力下使煤中有机质与气化剂(如蒸汽1空气或氧气等)发最简 单的烷烃,也是有机物中最简单的稳定化合物。是一生一系列化学反应,将固体煤转化为含有CO、H、CH4等种无色 、无味、无毒、可燃气体、洁净环保的优质能源。微可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。气化过程发生溶于水、乙醇、乙醚等有机溶剂。的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤炭气化工艺可天然气按其形成可分为:油田气、煤层气、生物气和按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类,常用的是按水 合物气四种。油田气是石油烃类天然气,煤层气是成煤气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有固定床过程中有机质产生的甲烷气，生物气是有机质在70C以气化、流化床气化和气流床气化。虽然煤的气化是发展时下遭厌氧微生物分解产生的甲烷气，水合物气是在低温间较长的一种技术,但仍然存在许多问题未解决,如煤品高压下,甲烷等气体分子渗入水分子晶隙中缔合的气体。种的适应性、转化率装置稳定运行等。表1详细的说明我国天然气生产量从1995 年的179.5亿1.2 煤制甲醇m3到2011年1130亿m3增长了6倍，天然气的生产量满煤制甲醇即以煤为原料生产甲醇。我国利用高硫、劣足不了消费量。可见要用先进的工艺技术来满足工业以质煤生产甲醇的技术处于世界前列，且原料来源稳定可及生活需求天然气。天然气按用途分类,可分成燃料和化靠,已初步形成了4 000万ta的生产能力。工两大类,其中燃料包括燃气发电、民用燃料、工业燃料、化工产业的蓬勃发展拉动我国甲醇消费量快速增车用燃料等，从图1中可以看出随着我国天然气利用政长。随着甲醇下游产品的开发和甲基叔丁基醚(MTBE)、策的出台,以及能源价格改革方案的推进,天然气利用结农药、醋酸、聚甲醛等新装置的建设,以及甲醇燃料的推构正在由化工、发电为主逐渐转向城市燃气用气比例的广和应用，甲醇的需求市场进- - 步扩张。国内煤炭企业为提高。增强核心竞争力、调整产品结构延长产业链,注重上下3煤气化工艺技术作者简介:李积强(1980-),男,助理工程师，主要从事电力工程3.1 煤气化炉介绍170企业技术开发2012年4月表1我国天然气产量和消费量统计煤,副产焦油少,碳利用率低。年份生产消费流床气化炉如图2(c)所示,将粉煤与气化剂(氧气和产量,亿m增长率，%消费量,亿m'增长率，%水蒸气)一起从喷嘴 高速吹人炉内迅速气化。特点是不副1995 179.5177.4产焦油，生成气中甲烷含量少。气流床气化是目前煤气2000 272.051.53.38.1化技术的主流,代表着今后煤气化技术的发展方向。气流2001 303.311.51274.311.96床按照进料方式又可分为湿法进料(水煤浆)气流床和干2002 326.67.68291.86.38法进料(煤粉)气流床。2003 350.27.23339.116.213.2三种煤气化工艺的比较2004 407.718.50396.7.16.99我国引进并被广泛采用的三种先进煤气化工艺一-2005 499.521.9479.020.75鲁奇气化炉、壳牌气化炉、德士古气化炉,三种煤气化工2006 585.519.2556.816.08艺的对比如表2所示。2007 693.123.1673.019.904鲁奇碎煤加压气化装置流程2008 760.880719.91表2三种煤气化工艺的对比2009 8379.486216.02 .2010 9629.6101015.72气化炉优点缺点主要厂家鲁奇气生产能力大，以生产的合成气云南解放军化肥厂2011 113011.21179.419.92化炉块煤为原料尤中甲烷含量河南煤气集团义马其适应褐煤,碳高，焦油和苯气化厂我国天然气消费结构及需求预测(单位:%)转化率高,调节酚等液状物较山西潞安煤基合成14.6%0.2%2%负荷方便。多，生产流程油有限公司34.6%长投机大,结新疆广汇新能源有13.9%构复杂，加工限公司难度大。大唐国际发电股份有限公司34. 6%壳牌气干粉煤进料,煤投资高，设备云南云天化股份有图1我国天然气消费结构预测化炉种适应广 ,碳转造价过高，建限公司化率高，甲烷含设周期较长;湖北双环化工集团量少，氧耗低配套的干燥，有限公司15% ~20%,单磨煤，高压氮河南中原大化有限炉生产能力大，气、冷用合成公司运转周期长,气气加压所需的天津渤海化工集团化效率高，气化功耗较大。天津碱厂过程无废气排神华集团宁夏分公。司灰分德士古水煤浆进料,对耗氧量大,投安徽淮化集团有限气化炉煤种的适应较资大，技术费公司K赢气宽,单炉生产能用高。神华集团包头分公(四)固定床(b) 谎化床(心) 气窕床(四)熔敬床力大,碳转化率高，煤气质量陕西渭化煤化集团图2各种煤气化炉模式图好，甲烷含量山东鲁南化肥厂煤气化被誉为煤化工产业的龙头技术，目前可作为低，废物排放中国中化集团大型工业化运行的煤气化技术,可分为固定床气化技术、少。流化床气化技术、气流床气化技术以及熔融床气化技术由于各种煤气化工艺复杂多样，目前世界上还没有当实际没应用开发,各种煤气化炉的模式见图2。煤气化万 能的气化炉,各种煤气化工艺技术都有其优缺点,具有炉又称煤气发生炉(gas producer )典型的工业化煤气化炉一定的适应范围,因此,在煤气化工艺选型时,要结合实型有:UGI炉、鲁奇炉、温克勒炉(Winkler)、 德士克炉际情况 ,选择适合自己的煤气化技术。我公司中的煤制天(Texaco )和道化学煤气化炉( Dow Chemical)。然气工程用煤为为伊南煤田长焰煤,无粘结性,采用鲁奇固定床气化炉是最早开发出的气化炉,如图2(a)所公 司的固定床加压气化技术,炉型选用MARK- IV ,单台示,炉子下部为炉排,用以支撑上面的煤层。通常,煤从气装置8处理煤量约750t。需要说明的是,鲁奇固定床气化炉的顶部加入,而气化剂(氧或空气和水蒸气)则从炉化技术是最早实现工业化生产的技术，国内已有多套生子的下部供入，因而气固间是逆向流动的。特点是炉内煤产装置。“鲁奇”在这里已紧紧是个代号,代表了加压固定处理量小,大规模化困难。床这一煤气化技术,该技术的工艺设计、设备制造、工程流化床气化炉如图2(b)所示,在分散板上给予粉施工、工业生产等已全部可以国产化,同时也不存在与德煤,在分散板下送入气化剂(氧气和水蒸气),将粉煤在悬国鲁奇公司或南非SASOL公司的知识产权问题。第31卷第11期李积强,等:煤制天然气工艺的研究与应用17灰锁组成并与气化炉相联接。气化用煤经过破碎及筛分，保护 。在这些城市及周边地区,煤炭的使用和机动车的迅装置运行时,合格的煤加入气化炉上部之煤斗。对煤锁进速增加产生了污染问题，这个问题日趋明显而且正在影行充压,从常压充至气化炉的操作压力。在向气化炉加完响着 中国大部分的人口。由于这是政府优先要解决的问煤之后,煤锁再卸压至常压，以便开始下-一个加煤循环过题,所以制定了很多降低污染的政策,其中就包括增加利程。用来自煤气冷却装置的粗煤气和来自气化炉粗煤气用清洁燃料的政策。 以天然气为主的清洁燃料的普及应使煤锁分两步充压;煤锁卸压的煤气收集于煤锁气气柜，用 ,将减少由于工业废气对不堪负重的大气污染,其需求并由煤锁气压缩机送往变换冷却工号。减压后,留在煤锁将 十分强劲,天然气市场前景广岡。到2011 年，中国国中的少部分煤气,用引射器抽出。经煤尘旋风分离器除去内管道天然气需求量约1200亿Nm',而国内生产能提供煤尘后排入大气。气化剂一蒸汽,氧气混合物,经安装在的只有 1000亿Nm',天然气供应缺口将达200亿Nm';气化炉下部的旋转炉篦进人灰渣层,气化剂温度提高,灰、2015 年中国天然气需求将达1700亿Nm3 ,而国内生产能渣温度降低。在燃烧区燃烧-部分煤 ,为吸热的气化反应提供的只有 1200 亿Nm',天然气供应缺口将达500亿提供所需的热。在气化炉的上段，刚加进来的煤向下移Nm';到2020年将达到2000亿Nm'以上,占我国能源消动,与向上流动的气流逆流接触。在此过程中，煤经过干费 总量的比例将从2.5% ~ 2.6%.上升为7%~ 10%，而缺燥、干馏和气化后,在与人炉氧进一步燃烧，最后只有灰口至少达1000亿Nm'。残留下来,灰由气化炉中经旋转炉篦排入灰锁,再经灰斗我国正在加快引进国际天然气资源,是21世纪中国排至水力排渣系统。气化所需蒸汽的一- 部分在气化炉的发展外向型能源经济的重点之- -，是中国21世纪重大的夹套内产生,从而减少了中压蒸汽的需求,为此向气化炉能源战略。现已经计划从俄罗斯、中亚土库曼斯坦、哈萨夹套中加入中压锅炉给水,气化炉中产生的蒸汽,经汽1克斯坦进 口天然气,中亚天然气管道预计2009年底实现液分离器送往气化剂系统，蒸汽1氧气在此按比例混合第一 期工程单线通 气，将从中亚向中国输送约300 亿好喷射入气化炉。离开气化炉的粗煤气以CO、H2、CH、Nm2? 的天然气, 2010年第二期实现双线通气,新增300亿H20和CO2为主要组分。离开气化炉的煤气首先进入洗Nm'。从 2011年开始,俄罗斯每年也将向中国出口600亿涤冷却器，在此，煤气用循环煤气水加以洗涤并使其饱至800亿Nm2。此外云南省从缅甸进口天然气100亿和。洗涤冷却器的用途首先是将煤气温度降至200C左Nm2/a的管道项目已正式实施，将于2010年上半年建成右,其次是除去可能夹带的大部分颗粒物。饱和并冷却后的煤气进入废热锅炉,通过生产0.5 MPa(g)低压蒸汽来综上所述我国燃气十分紧缺，不得不从国外进口大回收一部分煤气中蒸汽的冷凝热。在废热锅炉下部收集量石油液化气液化天然气及管道天然气。从国外购进燃到的冷凝液的一部分，用洗涤冷却器循环泵送出。多余的气不仅价格贵,而且还受多种不确定因素影响。如何保证煤气水送往煤气水分离装置。离开气化工段的粗煤气在能源安全供应是在引进国外气源是必须重视的问题。煤压力3910 kPa(g)、温度185C饱和状况下,通过粗煤气制天然 气立足国内，可以减轻对国外的依赖，具有长远的总管进入煤气变换、煤气冷却工段。煤锁气回收系统供所战略意义。有气化炉系列所用。参考文献:5煤制天然气应用前景我国目前是世界上天然气需求增长最快的国家之[1]蔺华林,李克健,赵利军煤制合成天然气现状及其发展[J].一,我国87%以上的天然气用于化工、城市燃气和发电等上海化工,2010,35(9):25- -32.工业部门，其中化肥生产就占38.3%。居民用气在天然气[2] 赵勇,王巍,郝天翼,等煤气化技术研究进展[].电力技术.消费总量中所占11%。随着我国经济建设持续稳定发展，2010,19(6):1-6. .对天然气的需求量将继续增加,城市燃气、工业用气和发[3]何忠，黄晓曦.煤制天然气工艺技术和催化剂的研究进展电等消费需求都将快速增长。[].化工进展.2011,(30):388- -392.我国城镇的发展导致了天然气需求的增长。在经济[4]钱卫,黄于益煤制天然气(SNG)技术现状[J].转化利用,2011,17(1):26-32.高速增长的今天,随着广东珠江三角洲、上海长江三角洲[5]蔺华林,李克健,赵利军.煤制合成天然气现状及其发展[J].地区、环渤海地区城市的发展已率先进人了工业化时代，化工时刊1.2010,35(9):25-35.也率先进入了城市天然气时代。中国大城市人口的聚集和小城市的增加以及经济的增长日益敦促人们重视环境