已投产三大煤制气项目气化有哪些问题？是如何解决的？
已投产三大煤制气项目气化有哪些问题？是如何解决的？刘丰力 毕家立 (赛鼎工程有限公司) 煤气化技术是发展煤化工的龙头。我国大型煤气化技术过去长期受制于国外，鲁奇、德士古、GSP、壳牌等大型煤气化技术纷纷登陆中国，但照搬照抄“移植”而来的技术常常水土不服，在工程化中显现诸多问题，影响正常的开车生产。 赛鼎工程有限公司结合自身特点，在引进、消化、吸收国外技术的基础上，与科研院所、材料与设备制造商、行业内知名专家，同时集中一批工程技术人员，开发出了不同炉型的“赛鼎炉”。自上世纪九十年代末以来在国内市场已经完全取代国外鲁奇炉。 1、赛鼎炉的发展历程 1.1 国外碎煤加压气化的发展历程 鲁奇碎煤加压气化炉曾经是世界上最早的、唯一工业化的煤加压气化方法，西德鲁奇公司于1936年建立了第一套加压气化装置。先后经历了第一阶段（1930~1954）第一代炉型，第二阶段（1952~1965）第二代炉型；第三阶段（1969年后）第三代炉型，第三代炉型大大提高了气化炉能力，扩大了煤种应用范围，以满足现代化大型工厂的需要，炉内径3.8m，采用双层夹套外壳，内壁不衬耐火砖，炉内设有转动的煤分布器及搅拌器，气化能力50000~55000Nm3/h粗煤气。现在世界范围内主要建设、运行的即为第三代炉型。上世纪80年代后，随着油气价格下降，鲁奇公司煤化工板块逐渐剥离，此种技术国外发展也几乎停滞。 1.2 鲁奇炉国内引进项目应用及优化调整情况简介 1.2.1 天脊化肥厂 原料煤种：贫瘦煤；主要产品及规模：合成氨30×104t/a、52×104t/a；投产时间：1987年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)；气化炉台数：4+1（其中引进4台，第五台为国产）；运行现状：正常 鲁奇加压气化在以褐煤、长焰煤为原料的煤气化方面具有丰富的经验。国内的天脊化肥厂以贫瘦煤为气化原料为鲁奇加压气化炉发展史上的首例。该项目在试生产的前几年，由于气化问题困扰着合成氨装置的连续稳定运行。该厂结合生产实践，对原有引进流程做了大约400多项改进、创新。其中针对鲁奇气化主要改进如下： a、通过研究炉篦布气方式，提出、试出了适合于贫瘦煤的最佳布气方案。b、通过研究原料煤粒度分布，提出、试出了适合于贫瘦煤的最佳粒度分布。c、对碎煤加压气化中的易损件煤灰锁上下阀等对结构及材料进行了针对性优化、改造，实现了长周期运转。其中增加的第五台气化炉是由于原有的4台气化炉难以达产达标。新增第5台气化炉也是由当时鲁奇公司同意由其中国国内自主增加。第5台气化炉的设计、制造、建设、投产完全由国内自主完成。 1.2.2 哈尔滨气化厂 原料煤种：长焰煤；主要产品及规模：城市煤气160×104Nm3/日联产甲醇4×104t/a；投产时间：1993年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)（引进时设有衬里）；气化炉台数：4+1；运行现状：正常 其中后期针对鲁奇气化主要改进如下： a、原设计布气未能达到气化炉的生产能力，通过改变布气直径的方法，改变气化剂的分布率及流速，使炉篦布气更加均匀，大大提高了气化炉的生产能力（PKM为三层布气）。b、原设计煤锁泄压气和开停车放空的煤气，经过洗涤后放空，为了保护环境及回收有效成分，技改增加了煤锁气回收系统。c、原设计气化炉内有耐火衬里结构，后由于设置衬里减少了气化炉有效容积，且容易出现挂壁现象。后由业主联合赛鼎公司论证取消了耐火砖，并且修正了气化炉内通体的热补偿等。 1.2.3 义马气化厂一期 原料煤种：长焰煤；主要产品及规模：城市煤气120×104Nm3 /日联产甲醇4×104t/a；投产时间：2001年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)；气化炉台数：2+1；运行现状：正常 其中后期针对鲁奇气化主要改进如下： a、通过研究原料煤粒度分布，提出、试出了适合于长焰煤的最佳粒度分布。 1.3 国内碎煤加压固态排渣气化的发展历程 赛鼎工程有限公司自上世纪70年代开始与德国鲁奇公司、PKM公司等合作，设计了天脊集团合成氨装置、哈尔滨依兰煤气工程、义马煤气化工程，积累了丰富的工程设计建设经验。“七五”“九五”期间在国家的组织领导下完成了国家科技攻关课题《鲁奇碎煤加压气化日产100万立方米城市煤气基础设计》，在此基础上，独立完成了太原炉的设计建设工作。至此国产的“碎煤加压气化技术”进入应用的阶段。1991年国家科委向化二院颁发了“七五”国家重点科技攻关项目（ф2.8m加压气化炉攻关小组）先进集体奖状。 赛鼎工程有限公司在Φ2.8m、压力2.0MPa气化炉的基础上，结合天脊集团（原山西化肥厂）扩产改造经验，又开发设计了Φ3.8m、压力3.0MPa气化炉，于1996年4月应用于山西化肥厂作为引进装置补充内容。该碎煤加压气化炉全部采用国产材料，炉型相当于鲁奇第三代Mark IV。该炉于1998年12月建成，运行平稳，达到了设计指标。2004年两台Φ3.8m、压力3.0MPa气化炉成功应用于河南义马煤气厂二期建设中。这些装置陆续建成投产标志着国产技术、设备的全面应用，同时也是国内技术走向全面推广的开始。 近年来赛鼎工程有限公司又开发出Φ3.8m、压力4.0MPa碎煤加压气化炉，应用于内蒙古大唐克什克腾煤制天然气项目和新疆庆华煤制天然气项目以及其它在建的煤制气、合成氨、甲醇等项目。其中内蒙古大唐克什克腾煤制天然气项目和新疆庆华煤制天然气项目已经开车成功，内蒙古大唐克什克腾煤制天然气项目第一系列生产合格天然气于2013年12月23日成功并入北京燃气管网。标志着世界范围内第一个设计、建成并成功运行的4.0MPa碎煤加压气化炉。 目前，为了满足我国大型煤化工生产企业的需求，赛鼎工程有限公司承担科技部863项目，开发完成了Φ5.0m、压力6.0MPa碎煤加压气化炉，该炉型与河南义马联合建设示范装置，目前该项目非标设备正在采购，现场土建正在进行，预计2017年调试完成。 赛鼎工程有限公司在庆华建设了国内压力最高的加压固定床气化实验室。气化炉设计压力8.0MPa，内径0.2m。目前实验室已建成试运行，实验室可以承担多种煤的小型试验试烧，获取不同压力下的各项数据，进行CO2返炉试验，对不同反应段数据进行采样分析回归。国内碎煤加压固态排渣气化的发展主要里程碑节点： 1970年代开始山西化肥厂引进谈判1980~1985年 “六五期间”国家重点科技攻关项目《Φ2.8m加压气化炉科技攻关》1986~1990年 列入国家七五重点攻关项目1986年Φ2.8m气化炉投产1987年 天脊投产，到运行正常历时十年，不断进行改造1991年 七五国家重点科技攻关项目验收，获得科技进步奖集体奖1993年 哈尔滨依兰煤气厂PKM炉投产，获国家科技进步奖银奖1995年，天脊第五台炉国产化设计1998年12月17日 天脊国产炉投产2000年 义马煤气厂投产2004年 义马第三台完全国产化炉建设2006年 义马二期投产（完全国产化）2008年 山西潞安煤制油投产2009年 赛鼎5000气化炉公司立项2010年 国电赤峰3052项目投产2012年 新疆广汇120万吨甲醇投产2013年 大唐克旗煤制天然气项目投产（国际首台40公斤气化炉）2014年 新疆庆华煤制气投产2015年 河南晋煤庆投产2015年 赛鼎5000气化炉示范列入科技部“863”计划《大规模碎煤加压气化技术与示范》，义马气化厂动工建设，预计2017年投料试车 1.4 碎煤加压气化国内自主设计、建设项目应用情况简介 1.4.1 义马气化厂二期 原料煤种：长焰煤；主要产品及规模：城市煤气144×104Nm3；投产时间：2006年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)；气化炉台数：2；运行现状：正常 1.4.2 山西潞安煤基合成油 原料煤种：贫瘦煤；主要产品及规模：合成油16×104t/a；投产时间：2008年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)；气化炉台数：6；运行现状：正常 1.4.3 晋煤金石合成氨 原料煤种：无烟煤；主要产品及规模：氢气4.5×104t/a 、甲醇20×104t/a、硝铵40×104t/a；投产时间：2013年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、3.0MPa(G)；气化炉台数：6+2；运行现状：正常该项目碎煤加压气化装置以晋煤无烟煤为设计煤种制取合成氨原料气在国内尚属首次。无烟煤挥发分较低，实际生产中未回收到副产油品，为下游煤气水处理装置优化提供了条件。项目实际气化炉负荷及有效气体成分均已超出设计值。 1.4.4 晋煤天庆合成氨（4.0MPa、无烟煤） 原料煤种：无烟煤；主要产品及规模：氢气4.5×104t/a 、甲醇20×104t/a、硝铵40×104t/a；投产时间：2013年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、4.0MPa(G)；气化炉台数：6；运行现状：正常气化炉单炉设计负荷7500Nm3/h，随着气化炉单炉负荷增加到9000Nm3/h，气化炉出口粗煤气温度增加约20℃，气化炉单炉气量由45000 Nm3/h提高到54000 Nm3/h，单炉加煤量增加了10.0吨/h。4.0MPa碎煤加压气化晋城无烟煤与其它煤种相比，具有单位产气量高、单耗低、煤灰锁阀门动作频率低，是发展煤化工产品的优良煤种。 1.4.5 内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气项目 原料煤种：褐煤；主要产品及规模：40.0亿Nm3 SNG/年；投产时间：2012年；气化炉规格尺寸：Φ3.842m、4.0MPa(G)；气化炉台数：48（一期16台已投运；二期16台已建成）；运行现状：正常本项目原、燃料煤均采用锡林浩特胜利煤田的胜利煤5号原煤。原煤煤质属低硫、低灰和高挥发分的褐煤。原料水分32%、灰分13.8%、挥发分32.8%。该项目为世界世界首套40公斤/cm2碎煤加压气化炉，2012年7月28日成功产出合格天然气。气化炉各项性能指标达到甚至超过了设计要求。 1.4.6 其他 另外还有已经投产的项目：新疆广汇新能源有限公司（甲醇120×104t/a，二甲醚80×104t/a）；国电赤峰3052项目；新疆庆华煤制天然气一期工程；已经建成准备投产项目：中煤平朔劣质煤示范项目、新疆新业能源甲醇项目、大唐阜新煤制天然气项目（一期）、伊犁新天煤制天然气项目等项目运行数据不再做详细介绍。
2、赛鼎炉在煤制天然气上的应用 固定床加压气化工艺技术的优点是工艺技术成熟、先进、可靠，在大型煤气化装置中投资最少。碎煤加压气化的氧气消耗和煤耗都低于其他煤气化方法。煤制天然气采用碎煤加压气化工艺有以下主要优势： (1) 煤气化过程中产生甲烷量相当于天然气中甲烷总量的45%左右，即有45%的甲烷是在气化炉内生成的。从而降低了甲烷合成的负荷，提高了煤制天然气过程的热效率。(2) 煤气化过程中生成甲烷放出的热量，可以为煤气化提供部分反应热，从而降低了煤制天然气的煤耗和氧耗。(3) 碎煤加压气化是集煤干馏和半焦气化于一体的气化工艺，可以回收煤中部分有机物，获得部分石油化工的替代产品。(4) 碎煤加压气化技术成熟，操作简单，投资最低，同时也是所有大型煤气化工艺中氧耗量最低，空分投资最省、操作费用最低的工艺。(5) 煤种适应性强，几乎可以气化所有煤种，尤其是可以高水分、高灰分、高灰熔点的劣质煤作原料，且不受成浆性的制约，是降低SNG产品生产成本的关键因素。 固定床加压气化工艺技术的优点是工艺技术成熟、先进、可靠、气体中甲烷含量高，最适合作为燃料气，在大型煤气化装置中投资最少。 赛鼎公司开发的煤制天然气工艺以低品质褐煤为原料。在煤气化工艺技术的选择中，曾对所有适宜褐煤气化技术的：工艺特点、气化温度、压力、投煤量、单炉尺寸、主要部件寿命、气化炉台数、除尘冷却方式、装置占地、煤耗、氧耗、电耗、蒸汽消耗、碳转化率、气化热效率和投资等各项指标进行详细分析比较。几种煤气化工艺消耗指标最高相差19倍，投资最大相差2.6倍。 固定床碎煤加压气化投资仅为气流床气化1／2--1／3，电耗仅为气流床气化的1／10～1／20。同时固定床加压气化可以实现煤制天然气和甲醇、二甲醚、氨等联产，经济效益更好，抗风险能力更强。 国产化碎煤加压气化炉造价低、维护费用低，在设计、制造、施工、生产操作等方面已积累了丰富经验。引进气化炉不但投资高，而且还要支付昂贵的专利费、技术转让费、专有设备加工制造、现场技术服务等费用和一些捆绑式的销售。同等规模下，国产化碎煤加压气化与引进气化技术相比，投资低50％以上。 3、赛鼎炉在煤制天然气项目上的优化及改进 3.1 大唐克旗煤制气运行中问题及解决内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限公司（以下简称“克旗公司”）40亿Nm3/年项目分三个系列建设，每系列16台4.0MPa碎煤加压气化炉，其中第一系列于2013年底投入运行。克旗公司4.0MPa碎煤加压气化炉属国内首批使用，以劣质褐煤（高水分Mar:36.9%、低热值Qnet,ar:13.98 MJ/Kg）为原料煤在国内也鲜见。另外由于内蒙古大唐东胜利褐煤堆密度较低，平均为650Kg/m3,且活性较强，为解决加煤频率过大问题，工程设计中经过多次计算分析论证，将煤锁的高度增加1.3米，体积由12.3m3增大到18.7m3，同时考虑到煤锁体积和气化炉体积的匹配性，将气化炉高度增加0.5米，体积由98m3增高到103.8m3。同时考虑到增加压力能够提高粗煤气中甲烷含量，有利于减少粉尘带出量等。在本项目中将气化炉的操作压力有原来的30公斤/cm2提升到40公斤/cm2。 内蒙古大唐国际克什克腾煤制气项目首台气化炉于2011年8月26日点火成功。2012年7月28日成功产出合格天然气。世界首套4.0MPa碎煤加压气化炉顺利投入使用，工程验证了4.0MPa碎煤加压气化炉是可行的，炉体、煤锁、灰锁等关键设备也经受了工程实际检验。 由于内蒙古大唐东胜利褐煤的年轻及不稳定性，开车运行初期遇到了前所未见的各种问题。主要如下： 1）由于大唐东胜利煤质活性极高，开车运行时出现加煤频繁，最大加煤量达到约1000t/d，这在碎煤加压气化中从未有过，故对加煤系统的设置和控制提出了极高的要求。在开车运行过程中通过各种的优化措施实现了气化炉120%氧负荷正常运行。 2）结合原料煤性质和调试期间运行经验，调整了四层布气孔孔径和布气方式，使炉篦的布气孔更加合理，炉篦布气孔更加均匀，床层稳定，气化炉的生产能力得到提高，操作弹性增大，运行稳定，能耗降低，残炭量可由8%降低至5%以下；同时汽氧比较试烧大幅下降，提高了蒸汽分解率，减少了废水。 3）2013年11月底，克旗公司气化炉投用后，在很短时间内出现了多台气化炉夹套泄漏。通过对腐蚀机理进行了分析，初步认为是碱金属为主的综合腐蚀，这在碎煤加压气化的发展史上属于第一次遇到。后通过各种论证在气化炉夹套减薄（泄露）部位（15CrMo/20R材料）堆焊3-5mm inconel 625材料，2014年4月2日恢复生产至今，上述部位无明显减薄，表明该方法可以解决气化炉内夹套减薄（泄露）问题。 克旗煤制天然气公司4.0MPa碎煤加压气化炉单炉连续运行可达到241天，且气化用煤的下限在逐步的缩小，汽氧比逐步的降低。 3.2 新疆庆华煤制气运行中问题及解决 新疆庆华煤制天然气是新疆地区国家核准的第一个煤制天然气项目。新疆庆华原料煤质相对于大唐克旗又有着本质的差别。主要体现在原料煤落下强度低（66%），热稳定性相对较差。采用碎煤加压气化面临最大的问题就是块煤在皮带输送过程中破碎较严重，导致进气化炉原料煤粒度下限超标，最终后果就是煤气化时粗煤气中带出物较多，对下游净化设备造成堵塞。为此针对传统现场气化备煤系统较复杂，需要经过储存、输送、筛分、破碎等一系列工序。气化煤入炉之前经过多次转运，原备煤系3.3 伊犁新天煤制气运行中问题及解决统无法保证入炉煤块煤率。赛鼎公司采用计算机仿真模拟等方法对原料煤输送系统进行了大量卓有成效的技改优化。 将溜槽改为曲线形式，料流在溜槽中无冲击点，贴合溜槽侧壁下落。同时，料流速度得到有效控制，从驰张筛抛出之后，以较均匀速度，传递至受料输送皮带，成螺旋下降形态。改造后的优点如下： 优点：最大程度减小破块率；最大程度减少溜槽磨损；最大程度保护皮带；最大程度减少跑偏；最大程度减少粉尘出尘量 伊犁新天煤制天然气是新疆地区又一个大型煤制天然气项目。新天煤化工是目前已建成的世界最大单体煤制气国家示范项目。2017.3.29，伊犁新天煤化工有限责任公司年产20亿立方米煤制天然气项目A系列全线打通，产出合格天然气，并成功接入西气东输伊宁站，创大型煤制气项目试车新纪录。 伊犁新天项目充分借鉴吸收了前面两个煤制气项目的经验教训，针对本项目原料煤质、工艺流程进行了大量的优化技改工作。主要如下： 1）原料煤输送系统根据类似项目的成功经验改用曲线落煤管，并采用了最有效的蒸汽喷雾抑尘等措施，充分减少了块煤破碎率及车间环境。 2）针对原料煤强度较低可能造成带出物多的情况在气化工段采用了多种优化措施保证气化炉操作的稳定，最大程度的减少带出物；同时在进变换装置前并联两套粗煤气除尘措施，从而保证了粗煤气中含尘对后续装置的影响。 3）在煤气水处理工段易产生无组织排放的储罐呼吸口、排放取样口等全部采用采取密闭结构，排放气收集后送至火炬系统。从而避免了无组织排放气臭味问题。 4、赛鼎炉的今后发展设想 4.1 赛鼎炉今后发展前景 鉴于赛鼎炉独特的逆流床气化，热效率高；气化过程中生产高含量的甲烷；副产焦油、轻油、酚、氨副产品等特性，注定使赛鼎炉在今后的煤制天然气行业、煤质分级利用方面具有广阔的发展空间。 4.2 控制先进、环境友好、效率更高的发展前景 1）开车过程更简化、环保 传统的碎煤加压气化粗煤气成分分析采用手动分析，造成分析数据的滞后及劳动强度的增加。 随着分析仪器系统处理的优化更新，碎煤加压气化粗煤气数据分析完全可以实现自动分析，进而可以实现开车过程的蒸汽升温、空气点火、空气运行、切氧的程序化，从而简化开车过程。 另外开车过程的空气点火、运行阶段随着控制系统的改进完全可以取消，改为直接氧气点火，从而大幅度的减少开车时间及开车时间的放空量。 2）无组织排放的收集利用 碎煤加压气化工艺过程二氧化碳排放气、各种无组织排放气等统一收集后采用蓄热式热氧化装置，彻底解决系统排放气污染及恶臭等问题，同时利用烟气余热副产中压等级的过热蒸汽。 3）煤锁充泄压过程能量的分级利用 碎煤加压气化常规配置煤锁充压采用粗煤气，煤锁泄压气通过气柜缓存，再通过煤锁气压缩机加压后返回系统。流程配置存在系统复杂、能量利用率低的缺点。采用煤锁充泄压分级利用的方案在减少投资、降低消耗等方面优势较大。
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