煤氣綜合利用前景

煤氣綜合利用前景與地面氣化煤氣相比，地下氣化煤氣具有成本低、質(zhì)量優(yōu)等優(yōu)點，而合理利用地下氣化煤氣，是進(jìn)一步提高煤炭地下氣化經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。根據(jù)煤氣成分和應(yīng)用條件，地下氣化煤氣可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、提取純H2以及用作化工原料氣、工業(yè)燃料氣、城市民用煤氣等。地下氣化煤氣綜合利用途徑如圖所示。1.1化工合成聯(lián)產(chǎn)煤氣化是煤炭轉(zhuǎn)化的重要形式之一，它在各類生產(chǎn)過程中起著承前啟后的作用。煤制化工合成原料氣在煤化工中有著重要的地位。國內(nèi)外正在把煤化工發(fā)展成為以煤炭氣化基礎(chǔ)的C1化學(xué)工業(yè)，使煤化工由能源型轉(zhuǎn)向化工型。煤氣化制得的合成氣（CO＋H2）用作化學(xué)工業(yè)的基本原料，在與石油化工的竟?fàn)幹胁粩喟l(fā)展和提高。但煤化工要與石油化工和以開然氣為原料的化工合成相竟?fàn)?，必須有能耗低、投資小的氣化技術(shù)為基礎(chǔ)。而煤炭地下氣化技術(shù)正是具有這樣的特點，通過煤炭地下氣化生產(chǎn)合成氣，可以充分發(fā)揮煤炭地下氣化的技術(shù)優(yōu)勢，為煤化工的發(fā)展提供新的擴展空間。在利用地下氣化煤氣合成化學(xué)產(chǎn)品的工藝流程中，原料煤無需處理，煤氣出口溫度一般較低，使整個合成路線趨于簡化。但大部分煤種氣化后甲烷含量較高，需要經(jīng)過富集及變換處理，使之轉(zhuǎn)化為有效組分。由于針對不同煤層賦存條件、不同煤種和不同的地下氣化工藝，地下氣化煤氣的組成有一定差別，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體情況調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝流程，保證地下氣化煤氣中一氧化碳和氫氣的含量，且使其比例符合具體的化工合成要求。目前我們正配合現(xiàn)場進(jìn)行這方面的模型實驗。1.1.1合成氨合成氨是一項成熟的煤氣化及化工合成聯(lián)產(chǎn)項目。但傳統(tǒng)的煤氣化工藝普遍采用常壓固定床間歇氣化法，成本高，技術(shù)落后，企業(yè)效益差，急代改造。七十年代以來，我國先后引進(jìn)了魯奇爐、德士古爐、U－gas爐，但這些目前較先進(jìn)的氣化技術(shù)又存在著投資大、運行費用高等缺點，導(dǎo)致氨及后續(xù)化工產(chǎn)品缺乏市場竟?fàn)幜ΑＨ舨捎妹禾康叵職饣峁┖铣砂痹蠚?，則可使產(chǎn)品成本大大降低?！拔絷柮禾康叵職饣吆铣砂甭?lián)產(chǎn)”示范工程的現(xiàn)場試驗表明，采用富氧－水蒸汽作氣化劑，可以獲得合格的合成氨原料氣（（H2＋CO）在60％左右）。1.1.2合成二甲醚二甲醚（DEM）作為21世紀(jì)的世界清潔能源已引起人們的普遍關(guān)注。DEM由于其許多獨特的性質(zhì)，在制藥、燃料、農(nóng)藥等化學(xué)工業(yè)中有許多獨特的用途。它可以替代氟里昂用作汽溶膠噴射劑和制冷劑；高濃度的二甲醚可用作麻醉劑，也可以作為化工和燃料電池的原料。此外，二甲醚還可作為優(yōu)質(zhì)的民用燃料及車用燃料。隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DEM的用途越來越廣泛，需求量也越來越大。新型的一步法合成二甲醚法可以顯著降低生產(chǎn)成本，使其在市場中具有竟?fàn)幮浴６酌押铣蓺庖驢2與CO的比例為1.5:2，水煤氣消耗定額為4500m3/噸二甲醚。地下氣化模型實驗表明，采用富氧－水蒸汽氣化工藝，可以提供廉價的合成氣，為煤炭轉(zhuǎn)化及二甲醚合成開創(chuàng)新的途徑。1.1.3合成油以氣體原料合成油技術(shù)（煤的間接液化）在世界許多國家都已經(jīng)進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，合成工藝包括F－T直接合成及Mobil工藝通過甲醇間接合成。其中的地面煤氣化通常采用魯奇爐或溫克勒法。采用煤炭地下氣化工藝只需將合成氣的供給由地面氣化變?yōu)榈叵職饣?，而其他成熟技術(shù)都可以保持不變。表1給出了幾種以純氧－水蒸汽為氣化劑的煤炭氣化方法所得煤氣的組成比較。可以看出，地下氣化煤氣從組成上與魯奇爐加壓氣化法及其它先進(jìn)氣化工藝所產(chǎn)煤氣有效成分相當(dāng)，因而可以作為合成油原料氣應(yīng)用于生產(chǎn)。表1幾種以純氧－水蒸汽為氣化劑的煤炭氣化方法的比較LurgiK-TTexacoKRWHTWShellUCG水煤氣CO11.262.249.243.253.061.546.7H242.126.831.731.833.730.624.5CO230.98.712.217.59.01.718.8CH49.4---0.41.83.1---9.01N20.31.31.01.20.84.80.91.2提取純氫氫能源是替代現(xiàn)有能源的一種綠色能源。氫能源燃燒后只生成水，對環(huán)境沒有污染，且不影響大氣中CO2的循環(huán)。目前，氫氣已被廣泛應(yīng)用于石油化工、電子工業(yè)、治金工業(yè)及用作高能燃料等?；谌剂想姵氐臍淠馨l(fā)電及民用是氫氣的未來市場。氫氣的生產(chǎn)方法包活電解水制氫、石油裂解制氫等，但均具有規(guī)模小、成本高等缺點，而目前尚無大規(guī)模廉價制氫的方法。兩階段煤炭地下氣化的產(chǎn)品主要是高含氫量的地下水煤氣，其氫含量達(dá)50％以上，可用于提取不同純度的氫。表2給出了新河兩階段地下氣化試驗所得水煤氣組分表。地下水煤氣與其它能源燃料的氫碳比比較如表3所示。與現(xiàn)有的制氫技術(shù)相比，地下氣化制氫具有成本低（氫氣成本僅為0.5元/m3）、質(zhì)量優(yōu)、可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點。因此，煤炭地下氣化制氫將形成的新的以氫為載能體的綠色能源系統(tǒng)。表2新河二號井水煤氣組分、熱值及產(chǎn)量序號煤氣組分(%)煤氣熱值煤氣流量m3/hH2COCH4CO2N2MJ/m3158.298.599.2819.634.2112.221920258.3810.3514.3213.383.5714.451400357.1011.6614.8913.852.5014.701500462.0714.4310.1311.072.3013.781650554.2511.7210.6511.264.1213.141810664.0711.319.9411.133.5513.571900760.4216.579.5412.520.9513.611550864.6312.479.6511.701.5513.691850表3各種能源燃料的氫碳摩爾比煤石油天然氣地下水煤氣H:C0.86:11.76:13.71:14.76:11.3地下氣化煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電地下氣化煤氣用于燃?xì)?--蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是合理使用地下氣化煤氣熱能的有效途徑。自20世紀(jì)50年代實現(xiàn)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電方案以來，聯(lián)合循環(huán)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近年來，發(fā)展的趨勢更加明顯。它使用天然氣做燃料時聯(lián)合循環(huán)的供電效率已經(jīng)達(dá)到55～60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它任何形式的發(fā)電設(shè)備，并能裝備成為承擔(dān)基本負(fù)荷的大功率電站，加上這種設(shè)備的投資費用比較低，設(shè)備簡單，占地面積小，建設(shè)周期短，因而更加具有廣泛使用的潛力。不過目前這種聯(lián)合循環(huán)的主要燃料為石油產(chǎn)品和天然氣，加有小部分煤氣，而煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電則是21世紀(jì)煤炭潔凈利用的主要方向之一。整體煤氣化燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（簡稱IGCC）是在70年代西方國家石油危機時期開始研究的一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，其技術(shù)要領(lǐng)和路線是：使煤在氣化爐中氣化成為中熱值或低熱值煤氣，然后通過處理，把粗煤氣中的灰分、含硫化合物（主要是H2S和COS）等有害物質(zhì)除凈，供到燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)中去做功，借以達(dá)到以煤代油（或天然氣）的目的，這樣，就能間接地實現(xiàn)在供電效率很高的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)中燃用固體燃料煤的愿望。煤炭地下氣化產(chǎn)生煤氣發(fā)電，在俄羅斯已應(yīng)用近50年，先后在莫斯科近郊等煤田建立5座地下氣化站，生產(chǎn)700-1000kcal/m3的低熱值煤氣用來燒鍋爐或發(fā)電，積累了豐富的經(jīng)驗。而我國使用煤氣發(fā)電則始于90年代，先后有鐵嶺焦化廠等使用由航空發(fā)動機改型燃?xì)廨啓C用焦?fàn)t煤氣發(fā)電，97年11月，世界首臺低熱值煤氣(780kcal/m3)發(fā)電設(shè)備在上海寶山鋼鐵廠自備電站投入運行，該機組裝機容量為150MW，目前運行狀況良好。另外其它一些鋼鐵廠也正準(zhǔn)備利用高爐煤氣發(fā)電，某些焦化廠也準(zhǔn)備使用焦?fàn)t煤氣發(fā)電。從燃?xì)廨啓C情況看，生產(chǎn)燃?xì)廨啓C的公司有GE公司、ABB、西門子、三菱公司等企業(yè)，目前我國南京汽輪機廠、上海汽輪機廠已與GE公司等開始合作生產(chǎn)燃?xì)廨啓C。從目前地下氣化煤氣的生產(chǎn)狀況來看，低熱值空氣煤氣的生產(chǎn)最為普遍，但其應(yīng)用很受局限。因此，采用富氧－水蒸汽氣化工藝生產(chǎn)中熱值煤氣用于燃?xì)廨啓C發(fā)電是地下氣化煤氣發(fā)電應(yīng)用的必然途徑。由于燃?xì)廨啓C屬于高技術(shù)、高精密設(shè)備，為保證其使用壽命，對煤氣的凈化度要求比較苛刻，同時希望煤氣供應(yīng)量和煤氣組成穩(wěn)定，含水量低。表4為一般燃?xì)廨啓C對煤氣中雜質(zhì)的要求。表4燃?xì)廨啓C對煤氣中雜質(zhì)含量的要求項目含塵量含硫量堿金屬含量鹵化物單位PpmwPpmw(Na+K),ppbm(HCL+HF),ppmw數(shù)值<6<50<80<2.451.4經(jīng)濟(jì)效益分析美國專家曾對煤氣化及利用過程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析后指出，地下氣化與地面氣化生產(chǎn)相同下游產(chǎn)品相比成本可下降：(1)生產(chǎn)合成氣為43%；(2)生產(chǎn)天燃?xì)獯闷窞?0-18%；(3)發(fā)電為27%。據(jù)前蘇聯(lián)列寧格勒火力發(fā)電設(shè)計院計算，地下氣化熱力電廠與燃煤電廠相比：(1)廠房空間可減少50%；(2)鍋爐金屬耗量可降低30%；(3)運行人數(shù)可減少37%。表5是地下氣化與地面氣化投資和成本比較表，表6給出了分別以地下氣化煤氣和地面氣化煤氣為氣源合成甲醇（合成油的中間產(chǎn)品）的成本比較。表5地下氣化和地面氣化投資與成本比較項目地面氣化地下氣化基建投資（元/m3）350—450120—150成本（元/m3）0.4—0.60.15—0.25生產(chǎn)工藝備煤、選煤地下煤炭資源環(huán)境保護(hù)有灰渣排放無灰渣、污染物少表6地下氣化與地面氣化合成甲醇成本比較表項目地面氣化地下氣化原料氣（元/Nm3）0.250.20耗材等（元）431.10327.44其它（元）59.7639.76副產(chǎn)品回收（元）10.410.4甲醇生產(chǎn)成本（元/噸）1282.51677.6可以看出，地下氣化與地面氣化相比，基建投資降低53-66%。地下氣化煤氣生產(chǎn)成本僅為0.2元/m3，大大低于地面氣化煤氣成本。如果利用地下氣化煤氣生產(chǎn)甲醇，則成本可降低47.17%。1.5幾個工程實例的效益分析1、山西呂梁市煤炭地下氣化工業(yè)性試驗項目（通過專家評審）日產(chǎn)富氧煤氣15萬方，煤氣熱值8～11MJ/m3,（井下巷道基本完好，煤層埋深100米左右，煤層厚度2～3米，地質(zhì)條件中等復(fù)雜，運行周期5年）項目總投資：2967萬元；煤氣成本：0.14元/立方；市場售價按：0.35元/方；工程正常生產(chǎn)年的銷售收入為1916.25萬元，年利潤總額為801.82萬元；投資回收期為2年。項目的總成本費用及損益見附表1和附表2。2、河南義馬煤炭地下氣化試驗工程（比較簡易的試驗，數(shù)據(jù)來源為義馬項目鑒定材料）和義馬煤氣廠生產(chǎn)的粗煤氣對比·對比直接生產(chǎn)成本義馬煤氣廠2003年粗煤氣實際的直接生產(chǎn)成本為0.35元/Nm3，本性目生產(chǎn)的煤氣生產(chǎn)成本為0.16元/Nm3；為了有可比性，把本項目生產(chǎn)的煤氣加壓到可以進(jìn)入煤氣廠凈化系統(tǒng)（3MPa），耗電0.2kwh/Nm3，電按煤氣廠的生產(chǎn)成本0.2元/kwh計算，為0.04元/Nm3，即成本變?yōu)?.16＋0.04＝0.20元/Nm3；對比之下，礦井氣化煤氣生產(chǎn)成本低0.15元/Nm3，即低43％?！H對比入爐煤一項；義馬氣化廠目前入爐塊煤價格為300元/t，攤到粗煤氣的成本里為0.2