褐煤氣化難題獲解“航天方案”

  技術先進 數據亮眼 反響良好

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圖為中化長山航天氣化裝置全景

  9月3日,航天長征化學工程股份有限公司(簡稱航天工程)在吉林省松原市發布了航天爐褐煤清潔高效轉化技術鑒定成果。該技術率先用于中化吉林長山化工有限公司(簡稱中化長山)尿素改擴建項目并取得亮眼的運行效果,為大規模加工利用豐富的劣質煤資源這一難題提供了航天方案。來自全國各地的與會代表通過參觀和深入交流,充分了解該技術后,認為該技術投資低、流程短,容易實現長周期穩定運行,具有很好的推廣價值和前景。

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圖為鑒定成果發布會現場

  我國富煤、貧油、少氣的資源結構,以及新能源占比很小的現實,決定了未來很長時期內煤炭仍將是我國的主體能源。盡管我國總體富煤,但煤炭品質并不都盡如人意,低階煤包括褐煤、高硫原煤、高灰原煤等,占全國煤炭資源總量的40%左右。

  截至目前,全國已探明褐煤儲量約1300億噸,占我國煤炭資源儲量的13%。它主要分布在蒙東、黑龍江和云南等地區,資源供應豐富,開采成本低,推進褐煤在產地周邊就近轉化利用,是落實國家能源安全戰略、促進地區經濟社會可持續發展的重要方向。

  褐煤作為煤化程度最低的煤,碳含量低、氫和氧含量高,具有水分及揮發分含量高、灰熔融性變化范圍大、熱值低、熱穩定性差、反應活性高等特點,與煙煤和無煙煤相比,無論是作動力煤還是作原料煤在品質上都存在較大差距,清潔高效加工實現資源化利用的技術難度也更大。正因如此,目前國內褐煤的開發利用不夠充分,褐煤資源被閑置或低質化利用的現象普遍存在。

  如何有效開發利用好褐煤資源,成為提高我國煤炭資源利用率、更有效落實國家能源安全戰略的重要抓手之一,也是煤炭及深加工工業供給側結構性改革的重要補短板工程,近年來持續成為能源領域關注的焦點。

  中國煤炭工業協會名譽會長王顯政介紹,基于運輸安全性和經濟性,褐煤的使用與有效利用半徑密切相關,就地加工轉化勢在必行。褐煤就地轉化有兩種途徑:發電和煤化一體化。相對而言,煤化一體化過程借助煤氣化爐這一轉化載體,可實現煤炭由燃料向原料、燃料并重轉變,由傳統能源向潔凈能源轉變,生產油、氣、烯烴及煤基化學品、煤基新材料,市場巨大,經濟性也更為可觀。

  航天工程副總經理朱玉營指出,褐煤氣化在技術上存在四個主要難點:一是反應活性好,燃燒劇烈,燒嘴頭部熱應力大;二是火焰剛度低,容易造成“舔壁”;三是揮發分含量高,干燥和輸運環節安全和環保問題突出;四是褐煤煤粉的物化性質不同,上下游工藝匹配存在問題。

  長山首秀,運行數據亮眼

  中化長山地處吉林省松原市,擁有60萬噸/年尿素、25萬噸/年復合肥、3000噸/年精嗎啉生產能力,副產液氧、液氮、液氬等產品。

  中化長山尿素改擴建項目為新建一套30萬噸/年尿素裝置,由空分、氣化、凈化、氨合成和尿素等裝置組成,于2009年啟動,2013年開工建設,2015年7月竣工,2015年10月產出合成氨產品。其氣化裝置采用航天褐煤高效轉化技術生產粗合成氣,也是該技術首次應用于褐煤氣化領域。

  中化長山造氣車間主任周啟航介紹,該氣化裝置干燥工藝采用“滾筒預干燥”技術路線。氣化工藝采用“頂置單燒嘴+粉煤加壓氣化+下行水激冷”技術路線,可以實現較為寬泛的各類褐煤的轉化利用;技術先進,碳轉化率高,單位氧耗低;國產化率高,建設投資省,運行維護費用低;裝置運行穩定可靠。

  由于航天工程對褐煤氣化工藝的適應性開發,中化長山項目實現了長周期穩定運行,技術指標亮眼。據周啟航介紹,裝置沒有發生過安全事故,且VOCs達標排放。2018年累計運行304天,氣化碳轉化率98.7%左右,有效氣含量88.5%。截至2019年7月底共運行199天,氣化碳轉化率98.8%左右,有效氣含量88.7%。

  中化長山總工程師謝德全說:“以航天爐為龍頭的新建項目投產后,合成氨生產成本下降了500~600元/噸。企業經歷了2016年到2017年化肥行業和尿素市場的低迷后,深刻理解了航天爐的能耗優勢。”

  周啟航介紹,中化長山今年前7個月已經實現盈利近8000萬元,全年盈利預計有望實現1.5億元。

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為客戶代表現場觀摩中化長山航天氣化裝置

  逐個擊破,整體技術國際先進

  朱玉營表示,為了破解這些“攔路虎”問題,航天工程多年深入研究蒙東褐煤煤質特性,吃透了褐煤的氣化特性、熔渣特性及煤粉的物化性質。在此基礎上,針對性開發出了新型燒嘴、新型氣化爐及褐煤預干燥和輸送工藝路線,實現了褐煤氣化裝置的高效、清潔、安全、穩定運行。

  航天工程建立了典型褐煤煤質氣化及熔渣特性、褐煤煤粉輸運特性數據庫,為國內其他地區以及海外褐煤氣化項目的推廣提供了條件。航天工程市場開發部宋高鵬介紹說,對蒙東褐煤進行元素分析和工業分析發現,該地區原煤水分含量較高,約在30%左右,熱值較低、灰分波動較大、揮發分含量高、易磨煤。

  在充分研究褐煤數據的基礎上,航天工程總結了蒙東褐煤的高效清潔轉化思路。宋高鵬表示,蒙東褐煤水分高熱值低,應優先選用30%左右含水,熱值3500KCal/kg以上的煤種,就近轉化,運輸距離控制在200~300km半徑內。蒙東褐煤渣粘溫特性較好,操作窗口較寬,優先選用操作窗口>80℃以上的煤種作為原料煤使用。蒙東褐煤灰分含量和灰熔點波動較大,優先選用入爐基灰分在8%~15%,灰熔點在1200℃~1350℃的煤種作為原料煤使用。蒙東褐煤揮發分含量高,反應活性高,物理化學性質明顯區別與煙煤,干燥和輸送工藝要重點解決好安全、環保問題,以及系統的工藝參數匹配問題。

  對此,王顯政指出,行業之前發展吃虧在先造好氣化爐再去匹配原料煤,越試產生的問題越多。航天爐最大的特點是先研究透原料,再進行爐型設計,這是取得成功的重要因素之一。

  宋高鵬介紹,公司在新型燒嘴(燃燒器)開發過程中,主要針對燒嘴頭部熱防護、燒嘴噴口結構、燒嘴粉煤通道均布結構等方面進行了研發。其中,通過燒嘴噴口結構開發,確定了燒嘴噴口結構方案,實現爐內高溫區下移,有效延長燒嘴壽命,提升氣化燒嘴性能。通過燒嘴粉煤通道均布結構研發,保證碳轉化率和燃燒效率,避免燒嘴偏燒,平均相對標準差由約49.16%降低到了6.75%。

  宋高鵬介紹,公司在新型氣化爐研發方面,通過氣化室結構參數設計,模擬實驗獲取了褐煤熔渣在水冷壁面流動的一般規律,結合仿真分析和褐煤煤灰特性,確定了水冷壁直徑、長徑比。通過氣化室渣口設計,確定了渣口結構形式及關鍵尺寸,并針對煤種灰分波動引起的異常情況設計了渣口堵渣故障處理預案,確保氣化爐運行過程中渣口掛渣良好。另外,公司還開發了“滾筒預干燥+褐煤密閉輸送+褐煤磨煤干燥”組合工藝路線,解決了預干燥和輸運環節安全性和VOCs達標排放問題。

  2019年8月31日,航天工程自主開發的國內首套適用褐煤加工的粉煤水冷壁加壓氣化技術,通過了中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會專家鑒定意見為:該項技術擁有自主知識產權,可實現褐煤的安全、清潔、高效轉化,整體達到國際先進水平,建議加快推廣應用。

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圖為客戶代表聽取有關中化長山航天氣化裝置的現場講解

  反響良好,加大推廣應用

  9月3日,航天爐褐煤清潔高效轉化技術鑒定成果發布會上,來自全國的代表對該技術和中化長山運行情況進行了深入了解、交流。來自某煤化工企業的代表告訴記者,該技術投資低,流程短,容易實現長周期穩定運行,推廣前景非常好。

  一位新疆煤化工企業代表借參觀機會,與中控車間操作員就干燥機的參數進行深入交流。他告訴記者,自己企業當地用煤雖非褐煤,但含水量與褐煤相近,此次專程來考察褐煤航天爐運行情況,在新上項目時會考慮選用航天爐。

  此外,多家企業代表借著此次機會交流學習,考察航天爐運行情況。一位來自褐煤氣化技術研發企業代表告訴記者,利用此次機會學習交流航天褐煤技術,很有收獲。

  針對航天爐褐煤清潔高效轉化技術今后發展的重點方向,朱玉營表示,航天工程將加快我國褐煤產區的技術推廣應用,積極開發印尼和澳大利亞等褐煤資源豐富的海外市場;建立褐煤預干燥、褐煤輸送、褐煤氣化設計和運維的企業標準體系,并進一步豐富褐煤氣化特性數據庫;推動更大規模褐煤氣化項目實施,提升規模效益。

  中化長山褐煤航天爐選用記

  中化吉林長山化工有限公司(簡稱中化長山)始建于1969年,自1976年投產的幾十年發展歷程過程中,氣化裝置幾經更迭。

  中化長山總工程師謝德全介紹說:“由于原油價格上漲,中化長山2000年油改煤,上馬了6臺富氧連續氣化爐,以山西白煤和焦化煤為原料。剛運行兩年,白煤和焦炭價格大幅上漲,于2003年上馬了兩套恩德爐。從2003年開始,直至2018年1月,兩套恩德爐解決了當時中化長山的生存問題。”

  他說:“但基于恩德爐常壓制氣能耗高所帶來的環保問題逐漸顯現,中化長山于2008年就開始調研氣化爐。考察前后花了3~4年時間,很耐心也很嚴謹,在調研多種煤型和氣化爐實際運行情況的基礎上,最后下定決心向總部打報告,選用粉煤加壓氣化技術。”

  選定氣化爐之后,煤種適應性問題就首當其沖。謝德全介紹說:“之前運行的航天爐燒的都是煙煤和無煙煤,但蒙東褐煤含水量達30%多,變成煤粉送入氣化爐成為一道難題。恰好當時,某化工企業煤制烯烴項目成功運行,選用的預干燥系統能把40%的水干燥至8%左右。我們與航天工程受此啟發,開發了干燥工藝路線,并用在航天爐前端,解決了煤種干燥問題。”

  同時,航天工程還針對燒嘴和氣化室進行了適應性改造,克服諸多技術困難后,氣化爐順利投產運行。

  他說:“航天爐投用之后,該裝置操作人員在主控室操作就行,現場人員都撤出來了。2018年初,就把恩德爐完全停下來了。這主要基于兩方面原因:一是恩德爐的造氣、環保、安全等各方面成本高;二是兩套裝置生產工藝完全不一樣,完全獨立,人員不好配置。”

  近兩年,在中化集團“科學至上”戰略的指引下,中化長山不斷改進創新、優化運行指標,2018年以來該項目實現了安、穩、長、滿、優運行,并取得了良好的經濟和社會效益。


關鍵字:褐煤
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