窑街煤电集团商品煤气化适应性与经济性分析研究

发展以煤为原材料的化学加工对保障我国能源安全十分重要[1]。我国是世界上最大的合成氨生产国，约占世界合成氨产量的1/3，由于特殊的能源结构，超过97%的氨通过煤气化生产[2]，80%的氨被用于合成尿素[3]。

煤气化制尿素的工艺流程分为块煤固定床间歇气化、碎煤固定床加压气化、水煤浆加压气化以及粉煤加压气化工艺等，以上工艺对煤的粒度、强度、热稳定性、灰熔点、灰分等煤质指标均有一定要求。

通过对比分析窑街煤电集团4个煤矿商品煤煤质特性指标，对商品煤煤气化制尿素的适应性和经济性进行了分析，以期为窑街煤电集团商品煤产品结构优化提供技术支撑。

1 煤气化制尿素对煤炭质量的要求

煤气化制尿素工艺性能指标具体包括：煤的粒度、粘结性、灰熔点、化学反应活性、热稳定性、机械强度、灰分、水分、硫分、挥发分、发热量等，具体要求如下所述。

1.1 灰分

粉煤加压气化技术水冷壁工艺采用以渣抗渣原理[4]，为保证气化炉水冷壁更好的挂渣，一般控制灰分在8%～25%，灰分过低不利于水冷壁挂渣。资料研究表明，在同样气化条件下，灰分过高时，灰分每增加1%，氧气消耗增加0.7%～0.8%，原料煤消耗增加1.3%～1.5%，并且经济性变差[4]。根据气化炉运行经验，如果要维持气化炉高负荷、高性能、经济稳定地运行，通常选择煤的灰分在12%～30%之间[5]。

1.2 水分

气化过程中，煤粉要保证良好的流动性。而原料煤水分过高会造成储煤筒仓内的原料煤不易流动，而且煤的水分含量高不利于气化反应，因为原料煤水分太高时，大量水分的蒸发会降低煤气温度，从而降低煤气质量。因此，原料煤的外在水含量越低越好，内在水分最好控制在8%以内。

1.3 硫分

硫是煤中的有害成分，硫参加气化反应所生成的SO2和H2S会严重腐蚀设备与管道，并且会造成大气污染，加重硫回收工艺装置和脱硫系统的负荷，因此要求原料煤全硫含量应小于1%。

1.4 发热量

煤的发热量直接关系到煤的气化性能和经济指标，根据粉煤加压气化技术运行经验，应尽可能选用高热值煤气化，原料煤收到基低位发热量(Qnet，ar)应在23 MJ/kg以上。

2 窑街煤电集团4个生产煤矿商品煤煤质特性

2.1 海石湾煤矿商品煤煤质特性

由表1可知，海石湾煤矿商品煤全水分(Mt)介于1.7%～4.5%之间，为特低全水分煤；原煤灰分(Aar)为10.90%，可选性较好，选煤后，精煤灰分降至5.32%，为低灰煤，混煤为中灰煤，精煤为特低灰煤；原煤硫分(St，d)含量为0.11%，混煤和精煤硫含量都在0.1%左右，3种煤样均为特低硫煤；发热量(Qnet，ar)介于24～32 MJ/kg之间，精煤为特高发热量煤，原煤为高发热量煤，混煤为中高发热量煤；灰熔融性流动温度(FT)在1 210℃～1 370℃之间，原煤和精煤FT较低，混煤FT中等。根据以上分析，海石湾煤矿精煤灰分过低不利于水冷壁挂渣，其余各项煤质指标符合煤气化制尿素要求。

2.2 金河煤矿商品煤煤质特性

由表2可知，金河煤矿商品煤全水分(Mt)介于4.5%～6.7%之间，煤层煤和块煤为特低全水分煤，末煤为低全水分煤，均满足Minh(内在水分)的要求；煤层煤灰分(Aar)为34.43%，属中高灰煤，可选性较好，在人工排矸和选煤后，块煤样品的灰分可降低至4.74%，为特低灰煤，末煤灰分降至18.09%，为低灰煤；煤层煤、块煤和末煤硫0.23 %左右，均为特低硫煤；煤层煤、块煤和末煤的发热量(Qgr，d)分别为20.11 MJ/kg、30.16 MJ/kg和26.17 MJ/kg，煤层煤为中低发热量煤，块煤为高发热量煤，末煤为中高发热量煤；末煤FT较高，块煤FT较低。由此可知，金河煤矿块煤灰分过低不利于水冷壁挂渣，煤层煤灰分较高，气化不具有经济效益，末煤FT相对较高，不利于液态排渣。其余各项煤质指标符合煤气化制尿素要求。

2.3 三矿商品煤煤质特性

由表3可知，三矿商品煤全水分介于5.1%～8.6%之间，块煤和末煤为特低全水分煤；5521-23工作面原煤灰分为18.99%，5721-8工作面原煤灰分11.44%，5521-23工作面原煤属于中灰煤，5721-8工作面原煤属于低灰煤，原煤可选性较好，选后块煤灰分可降低至9.00%，为特低灰煤，末煤灰分14.97%，为低灰煤；5521-23工作面、5721-8工作面原煤的硫分含量分别为0.36%、0.34%，块煤和末煤硫分含量分别为0.16%、0.23%，4种煤样均为特低硫煤；5521-23工作面、5721-8工作面原煤的发热量(Qnet，ar)分别为24.32 MJ/kg、22.27 MJ/kg，块煤和末煤发热量(Qnet，ar)分别为25.56 MJ/kg、24.62 MJ/kg，为高发热量煤；5521-23工作面原煤、5721-8工作面原煤和末煤FT分别为1 330℃、1 290℃、1 320℃，块煤FT偏高，为1 410℃，5721-8工作面原煤FT较低，5521-23工作面原煤和商品末煤FT中等，块煤FT较高。除5721-8工作面原煤Qnet，ar略低以及该工作面煤样水分含量较高不利于气化反应外，其余煤样各项煤质指标均符合煤气化制尿素要求。

2.4 天祝煤业公司商品煤煤质特性

由表4可知，天祝煤业公司1104上层煤全水分为7.00%，为低全水分煤，2105中层煤全水分为3.8%，为特低全水分煤；1104上层煤灰分21.76%，为中灰煤，2105中层煤灰分7.98%，为特低灰煤，精煤灰分4.41%，为特低灰煤；1104上层煤硫分1.05%，2105中层煤硫分0.64%，选后精煤全硫1.01%，1104上层煤为中硫煤，2105中层煤为低硫煤，精煤为中硫煤；1104上层煤发热量21.75 MJ/kg，2105中层煤发热量28.09 MJ/kg，精煤发热量27.29 MJ/kg，1104上层煤为中高发热量煤，2105中层煤和精煤为高发热量煤；1104上层煤和2105中层煤煤灰熔融性FT在1 400℃以上，为较高流动温度灰。根据以上数据分析，天祝煤业公司2105中层煤、精煤，灰分过低不利于水冷壁挂渣；精煤水分含量较高，不利于气化反应，而且1104上层煤和2105中层煤的煤灰熔融性FT过高；1104上层煤煤样Qnet，ar较低，因此天祝煤整体都不太适合煤气化制尿素的要求。

2.5 窑街煤电集团商品煤气化适应性

根据以上4对矿井商品煤煤质特性分析，窑街煤电集团生产的商品煤灰分在4.41～34.43%之间，海石湾煤矿精煤、金河煤矿块煤、天祝煤业公司2105中层煤及其精煤，灰分低于8%，灰分过低不利于水冷壁挂渣。金河煤矿煤层煤灰分34.43%为高灰煤，不具有经济效益。三矿5721-8工作面、天祝煤业公司精煤水分含量较高，易导致贮煤筒仓内煤堵塞，且不利于气化反应。因此，海石湾煤矿混煤、原煤，金河煤矿末煤，三矿5521-23工作面煤样、块煤、末煤，从技术指标等方面可满足气化煤的要求，具有良好的适应性。

3 煤气化制尿素经济性分析

3.1 成本测算

正常情况下，1.1～1.5 t左右的煤炭可生产1.0 t尿素，但煤炭具体消耗量受到煤炭质量、用煤配比、设备效率等影响，根据靖远煤电刘化集团2019年煤炭清洁高效利用项目研究报告显示，1.46 t煤生产1.00 t液氨，在原煤坑口价700.00元/t基础上，增加催化剂及化学品费用、燃料动力费用、人工成本费用、制造费用后，再将2.5 MPa饱和蒸汽、硫磺回收利用后，液氨生产成本约2 108.59元/t。0.57 t液氨生产1.00 t尿素，需另外增加燃料动力费、人工成本和制造费用，尿素生产成本约1 583.04元/t，尿素销售价1 750.00元/t，测算利润166.96元/t 。

3.2 成本估算

参照靖远煤电刘化集团煤气化制尿素原料煤为王家山精煤进行核算，1.0 t煤炭生产1.0 t尿素。2022年尿素市场销售价格平均2 400.0元/t，王家山原料煤出矿价800.0元/t，百公里运输费用40.0元/t(天祝煤业至白银市230 km，运输费用92.0元/t，窑街煤电集团所属其他煤矿至白银市170 km，运输费用68.4元/t)，估算生产1.0 t尿素成本合计2 051.4元/t左右，利润约348.6元/t。

4 窑街煤电商品煤煤气化制尿素经济性分析

结合以上4对生产煤矿商品煤煤质特性及煤炭销售价格，金河煤矿的选后精煤1 530.00元/t、天祝煤业的选后精煤1 350.00元/t、海石湾煤矿的混煤1 260.00元/t，加上催化剂15.00元/t，人工成本61.53元/t，制造费467.90元/t，燃料动力费690.62元/t，气化生产尿素成本超过尿素销售价格2 400.00元/t，不具有经济效益。三矿的混煤850.00元/t、金河煤矿的混煤950.00元/t、天祝煤业的混煤1 050.00元/t，气化生产尿素利润在114.95～314.95元/t之间。

5 结语

根据以上煤质分析和经济性分析，除天祝煤不太符合要求外，海石湾混煤、原煤，金矿末煤，三矿5521-23工作面煤、块煤和末煤都可作为刘化集团公司煤气化制化肥用煤。但是金河煤矿和海石湾煤矿的混煤因价格较高，不具有经济优势。三矿、金河煤矿的混煤经济效益也不显著，但可做为刘化集团生产尿素备用原料煤的来源。

[1] 马迎文.低碳高效的煤和焦炉气联供制尿素新工艺开发与系统评价[D]. 兰州:兰州理工大学, 2022.

[2] DONG X, ZHOU Y P. Concept design and techno-economic performance of hydrogen and ammonia co-generation by coke-oven gas-pressure swing adsorption integrated with chemical looping hydrogen process[J].Applied Energy,2018,229(11):1024-1034.

[3] Chen C, Zhu X R, Wen X J, et al. Coupling N2 and CO2 in H2O to synthesize urea under ambient conditions[J].Nature Chemistry,2020,12(8):717-724.

[4] 李相军,魏学新,朱巧霞.粉煤加压气化工艺对煤质的要求[J].燃料化工,2008,6(10):45-47.

[5] 李磊,路文学,傅进军.气化对煤质的要求[J].燃料化工,2011,42(2):4-6.