超级石化：2015年我国煤炭探明储量15 663.1亿t，其中褐煤约占13%，褐煤的清洁、高效利用意义重大。以内蒙古东明矿褐煤为对象，分析了同一种低阶褐煤在壳牌干煤粉下行水激冷气化工艺和非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺上的应用，认为这两种煤气化工艺技术使用同一种低阶褐煤均可行，但在原料制备、比氧耗、比煤耗、经济性等方面存在较大差异。因此，在确定了原料低阶褐煤的煤种后，选择适合这种褐煤的煤气化工艺技术要非常慎重，不单从理论上进行研究，更要从工程实际进行研究分析，最终选择在理论上、工程上、经济上都能满足适合这种低阶褐煤的煤气化技术。分析结果表明以东明矿褐煤为原料采用壳牌干煤粉下行水激冷气化工艺技术更适合。
关键词 低阶褐煤，壳牌干煤粉下行水激冷气化工艺，非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺，原料制备，比煤耗，比氧耗，经济性
2015年我国煤炭探明储量15 663.1亿t，其中褐煤约占13%，主要分布在内蒙古，仅蒙东地区的褐煤储量高达近1 000亿t。在大煤化工发展理念上如何利用褐煤，煤气化技术选择尤为重要。在中国，围绕褐煤煤气化技术进行了不少的探索，仅内蒙古就有干煤粉气化壳牌废锅流程、壳牌下行水激冷流程、非熔渣-熔渣水煤浆气化3种煤气化技术已建成工业化装置。本文以一种低阶煤（东明矿褐煤）为原料，进行干煤粉气化壳牌下行水激冷流程和非熔渣-熔渣水煤浆气化两种煤气化工艺的分析研究。
1 同一种低阶煤（褐煤）在两种煤气化工艺上的应用
1.1 原料煤的煤质分析
内蒙古呼伦贝尔东明矿褐煤煤质全分析见表1。
表1 东明矿褐煤煤质全分析
1.2 壳牌干煤粉下行水激冷煤气化工艺
壳牌下行水激冷煤气化工艺保留了传统壳牌废锅流程的技术优点，如稳定的煤粉加压输送系统、侧喷式4烧嘴、膜式水冷壁、先进的控制联锁等系统，在现有装置上集成了经充分验证的、成熟可靠的技术，取消了传统流程中投资较高的合成气冷却器（废锅）、循环气压缩机和高温高压飞灰过滤器。2011年1月，壳牌与惠生工程（中国）有限公司签订合作协议，共同合作建立投煤量为1 000 t/d的壳牌下行水激冷粉煤气化装置首个工程化示范项目，2013年10月28日示范工程建设完成，一次性投料成功。此示范项目在南京惠生成功应用于无烟煤气化，在此基础上借鉴大唐多伦以褐煤为原料采用壳牌废锅流程煤气化工艺运行经验，经充分研究分析，认为内蒙古金新化工以东明矿褐煤为原料采用壳牌下行水激冷煤气化工艺完全可行[1]。
壳牌下行水激冷煤气化工艺主要包括磨煤干燥单元、煤粉加压输送单元、气化及合成气激冷单元、除渣单元、湿洗单元和灰水初步处理单元，其工艺流程示意图见图1[2]。
图1 壳牌下行水激冷煤气化工艺流程示意图
原煤通过带式输送机从煤场送入原料煤仓，经过磨煤干燥系统的研磨和干燥后，通过煤粉加压与输送（锁斗）系统，在一定压力下送入气化炉的煤烧嘴。粉煤在气化炉中与氧气气流发生反应，产生合成气与（飞灰）渣。合成气、飞灰和未完全反应的煤粉在下降管中被激冷到200℃～220℃，飞灰和未完全反应的煤粉由气化炉底部流出，熔融渣在渣（水）池中被激冷分散成小玻璃状渣块（2 mm～5 mm)，合成气进入文丘里洗涤管和填料洗涤塔，使固体质量浓度降至1 mg/m3以下；湿洗塔同时使卤化物成分降至体积分数远低于1×10-6；合成气进而被水饱和，出湿洗塔去界区的温度为190℃～200℃。渣池中的渣通过锁斗系统排出，经捞渣链与水分离后，由皮带传送至界区外。渣池中吸收的热量通过渣池水循环传递给外部换热器。
为防止除渣与湿洗系统中的微量元素累积，两个系统均配有污水排放。两个系统的排放水先送到“灰水初步处理工段”，进行闪蒸和真空闪蒸两级闪蒸处理（0.5 MPa和0.8 MPa）。闪蒸气冷却后进行气液分离，酸性气体送入界区外的硫回收单元进行处理，污水送入澄清池进行沉淀，其中的固体经污泥脱水机过滤器分离，滤饼进行回收，送至原料煤场。
1.3 非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺
非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺（简称水煤浆气化工艺）主要包括：原料水煤浆或者其他含碳物质通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段，采用纯氧作为气化剂，采用CO2、N2、水蒸气等作为预混气体，与O2以任意比例混配，使第一段温度保持在煤的灰熔融性温度以下；在第二段再补充少量氧气，使第二段的气化温度达到煤的灰熔融性温度以上，并完成煤的全部气化过程[3]，其中煤经历了水分干燥、挥发分逸出→燃烧→气化→再燃烧→再气化5个过程。在第一段实现煤的非熔渣反应；在第二段实现煤的熔渣反应。由于氧气分两段加入，整个气化炉从上到下的温度分布更加均匀，气化炉平均温度得到有效控制，气化反应更加充分。
2008年大唐呼伦贝尔化肥有限公司采用该技术建设了2台以褐煤制煤浆为原料的气化炉，2012年6月25日气化炉首次投运试车。从首次投入运行至今，仍未实现当初设计的非熔渣-熔渣水煤浆气化这一工艺过程，完全是采用一次全熔渣煤气化工艺过程。
该工艺采用褐煤制煤浆，因褐煤含水较高，故制得煤浆的质量分数按53.34%设计，比常规的无烟煤为原料的制浆质量分数65%要低11.66个百分点。
1.3.1 褐煤制浆工艺流程
褐煤制浆工艺流程示意图见图2。
图2 褐煤制浆工艺流程示意图
原煤经过破碎后（最大粒径为6 mm）进入原煤仓，由称重给料机控制，以一定的质量流量进入棒式磨煤机。配制合格后的水煤浆添加剂由地下池经储料泵送到添加剂槽中，再经添加剂泵计量后送到磨煤机中。制浆用水由低压灰水槽经泵送入磨煤机。煤、水、添加剂在磨煤机中研磨到所需要的粒度分布，制得质量分数约为50%的水煤浆。出磨煤机水煤浆经滚筒筛筛出煤浆中的大颗粒，在重力作用下流到磨煤机储料槽，再由低压煤浆泵送至气化工序[4]。
1.3.2 提高煤浆质量分数的3个阶段研究
大唐呼伦贝尔化肥有限公司在实际生产中为了达到褐煤制煤浆设计浓度，2012年至2014年通过多次研究和分析，尝试用不同地方的褐煤来混煤[5]，具有代表性的3个阶段混煤研究结果如下。
第一阶段：2012年（投料初期），采用附近东明褐煤和免渡河褐煤，按质量比1∶1混合作为原料用煤，混煤后制得煤浆质量分数接近设计值53.34%。虽然煤浆质量分数接近设计值，但气化炉在运行中出现煤灰熔融性温度高，操作温度偏高，粗合成气有效气含量低，没有达到设计值的问题。
第二阶段：2013年期间，采用经过预干燥并挤压成型的神宝褐煤（简称提质煤）或经过预干燥并挤压成型的金新化工东明矿褐煤（简称型煤）与扎赉诺尔褐煤按质量比1∶1配煤制浆运行，制浆质量分数略超过设计值，有效气体积分数接近设计值，只低2个百分点。但采用神华或金新化工试生产出的型煤都存在强度不高，在运输和制浆生产装置现场粉尘高，极易自燃，工作环境差，安全性难以保证等问题；且提质煤或型煤的价格比褐煤增加许多，导致生产成本高，经济性差。
第三阶段：2014年期间，采用单一顺兴矿褐煤为原料煤制浆，装置运行较稳定，但制浆浓度低，粗合成气有效气含量仍没有达到设计值，低近8个百分点。
各阶段混煤煤质分析数据、成浆质量分数、粗合成气分析数据见表2。
表2 各阶段混煤煤质分析、成浆质量分数、粗合成气组成
2 两种煤气化工艺运行经济数据对比
2.1 消耗
两种煤气化工艺比煤耗、比氧耗等数据见表3。
2.2 碳转化率、冷煤气效率、气化效率（热效率）
依据2016年8月呼伦贝尔金新化工有限公司工艺性能考核期间的运行数据（见表4），计算碳转化率、冷煤气效率、气化效率。
表3 两种气化工艺比煤耗、比氧耗及有效气体体积分数
表4 2016年8月金新化工运行数据
壳牌下行水激冷气化碳转化率计算：
壳牌下行水激冷气化冷煤气效率计算：
经查，CO的高位发热值为 10 102 kJ/kg，H2的高位发热值为141 786 kJ/kg，CH4的高位发热值为55 496 kJ/kg；入炉煤量为1 908.568 t/d，通过入炉煤的弹筒发热量计算出相应的高位发热量（HHV）为24.37 MJ/kg。
采用同样的方法，可计算出非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺碳转化率为93.50%、冷煤气效率为60.87%。
3 两种煤气化工艺分析比对
3.1 褐煤原料制备的差异
壳牌下行水激冷气化工艺的褐煤原料制备是将同一种（一个煤矿）褐煤粗破、预干燥、磨粉及再次干燥，气力输送至原料粉仓。采用立体式布局，流程简洁，环境友好，设备投资偏高（增加了预干燥工序）。
非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺的褐煤原料制备是将混配（两个或以上煤矿）好的褐煤粗破、棒磨制成煤浆，在棒磨过程中加入添加剂；采用平面布置，流程简洁，环境友好，可消耗工厂内部分有机废水，设备投资稍低；不能使用单一种褐煤，需要配煤，褐煤制得煤浆浓度与无烟煤相比要低，因此运行中消耗要高。
褐煤的煤化程度低，内水含量高，用褐煤制水煤浆，其工艺设计煤浆质量分数只能在50%左右，这一制浆浓度与采用无烟煤为原料相比低了很多，无烟煤为原料制水煤浆通常煤浆质量分数在60%～65%[6]。若采用第二阶段研究结果，虽然煤浆浓度和有效气成分基本达到设计值，但其经济性差，不可持续。大唐呼伦贝尔化肥有限公司为了生产稳定，只能选择第三阶段研究结果，即采用当地单一褐煤，经过近几年的不断摸索，制浆质量分数达到50.0%左右，仍比设计值低3个百分点。
3.2 技术经济指标对比
从第2节分析可见，非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺主要技术指标比氧耗、比煤耗都比壳牌下行水激冷气化要高，而有效气组分、冷煤气效率、碳转化率要低。比氧耗、比煤耗不同产生的生产费用差别见表5。
表5 比氧耗、比煤耗造成的生产费用差别
注：气化能力按55 000 m3（CO+H2）/h计。
从表5中可见，非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺比壳牌下行水激冷气化工艺在比氧耗、比煤耗两项指标方面每小时就要增加生产费用4 549元，一年按8 000 h计就是3 639万元；同时非熔渣-熔渣水煤浆气化工艺的煤气有效气成分也不高，要选择这种工艺路线需慎重。
4 小 结
经研究，一种低阶煤（褐煤）在两种煤气化工艺上的应用，投资上水煤浆气化工艺比壳牌下行水激冷气化工艺少了褐煤预干燥工段，节省约4 500万元；但在比氧耗、比煤耗两项技术经济指标上，比壳牌下行水激冷气化工艺生产费用一年要高3 600多万元。由此可见，用一种低阶煤（褐煤）为原料的煤气化，采用水煤浆气化工艺要比采用壳牌水激冷气化工艺的经济性差。因此，选择适合低阶煤的煤气化技术要进行充分分析和研究。
首先，要充分了解煤气化所用原料煤的特性，该原料煤适合哪种煤气化技术工艺，而不是先选煤气化工艺技术再选适应的原料煤。
第二，尽可能确定一种煤种（如果是多种煤进行混配，不但采购难度增加，而且成本也增加），同时从投资、生产运行与维护的难易程度、产生维护费用的高低等方面进行综合研究评价，来确定适合低阶褐煤的煤气化技术。虽然大唐呼伦贝尔化肥公司用褐煤作为水煤浆气化的原料煤在全世界都没有先例，是世界上首套褐煤水煤浆气化运行装置，也是褐煤制浆气化利用的有益尝试[2]，但从对比研究可看出这种尝试推广价值不大。
第三，褐煤占我国煤炭探明总量的13%左右，纵观我国近十几年各种煤气化技术的应用，适合褐煤开发利用的高效、清洁煤气化技术应是干煤粉气化技术、壳牌废锅或下行水激冷气化技术（Shell）、航天粉煤气化技术（HT-L）等，这些技术在我国都有实际应用，且装置运行工况正常、良好，值得推广应用。
