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水在煤炭气化中的作用
聂旭春1聂国印 2
（1、内蒙古工业大学， 2、内蒙古自治区煤田地质局）
摘要：年产20亿m3煤制天然气总用原水1369.168万t，依据各关键物流的数据计算出，其中气化了407.82万t，原地蒸发、蒸汽排空96.13万t，高盐污水排放约216.31万t，第二年需要720.26万t原水就可以满足生产。
关键词：煤炭；气化；水气化；碳/氢元素比例；流程；计算。
1.中国煤炭气化现状
煤炭气化技术有：固定床气化、流化床气化、气流床气化，其中气流床气化最有优势。
当前国内对气流床煤气化的选择主要集中于干法进料的SheII（壳牌）、GSP粉煤气化和湿法进料的Texaco(德士古)和国内多喷嘴对置式水煤浆气化技术，SheII和GSP粉煤气化技术虽然先进，但是缺乏化工应用业绩，水煤浆气化技术用于化工生产成熟可靠，操作稳定性强，特别是国内具有自主知识产权的多喷嘴对置式气化技术，在装置投资、建设、稳定运行、经济效益等方面具有显著优势。投资者选择哪一种气流床气化技术关键要看技术的成熟可靠性；投资；项目建设周期；专利商的工程支持能力；运行与维护成本。气流床气化技术特点：气化剂为水蒸气和氧；煤种适应宽；反应物在炉内停留时间短，反应时间约为1s～3s；气化温度高达1500℃，灰渣以熔融状态排出，熔渣中含碳量低；气化压力4-6.5MPa；出炉煤气的组分以C0，H2，C02和H2O为主，CH4含量很低，产品中不含焦油，不产生含酚废水，烟气净化装置简单。影响气流床气化的主要因素：气化温度；气化压力；氧煤比；蒸汽／煤比；气化炉结构。［1］
在兖矿鲁南化肥厂建设多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程，于2005年7月21日一次投料成功，并完成80小时连续、稳定运行。装置初步运行结果表明：有效气CO+H2超过82%，碳转化率高于98%。它标志着我国拥有了具备自主知识产权的、与国家能源结构相适应的煤气化技术具有重大的突破，其水平填补了国内空白，并达到国际先进水平。目前已有数十家企业使用多喷嘴对置式水煤浆气化炉，成为我国煤炭气化的主流设备。
煤炭、石油、生物质通过：气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、提纯四个流程制备氢气；气化、酸性气体脱除、分离、提纯四个流程制备氢气和一氧化碳；气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、甲烷化等流程制备天然气、甲醇、乙二醇、二甲醚、烯烃、氮肥、车用燃料等。
2.水在煤炭气化中的作用
2．1 工艺简介
以年产20亿m3煤制天然气技术为例：利用褐煤等劣质煤炭，通过煤炭气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、甲烷化四道流程制取天然气，工艺流程如图1所示，其中气化采用BGL技术，并配有空分装置和硫回收装置。主要流程为：①原煤经过备煤单元处理后，经煤锁送入气化炉，蒸汽和来自空分的氧气作为气化剂从气化炉下部喷入，在气化炉内煤和气化剂逆流接触，煤经过干燥、干馏和气化、氧化后，生成粗合成气，粗合成气的主要组成为H2、C0、C02、CH4、H2S、油和高级烃；②粗合成气经急冷和洗涤后送入变换单元，粗合成气经过部分变换和工艺废热回收后进入酸性气体脱除单元；③粗合成气经酸性气体脱除单元脱除硫化氢和二氧化碳及其它杂质后送入甲烷化单元；④在甲烷化单元内，原料气经预热后送入硫保护反应器，脱硫后依次进入后续甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到合格的天然气产品，再经压缩干燥后送入天然气管网。［2］

图1 煤制天然气总工艺流程示意图
2.2关键物流数据模拟
以年产20亿m3煤制天然气为例，各关键物流的数据如表3所示，其物流号与图1相对应。以常温常湿空气干燥（ad）的原料煤煤质组成见表1，高位发热量26.89MJ/kg。［2］
表1 原料煤煤质组成及热值 ％
水分
灰分
全硫
碳
氢
氧
氯
12.11
4.28
0.27
69.05
3.83
9.68
0.004
表2物流的流量、温度和压力
物流号
①
②
③
④
⑤
流量 Nm3/h
843300
1216587
812924
250000
176245
度℃
175
40
30
55
20
压力 MPaA
4.0
3.65
3.3
5.7
5.3
表3 煤制天然气物流数据表 （mol％）
物流号
①
②
③
④
⑤
CO2
4.619
34.117
1.504
1.64

H2S
0.090
0.068

COS＋CS2
0.008

CO
60.649
11.125
16.649
31ppm

H2
25.663
48.704
72.888
0.31

CH4
7.784
5.396
8.075
96.46

C2~ C4
0.583
0.388
0.58
0.01

NH3
0.277

HCN
0.034

N2＋Ar
0.293
0.203
0.304
1.58
0.2
O2

99.8
表4 煤制天然气消耗表
项 目
单 位
年消耗量
原料煤
t
3834600
燃料煤
t
991352
催化剂及化学品
t
65264
电
KWh
358453760
原水
t
13691680
2.3水在煤炭气化中的作用
本文是利用《化工设计》杂志2010年03期刘芹、邢涛的《浅析煤制天然气的工艺流程与经济性》中的数据进行模拟计算的，经过与中国天辰化学工程公司编制的《昌吉盛新实业有限责任公司年产20亿m3煤制天然气项目可行性研究报告》复核，认为各种数据真实可靠，但是为了说明问题，计算是近似的，不是精确的，使用时应加以注意。
2.3.1煤炭的碳/氢元素比例
煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上，可以缩写为CxHyOz。不同的煤类碳/氢元素比例各不相同，除泥炭外其他煤类均大于1 ，一般由1.09:1到2.95:1,烟煤在1.22:1到1.75:1。本文所用煤类碳/氢元素比例为1.50:1。石油碳/氢元素比例稳定在0.5:1左右。生物质碳/氢元素比例稳定在0.63:1左右。
2.3.2水在气化流程的作用
由表3可知，粗合成气的主要组成为H2、C0、C02、CH4,占总量的98.715%，有效气CO+H2占总量的86.312%。主要的化学反应方程式为：CxHyOz＋mH2O＋nO2＝(y/2＋m)H2＋xCO。由表3可以计算出粗合成气的碳/氢元素比例约为0.89:1，充分说明有部分水参加了气化反应并生成了H2，依据碳原子不变,可计算出：m＝0.3427y；383.46万t原料煤按83.61%为纯煤320.61万t；按3.83%氢含量纯氢12.28万t；m＝4.21万t，按分子量计算气化了约75.75万t水。如果采用煤炭气化制备氢气和一氧化碳，可以省略一氧化碳变换流程，直接进行酸性气体脱除、分离、提纯流程。
2.3.3水在一氧化碳变换流程的作用
水在一氧化碳变换流程的作用就是水和一氧化碳反应生成二氧化碳和氢气,即xCO＋xH2O＝xH2＋xCO2。由表3可以计算出经一氧化碳变换后的混合气体碳/氢元素比例约为0.43:1（煤制天然气是为了甲烷化控制CO和H2的比例而没有完全变换，煤制氢气完全变换）。依据碳原子不变,可计算出：383.46万t原料煤按83.61%为纯煤320.61万t；按69.05%碳含量纯碳221.38万t；按分子量计算气化了约332.07万t水；同时也产生了811.73万t的二氧化碳。
2.3.4水在整个流程的作用
由表4可知，年产20亿m3天然气，总用原水1369.168万t，其中气化了407.82万t，剩余的被原地蒸发、蒸汽排空、去污水处理、高盐污水排放等。原地蒸发、蒸汽排空按10%计算96.13万t，剩余的其中以气化灰水、低温甲醇洗、全厂生活及化验污水等去污水处理为主可回收，约75%，其次是高盐污水排放，约占25%，消耗量约216.31万t。也就是说在一年的生产过程中，气化了407.82万t水，原地蒸发、蒸汽排空96.13万t，高盐污水排放约216.31万t，第二年需要720.26万t原水就可以满足生产。
2.3.5水在煤炭气化中的能量消耗
由表4可知，用383.46万t原料煤、99.14万t原料煤发电和水，年产20亿m3天然气，可以计算出用2.41Kg（2.17 Kg标准煤）煤炭才能生产出1 m3天然气,而按照标准煤的折算系数折算1 m3气田天然气相当于1.21Kg标准煤，这部分能量差最主要的就是气化水的能量消耗。
3.相关的思考
3.1阐明了水在煤炭气化中的各种作用
很多各种专家或领导都有煤炭气化水资源浪费太严重的固有印象，了解了水在煤炭气化中的各种作用，有助于消除对煤炭气化的抵触心理。
3.2一氧化碳是水气化的最有效途径
世界各国都在积极地研究各种制氢方法，多达上百种，煤炭气化制氢是最有效方法，并且已经产业化。［4］一氧化碳是水气化的最有效途径，每得1t氢气将产生22t二氧化碳，应集中捕集，循环利用。
3.3氢能时代煤化工的重新思考
目前，已经成熟的煤炭气化产品有氢气、天然气、甲醇、乙二醇、二甲醚、烯烃、氮肥、车用燃料等很多，还有一种选择是煤炭气化制备氢气和一氧化碳尚未利用。“氢能时代”的煤化工，从优化能源结构和环保考虑，应该以：煤炭气化制氢为主（全部捕集二氧化碳），全部代替用作燃料部分；煤制化肥为辅；石油、生物质气化制备氢气和一氧化碳，一氧化碳全面替代焦炭和气法冶炼，［5］化工原料由石油、天然气制取。
参考文献
［1］赵旨厚．张大晶．河北化工．气流床气化方法的选择．第31卷第7期．
［2］刘芹、邢涛．化工设计．浅析煤制天然气的工艺流程与经济性．2010年03期．
［3］聂国印．聂旭春．城市建设理论研究．改变生物质气化条件气化城市垃圾．2013年7月．第十九期．总第086期．
［4］聂国印．聂旭春．城市建设理论研究．氢能时代煤化工的思考．2013年3月第九期．总第075期．
［5］聂国印．聂旭春．城市建设理论研究．神奇的氢气和一氧化碳．2013．3月．第十九期．总第085期．
作者简介：聂旭春（1990-），女，2012年广州大学化学工程与工艺专业毕业，现在内蒙古工业大学就读化学工程与工艺专业研究生。
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