蒋立翔

（1.中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221008；2.神华集团煤制油有限公司化工部，北京市东城区，100011）

1 引言

在我国，褐煤查明资源储量1334.69亿t，占全国煤炭资源总量的13.07%，主要分布区域为内蒙古东北部，占75%，西南地区占20%；其它地区占5%左右。过去人们对褐煤的开发利用不够充分，随着资源贫瘠化与环保压力不断加大，充分、有效、合理、洁净地利用褐煤已是业界的共识。神华集团拥有褐煤资源量数十亿吨，高质量高效益地利用好褐煤资源对集团可持续发展无疑具有非常重要的战略意义。

由于褐煤是煤化程度最低的煤种，是泥炭沉积后经脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物，含有较高的内在水分 （Mt≈30%～50%，Minh≈10%～30%）和不同数量的腐植酸 （3%～68%，daf），发热量低 （Qnet，v，ar一般为11.71～16.73 MJ／kg），挥发分高 （37%～58%，daf），固定碳含量低，热稳定性差，反应活性好，机械强度低，灰熔点低，煤质不稳定，易风化自燃，不易长途运输。故其加工利用是世界性难题。

要实现褐煤的资源化利用制取煤基化学品、液体燃料、IGCC、氢气等，选择合适的气化技术是关键，因为气化技术是上述过程的龙头技术、关键技术和共性技术，而各种煤气化技术均有其相应的特点和使用范围，针对褐煤气化技术的选择，应尽力做到 “因煤质制宜、因产品制宜、因规模制宜、因经济效益制宜”等各因素的平衡。本文将结合神华褐煤的煤质特点，谈一些褐煤气化技术选择方面的肤浅认识。

2 神华褐煤煤质特点

由于神华褐煤煤矿区域分布分散，煤质变化较大，此文以较有代表性的宝日希勒煤矿煤质为论述重点。宝日希勒矿区煤类单一，均为褐煤，颜色为深褐与黑褐色，条痕为棕色；光泽多为暗淡的沥青光泽或无光泽；构造多为层状及块状、致密、坚硬、性脆，少量呈片状及粉状，质较松软，呈均一结构及条带状结构，有时为木质结构，偶而可见清晰的植物年轮，少量呈透镜状和纤维状结构；断口多为贝壳状及参差状，外生裂隙发育；比重在1.54～1.69之间，平均为1.61。煤岩组成较单一，主要为木煤丝炭质暗亮煤，各煤层煤岩组成变化不大，其沉积环境属于弱氧化-弱还原环境。

宝日希勒褐煤原煤水分 （Mad）平均值在12.36%～15.32%之间，各煤层的灰分 （Ad）平均值在12.81%～15.27%之间，各煤层的挥发分（Vdaf）平均值在40.75%～43.57%之间，各煤层的发热量 （Qb，ad）平均值在20.32～21.94MJ／kg之间，各煤层的透光率 （PM）平均值在33～44之间。由以上数据分析得知，宝日希勒褐煤根据中国煤炭分类 （GB 5751-86）属于褐煤二号 （HM2）。

宝日希勒褐煤工艺性质方面，各煤层灰熔融性软化温度（T2）平均值在1130～1214℃之间，属低熔灰煤；燃点为280～329℃，平均是309℃，属易于自燃煤，自燃期3～6个月；低温干溜焦油回收率是1.91%～6.76%，平均为5.6%，属于含油煤。

宝日希勒褐煤有害元素方面，各煤层的全硫（St，d）平均值在0.13%～0.26%之间，属特低硫煤；各煤层的磷含量 （Pd）平均值在0.006%～0.018%之间，为低磷-特低磷煤；砷含量平均为0.00031%，小于8.0μg／g；氯含量为0.008%～0.032%，平均为0.019%，危害性不大。

宝日希勒褐煤可选性方面，本区多为动力用煤。假定精煤灰分为10%时，由可选性曲线得知分选比重为1.31～1.34，±0.1 含量为57.5%～66.4%，平均为61.5%，属极难选煤。

宝日希勒褐煤煤质数据 （煤层平均值）如下：

（1）工业分析。

Mt为35.4% ，Mad为13.28% ，Ad为14.53%，Vdaf为42.16%

（2）元素分析 （w）。

Cad为59.92%，Had为3.76%，Oad为16.88%，Nad为0.72% ，St，ad为0.41%，Clad为0.005%

（3）发 热 量Qgr，v，ar为16.49 MJ／kg，Qnet，v，ar15.11 MJ／kg。

（4）哈氏可磨指数HGI为77。

（5）灰熔点。变形 （T1）DT 为1140℃，软化（T2）ST 为1150℃，半球HT1160℃，流动 （T3）FT 1170℃。

（6）灰 组 成。SiO2为44.44%，Al2O3为12.19%，Fe2O3为16.50%，CaO 为14.97%，MgO 为2.34%，Na2O 为1.13%，K2O 为1.78%，TiO2为1.14%，MnO2为0.016%。

（7）Asad为5μg／g。

（8）显微组分含量。凝胶化组分为47.6%，丝炭化组分42.6%，稳定组分1.1%，无机组分9.0%。

（9）堆密度0.79t／m3。

（10）比重1.61t／m3。

（11）透光率PM为33～44。

宝日希勒褐煤筛分组成如下：

＞25mm 为1.91%，13～25mm 11.03%，6～13 mm 18.32%，3～6 mm 20.89%，1～3mm 20%，40目-1mm 11.28%，200-80目3.31%，＜200目1.06%。

3 神华褐煤不同气化技术适应性分析

3.1 当前典型的煤气化技术

按原料煤和气化剂在气化炉内的流体力学状态或气固接触方式，气化炉型分为三大类，即固定床、流化床和气流床。

固定床气化炉内原料层相对稳定或随原料的消耗缓慢向下移动，固体原料从气化炉顶加入，灰渣从气化炉底排出，气化剂由炉底通过炉栅 （炉篦）送入炉内，生成的煤气由炉顶导出。固定床炉内料层自下而上可分为灰渣层、燃烧层、还原层、干馏层和干燥层。目前加压移动床气化炉主要有鲁奇炉和熔渣鲁奇气化炉 （BGL炉）。

气流床气化炉是当今煤化工应用最普遍的气化炉，它是气化剂 （蒸汽与氧气）将煤粉 （或煤浆）夹带入气化炉，在高温下进行并流气化反应的过程。在气流床炉内，煤粉和气化剂均匀混合，瞬间着火反应，温度高达2000℃。高温下，煤干馏产物迅速分解，因而产物中CH4含量很低。为了提高反应的传质效率，反应煤粉通常磨的较细，如70%小于200目。目前已经工业化应用的气流床主要有GSP 炉、对置多喷嘴水煤浆气化炉、Shell炉、GE水煤浆炉、清华炉、多元料浆炉等。

流化床气化是指气化剂流速增加到使全部颗粒恰好悬浮在向上流动的气体中，此时颗粒与流体之间的摩擦力与其重力相平衡，这时床层开始流化，流化床就是床层处于流态化条件下的气化方法。常见的流化床气化炉有高温温克勒 （HTW）炉、U-gas气化炉、TRIG 气化炉及国内的恩德炉和ICC （山西煤化所灰融聚）气化炉等。由于恩德炉和ICC气化炉是常压气化炉，生产能力受到限制，HTW 炉应用不多。

3.2 神华褐煤选用固定床气化技术可行性分析

对于固定床气化炉，鲁奇 （Lurgi）炉要求褐煤入炉粒度为6～40mm，小于6mm 的细粒煤控制在5%以内，神华褐煤大于6mm 占全粒度的31.3%；水分方面鲁奇炉要求较宽，但水分过高易使褐煤热碎严重、氧耗增加、生产能力下降、净化和污水处理难度加大，故一般要求入炉水分控制在20%内；要求人炉煤有较好的热稳定性和较高的抗碎强度，否则容易碎裂成小块或煤粉，增加炉内阻力，降低气化效率，使煤气中未反应煤粉的带出量增多，影响正常运转，甚至可能造成停炉事故；灰熔融性方面，通常要求ST＞1200℃。

相比鲁奇炉，BGL 炉有不少优点：气化强度高，气化能力是鲁奇炉的3～4倍；碳转化率、气化效率高；水蒸汽消耗小，废水排放约为鲁奇炉的1／4；粗煤气中CO 含量大幅增加，CO2含量由30%降至3%～5%，CH4减少；可将部分小于6 mm 的粉煤喷吹进气化炉，自产的废水可部分喷吹回炉。

针对神华褐煤煤质，笔者认为将原煤经筛分后粒度＞6 mm 的褐煤，选用BGL 较为合适，操作压力2～3 MPa，温度为1400～1600℃。神华褐煤的软化温度 （ST）为1150℃，适合BGL 液态排渣。2012年中煤鄂尔多斯能源化工有限公司图克200万t／年合成氨化肥项目就选用该炉型。BGL炉是在鲁奇炉基础上发展起来的，除排渣方式不同外，其余基本与鲁奇炉一样。目前世界上有超过170台鲁奇炉在运行，国内也有超过30 台运行。通过借鉴鲁奇经验实现BGL 炉的大规模工业化应该没有大的障碍。

3.3 神华褐煤选用气流床气化技术可行性分析

对于神华褐煤，笔者不赞成选用湿法气化技术。由于褐煤内水含量高，孔隙发达，成浆性能差。相同浓度的煤浆其流动性、稳定性较烟煤差，而且磨煤时易溢浆，添加剂选择余地小、消耗大，加之褐煤固定碳含量和发热量低，不仅煤耗高，而且水分蒸发消耗大量热量，气化炉内热量难以平衡。一般未经改质的褐煤，制浆浓度一般也只能达到40%多，达不到一般入炉浓度60%的要求。对于褐煤提质后再制浆，笔者同样也不看好，因为如果只对褐煤浅度蒸发脱水，即使将其脱水到只含水2%～10% （包括脱除了部分内水），但在制浆时仍会发生水分的复吸，导致无法制得高浓度煤浆；而如果是深度提质脱水，则经济性、环保压力、自燃、粉化、工程放大等一系列问题会非常突出。

对于褐煤干煤粉气化，笔者更倾向于选择GSP炉，该炉采用水冷壁结构，即所谓的 “以渣抗渣”结构，由于不需要耐火砖绝热层，而且炉内没有转动设备，可以长周期运行。烧嘴火焰温度约为1800～2200℃，平均停留时间约10s，反应速率高，因而气化装置的生产能力大，有效气体含量高达91%以上，碳转化率为99%。GSP 供料系统采用400kg／m3惰性气体密相气流输送，气化炉点火升温迅速，负荷弹性50%～110%，气化炉设有专门的点火烧嘴，采用电点火，该烧嘴在正常操作时以低负荷保持点燃状态，所用燃料为气化炉自产的煤气。采用激冷流程，高温煤气在激冷室上部用若干水喷头将煤气激冷至200℃左右，然后用文丘里除尘器将煤气含尘量降低到1mg／m3以下。这种工艺技术简单，设备及运行费用较低，除烧嘴和水冷壁、部分阀门、特殊仪表外绝大部分设备可采用国产化。

当然，GSP 炉也有缺点或不完善的地方，根据在宁煤运行的5台气化炉情况，主要有：煤粉加压输送过程复杂，逻辑控制太多，输送过程易发生堵塞，造成气化炉跳车；气化炉激冷室采用喷嘴进行激冷降温除灰渣，在实际运行过程中，因为细灰含量大，气化炉激冷室的除渣效果不好，激冷室出口合成气带灰渣量较大，造成文丘里洗涤系统洗涤分离后洗涤水中固体含量高，导致排液管线堵塞、阀门磨损、同时未经过水浴洗涤的合成气含灰量高导致变换系统粗合成气加热器、变换保护床频繁堵塞，系统停车等一系列问题；GSP 气化技术没有成熟的黑水处理技术支持，循环水、蒸汽消耗大，水耗远远高于设计值。这些问题都需要今后不断改进完善。

Shell炉优点与GSP 相近，但Shell炉也有很多缺点与不足，主要表现在：由于是废锅型，整个炉子造价较GSP 高近1／3；煤气的冷激问题，shell炉子上升气体温度大约在1400℃以上，其中夹带着20%～30%的飞灰，若这些飞灰被煤气带到气化炉顶部会在顶部过热器上结成大块，使气化炉顶部阻力大无法继续运行，冷却气体中夹带的飞灰则易磨损或堵塞管道；Shell炉采用陶瓷干法除尘，设备内部有500多根过滤管，陶瓷管内高压气反吹易使其断裂，合成气中飞灰含量远大于0.0001%，直接影响到激冷气循环压缩机的运行和耐硫变换催化剂使用寿命。

3.4 神华褐煤选用流化床气化技术可行性分析

对于褐煤选用流化床气化炉，有很多优势：流化床直接利用细粒煤 （0～6 mm 或0～10 mm），不用加工成型煤，只需去除掉部分外水，降低了备煤成本；流化床炉内物料分布均匀，传热传质效果好；炉内操作温度可以裂解大部分焦油、酚类等高烃类物质。当然，流化床气化炉也有缺点，集中表现在：出渣和飞灰含碳量高，即所谓 “上吐下泻”；由于操作温度不是太高，故更适合于灰熔融性温度高的煤，夹带较多煤尘的高温煤气余温利用较难等等。

针对U-Gas炉和TRIG 炉，笔者更倾向于后者，因为U-Gas炉有其致命的缺点。U-Gas炉设计成灰融聚排渣的目的，是在均匀的流化床内造成局部不均匀区，利用成球排灰，降低了灰渣含碳量，但这种灰融聚技术实际是在灰的软化点附近的临界温度上运行，即所谓 “成球排灰之时，也是气化炉将全面结死之刻”，操作温度范围很窄。这也就是目前国内的山东和河南U-Gas炉不能正常运行的症结所在。

TGIG 气化炉是美国KBR 公司在流化催化裂化技术 （FCC）基础上开发而成，拥有以下技术特点：粉煤进料，水分可高达20%，气化压力3.4～4 MPa，单炉最大处理量达5000t／d，固态排渣，空气气化，无制氧装置，合成气余热回收，无激冷，无黑水。可见，针对神华褐煤，TRIG 炉是一种非常值得进一步探讨的炉型。当然，TRIG 炉也存在一些问题与风险：大规模商业化应用尚无成功经验，只进行了中试验证实验；纯氧气化尚缺乏应用经验，只开发了空气气化工艺。尽管存在上述风险，但笔者认为TRIG 炉应用于神华褐煤气化，其风险是总体可控的，应积极探索实验。

4 结论

通过对神华褐煤煤质分析和不同气化炉炉型的比较，笔者认为利用神华褐煤制取化工品气化工艺的选择可以考虑如下两条路线。

一是将原煤过6mm 筛，筛上+6mm 粉料采用BGL 气化炉气化，-6 mm 细煤粉经过工厂富余中低压蒸汽干燥，磨细至0.25～0.5mm 后采用GSP炉气化，后续煤气净化、污水处理等可以耦合考虑。此方案的优点是大幅度降低了磨煤能耗，显著提高了原煤直接入炉利用率；BGL 炉产生的约6%CH4可以为GSP 炉点火烧嘴 （长明灯）使用，这样既解决了BGL 炉的所产CH4的去处问题，也实现了CH4的资源化利用 （在GSP 炉里气化得合成气）；最大限度地减排了含酚污水 （BGL炉排含酚废水量是鲁奇炉的1／3～1／4），为污水处理减轻压力；最大限度的降低了蒸汽用量 （对低灰熔点的煤，BGL 蒸汽耗量比鲁奇炉少7～8 倍）；整体投资合理，工艺技术成熟可靠，风险可控。

二是将原煤过6mm 筛，筛上+6mm 粉料采用BGL 气化炉气化，-6 mm 细煤粉经过工厂富余中低压蒸汽干燥，磨细至0.3～0.5 mm 后采用TRIG 炉气化，后续煤气净化、污水处理等可以耦合考虑。此方案的优点是大幅度降低了磨煤能耗，显著提高了原煤直接入炉利用率；将TRIG 气化所产的富H2合成气与BGL气化所含的富CO 合成气耦合利用，减少后续变换装置的投资；由于TRIG气化无激冷，无黑水，最大限度地减少了污水处理负荷。当然，由于TRIG 气化技术存在前述的空气气化、大规模商业应用缺乏经验等不足，此方案实施也应该更谨慎些，做足前期的基础实验验证工作是控制风险的前提条件。

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