以煤為原料新建合成氨裝置的工藝組合

徐建平

（云南云天化國際化工紅磷分公司，云南開遠(yuǎn) 661600）

1 煤氣化

1.1 合成氨的原料

在國內(nèi)，能用來做合成氨的原料有重油、天然氣、焦?fàn)t氣、焦炭、無煙煤、煙煤、褐煤。

（1）重油 隨著國際油價(jià)的上升，重油作為合成氨的原料在1995年以后就已經(jīng)淘汰?，F(xiàn)在國內(nèi)沒有用重油作為合成氨原料的廠家。

（2）焦炭 每噸氨消耗焦炭1.4t，隨著焦炭?jī)r(jià)格的上升，現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到1 800元／t，原料在合成氨的成本中占到了2 520元／t。用焦炭作為合成氨原料的廠家從1990年開始就不斷減少，現(xiàn)在國內(nèi)用焦炭作為合成氨原料的廠家不超過5家，再過2年，估計(jì)會(huì)為零。

（3）焦?fàn)t氣 用焦?fàn)t氣作為合成氨的原料是較好的，但因?yàn)闊捊蛊髽I(yè)自身處理焦?fàn)t氣中的成分要用蒸汽以及煉焦自身需要熱量，每生產(chǎn)1t焦炭產(chǎn)生的300～350m3焦?fàn)t氣焦化企業(yè)自身要用80%以上，剩余的部分大多企業(yè)用火炬燃燒排放，只有在焦化企業(yè)集中的地方才能收集作為合成氨原料。國內(nèi)以焦?fàn)t氣為原料生產(chǎn)的合成氨只占合成氨總產(chǎn)量的2%。

（4）天然氣 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)干凈整潔。因受天然氣供應(yīng)的限制，國內(nèi)只有為數(shù)不多的大型凱洛格流程合成氨裝置以及四川的幾套小裝置在用。

（5）煤 我國的合成氨主要以煤為原料，產(chǎn)能在42Mt／a以上（2010年全國合成氨總產(chǎn)量約50Mt）。

我國煤的儲(chǔ)量豐富，分布面廣，品種齊全。據(jù)中國第二次煤田預(yù)測(cè)資料，埋深在1 000m以內(nèi)的淺煤炭總資源量為2.6×1012t。

中國煤炭資源的種類較多，在現(xiàn)有探明儲(chǔ)量中，煙煤占75%，無煙煤占12%，褐煤占13%。其中，原料煤占27%，動(dòng)力煤占73%。動(dòng)力煤主要分布在華北和西北，分別占全國的46%和38%，煉焦煤主要集中在華北，無煙煤主要集中在山西和貴州兩省。

中國煤炭質(zhì)量，總的來看較好。已探明的儲(chǔ)量中，灰分小于10%的特低灰煤占20%以上；硫分小于1%的低硫煤占65%～70%；硫分1%～2%的占15%～20%。高硫煤主要集中在西南、中南地區(qū)。華東和華北地區(qū)上部煤層多低硫煤，下部多高硫煤。

綜上所述，以煤為原料生產(chǎn)合成氨是國內(nèi)合成氨行業(yè)主要趨勢(shì)。只有在少數(shù)情況下，才會(huì)用其他作為合成氨的原料。

1.2 煤氣化的爐型

以煤為原料生產(chǎn)合成氨是國內(nèi)合成氨行業(yè)的必然，煤氣化爐就成了以煤為原料生產(chǎn)合成氨的關(guān)鍵。

（1）煤氣化的爐型從溫度、壓力上來分，有高溫（在煤的灰熔點(diǎn)以上250℃左右）高壓（一般在4MPa左右）型、低溫（在煤的灰熔點(diǎn)以下200℃左右）低壓（接近常壓）型、低溫高壓型三種形式。

高溫高壓型 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

低溫低壓型 灰熔聚爐、恩德爐、五步法固定床間歇制氣爐

低溫高壓型 魯奇爐、BGL爐

（2）煤氣化的爐型從煤的狀態(tài)上分為固定床、流化床和氣流床三種。

固定床 五步法固定床間歇制氣爐、魯奇爐、BGL爐

流化床 灰熔聚爐、恩德爐

氣流床 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

（3）從氧氣濃度上可分為空氣間歇?dú)饣?、富氧連續(xù)氣化和純氧連續(xù)氣化三種。

空氣間隙氣化 五步法固定床間歇制氣爐富氧連續(xù)氣化 灰熔聚爐、恩德爐、魯奇爐、BGL爐

純氧連續(xù)氣化 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

還有從噴嘴數(shù)量上可分為單噴嘴和多噴嘴，從進(jìn)料形式上可分為干煤和水煤漿。但從目前看，無論如何就是上面的幾種爐型。

1.3 煤氣化爐的選擇

（1）氣化后氣體組成

作為合成氨原料氣，煙煤、無煙煤、褐煤氣化后得到的氣體成分不一致，但大致為表1～5幾種情況。

表1 殼牌爐、航天爐、GSP爐、二段爐、WHL氣體成分

表2 灰熔聚爐、恩德爐氣體組成

表3 五步法固定床間歇制氣爐氣體成分

表4 魯奇爐、BGL爐氣體成分

表5 德士古爐氣體成分

低溫低壓型 氣體中的有效氣H2＋CO居中，CO2及CH4也比低溫高壓型好。

低溫高壓型 氣體中的有效氣H2＋CO最低（不計(jì)CH4轉(zhuǎn)化后），CO2及CH4量最高。

高溫高壓型 氣體中的有效氣H2＋CO最高，CO2及CH4最低，也就是說氣體成分最好。

（2）煤種對(duì)氣化爐選擇的影響

一種氣化爐型適應(yīng)于一種或幾種煤。

殼牌爐、航天爐、GSP爐、二段爐、WHL幾乎適應(yīng)各種煤。

灰熔聚爐、恩德爐、魯奇爐、BGL爐對(duì)褐煤較好。

德士古爐只適應(yīng)于成漿性好的煤種，要求成漿率達(dá)到65%以上。

五步法固定床間歇制氣爐只適應(yīng)于焦炭、無煙塊煤或無煙粉煤成型的煤球、煤棒。

（3）煤氣化爐的選擇

根據(jù)建廠地的煤資源情況進(jìn)行氣化爐的選擇。下面分別介紹各種爐型的大致優(yōu)缺點(diǎn)。

五步法固定床間歇制氣爐 國內(nèi)合成氨生產(chǎn)中最成熟的煤氣化方式。每年此方式氣化生產(chǎn)的合成氨達(dá)40Mt左右。優(yōu)點(diǎn)是投資少見效快，工藝簡(jiǎn)單，無需空分。缺點(diǎn)是煤的利用率偏低，要用無煙煤或焦炭，現(xiàn)在國家政策是限制發(fā)展。單爐合成氨產(chǎn)能15～20kt／a（取決于爐徑大?。?。有效氣體H2＋CO約為70%。

德士古爐 優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)比較干凈，缺點(diǎn)是所用的煤成漿率要在65%以上，因此不宜用褐煤。定型爐單爐合成氨產(chǎn)能100kt／a，每臺(tái)投資約1億元人民幣。有效氣體H2＋CO約為76%。

灰熔聚爐、恩德爐 優(yōu)點(diǎn)是投資省，約5 000萬元人民幣，比較適宜的煤種為褐煤。缺點(diǎn)是體積大，年產(chǎn)100kt氨的爐子直徑約為8m，黑水較難處理。有效氣休H2＋CO約為70%。

魯奇爐、BGL爐 優(yōu)點(diǎn)是適宜褐煤。缺點(diǎn)是氣體中的CH4高達(dá)13%，必須再建甲烷部分氧化爐才能作為合成氨原料氣；氣體中焦油、酚類多，對(duì)后面凈化系統(tǒng)要求高，黑水也較難處理；氣體中H2＋CO約為60%（不含甲烷轉(zhuǎn)化后的影響）。

殼牌爐 國外技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單爐年產(chǎn)500kt氨的大型化。優(yōu)點(diǎn)是煤種適應(yīng)廣，煤利用率高。缺點(diǎn)是投資大；因?yàn)槭菃蜗盗校铣砂毕到y(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行周期短。有效氣體H2＋CO約為90%。

GSP爐 國內(nèi)應(yīng)用不多，到目前為止，建成投產(chǎn)的僅一臺(tái)。

航天爐 國內(nèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單爐年產(chǎn)200～300kt氨。優(yōu)點(diǎn)是投資比國外技術(shù)省，不用從國外進(jìn)口設(shè)備；煤種適應(yīng)廣，煤利用率高。缺點(diǎn)是超過年產(chǎn)300kt氨時(shí)，可能要建二臺(tái)爐。有效氣體H2＋CO約為90%。

二段爐 國內(nèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單爐年產(chǎn)200～300kt氨。優(yōu)點(diǎn)是投資比國外技術(shù)省，不用從國外進(jìn)口設(shè)備；煤種適應(yīng)廣，煤利用率高。缺點(diǎn)是有在建的爐子，投產(chǎn)的不多。有效氣體H2＋CO約為90%。

WHL 還在概念階段，五環(huán)公司在做工作。

綜上所述，哪一種爐型好是有條件的。在選擇爐型時(shí)要根據(jù)煤種的供應(yīng)，建廠場(chǎng)地大小，生產(chǎn)規(guī)模，投資額度和工廠綜合能耗等條件綜合考慮。能為工廠創(chuàng)造效益的爐型才是好的。

2 凈 化

變換現(xiàn)在基本上采用耐硫鈷鉬系深度變換，不再描述。

2.1 低溫甲醇、液氮洗流程

低溫甲醇、液氮洗是變換氣在4MPa左右的壓力和－50℃左右的溫度下，用甲醇脫除硫化氫、二氧化碳酸性氣體后，再用液氮脫除一氧化碳，使氣體中的一氧化碳和二氧化碳之和小于15×10－6，達(dá)到氨合成需要的條件。甲醇和液氮經(jīng)過再生后循環(huán)使用。

甲醇再生釋放出的氣體中大部分為二氧化碳，還有硫化氫。

如果是單純生產(chǎn)液氨，此再生氣可配氧氣燃燒，硫化氫轉(zhuǎn)化成二氧化硫再轉(zhuǎn)化成三氧化硫，生產(chǎn)硫酸，尾氣達(dá)標(biāo)排放。

如果企業(yè)是生產(chǎn)尿素，在氣體進(jìn)入變換系統(tǒng)前就要進(jìn)行脫硫，從而使甲醇再生氣中的硫含量減少，以利再生氣作為尿素的原料使用。變換系統(tǒng)前脫除的硫用來生產(chǎn)單質(zhì)硫出售。

液氮再生氣送火炬燃燒排放。

低溫甲醇、液氮洗流程被認(rèn)為是合成氨流程在變換后到氨合成前氣體凈化的最佳流程。但在國內(nèi)有其局限性。一是設(shè)備得進(jìn)口，造成投資較大。二是生產(chǎn)中必須儲(chǔ)備配件，否則出現(xiàn)問題等待國外進(jìn)口影響太大。

2.2 “小氮”流程

為了節(jié)省投資，減少生產(chǎn)中受國外配件的影響，可用 “小氮”流程代替低溫甲醇、液氮洗流程。具體如下。

脫碳 在4MPa時(shí)，采用變壓吸附脫碳，占地大，但操作簡(jiǎn)單容易。碳酸苯烯酯脫碳，電耗大且出系統(tǒng)的二氧化硫偏高，達(dá)0.5%左右，對(duì)后面的工序不利。NHD脫碳，耗一定蒸汽。還有苯菲爾法等等。

如果是單純生產(chǎn)液氨，采用變壓吸附脫碳，解吸氣中的二氧化硫轉(zhuǎn)化成三氧化硫生產(chǎn)硫酸后達(dá)標(biāo)排放。

如果企業(yè)是生產(chǎn)尿素，在氣體進(jìn)入變換系統(tǒng)前就要進(jìn)行脫硫，變換后再對(duì)變換氣脫硫。之后不論用何種脫碳方法，都可以得到較純的二氧化碳供尿素生產(chǎn)用。

精脫硫 采用干法脫硫。過程為粗脫硫、加熱、有機(jī)硫水解、降溫、精脫硫等等。使氣體中的總硫小于0.1×10－6。

精制 在1.5MPa下銅洗流程（屬于限制型工藝），甲烷化或烴化流程（年產(chǎn)超過300kt氨，目前還未有定型設(shè)備，因此在能力超過300kt／a氨時(shí)，還是用低溫甲醇、液氮洗流程或者把凈化系統(tǒng)分成二個(gè)甚至幾個(gè)系統(tǒng)為好）。

凈化系統(tǒng)省投資，適用才是合適的。

3 氨合成

有15MPa和30MPa二種壓力等級(jí)，因現(xiàn)在的大型合成氨裝置采用離心式透平壓縮機(jī)，排氣壓力多在15MPa，因此合成壓力大都采用了15MPa。如要采用30MPa壓力等級(jí)，大多要采用多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)來完成，這樣會(huì)增加工廠的電耗，是不經(jīng)濟(jì)的。

4 合成氨新建裝置各工序的工藝配置組合

4.1 高溫高壓煤氣化

以下四種組合（圖1～4）是基于高溫高壓煤氣化，可根據(jù)不同產(chǎn)品選用。全部以方框圖表示。

圖1 最終產(chǎn)品是合成氨的 “小氮凈化”流程

圖2 最終產(chǎn)品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖3 最終產(chǎn)品是尿素的 “小氮凈化”流程

圖4 最終產(chǎn)品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

4.2 低溫低壓煤氣化（圖5～8）

圖5 最終產(chǎn)品是合成氨的“小氮凈化”流程

圖6 最終產(chǎn)品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖7 最終產(chǎn)品是尿素的“小氮凈化”流程

圖8 最終產(chǎn)品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

4.3 低溫高壓煤氣化（圖9～12）

圖9 最終產(chǎn)品是合成氨的 “小氮凈化”流程

圖10 最終產(chǎn)品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖11 最終產(chǎn)品是尿素的 “小氮凈化”流程

圖12 最終產(chǎn)品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

5 結(jié) 論

不能說哪種氣化爐、凈化流程、氨合成方案好，那樣說是片面的，不科學(xué)的。具體哪種工藝好，要根據(jù)所能供應(yīng)的煤種、產(chǎn)品方案、生產(chǎn)能力、場(chǎng)地大小、投資規(guī)模、工廠效益、操作檢修方便等綜合考慮。