煤制气技术现状及工艺探究

煤制气技术现状及工艺探究

尼亚孜艾力·努拉合买提

新疆庆华能源集团有限公司 新疆  835100

摘要：目前熔融还原技术普遍存在高温煤气物理热浪费以及输出煤气质量不高的问题，同时现行煤制气工艺又面临技术单一和水资源消费高等现状。近年来，熔融还原炼铁结合煤制气的一体化工艺因恰好弥补两单一工艺的缺点而受到越来越多的关注。基于此，本文针对煤制气技术现状及工艺进行了分析。

关键词：煤制气；技术现状；工艺研究

引言

大力推进清洁煤的使用是国家对节能减排、低碳发展重视的必然结果，而且我国又是一个“富煤、贫油、少气”的国家，拥有丰富的煤炭资源，因此充分利用煤炭资源，是我国的一项长远的基本国策。除此之外，在非高炉炼铁领域，气基竖炉技术工艺成熟，操作简单，是非髙炉炼铁最重要的发展方向，气基竖炉的发展同样面临天然气资源短缺和煤制气技术设备投资以及运行成本等问题。因此发展煤制气技术刻不容缓，并且要以低消耗、低污染和高效能为发展方向。采用煤制气不仅能够使煤炭能源利用率得到很大地提升还能缓解环境污染问题，适应目前国内天然气匮乏而煤资源丰富的发展现状。

1.煤制气技术现状

随着经济发展越来越迅速，我国对于以煤炭为主的能源消耗也逐渐提升，使得空气污染日益严重。为了改善大气质量变差的现状，国家开始积极推动煤炭清洁化，其中，煤制气技术就是我国煤炭利用的主要发展方向和发展途经之一，发展煤制气可以缓解我国天然气供需矛盾，为一些需要煤气需求量大的工艺提供便利。目前，煤制气技术已相对成熟，并且其使用途径也越来越受到政府的重视。根据相关研究表明，我国煤炭资源不仅能够满足煤制气技术发展对原料的需求，而且具备良好的经济优势，并且发展煤制气的积极性也越来越高，这使得煤制气具有一定的发展空间。但是现行的煤制气技术还是存在一些问题。

（1）目前现有的煤制气技术各有优劣势，主要问题是气化工艺中能耗高，不符示范项目指标要求，并且在实际应用过程中仍然面临着处理困难、污染环境、二氧化碳排放等问题。尤其对于单一煤制气技术来说，生产过程中难以解决上述存在的问题。

（2）与其他能源化工产品相比较，煤制气项目耗水量巨大。目前煤制气项目大多分布在煤炭资源丰富而水资源贫乏的内蒙古、新疆等西部地区，发展煤制气会对这些地区的生态环境造成很严重的负面影响。因此，煤制气技术的发展面临的首要问题是水资源的高消耗。

2.煤制气工艺的研究

从能源安全和二氧化碳排放的角度考虑，中国应广泛采用煤制合成气（SNG）这种清洁煤炭技术。根据热力学第一定律，煤制气能量的转换效率可达59.8％，根据热力学第二定律，煤的拥破坏主要发生在煤的气化过程中煤制气机组、煤制气合成机组及原料合成气冷却过程。

中国最近推动了对大型燃煤合成天然气工厂的投资。然而，由于忽视了相关的碳排放、水资源消耗和更广泛的环境问题的影响，使得大型燃煤合成天然气工厂的发展受到了阻碍。为了解决目前面临的这些问题，促使国家走上了煤炭清洁化的发展道路，即把煤炭转化为天然气和甲醇等其他能源和化工产品，并且中国在这方面已经成为了全球领导者。通过建立基于物料和能量衡算的气化炉模型，并参考相关煤气化计算模型，计算了水煤浆气化技术及干煤粉气化技术生产合成气的煤粉和氧气消耗，研究了不同煤气化技术对其物耗及能耗的影响。结果表明，采用相同煤种生产合成气时，水煤浆气化技术生成的有效合成气（CO+H，）比干煤粉气化技术生产的有效合成气低约16.13％，比煤耗高约73.93kg／KNm3，氧耗高约101.29Nm3／KNm3，冷煤气效率降低约9.16％。煤气化技术在煤质可接受条件下的生产效率较高。

通过对CH4重整煤气化过程的模拟与分析，并指出中国有充足的煤炭供应。为了确保清洁煤的使用，提出了一个简化工艺流程（煤气化－CH4重整），并用AspenPlus对该过程进行了仿真模拟，从热力学角度分析了这一模拟过程。模拟分析结果表明，气化炉的最佳气化温度为1400°Ｃ，最佳气化压力为3.5MPa，最佳氧煤比为0.65，最佳的水与天然气的比例为0.5。在以上最佳工况条件下，有效天然气产量增加2％，二氧化碳排放量减少16.9％。

在研究中国直接还原铁技术未来发展中提到，随着中国钢铁产业的快速发展，资源、环境等问题开始突显。直接还原铁技术作为非高炉炼铁技术中较为成熟的一种，具有发展流程短、操作简单、还原率高、污染低以及成本低等特点。因此，直接还原炼铁技术被再次提上日程。研究表明：与发达国家相比，我国直接还原铁生产效率较低，但是由于国内市场大使得直接还原铁需求与发展有着非常广泛的发展前景。结合煤制气的研究表明，煤制气－竖炉直接还原技术适合我国直接还原铁的生产。

通过研究煤制气－竖炉生产直接还原铁工艺，对煤制气－直接还原铁两段串联流程进行了估算。针对COREX中竖炉存在的能耗高、炉料粘结和竖炉炉顶煤气输出管道堵塞等问题，提出了煤制气余热炼铁与气基直接还原铁结合的设计方案，从研究结果可以看出，该工艺第一段用煤制气工艺产生的还原煤气还原含碳球团（含碳球团中以焦炭或煤粉为还原剂，并与铁矿粉和粘结剂混合制成），预还原后直接还原铁在电炉中与废钢混合使用，最后熔化、脱硫生产出水渣。流程中第二段用第一段预还原后生产的炉顶煤气经过回收利用为第二段直接还原铁提供还原气，第二段中采用氧化球团为原料，产生的直接还原铁同样送入电炉中使用。研究结果表明，该串联流程的平均消耗量为394.8kg／t，比高炉低41.2kg／t，并且生产过程中产生的污染物少，与高炉相比更为环保洁净，此生产工艺与天然气直接还原铁工艺较为接近。周渝生等在我国资源结构特点的基础上，研究了煤制气生产直接还原铁的联合工艺方案，并对几种主要煤气化技术和直接还原工艺进行联合分析比较，提出了180万t／a壳牌煤气化与HYL／Energiron直接还原铁竖炉联合工艺流程。分析结果表明：此工艺能耗为416.12kgce／t，与现有的大型先进高炉流程相比，单位产品能耗以及污染物的排放均较低。此工艺的提出解决了气基竖炉发展面临的天然气短缺的现状，为一些缺乏焦煤和天然气的地区提供了解决方案。

在钢铁工业面临焦煤资源短缺和节能减排的压力下，将煤气化技术与竖炉直接还原技术结合起来，开发了CTR煤气化竖炉直接还原工艺。计算了煤气化竖炉／电炉流程CO2的直接排放量并与传统髙炉／转炉流程进行了比较，由计算数据可以看出，煤气化竖炉／电炉流程的CO2排放量不管是直接排放量还是折算排放量（折算排放量是将碳元素和水电等动力消耗折算为标煤后的排放量）均比高炉／转炉流程低，而且由于在煤气化竖炉／电炉流程内用于加热的碳素较高炉／转炉流程（主要体现在烧结和热风炉工艺环节）的减少，因此，其CO2的直接排放量减少了近35％。该工艺煤种适应性好，产品金属化率高，能耗相对较低，污染物排放量较少，是一种比较适合我国国情的直接还原炼铁工艺。

结语

结语现阶段我国的煤制气技术对于外国工艺的依赖性较高，自 主研发的煤制气技术有一定优势但仍存在一定局限性，未来我 国仍需要进一步加强关于煤制气技术的研究探索，为煤制气行 业以及相关产业发展奠定基础。

参考文献

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