褐煤气化技术进展
我国褐煤资源丰富，褐煤和低变质烟煤资源量为31729.73亿吨，占我国煤炭资源的56.97%；褐煤探明保有资源量为1291.32亿吨，占全国探明保有资源量的12.69%，主要分布在内蒙古东部、黑龙江东部和云南东部。 褐煤煤化程度较低，属于低阶煤的一种，发热量低、水分高、易风化自燃、热稳定性差，不适宜长度运输，并且具有高灰分、高硫分的特点。我国的褐煤平均灰分为21.90%，挥发分为45.21%，水分在30%左右，发热量在28.71MJ/kg。 近年来，褐煤的产量迅猛增加，并且成本低，褐煤的加工和利用越来越为人们所重视。 褐煤加工利用的方式有很多种，包括褐煤发电、褐煤气化、褐煤液化、褐煤提质等，其中褐煤气化是褐煤清洁化利用最重要的途径之一，褐煤通过气化得到粗煤气，粗煤气进一步加工可以生产液体燃料、气体燃料和化学品等。 从原理上讲，固定床、流化床和气流床等煤气化技术均可应用于褐煤气化，褐煤的煤种特性对不同的煤气化技术有不同的适用性，不同的煤气化技术对褐煤气化前的处理有不同的要求。 1.褐煤固定床气化 褐煤用于固定床加压气化，在我国已有近30年的褐煤气化历史，中国先后建成多座褐煤固定床加压气化煤气厂，进行过多个褐煤煤种的加压固定床气化试验研究。 褐煤的物理化学性质对气化炉的设计、运行以及后续工艺都有直接的影响，是最终决定煤气化技术经济效果的一项重要因素。一般而言，褐煤中的水分对气化是无益的，增加了气化过程的热能消耗，若超过一定限度时，需要对煤进行干燥预处理。因褐煤的挥发分高，固定床气化后产生的焦油、酚水量较大，常常给后续工艺带来诸多麻烦。 固定床气化对煤的热稳定性有一定要求，块煤在液态排渣气化炉中会部分粉化，可能会导致气化炉内局部超温，严重影响装置的稳定运行。固定床气化要求碎煤的直径介于5~50mm，而褐煤稳定性较差，从煤矿采出输送到煤化工厂后并经过筛分后，满足入炉煤要求的块煤的比例一般不到50%，将多余的粉煤制成型煤将带来成本的显著增加，如何处理大量的粉煤是褐煤固定床气化面临的是一个较为严重的问题，在选择固定床气化技术时必须对此问题有较好的解决方案。 国内以褐煤为原料选用的固定床气化技术包括UCI常压固定床气化技术，鲁奇加压气化技术和BGL气化技术。 国电赤峰化工公司30万吨合成氨化肥项目以元宝山褐煤为原料，选用了碎煤加压气化技术，实现了装置的稳定运行。云南解放军化肥厂应用BGL气化技术对原有鲁奇炉进行了改造，实现了褐煤固定床气化液态排渣，因种种原因，改造后的气化炉至今未达到设计负荷。呼伦贝尔金新化工项目以当地褐煤为原料，将褐煤制成型煤，满足BGL气化炉要求，但因种种原因至今未实现长周期稳定运行。大唐克旗煤制天然气项目以东胜利煤矿褐煤为原料和燃料，选择了碎煤加压气化技术生产替代天然气，于2012年实现了气化装置的成功开车和稳定运行。虽然部分褐煤可以通过动力装置进行消耗，但仍有部分粉煤无法消化。 2.褐煤流化床气化 流化床气化工艺对煤的适用性要高于固定床，不要求使用粒度均匀性好的块煤，只要求一定粒度的细粒煤，对煤的热稳定性和粘结性无特殊要求。对于活性高的褐煤，可以得到较高的碳转化率和气化效率。对于煤灰熔融性，要求ST≥1250℃，以避免气化炉内气化高温区结渣，破坏流化床正常操作。从煤的输送、气化剂消耗和炉内热量平衡上考虑，入炉褐煤一般要求低于12%，也有要求低于20%即可，褐煤入炉前需要进行与干燥。 国内以褐煤为原料，选用的流化床气化技术主要是恩德炉，并且U-Gas、TRIGTM气化炉也有气化褐煤的业绩。中国抚顺恩德机械有限公司在引进国外专利技术的基础上开发的恩德炉在国内有近20家公司的工业化应用业绩。美国为解决低阶煤气化而开发的TRIGTM气化技术在建有50t/d的中试装置，进行过褐煤的气化实验，取得了商业化放大设计数据，国内东莞天明电厂投煤量1600t/d项目在建，尚未投产。2009年11月，埃新斯（枣庄）新气体有限公司对内蒙古白音华煤矿的褐煤进行了为期两周的气化实验，气化装置运行稳定，各项指标良好，可以认为U-Gas气化技术可以作为褐煤利用项目可选的气化技术之一。 3.褐煤气流床气化 粉煤气化对煤种具有广泛的适用性，对煤的活性、黏结性、机械强度、水分、灰分、挥发分等煤的一些关键理化特性的要求不是很严格，但对于褐煤要求入炉煤水分低于8%。因此选用粉煤气化技术时，需对褐煤进行预干燥，使煤中水分满足要求。我国褐煤灰分含量高，在粉煤气化炉设计时需要对排渣系统进行优化设计。 另外，褐煤因其容易自燃，在煤粉输送装置设计时必须予以足够重视。对于Shell、Prenflo等废锅流程的气化技术而言，高灰分褐煤带来的粗煤气中飞灰将使陶瓷过滤器、激冷气压缩机、废锅等因灰而结垢，进而影响气化装置的稳定运行。GSP气化技术采用了激冷流程，所有灰分分别通过激冷室、洗涤器进入渣水处理系统，渣水中灰分也会对管道、阀门和设备带来一定影响。大唐多伦煤制烯烃项目以东胜利褐煤为原料，选用了Shell气化技术，气化炉成功投产。 4.水煤浆气化 水煤浆气化技术因其技术成熟可靠，可以省略很多不必要的麻烦，保障后续工艺的运行。一般在煤化工项目气化技术选型时，都会对原料煤进行成浆性实验评价。 煤中水分尤其是内水含量越高，成浆性能越差，在煤浆浓度相同的条件下，煤浆的表观粘度较大，以致流动性较差。若使其达到较好的流动性，则煤浆浓度一般就会下降。煤中水分含量越大，磨煤操作时越易溢浆，添加剂的选择余地越小，添加剂消耗越大。加之褐煤固定碳含量和发热量低，不仅单位有效气体的煤耗高，同时由于水分蒸发消耗了过多的热量，气化炉内热量也难于达到平衡。褐煤煤种灰分含量高，会相对增加气化炉的比煤耗、比氧耗。灰分形成的灰渣都进入渣水处理系统，灰分中硬颗粒会对一些管道、阀门、设备产生过度冲蚀以致泄漏，而灰分中的碱性成分和渣水中细灰又容易在管道、换热器的一些部位产生沉积、垢堵。灰分高，渣水中的固含量增加，渣水处理系统的负荷增加，难度增大，能耗也随之上升。 褐煤内孔表面积大，吸水能力强，成浆性差，一般不易制得高浓度的煤浆，传统方法制得的煤浆一般低于50%。如何改善褐煤成浆性能，是推进褐煤水煤浆气化技术的关键。改进褐煤成浆性的方法很多，有合理配煤、磨煤与级配技术、添加剂配方及生产技术、褐煤提质改性等。经采用配煤、改善级配、选择合适的添加剂等方法进行制浆性能试验，云南褐煤与新庄煤（0.65：0.35）两种高低阶煤制浆浓度最高达53%。 国家水煤浆工程技术研究中心开发的分级研磨高浓度制浆技术可以将水煤浆浓度提高3~5%，在内蒙古伊泰煤制油公司获得了成功应用，将水煤浆浓度从59.5%提高到62.2%。榆林西部煤炭技术研究中心开发的干法微细粉制备水煤浆技术可以明显提升褐煤水煤浆浓度，在自制的工业化中试生产线上，成功生产出63%的水煤浆。通过对宝日希勒褐煤进行提质改性，水煤浆浓度从52.8%升至61.0%。通过对褐煤进行水热处理后也可以提高褐煤水煤浆浓度。大唐呼伦贝尔化肥项目以当地褐煤为原料，选择了两段分级给氧气化技术，经过调试后实现了气化装置的基本稳定运行。
