水在煤炭氣化中的作用

聶旭春1聶國印 2

（1、內蒙古工業大學， 2、內蒙古自治區煤田地質局）

摘要：

關鍵詞：

煤炭；氣化；水氣化；碳/氫元素比例；流程；計算。

中國

煤炭氣化

現狀

煤炭氣化技術有：固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化，其中氣流床氣化最有優勢。

當前國內對氣流床煤氣化的選擇主要集中於幹法進料的SheII（殼牌）、GSP粉煤氣化和溼法進料的Texaco（德士古）和國內多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，SheII和GSP粉煤氣化技術雖然先進，但是缺乏化工應用業績，水煤漿氣化技術用於化工生產成熟可靠，操作穩定性強，特別是國內具有自主智慧財產權的多噴嘴對置式氣化技術，在裝置投資、建設、穩定執行、經濟效益等方面具有顯著優勢。投資者選擇哪一種氣流床氣化技術關鍵要看技術的成熟可靠性；投資；專案建設週期；專利商的工程支援能力；執行與維護成本。氣流床氣化技術特點：氣化劑為水蒸氣和氧；煤種適應寬；反應物在爐內停留時間短，反應時間約為1s～3s；氣化溫度高達1500℃，灰渣以熔融狀態排出，熔渣中含碳量低；氣化壓力4-6。5MPa；出爐煤氣的組分以C0，H2，C02和H2O為主，CH4含量很低，產品中不含焦油，不產生含酚廢水，煙氣淨化裝置簡單。影響氣流床氣化的主要因素：氣化溫度；氣化壓力；氧煤比；蒸汽煤比；氣化爐結構。［1］

在兗礦魯南化肥廠建設多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及配套工程，於2005年7月21日一次投料成功，並完成80小時連續、穩定執行。裝置初步執行結果表明：有效氣CO+H2超過82%，碳轉化率高於98%。它標誌著我國擁有了具備自主智慧財產權的、與國家能源結構相適應的煤氣化技術具有重大的突破，其水平填補了國內空白，並達到國際先進水平。目前已有數十家企業使用多噴嘴對置式水煤漿氣化爐，成為我國煤炭氣化的主流裝置。

煤炭、石油、生物質透過：氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、提純四個流程製備氫氣；氣化、酸性氣體脫除、分離、提純四個流程製備氫氣和一氧化碳；氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化等流程製備天然氣、甲醇、乙二醇、二甲醚、烯烴、氮肥、車用燃料等。

水在煤炭氣化中的作用

．1 工藝簡介

以年產20億m3煤制天然氣技術為例：利用褐煤等劣質煤炭，透過煤炭氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化四道流程製取天然氣，工藝流程如圖1所示，其中氣化採用BGL技術，並配有空分裝置和硫回收裝置。主要流程為：①原煤經過備煤單元處理後，經煤鎖送入氣化爐，蒸汽和來自空分的氧氣作為氣化劑從氣化爐下部噴入，在氣化爐內煤和氣化劑逆流接觸，煤經過乾燥、乾餾和氣化、氧化後，生成粗合成氣，粗合成氣的主要組成為H2、C0、C02、CH4、H2S、油和高階烴；②粗合成氣經急冷和洗滌後送入變換單元，粗合成氣經過部分變換和工藝廢熱回收後進入酸性氣體脫除單元；③粗合成氣經酸性氣體脫除單元脫除硫化氫和二氧化碳及其它雜質後送入甲烷化單元；④在甲烷化單元內，原料氣經預熱後送入硫保護反應器，脫硫後依次進入後續甲烷化反應器進行甲烷化反應，得到合格的天然氣產品，再經壓縮乾燥後送入天然氣管網。［2］

圖1 煤制天然氣總工藝流程示意圖

2.2

關鍵物流資料模擬

以年產20億m3煤制天然氣為例，各關鍵物流的資料如表3所示，其物流號與圖1相對應。以常溫常溼空氣乾燥（ad）的原料煤煤質組成見表1，高位發熱量26。89MJ/kg。［2］

表1 原料煤煤質組成及熱值％

表2物流的流量、溫度和壓力

表3 煤制天然氣物流資料表（mol％）

表4 煤制天然氣消耗表

2.3

水在煤炭氣化中的作用

本文是利用《化工設計》雜誌2010年03期劉芹、邢濤的《淺析煤制天然氣的工藝流程與經濟性》中的資料進行模擬計算的，經過與中國天辰化學工程公司編制的《昌吉盛新實業有限責任公司年產20億m3煤制天然氣專案可行性研究報告》複核，認為各種資料真實可靠，但是為了說明問題，計算是近似的，不是精確的，使用時應加以注意。

2.3.1

煤炭的碳氫元素比例

煤中有機質是複雜的

高分子

有機化合物，主要由

碳

、

氫

、

氧

、

氮

、硫和

磷

等元素組成，而碳、氫、氧三者總和約佔有機質的95%以上，可以縮寫為CxHyOz。不同的煤類碳氫元素比例各不相同，除泥炭外其他煤類均大於1 ，一般由1。09：1到2。95：1，煙煤在1。22：1到1。75：1。本文所用煤類碳氫元素比例為1。50：1。石油碳氫元素比例穩定在0。50：1左右。幹生物質碳氫元素比例穩定在0。63：1左右。

2.3.2

水在氣化流程的作用

由表3可知，粗合成氣的主要組成為H2、C0、C02、CH4，佔總量的98。715%，有效氣CO+H2佔總量的86。312%。主要的化學反應方程式為：CxHyOz＋mH2O＋nO2＝（y/2＋m）H2＋xCO。由表3可以計算出粗合成氣的碳氫元素比例約為0。89：1，充分說明有部分水參加了氣化反應並生成了H2，依據碳原子不變，可計算出：m＝0。3427y；383。46萬t原料煤按83。61%為純煤320。61萬t；按3。83%氫含量純氫12。28萬t；m＝4。21萬t，按分子量計算氣化了約75。75萬t水。如果採用煤炭氣化製備氫氣和一氧化碳，可以省略一氧化碳變換流程，直接進行酸性氣體脫除、分離、提純流程。

2.3.3

水在一氧化碳變換流程的作用

水在一氧化碳變換流程的作用就是水和一氧化碳反應生成二氧化碳和氫氣，即xCO＋xH2O＝xH2＋xCO2。由表3可以計算出經一氧化碳變換後的混合氣體碳氫元素比例約為0。43：1（煤制天然氣是為了甲烷化控制CO和H2的比例而沒有完全變換，煤制氫氣完全變換）。依據碳原子不變，可計算出：383。46萬t原料煤按83。61%為純煤320。61萬t；按69。05%碳含量純碳221。38萬t；按分子量計算氣化了約332。07萬t水；同時也產生了811。73萬t的二氧化碳。

2.3.4

水在整個流程的作用

由表4可知，年產20億m3天然氣，總用原水1369。168萬t，其中氣化了407。82萬t，剩餘的被原地蒸發、蒸汽排空、去汙水處理、高鹽汙水排放等。原地蒸發、蒸汽排空按10%計算96。13萬t，剩餘的其中以氣化灰水、低溫甲醇洗、全廠生活及化驗汙水等去汙水處理為主可回收，約75%，其次是高鹽汙水排放，約佔25%，消耗量約216。31萬t。也就是說在一年的生產過程中，氣化了407。82萬t水，原地蒸發、蒸汽排空96。13萬t，高鹽汙水排放約216。31萬t，第二年需要720。26萬t原水就可以滿足生產。

2.3.5

水在煤炭氣化中的能量消耗

由表4可知，用383。46萬t原料煤、99。14萬t原料煤發電和水，年產20億m3天然氣，可以計算出用2。41Kg（2。17 Kg標準煤）煤炭才能生產出1 m3天然氣，而按照標準煤的折算係數折算1 m3氣田天然氣相當於1。21Kg標準煤，這部分能量差最主要的就是氣化水的能量消耗。

相關的思考

3.1

闡明瞭水在煤炭氣化中的各種作用

很多各種專家或領導都有煤炭氣化水資源浪費太嚴重的固有印象，瞭解了水在煤炭氣化中的各種作用，有助於消除對煤炭氣化的牴觸心理。

3.2

一氧化碳是水氣化的最有效途徑

世界各國都在積極地研究各種制氫方法，多達上百種，煤炭氣化制氫是最有效方法，並且已經產業化。［4］一氧化碳是水氣化的最有效途徑，每得1t氫氣將產生22t二氧化碳，應集中捕集，迴圈利用。

3.3

氫能時代煤化工的重新思考

目前，已經成熟的煤炭氣化產品有氫氣、天然氣、甲醇、乙二醇、二甲醚、烯烴、氮肥、車用燃料等很多，還有一種選擇是煤炭氣化製備氫氣和一氧化碳尚未利用。氫能時代的煤化工，從最佳化能源結構和環保考慮，應該以：煤炭氣化制氫為主（全部捕集二氧化碳），全部代替用作燃料部分；煤制化肥為輔；石油、生物質氣化製備氫氣和一氧化碳，一氧化碳全面替代焦炭和氣法冶煉；［5］化工原料由石油、天然氣製取。

參考文獻

［1］趙旨厚．張大晶．河北化工．氣流床氣化方法的選擇．第31卷第7期．

［2］劉芹、邢濤．化工設計．淺析煤制天然氣的工藝流程與經濟性．2010年03期．

［3］聶國印．聶旭春．城市建設理論研究．改變生物質氣化條件氣化城市垃圾．2013年7月．第十九期．總第086期．

［4］聶國印．聶旭春．城市建設理論研究．氫能時代煤化工的思考．2013年3月第九期．總第075期．

［5］聶國印．聶旭春．城市建設理論研究．神奇的氫氣和一氧化碳．2013．3月．第十九期．總第085期．