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煤气化方案比选分析报告

目　录

1、概述

1.1比选依据

1.2比选基准

1.3比选范围

2、设计基础

2.1原料煤、燃料煤煤质分析数据

2.2煤种煤质特点

3、煤质适用性分析与比较

4、四种煤气化工艺分析与比较

4.1GSP气化工艺

4.2MK+气化工艺（MK4气化工艺）

4.3碎煤气化工艺

4.4GSP气化技术特点

4.5三种固定床气化技术的特点

4.6四种气化工艺主要参数比较

5、四种气化工艺方案全流程分析与比较

5.1GSP气化方案

5.2MK+气化（MK4气化）方案

5.3碎煤气化方案

5.4四种气化方案全流程主要参数比较

6、四种气化工艺投资及技术经济分析与比较

6.1四种气化工艺投资比较

6.2四种气化工艺技术经济比较

7、四种气化工艺环保符合特性分析与比较

7.1四种气化工艺的污水差异

7.2四种气化工艺污水处理方案

7.3四种气化炉污水处理及回用处理规模及投资（含蒸发结晶）

7.4四种气化工艺的气体排放

8、四种气化工艺成熟度可靠性分析与比较

8.1GSP气化工艺成熟可靠性

8.2MK4气化技术成熟可靠性

8.3碎煤气化技术成熟可靠性

8.4MK＋气化技术成熟可靠性

9、四种气化工艺国产化程度分析与比较

9.1GSP气化工艺国产化程度

9.2MK4气化工艺国产化程度

9.3碎煤气化工艺国产化程度

9.4MK＋气化工艺国产化程度

10、四种气化工艺大件设备制造和运输分析与比较

11、四种气化工艺的风险分析与比较

11.1GSP气化工艺的风险分析

11.2MK4气化工艺的风险分析

11.3碎煤气化工艺的风险分析

11.4MK＋气化工艺的风险分析

12、能效指标比较

13、综合比较

14、附件

1、概述

中国电力投资集团公司（以下简称中电投）拟在新疆伊犁建设煤制天然气项目。

利用当地丰富的煤炭资源生产的天然气通过西气东输三线输送到目标市场。

厂址位于伊犁霍城县汤姆布拉克，在霍城县东北6.1km、伊宁市西北36km处的黄土平原区。

中电投霍城60亿立方米/年煤制天然气项目可行性研究报告于2012年4月经过石油和化学工业规划院组织项目审查；2012年5月申报国家发改委路条；2013年3月获得国家能源局路条批准开展前期工作的涵。

煤气化是煤制天然气的核心技术，为了确保该技术的先进性和可靠性，受中电投委托，中国化学工程股份有限公司牵头组织专家，对项目40亿立方米/年煤制气规模的煤气化技术进行进一步的比选分析论证。

比选的煤气化技术范畴主要针对GSP粉煤加压气化（简称GSP气化）、鲁奇Mk+加压气化（简称MK+气化）、鲁奇MK4加压气化（简称MK4气化）和国内碎煤加压气化（简称碎煤气化）四种煤气化工艺技术。

比选内容包括全厂生产运营成本、环保符合特性、投资和经济效益情况、技术成熟可靠性、国产化程度等内容。

其中项目全生命周期的持续盈利能力即生产运营成本以及项目环保的约束力是中电投关注的重点。

另外GSP气化规模减半方案，即20亿立方米/年煤制天然气粉煤加压气化方案（简称GSP气化20亿）；GSP气化、MK+气化、MK4气化和碎煤气化四种气化技术中的超临界发电机组按一机进行了投资、技术经济效益核算，分别简称GSP气化一机、MK+气化一机、MK4气化一机和碎煤气化一机进行分析比较，这五种方案的比较放在附录中，供参考。

1.1比选依据

⑴《中电投霍城煤制气项目气化工艺技术路线比选工作安排》；

⑵中电投集团对新疆霍城煤制天然气项目气化技术方案比选的要求；

⑶中电投新疆能源有限公司提供的有关项目基础资料；

⑷中电投新疆能源有限公司提供的有关项目边界条件；

⑸中国化学工程股份有限公司与中电投集团签订的新疆霍城煤制天然气项

目气化技术方案比选的会议纪要；

⑹东华工程科技股份有限公司编制的《中电投霍城60亿立方米/年煤制天然气项目》技术方案；

⑺赛鼎工程有限公司编制的《中电投霍城40亿立方米/年煤制天然气项目》技术方案；

⑻西门子公司提供本项目GSP气化装置有关设计资料；

⑼鲁奇公司提供本项目MK+气化装置有关设计资料；

⑽国产碎煤加压气化技术参考国内同类项目有关数据；

⑾国家发改委对本项目允许开展前期工作的批文。

1.2比选基准

⑴比选气化成品：

40亿Nm3/a煤制天然气（含副产品）;

⑵年操作时间：

年操作时间8000h，50万Nm3/h；

⑶煤制天然气产品配2台350MW超临界发电机组外送电力产品；

⑷厂外工程配置及投资估算费用基本一致原则；

⑸服务性工程配置及投资估算费用基本一致原则；

⑹全厂工艺流程采用与煤气化工艺相适应的后续配套工艺技术基本一致原则；

⑺全厂公用工程采用与全厂工艺相适应的公用工程配套设施基本一致原则；

⑻四种气化（气化工艺除外）项目尽量考虑国产化基本一致原则；

⑼项目概算考虑范围、环保排放标准等参照项目可行性研究报告；

⑽为了体现客观公正原则，本专题将不同方案在统一基准下进行投资估算，得出不同方案的投资。

本专题投资估算的结果仅用于不同方案之间的相对比较，不作为项目建设投资估算的依据。

1.3比选范围

⑴比选四种气化工艺配四种方案为：

GSP气化、MK+气化、MK4气化和碎煤气化.

⑵附录中比选四种气化工艺，配五种方案为：

采用1×350MW超临界发电机组；GSP气化一机、MK+气化一机、MK4气化一机和碎煤气化一机；GSP气化40亿Nm3/a和GSP气化20亿Nm3/a。

⑶四种气化工艺方案特性比较；气化工艺全流程环保特性比较；气化工艺能耗特性比较；气化工艺气流程投资比较；气化工艺技术经济比较；气化工艺综合参数比较等内容。

⑷投资估算范围包括：

气化装置、净化装置、甲烷化装置、空分装置等主要生产装置以及公用工程、辅助生产设施和厂前区。

厂外工程部分主要是考虑厂外渣场、废水暂存池、厂外供水管线、厂外输煤栈桥、厂外输气支线、危废暂存场、厂外供电及电信和厂外道路。

按一致性原则，40亿立方米/年煤制天然气方案中的服务性工程：

包括厂前区办公楼、倒班宿舍、食堂、职工培训楼、换热站及水泵房、配电室及停车场等；厂外工程：

输气支线、厂外道路、供水管线、厂外供电及电信。

20亿规模气化方案中的服务性工程按0.93亿元计取，厂外工程按5.75亿元计取，其包括内容基本一样。

2、设计基础

2.1原料煤、燃料煤煤质分析数据

本项目采用伊宁矿区北区西部霍城煤，根据煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院对代表性煤样的煤质分析数据见下表。

表1原料煤、燃料煤煤质分析数据

基础煤质数据

指标

工业分析，%

Mad

Vdaf

FCd

数值

20.0

12.0

36.0

40.0

52.0

变化范围

20.0±6.0

12.0±6.0

36.0±3.0

40.0±3.0

52.0±4.0

指标

元素分析，%

全硫，%

Cdaf

Hdaf

Ndaf

Odaf

Sdaf

St,d

数值

77.0

4.5

1.35

16.5

0.65

0.6

变化范围

77.0±1.0

4.5±0.5

1.35±0.1

16.5±2.0

0.65±0.2

0.6±0.3

指标

煤中微量及有害元素

Asd，g/g

Fd，g/g

Cld，%

Pd，%

Hgd，ng/g

数值

100

0.060

0.040

变化范围

3±2

100±50

0.060±0.030

0.040±0.010

30±20

工艺性质数据

指标

煤灰成分，%

SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

P2O5

数值

43.0

15.0

11.0

1.0

11.0

4.0

0.7

3.0

5.0

1.0

变化范围

43.0±12.0

15.0±8.0

11.0±6.0

1.0±0.3

11.0±8.0

4.0±4.0

0.7±0.2

3.0±2.0

5.0±3.0

1.0±0.5

指标

煤灰熔融性温度，℃

变形温度，DT

软化温度，ST

半球温度，HT

流动温度，FT

数值

1200

1240

1260

1280

变化范围

1200±80

1240±80

1260±80

1280±80

指标

煤灰粘度，Pa.s

1200℃

1250℃

1300℃

1350℃

1400℃

1500℃

数值

180

140

100

变化范围

180±150

140±120

100±100

60±60

40±40

5±5

指标

煤对二氧化碳反应性，α，%

800℃

850℃

900℃

950℃

1000℃

1050℃

1100℃

数值

25.0

45.0

70.0

80.0

90.0

95.0

98.0

变化范围

25.0±10.0

45.0±10.0

70.0±10.0

80.0±10.0

90.0±10.0

95.0±5.0

98.0±2.0

指标

格金，%

热稳定性，%

Waterad

Tar,ad

CRad

焦型

TS+6

TS3-6

TS-3

数值

15.0

7.0

68.0

B~C

55.0

35.0

10.0

变化范围

15.0±2.0

7.0±2.0

68.0±2.0

55.0±10.0

35.0±8.0

10.0±2.0

指标

结渣性，%

发热量，MJ/kg

可磨指数

落下强度，%

0.1m/s

0.2m/s

0.3m/s

Qgr,d

Qnet,ar

HGI

数值

20.0

30.0

60.0

27.5

19.0

85.0

变化范围

20.0±12.0

30.0±12.0

60.0±12.0

27.5±4.0

19.0±5.0

65±20

85.0±10.0

2.2煤种煤质特点

本项目采用的伊宁矿区北区西部霍城煤，根据煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院对代表性煤质数据分析表明，该煤以低变质长焰煤为主，收到基水含量（Mt20.0±6.0）较高，内水分含量（Mad12.0±6.0%）、挥发份（Vdaf40.0±3.0%）较高，灰分（Ad12.0±6.0%）、硫分（St,d0.6±0.3）以及发热量（Qnet,ar19.0±5.0MJ/kg）较低，灰熔点（DT1200±80℃，ST1240±80℃，HT1260±80℃，1280±80℃）较低，可磨性中等（HGI65±20），热稳定性低（TS+655.0±10.0%）。

3、煤质适用性分析与比较

不同的气化工艺技术对原料煤煤质有着不同的要求，煤质的适用性决定着气化工艺路线选择的合理性。

本次煤种煤质适用性分析主要针对GSP气化、MK+气化、MK4气化和碎煤气化四种气化技术。

由霍城煤质分析数据表明该煤以低变质长焰煤为主，主要有以下特点：

低位发热量偏低（19.0±5.0MJ/kg），所选气化工艺的煤耗会稍偏高；收到基含水量（20.0±6.0wt%）、内水分含量较高（12.0±6.0wt%），消耗氧量会偏高；硫含量较低（0.6±0.3%），硫回收及脱硫脱碳装置负荷小，能耗低；灰熔点较低（DT1200±80、ST1240±80、HT1260±80、FT1280±80），气化氧耗低。

灰渣的粘温特性较好，1400℃时煤灰粘度为40Pa.s，适合粉煤气化挂渣操作。

表2GSP气化技术对煤质的适应性分析

GSP气化对原料煤的要求

对应项目煤质情况

灰熔点低于1450℃

FT=1280±80，整体灰熔融性温度不高

灰分不低于2%，经济的灰分含量不高于20%

Ad=12.0±6.0，整体为特低灰~低灰

煤的可磨性越高越经济

HGI=65，中等可磨

需对煤进行干燥，根据煤质不同控制入炉煤水分为2%~12%

Mt=20.0±6.0，磨煤同时进行干燥即可

表3三种固定床气化技术（MK+气化、MK4气化和碎煤气化）对煤质的适应性分析

固定床气化对原料煤的要求

对应项目煤质情况

5~50mm粒度

块煤率30%~60%，需对部分粉煤进行成型。

氧化氛下ST大于1200℃

DT：

1200℃，ST：

1240℃，熔融性温度间差较小，操作要求很高

要求非强粘结性

暂无分析，初步判断粘结性不强

良好的热稳定性和机械稳定性

平均热稳定性TS+6=55%基本满足要求，但占全区煤量81.9%的主采煤层煤热稳定性较差；抗碎强度SS=85.0%满足要求

水和灰的总和低于55%

Mt=20.0±6.0，Ad=12.0±6.0，水和灰的总和满足

霍城煤制天然气项目煤炭资源开采情况见下表：

表4中电投新疆霍城煤炭资源开采统计

矿井

建设规模

单位

肖尔布拉克西矿井

600

万吨/年

界梁子南矿井

240

万吨/年

界梁子北矿井

240

万吨/年

南台子矿井

800

万吨/年

肖尔布拉克矿井

600

万吨/年

合计

2480

万吨/年

矿井生产的煤炭按50%块煤和50%粉煤计算，则四种技术方案对煤炭资源的利用情况如下：

表5四种技术方案的煤炭资源利用分析

序号

项目

单位

GSP气化

MK+气化

碎煤气化

MK4气化

原料煤消耗

万t/a

1181

1063.5

1145.2

燃料煤消耗

万t/a

286.3

481.8

580

总煤耗

万t/a

1467.3

1545.3

1725.2

剩余块煤

1012.7

176.5

94.8

剩余粉煤

758.2

660.0

对GSP气化基本不受该煤种特性的影响，且原料煤的灰分较低、灰熔点较低、可磨性较好，对煤质的适应性较好。

对常压固定床气化，热稳定性是有要求的，指标＞60％（TS+6为55.0±10.0%），此种热稳定性对固定床加压气化要摸索操作条件，积累经验；对煤灰熔融性软化温度也是有要求的。

国外鲁奇炉要求煤灰熔融性软化温度ST＞1200℃，而国内碎煤气化要求ST＞1150℃，该煤种的煤灰熔融性温度间差较小，整体较低（1240＋80℃），但基本能满足鲁奇炉要求。

考虑到煤灰熔点较低，在运行中要适当调整汽氧比，在满足干法排渣的需求前提下，选择合适的气化炉温非常重要；伊宁矿区北区西部霍城煤矿开采的煤矿，目前不能保证原料煤块煤和粉煤的比例正好符合固定床对块煤和锅炉对粉煤的需求匹配，存在不确定性。

4、四种煤气化工艺分析与比较

4.1GSP气化工艺

GSP气化工艺于1975年由前民主德国GDR燃料研究所开发，1984年在德国黑水泵市Laubag建成第一套200MW的商业装置，用于生产甲醇和联合循环发电，投煤量720吨/日，属气流床加压气化技术。

该技术已被德国西门子收购，成为西门子德国燃料气化技术有限公司。

该技术采用干煤粉进料，合成气全激冷流程。

设有原料煤粉制备、粉煤密相输送系统、气化反应系统、排渣系统、粗合成气处理系统和黑水处理系统等工序。

目前国内已建成的气化炉投煤量为2000t/d，在神华宁煤煤制烯烃项目中应用。

GSP气化对原料煤适应性较宽，石油焦、气煤、烟煤、无烟煤、焦炭、软硬褐煤以及市政垃圾等均能用作气化原料。

气化温度可达1400℃，采用全激冷流程。

有效气体CO+H2达90%左右，甲烷含量较低，气化炉结构采用水冷壁，无耐火砖衬里，维修简单等。

GSP气化炉主要特点：

组合式气化喷嘴、气化炉上部为反应室、下部为激冷室，合成气下行；激冷室若干激冷水喷头，喷水激冷降温、合成气骤冷至220℃后被引出；水冷壁为水进水出，加热水在废锅内与锅炉给水换热副产低压蒸汽。

4.2MK+气化工艺（MK4气化工艺）

鲁奇公司推出的第四代FBDB气化炉MK+。

MK+气化以增加气化炉生产能力（为MK4的两倍）；提高设计压力到6.0MPa.G，以保证气化过程更好的经济性，同时控制与此开发相关的风险为目标。

在更高压力下，MK+主要改进项目：

煤锁、气化炉、灰锁系统、洗涤冷却器、废热锅炉、下游冷却系统等。

最显著的改进为；采用双煤锁、使用气化炉缓冲容积，实现煤锁全面控制；增加床层高度，改进气化炉内件（包括炉箅、波斯曼套筒、粗合成气出口、内夹套），以及鲁奇专有的煤分布器和搅拌器。

鲁奇气化炉MK+和MK4区别见下表。

表6　鲁奇气化炉MK+和M4主要参数比较

序号

项目

MK4

MK+

设计压力/MPa.G

4.0

6.0

外径/m

4.13

5.05

总高/m

12.5

17.0

最大气体负荷/Nm3/h干气

60000

120000

合成气中甲烷（每吨干燥无灰基煤），%

100

120

氧耗（每吨干燥无灰基煤），%

100

蒸汽消耗（每吨干燥无灰基煤），%

100

煤气水量（每吨干燥无灰基煤），%

100

焦油

较高

较低

轻油

较低

较高

石脑油

较低

较高

SNG理论当量CH4+（H2+CO）/4

较低

较高

4.3碎煤气化工艺

中国从上世纪50年代开始研究碎煤加压气化工艺。

60年代初，在东北煤气化研究所建了一套工业试验装置，对沈北褐煤等煤种进行了气化试验，取得了一套完整数据。

80年代初，中国煤炭科学研究院又建了一套试验装置，对哈尔滨长焰煤、龙口褐煤及蔚县烟煤等煤种的试烧。

基于国内对碎煤加压气化工艺的研究成果，并结合引进鲁奇炉的经验，设计了国产碎煤加压气化炉。

据不完全统计，国内设计完成的国产碎煤加压气化炉（相当于M4衍生型）气化炉已超过150台，这些气化炉主要用于煤制天然气、煤制合成油等项目。

国内碎煤加压气化工艺采用的是国内开发的酚回收、氨回收和水处理技术。

从目前投产的项目来看，在建项目的废水处理效果还有待进一步验证。

碎煤气化炉主要特点：

需使用弱黏结性煤，特别是褐煤等劣质煤、需较高的灰熔点、块煤粒度为5－50mm，固态排渣、煤与气化剂逆向流动、甲烷含量为8－12％、￠3800炉子、单炉最大投煤量为950t/d，副产一定量的焦油、酚、氨初级副产品。

4.4GSP气化技术特点

GSP气化主要优点如下：

⑴煤种适应性强：

该技术采用干煤粉作气化原料，不受成浆性的影响；由于气化温度高，可以气化高灰熔点的煤，故对煤种的适应性更为广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤到石油焦均可使用，也可以两种煤掺混使用。

即使是高水份、高灰份、高硫含量和高灰熔点的煤种基本都能进行气化；

⑵环境友好：

气化温度高，有机物分解彻底，无有害气体排放；污水排放量少，污水中有害物质含量低，易于处理，可以达到污水零排放；

⑶技术指标优越：

气化温度高，一般在1350～1750℃。

碳转化率可达99％，不含重烃，合成气中CO+H2高达90％以上，冷煤气效率高达80％以上（依煤种及操作条件的不同有所差异）；

⑷工艺流程短、操作方便：

采用粉煤激冷流程，流程简洁；设备连续运行周期长，维护量小；开、停车时间短，操作方便；自动化水平高，整个系统操作简单，安全可靠；

⑸装置大型化：

气化炉大型化，设备台数少，维护、运行费用低。

GSP气化主要缺点：

⑴投资较高：

相对于水煤浆气化、固定床碎煤加压气化，气化装置投资较高；

⑵合成气甲烷含量低：

气化产生的合成气中只含微量甲烷，用于合成天然气，和固定床碎煤加压气化相比，空分装置规模较大，下游工艺装置也较大。

4.5三种固定床气化技术的特点

三种固定床气化技术主要优点如下：

⑴原料适应范围广，不粘结或弱粘结性、灰熔点较高的褐煤或活性好的次烟煤、贫煤等多煤种可作为其气化原料；可气化水分、灰分较高的劣质煤；

⑵气化年轻的煤时，有焦油、轻质油及粗酚等多种副产品物；

氧耗低，空分装置较小；

⑶粗合成气中甲烷及有机物含量较高，生产SNG产品时，配套的主装置的投资较少；

⑷气化压力在3.2MPa以下的工业化运行装置较多。

三种固定床气化技术主要缺点如下：

⑴要求采用块煤作为原料，且要求煤的热稳定性和机械强度较好；

⑵蒸汽消耗量大，尤其是采用灰熔点较低的煤作为原料，需大量蒸汽来控制炉温避免炉渣熔化。

较低蒸汽分解率造成了大量的废水；

⑶较多副产物的分离、收集以及处置等，增加了工艺流程的复杂性和环保的风险；

⑷环保压力大，气化废水中酚、氨等物质含量较高，水质波动较大，一旦处理不当生化系统被破坏，需半年左右的时间污水处理系统才能恢复生产；

⑸操作管理要求严格，气化操作主要依赖操作人员的经验判断，对操作工的技术水平要求较高；

⑹气化炉结构复杂，炉体内部的分布器和炉箅等转动部件以及锁渣阀等所处环境较为恶劣，运行维护量大。

表7三种固定床主要技术特点比较

项目

M4气化

碎煤气化

MK+气化

操作压力（MPa.G）

4.0

5.1

合成气中甲烷含量

略低

略高

氧耗

略高

略低

蒸汽消耗

略高

略低

废水量

略高

略低

焦油产量

略高

略低

中油产量

略低

略高

石脑油产量

略低

略高

技术成熟度

相同规格炉型在建装置较多，长周期运行经验较少

无商业化运行业绩

国产化程度

略低

高

略低

投资

高

低

中

4.6四种气化工艺主要参数比较

表8四种煤气化工艺主要参数比较

名称

项目或单位

GSP气化

MK4气化

碎煤气化

MK+气化

气化类型

气流床

固定床

排渣特征

液态排渣

干灰

原料要求

气化煤种

褐煤→无烟煤全部煤种

除强黏结性焦煤外全部煤种

灰熔点要求

＜1500℃

≥1200℃

灰分含量

1%～25%

6%～40%

进料方式

干粉煤

块煤

粒径、含水量

粒径94%＜250μm，

含水2%~8%

5~50mm，块煤，

水加灰＜55%

5~50mm，块煤，

水加灰＜55%

5~50mm，块煤，

水加灰＜55%

机械强度

良好

热稳定性

破碎指数不低于55%

气化温度

℃

1350~1750

950～1300

气化操作压力

MPa（G）

4.2

4.0

5.1

气化剂

90～99%氧气

氧气+蒸汽

碳转化率

＞99

单炉尺寸

Φ内3350

Φ外4130

Φ外5050

单炉投煤量

t/d

2000

600~900

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