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摘要:隨著常壓間歇式固定床（UGI）煤氣化技術的逐步淘汰和無煙煤市場的萎縮，晉煤集團急需尋求適合于晉城無煙煤的氣化技術。在對晉城無煙煤氣化特性分析的基礎上，結合國內外主流氣化技術的特點，比較了不同氣化技術對晉城無煙煤的適應性和經濟性。結果表明：JC爐和晉航爐能較好適應無煙塊煤，具有較好的技術經濟性；通過優化航天爐和針對性地開發晉煤爐，可實現無煙末煤的高效利用。

關鍵詞:無煙煤，理化特性，氣化技術，適應性，技術經濟性，效益

晉煤集團是我國重要的無煙煤生產企業，無煙煤作為傳統常壓間歇式固定床（UGI）氣化技術的優質原料，一直是晉煤集團的核心競爭力。近年來，隨著產業政策的調整和新型煤氣化技術的沖擊，UGI技術瀕臨淘汰，無煙煤的化工市場也逐漸萎縮，急需尋求適合于晉煤無煙煤的新型氣化技術工藝。在此背景下，針對無煙塊煤，晉煤集團與賽鼎工程有限公司合作開發了高效熱能回收的JC爐，與西安航天源動力工程有限公司合作開發了晉航爐；針對無煙末煤，與華東理工大學合作開發了晉煤爐。目前，三種爐型都已完成了技術研發工作，JC爐正在進行示范裝置建設，晉航爐正在開展中試試驗，晉煤爐暫未開展示范建設，仍在進行技術優化。筆者從技術、經濟、環保等方面對近年來的主流煤氣化技術進行了分析探討，可為晉煤集團無煙煤氣化技術的選擇提供理論參考。氣化技術歷經幾十年的發展，已基本形成一定的技術選擇的方法和規律，例如通過煤質適應性評價，確定煤種適應程度；通過氣化工藝性能評價，確定技術先進程度；通過氣化工藝市場份額評價，確定技術的成熟度和市場認可度；通過氣化與后續工藝配置評價，確定工藝路線合理性；通過環保符合性評價，確定環保對標程度；通過技術經濟環境綜合評價，確定投資效益和風險。

1晉城無煙煤氣化特性

晉城無煙煤作為氣化原料，主要呈現“五高”“四低”的特點，即抗碎強度高、熱穩定性好、固定碳含量高、灰分高、灰熔融性溫度高及可磨性指數差、內水含量低、反應活性低和黏溫特性差。由于固定碳含量高、熱穩定性好、灰熔融性溫度高，晉城無煙煤可滿足固定床氣化技術對煤種的要求，是該氣化技術的最佳原料。但晉城無煙煤可磨性差，較難獲得合格粒徑的粉煤；灰熔融性溫度高，不利于液態排渣；反應活性差，碳轉化率低；黏溫特性差，氣化的操作空間窄。因此晉城無煙煤應用于氣流床氣化技術存在一定的弊端，需進行針對性的改進優化。

2主流氣化技術對無煙煤的適應性分析

按煤在氣化爐內的流動狀態，國內外氣化技術主要分為固定床氣化技術、流化床氣化技術和氣流床氣化技術3大類[1]。其中，固定床氣化技術主要有UGI、魯奇爐、晉航爐和BGL等技術；流化床氣化技術主要有灰熔聚、U-GAS、高溫溫克勒、黃臺爐等技術；氣流床氣化技術主要有德士古、多噴嘴、晉華爐、GSP、航天爐、神寧爐、東方爐、科林爐、殼牌爐、晉煤爐等技術。2.1固定床氣化技術對無煙煤的適應性。魯奇爐的煤種適應性廣，除黏結性很強的煙煤外，均可采用該技術。而且該技術是固態排渣，連續氣化，技術成熟度高。晉城無煙煤的揮發分低、灰熔融性溫度高等特性，決定了其是魯奇爐氣化的最佳原料[2]。為了更好地發揮無煙煤的優勢，在魯奇爐的基礎上開發了JC爐。JC爐利用氣化爐出口溫度高的特點，增加中壓廢鍋，副產高品位蒸汽，提高能量利用效率；同時，結合無煙煤氣化的廢水量少且易于處理的優勢，簡化煤氣水處理流程，降低投資。BGL爐采用熔渣技術進行排渣，其氣化效率和氣化強度優于魯奇爐。但由于晉城無煙煤的灰分高、灰融性溫度高、黏溫特性差，要實現熔渣氣化，其難度比液態排渣還大。晉航爐是以塊煤為原料的一種熔渣氣化技術，通過二次補燃，降低CH4含量，達到其質量分數低于1.5%指標。同時，該技術通過增加廢鍋，提高熱效率。該技術可以實現高灰熔融性溫度煤的熔渣氣化，合成氣中甲烷含量低，適用于煤化工，目前以無煙煤為原料的晉航爐正在進行中試示范。2.2流化床氣化技術對無煙煤的適應性。流化床氣化技術目前多為常、低壓技術，且處理能力小，多用于燃料氣行業[3]。該技術屬于低溫氣化（900℃左右），碳轉化率低（85%~90%），存在“上吐下瀉”的問題，即粗合成氣和灰渣中都存在未反應的原料。氣化壓力和規模難以放大，合成氣處理復雜。在處理晉城無煙煤時，單爐運行周期短，部分關鍵設備缺乏長時間的工程化驗證。2.3氣流床氣化技術對無煙煤的適應性。2.3.1水煤漿氣化技術對無煙煤的適應性。晉城無煙煤密度大、灰分高，不易獲得性能優良的水煤漿；煤質偏硬，不易獲得合理粒徑，且對耐火磚的沖刷嚴重；灰熔融性溫度高，使耐火磚的承受溫度有限；實現液態排渣較為困難，因此晉城無煙煤不適用于水煤漿氣化技術。目前，主流的德士古、四噴嘴和晉華爐技術，均未有采用高灰熔融性溫度煤為原料進行單燒的業績。2.3.2干粉煤氣化技術對無煙煤的適應性。目前投運的干粉煤氣化裝置主要有SE-東方爐、航天爐、晉煤爐、科林爐和殼牌爐，以下主要對這些氣化裝置的適應性進行分析。SE-東方爐采用單噴嘴頂置結構，無旋流。其氣化室內近壁面高溫區位于渣口附近，可有效實現高溫排渣。激冷采用華東理工大學的噴淋床+鼓泡床專利技術，可有效解決粗合成氣的帶水帶灰問題[4]。在無煙煤適應性方面，該技術有摻燒50%高平煤（未加石灰石）的成功業績，相比較其他技術，對無煙煤適應性較強。航天爐技術采用單噴嘴頂置結構，帶旋流。其高溫區位于氣化室的上部，渣口溫度較低。激冷采用雙套筒技術[5]。在無煙煤適應性方面，該技術需要通過加入石灰石/鐵粉，來降低無煙煤的灰熔融性溫度，實現順利的液態排渣，不但增加能耗，而且激冷室積灰嚴重；該技術以無煙煤為原料的煤耗、氧耗高，增加成本；爐型放大需要進一步優化。晉煤爐技術采用四噴嘴對置結構，通過射流和撞擊流，強化混合，增加停留時間；通過分級給氧和氣渣并流，實現渣口局部高溫，更宜液態排渣[6]。該技術燒嘴數量決定了其更適宜大型化發展。由于晉煤爐在氣化原理、裝備設計、工藝配置方面，均充分考慮了無煙煤的氣化特性，能保證設備裝置的安穩長滿優運行，特別適合于無煙末煤的氣化。科林爐技術采用“3+1”（3個工藝燒嘴和1個點火燒嘴）頂置多燒嘴結構，由于有處理貴州無煙煤的運行業績[7]，在應用晉城無煙煤上有可借鑒的經驗。殼牌爐（下行激冷）采用多噴嘴對置結構（3000t/d級），適宜大型化發展。其激冷采用雙套筒技術。在無煙煤適應性方面，該技術在潞安項目采用的是貧瘦煤，與無煙煤煤質相近，具有一定的潛力，可以關注。綜上，在固定床氣化技術中，魯奇爐和晉航爐可解決晉城無煙塊煤的利用問題，但魯奇爐需結合無煙煤特性進行工藝改進，晉航爐正在中試示范，工業化后將成為消化無煙塊煤的重要方向之一。流化床氣化技術在處理晉城無煙煤時，問題較多，工程化難度大。在氣流床氣化技術中，水煤漿技術受進料方式等的限制，不適合于晉城無煙煤；干粉煤技術對無煙煤適應性方面，單噴嘴：東方爐＞航天爐；多噴嘴：晉煤爐＞殼牌爐＞科林爐。

3無煙煤氣化的技術經濟性分析

以晉城地區某40萬t/a的合成氨項目為例進行對比，項目主要流程為：氣化、低溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗、氨合成。對比依據：原料煤價格（無煙塊煤1130元/t、神木末煤610元/t、晉城末煤610元/t）、燃料煤價格550元/t、電0.5元/kWh、設備折舊以15a計、70%投資通過貸款，貸款利率按4.9%計。3.1固定床氣化無煙塊煤的經濟指標。以無煙塊煤為原料的固定床氣化技術的經濟性指標見表1，噸氨成本分析見表2。由表2可知，魯奇爐（甲烷轉化）的噸氨成本約2530元；魯奇爐（甲烷分離）的噸氨成本約2440元；JC爐的噸氨成本約2380元。3.2氣流床氣化無煙末煤的經濟指標。以無煙末煤為原料的氣流床氣化技術的經濟性指標見表3，噸氨成本的分析見表4。由表3、表4可知，以無煙煤為原料，晉煤爐的煤耗比航天爐的低3%，氧耗低8%；晉煤爐燒無煙煤和航天爐燒神木煤比，煤耗高4%，氧耗高9%。航天爐燒神木煤的噸氨成本約1950元；燒晉城煤的噸氨成本約2090元。晉煤爐燒晉城煤的噸氨成本約2040元，相比航天爐燒晉城無煙煤節約了50元/t。綜上，對于無煙塊煤，可通過JC爐技術進行廢熱回收，降低蒸汽消耗，有效節約噸氨成本。同時，結合甲烷分離工藝，可進一步降低成本。對于無煙末煤，由于煤質特性的不利因素，決定了其物料消耗和成本要高于神木煤。晉煤爐技術是針對晉城無煙末煤特性設計的，在處理無煙末煤上消耗低，節約成本，加快工業示范，可進一步提高晉城無煙末煤的市場競爭力。

4結語

無煙塊煤的特性決定了其是固定床氣化的最優質原料，無論是技術成熟度還是經濟效益都具有一定的優勢。優化適應無煙塊煤的JC爐技術、示范針對性開發的晉航爐技術是當前無煙塊煤利用的最佳方式。無煙末煤的煤質特性決定了其在作為化工原料方面優勢并不明顯，但針對性地進行航天爐技術的優化、多噴嘴技術的開發、晉煤爐技術的工業示范，可彌補煤質帶來的不利影響。

作者:王紅林 單位:晉煤集團煤化工研究院