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第5 期 总第1 5 0 期煤化工 N o ．5 T o t a lN o ．1 5 0 兰 星g 旦璺 垡塾星翌堡型 翌鱼竺 翌 Q 竺 洁净煤气化是现代煤化工和低碳经济的平台 张鸿林张雷 水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，滕州2 7 7 5 2 7 摘要我国能源消费总量中，煤占较大的比例。因此洁净煤气化对发展现代煤化工，替代石化产品，改变 燃煤电厂高碳排放现状，减少温室气体的排放，具有十分重要的作用。当前洁净煤气化以气流床为主，运行中应 重视煤种的适应性。 关键词洁净煤气化现代煤化工低碳经济气流床气化 文章编号1 0 0 5 9 5 9 8 2 0 1 0 一0 5 0 0 0 1 0 4 中图分类号T 0 5 4 文献标识码A 1 能源与煤化工 人类在经历了生物质、煤、石油和天然气等能源 的发展之后，更加关注可再生能源、新能源和绿色能 源的发展。 工业革命后，煤化工、石油化工和天然气化工先 后成为化学工业的主角。在化学工业发展中，煤、石油 和天然气不仅是化工原料，也是能源，因此对化学工 业具有双重的影响。 我国能源的赋存特点是缺油、少气、相对富煤，煤 在一次能源中的比例高达7 0 ％，能源结构严重偏离世 界主流，是世界少数几个煤占能源比例超过5 0 ％的国 家 中、印、波、哈 。因此，我国也是煤化工大国，焦 炭、电石、氮肥、甲醇等传统煤化工产品产量均占世界 首位，且产能过剩。煤制油、煤制天然气、煤制二甲 醚、煤制烯烃和乙二醇等现代煤化工产品技术的发展 和大规模工业示范也都在世界前列。 我国煤化工在一定程度上的发展，并不意味着要 以煤化工取代石油、天然气化工的主体地位。煤的形 成过程决定了它杂质多，用于能源和化工流程长、三 废排量多、能效低。因此，发展煤化工在我国是两难的 选择，也有观点认为是“不得以而为之”。 2 煤化工与石油替代 我国经济的发展，很难延续发达国家工业化的经 历，即使通过技术进步使能源效率有一定的提高，重 走欧美工业化道路，以传统能源人均高消费实现现代 化也是不现实的。2 0 0 8 年中国、日韩、美国人均原油 消费分别为2 ．2 桶、1 7 桶、2 7 桶。我国原油消费提高 至美、日、韩水平的情况见表1 ，近年来全球原油分配 格局见下页表2 。 表1中国人均原油消费提高后的情况 收稿日期2 0 1 0 0 6 0 3 作者简介张鸿林 1 9 4 1 一 ，男，1 9 6 0 年毕业于天津大学 化工系，教授级高级工程师，现从事生产技术管理工作。 从表1 和下页表2 提供的数据可以看出，即使中 国原油消费由目前的人均2 ．2 桶增至4 桶，对全球原 油分配利益格局的影响也是不容低估的。 设想在2 0 0 8 年中国原油消费3 ．8 亿t 的基础 万方数据 一2 一 煤化工 2 0 1 0 年第5 期 表2 近年全球原油分配格局 年份 兹量全萝翟享量全萝藿零量美咙咀靴黥／{ 4 舢t 量 2 0 0 63 9 ．1 4 13 8 ．8 9 81 9 ．3 2 61 2 ．3 9 1 6 ．9 3 5 2 0 0 73 9 ．0 5 93 9 ．5 2 81 9 ．8 3 61 2 ．4 8 9 7 ．3 4 7 2 0 0 83 9 ．2 8 83 9 ．2 7 91 9 ．6 9 91 2 ．3 2 6 7 ．3 7 3 平均 3 9 ．1 6 33 9 ．2 3 51 9 ．6 2 01 2 ．4 0 2 7 ．2 1 8 注以上数据引自{ B P 世界能源统计2 0 0 6 、2 0 0 7 、2 0 0 8 。 上，人均原油消费达到4 桶，则全年总消费量将达 6 ．9 亿t ，增量3 ．1 亿t ，笔者认为可以考虑表3 所示 的方案来解决增量油。 表3 增加3 ．1 亿t 原油消费的解决方案设想 项目 解拳垫量 备注 ／亿t ⋯ 进口原油薪髫篡燃 煤基代油0 ．8 6 通过现代煤化工生产石油替代品t 生物质油6 勰淼票嚣嬲0 电代油1 ．0 火力、水力、核能、风能、太阳能发电z ’ 1 每个产品耗煤量引自石油化学工业规划院编制的 { 2 0 0 8 化学工业年度行业分析报告； 2 引自新能源产业规划。 此方案中，煤基代油和火力发电用煤量达4 亿 t ，代油总量可达1 ．2 亿t ，占代油量的6 0 ％，充分体现 了现代煤化工对我国能源安全战略的重要性。因此， 现代煤化工的发展势在必行，通过生产煤制石油替代 品，减轻对石油的过度依赖。但应适度发展，过快超 前，企业承担较大风险；慢了则制约消费，影响国民经 济的发展。‘同时也应调整高耗能、高碳产品的出口。 3 洁净煤气化是现代煤化工的平台 现代煤化工是以生产石油替代品为主要任务，在 能源效率、环境保护、经济效益方面必须提高对石油 化工的竞争力，才能生存发展。 煤气化在现代煤化工项目中占有重要的地位，技 术水平对项目的能效、环保、效益有重要的影响，投资 亦占5 0 ％左右。因此只有发挥洁净煤气化的优势，才 能与石油化工相竞争，现代煤化工要以洁净煤气化为 平台。表4 列出了我国现代煤化工示范项目中选用的 各种气化方法。 表4 工业示范与设计建设中 现代煤化工项目采用的气化技术 项目产品气化技术 二甲醚 直接制油 间接制油 天然气 烯烃 乙二醇 宁煤四喷嘴水煤浆新奥单喷嘴水煤浆 神华壳牌干煤粉 兖矿四喷嘴水煤浆潞安伊泰单喷嘴水煤浆 某项目鲁奇或B G L 碎煤 褐煤 神华单喷嘴水煤浆宁煤G S P 干煤粉 通辽金煤恩德炉 褐煤 先进的气流床水煤浆煤气化技术具有9 5 ％～9 8 ％ 的碳转化率，粉煤气化亦可达9 8 ％以上碳转化率；无 三废排放，煤气中的硫、二氧化碳便于分离回收，水煤 浆有效气成分8 0 ％．9 0 ％，粉煤有效气成分达8 0 ％～ 8 3 ％；气化压力可达4 ．0 M e a ～8 ．0 M P a 以上；碎煤移动床 气化在气化褐煤制甲烷上亦有优势，各项指标可以和 气流床气化相媲美，气化压力可达2 ．5 M P a 以上。表5 列出了部分现代煤化工项目的成本测算。 从成本测算分析，现代煤化工项目的原料煤可以 表5 应用洁净煤气化技术的现代煤化工项目成本测算 项目产品成本测算备注 二甲醚二甲醚成本36 4 3 元／t ，与7 0 美元／桶原油生产的柴油相当 ’ 直接液化油品5 0 0 元／t 的煤制油，与7 2 ．2 9 美元／桶原油生产的柴油相当 间接液化油品5 0 0 元／t 的煤制油，与6 0 美元／桶原油生产的柴油相当1 0 0 万t ／a 天然气5 0 0 元／t 的煤制天然气，与西部进口天然气价格相当2 0 亿m V a 烯烃7 2 美元／t 的煤制烯烃，与8 0 美元／桶原油生产的烯烃相当- ’1 0 0 万t ／a 1 此数据引自U O P 公司发布的“在2 5 ％的内部回报率 I R R 下煤炭价格估算”的数据。 万方数据 2 0 1 0 年1 0 月张鸿林等洁净煤气化是现代煤化工和低碳经济的平台 一3 一 利用褐煤、劣质烟煤、高硫煤等，拓宽了煤种的应用范 围，充分利用了资源。在煤的产地建设煤一化一体的 装置，具有较好的经济效益和抗风险能力。 4 洁净煤气化对低碳经济的影响 煤、石油、天然气含有的碳氢比例分别是1 ．2 5 、 0 ．5 、0 ．2 5 ，煤的利用率比石油和天然气低2 0 ％～3 0 ％， 所以煤的燃烧是温室气体的主要来源之一。现在每年 排人大气的c 0 约4 0 ％来自燃煤电厂，s 0 。的排放8 0 ％ 也来自煤的直接燃烧。因此，改变煤的燃烧方式、提高 发电效率、节约煤炭、减少温室气体的排放，是煤炭利 用的重要课题。表6 列出了煤基发电技术的进展情况。 表6 煤基发电技术的进展 I G C C 和I G C C 多联产发电效率高、c 0 减排显著， 主要得益于以煤气化代替了煤的直接燃烧，是碳的纯 氧部分氧化产生c 0 、H 2 热量，代替了过量空气直接 燃烧产生C 0 热量，煤气在加压下脱硫脱碳也远较 锅炉常压烟气脱硫和c O ，捕集经济可行。I G C C 以煤的 洁净气化为平台，发电、制H 2 ．C O 作为多联产的产品、 原料，如果再加上分离高浓度的c 0 利用和封存，就 可以实现c 0 。的近零排放。所以，高效洁净煤气化技 术在发展低碳经济、循环经济过程中具有举足轻重的 作用。 利用新一代气流床洁净煤气化为平台，美、欧、日 均有实现c 0 分离及地质封存和利用，达到近零排放 的燃煤电厂示范项目。 5 气流床气化是洁净煤气化的主流 随着我国工业化进程的加快，洁净煤气化技术开 发十分活跃，各种新型气化技术的工业应用突飞猛 进，特别是气流床气化技术已成为洁净煤气化技术的 主流，广泛应用于传统煤化工原料结构调整、技术升 级改造及新型煤化工项目中。 鲁南化肥厂于2 0 世纪8 0 年代在国内率先引进 了T e x a c o 水煤浆气化技术后，化工行业又先后引进 了S h e l l 、G S P 等于粉煤气化技术。国内也先后开发成 功了四喷嘴对置式、多原料浆、分级气化水煤浆气化 炉，四喷嘴对置式、两段式、航天炉等于粉煤气化炉。 这些国内外先进的气流床气化技术，已被广泛应用于 合成氨、尿素、甲醇、二甲醚、醋酸、醋酐、D M F 、T D I 、炼 厂加氢、I G C C 等领域的洁净煤气化技术中。 鲁南化肥厂与华东理工大学洁净煤研究所、中国 天辰工程有限公司合作，先后开发了具有自主知识产 权的四喷嘴对置式水煤浆气化炉和一系列干粉煤气 化炉，包括热壁式和水冷壁式的四喷嘴对置和单喷嘴 顶喷干粉煤气化炉。在国内外首次进行了以c 0 2 代替 N 为载气输送干粉煤，气化炉实现连续运行。以上成 果是在实验室一工业中试一工程放大全过程研究为 基础取得的，力求降低工业化生产的风险。 6 应注重气化炉煤种适应性的研究 不同种类的气化炉在技术特点、结构形式和材料 选用等方面有所不同，必然对不同煤种的适应程度， 煤中各种成分含量和煤的物理、化学特性的要求也有 所不同。国内气流床气化炉的种类、数量在世界上均 为最多，但对气化煤种与炉子的适应性研究还不充 分，在煤种选择上还存在随意性，往往设计与生产使 用的煤种不一致，使用煤种与操作条件不匹配，加之 流程设置与产品工艺需要不匹配，使炉子不能充分发 挥技术经济优势，影响长周期、安全、稳定、优化运行。 运行初期，耐火砖寿命短、水冷壁水冷管烧穿、隔焰罩 和烧嘴烧坏、炉壁超温度变形、下渣口渣堵等现象也 有发生。随着生产实践，教训与经验此消彼长，认识不 断深化，生产逐渐正常。 工业化试验和运行实践表明水冷壁干粉煤气流 床气化炉，要求在水冷壁表面保持挂壁一定厚度的渣 膜，以渣抗渣保护水冷管，并形成一定的热阻，减少转 化为蒸汽的能量；要求液态渣流动顺畅、不积滞、不堵 渣口；要求飞灰不黏在陶瓷过滤器堵死滤芯，不黏在 废锅形成垢层。凡此种种，不仅要求对气化炉内部结 构精心设计，还必须重视对气化煤熔渣的相变、流动 和传热规律的研究，重视对煤的灰熔融性温度和灰渣 的黏温曲线的检测，以确定是否添加必要的助熔剂及 添加数量，确定适宜的操作温度。 一般认为，气化炉实现顺利液态排渣黏度在 l O O P 以下，最高不超过2 5 0 P 。考虑到水冷壁保持适当 渣膜，笔者认为，黏度不宜低于3 0 P 。下页表7 为两种 煤种灰渣的黏温特性。 显然两种煤在气化时，为确保顺利液态排渣，且 万方数据 一4 一煤化工 2 0 1 0 年第5 期 表7 两种煤灰渣的黏温特性 煤种㈣臻‰嚣 3 。P 渣戛笋温差⋯。℃需等黏度差 甲5 3 低 F T 1 6 3F T 8 5 7 84 3 8 0 3 7 乙7 5 高 F T 1 3 0F ／ 8 8 4 2 2 07 3 5 3 水冷壁挂渣保持适当厚度，所选择的气化炉操作温度 范围甲种煤较宽，乙种煤较窄。乙种煤在操作温度波 动较大时，比甲种煤易堵渣口或易使水冷壁上挂渣急 剧减薄。通常调整气化煤黏温特性的方法，是向煤中 添加以C a O 或F e 2 0 。为主的助熔剂，降低煤的灰熔融 性温度，改善黏温曲线。运行中氧／煤比保持不变，经 水冷壁的热损失变化，或进出水冷壁锅炉水温差变 化，可以判断熔渣黏度和水冷壁上挂渣厚度的变化趋 势，指导气化炉操作。气化炉操作温度的波动，是由于 进气化炉氧／煤比的变化，而粉煤的惰性气密相平稳 输送和密度的准确测量，是控制氧／煤比稳定的必要 条件，也是干粉煤气化的另一关键课题。 水煤浆气化炉在实现顺畅液态排渣、不堵渣口方 面，对煤的黏温特性的要求与干粉煤水冷壁气化炉是 相同的，但是在向火面砖上挂渣则无要求。理论上，向 火面砖上挂有一定厚度的渣层，有利于“以渣抗渣”。 可以阻滞熔渣对铬的浸蚀而造成对砖表层组织的破 坏，但实施尚无章可循。因此，水煤浆气化中通常要求 煤的刀在l3 5 0 。C 以下，操作温度大于F T1 0 0 。C 。 1 5 0 。C ，既保证液态排渣正常，又使向火面砖不受过高 温度的威胁。 7 结语 综前所述，我国能源现状是煤炭消费占能源总消 费的7 0 ％，按发改委的研究报告预测，到2 0 5 0 年煤炭 消费仍占较大比例，这无疑会使我国在工业化进程中 承受巨大的政治压力和经济负担。为了确保能源对经 济可持续发展的支撑，为了石油安全和实现低碳经 济，需要以洁净煤气化发展现代煤化工和改变发电燃 煤方式。我国具有自主知识产权的气流床气化技术， 已能满足国内需求。当前应注重煤种适应性研究，有 利于促进洁净煤气化技术的顺利发展。 C l e a n - c o a lG a s i 丘c a t i o ni saP I a f f o r mo f t h eM o d e r nC o a l - c h e m i c a lI n d u s t r ya n dL o w - c a r b o nE c o n o m y Z h a n gH o n g l i na n dZ h a n gL e i N a t i o n a lE n g i n e e r i n gC e n t e rC o a lS l u r r yG a s i f i c a t i o na n dC o a lC h e m i c a lI n d u s t y ，T e n g z h o u2 7 7 5 2 7 A b s t r a c tC o a lo c c u p i e sal a r g ep r o p o r t i o ni nn a t i o n a le n e r g yc o n s u m p t i o ni nC h i n a ，t h e r e f o r e ，c l e a nc o a lg a s i f i e a - t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o a l - c h e m i c a li n d u s t r y ，i nt h es u b s t i t u t i o no fp e t r o c h e m i c a l p r o d u c t s ，a n da l s oi nt h ec h a n g eo ft h eh i g hc a r b o ne m i s s i o ns t a t u so ft h ec o a l - f i r e dp o w e rp l a n t s ．C u r r e n t l y ，c l e a nc o a l g a s i f i c a t i o ni sm a i n l yb a s e do ne n t r a i n e df l o wp r o c e s sa n dd u r i n go p e r a t i o na t t e n t i o ns h o u l db ed r a w no nt h ea d a p t a b i l i t y o fc o a lv a r i e t i e s K e yw o r d sc l e a n - c o a lg a s i f i c a t i o n ，m o d e r nc o a l - c h e m i c a li n d u s t r y ，l o w - c a r b o ne c o n o m y ，e n t r a i n e df l o wg a s i f i c a t i o n 简 讯 2 0 1 1 年化肥关税配额进口总量13 6 5 万t 近1 3 ，商务部2 0 1 0 年第5 9 号文件公布了2 0 1 1 年化肥关税配额进口量化肥关税配额进口总量为13 6 5 万t 实物 ， 其中尿素3 3 0 万t 、磷酸二铵6 9 0 万t 、复合肥3 4 5 万t 。关税配额内化肥执行1 ％的进口关税税率。近几年，随着产能快速 增长，各类化肥进口量远小于其关税配额进口量，所以该政策对我国化肥市场影响不大。 万方数据 洁净煤气化是现代煤化工和低碳经济的平台洁净煤气化是现代煤化工和低碳经济的平台 作者张鸿林， 张雷， Zhang Honglin， Zhang Lei 作者单位水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心,滕州,277527 刊名 煤化工 英文刊名COAL CHEMICAL INDUSTRY 年，卷期2010,385 被引用次数3次 本文读者也读过3条本文读者也读过3条 1. 沈鋆.SHEN Jun 煤化工变换炉的风险识别与控制[期刊论文]-石油化工设备2010,395 2. 潘连生.Pan Liansheng 关注煤化工的污染及防治[期刊论文]-煤化工2010,381 3. 杨继贤.张冰.张秀云.田莉雅.Yang Jixian.Zhang Bing.Zhang XiuYun.Tian Liya 基于多联产系统的煤化工循 环经济发展模式研究[期刊论文]-中国煤炭2010,368 引证文献3条引证文献3条 1.闫凤芹 多喷嘴对置式粉煤气化技术研发及应用[期刊论文]-中氮肥 20134 2.周颖.李晋平 煤的石油替代与补充方向及挑战分析[期刊论文]-煤化工 20113 3.徐恒泳.葛庆杰.李文钊 合成气中枢[期刊论文]-石油化工 20117 本文链接