富氧連續(xù)氣化和空氣間歇增氧氣化技術(shù)應(yīng)用情況調(diào)查

李永恒

（全國(guó)造氣技術(shù)咨詢部，上海 200062）

在我國(guó)煤氣化領(lǐng)域，氣化方法有多種形式，有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。上世紀(jì)60年代，富氧氣化技術(shù)在我國(guó)固定層煤氣爐上開(kāi)始應(yīng)用。50多年來(lái)，多次大起大落，給一些不明真象的企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。近年內(nèi)有關(guān)富氧連續(xù)氣化技術(shù)，某些設(shè)計(jì)單位和該技術(shù)的開(kāi)發(fā)單位，宣傳報(bào)導(dǎo)的文章較多，但文章內(nèi)容的真實(shí)性值得研究和商榷，因?yàn)橛行┪恼略诮榻B時(shí)，擴(kuò)大其中的利，對(duì)應(yīng)用中的弊避而不談。近年內(nèi)在各種技術(shù)交流會(huì)上，許多代表向筆者咨詢有關(guān)富氧氣化技術(shù)。為了讓更多的朋友了解富氧連續(xù)氣化成敗真實(shí)情況，我將所知道的情況整理后介紹如下。

1 富氧氣化原理與工藝特點(diǎn)

在固定層煤氣爐內(nèi)，富氧空氣與煤炭燃燒放熱的同時(shí)，蒸汽與灼熱的煤炭發(fā)生吸熱反應(yīng)，兩反應(yīng)基本達(dá)到平衡，氣化過(guò)程便會(huì)連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行。為了滿足半水煤氣成分的要求，一般將富氧空氣中的O2含量控制在47%～52%。富氧空氣、蒸汽、煤炭的化學(xué)反應(yīng)式如下：

富氧空氣與煤炭在氧化層內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)（1）和（2），以獲得足夠的熱量供應(yīng)還原層進(jìn)行（3）、（4）、（5）反應(yīng)，提高燃料層高度將有利于反應(yīng)（3）、（4）的進(jìn)行，對(duì)降低半水煤氣中的CO2有好處。

實(shí)現(xiàn)富氧連續(xù)氣化后，由于取消了空氣吹風(fēng)階段，減少了因吹風(fēng)燃燒炭的損失，氣體帶出物減少以及爐渣含碳量的降低等，使碳的利用率得到提高，煤耗有所降低。另外，由于氣體空速低，可以應(yīng)用小粒煤和型煤進(jìn)行氣化。

由于該技術(shù)是連續(xù)氣化，爐溫相對(duì)比較穩(wěn)定，蒸汽分解率比空氣間歇式氣化要高。另外，因?yàn)楦邷孛簹馊窟M(jìn)入廢鍋，余熱回收效果好（原中氮廠大直徑煤氣爐的流程下吹煤氣的顯熱未回收），因副產(chǎn)蒸汽量增加，氨系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)蒸汽自給（這是理論推算的）。

該技術(shù)選用ZL型自動(dòng)加煤機(jī)，可以恒定炭層高度，有利于富氧氣化。再選用不停爐下灰裝置，可以達(dá)到連續(xù)氣化的要求。另外，減少了許多自動(dòng)閥門(mén)，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了系統(tǒng)故障率，減少了設(shè)備維修費(fèi)用。

富氧連續(xù)氣化工藝流程如下：

2 氧氣來(lái)源

2.1 企業(yè)內(nèi)部有多余的氧氣

有的企業(yè)內(nèi)部其他工序中有多余的氧氣，此種情況最好，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。直接將氧氣引入原固定層煤氣爐使用。

2.2 新建制氧系統(tǒng)

目前實(shí)用性最廣的兩種制氧方法，一種是傳統(tǒng)的深冷空分制氧，另一種是變壓吸附制氧。變壓吸附制氧原理：利用分子篩來(lái)吸附空氣中的氮，根據(jù)加壓下吸附量大，減壓下吸附量小的原理，通過(guò)壓力反復(fù)變化，讓空氣中的氮選擇吸附、再生，實(shí)現(xiàn)氧氣提純。

變壓吸附制氧與深冷空分法制氧對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 兩種制氧裝置性能比較

3 曾經(jīng)應(yīng)用過(guò)富氧連續(xù)氣化技術(shù)的單位

（1）60年代初太原化肥廠在φ3 600mm爐上用過(guò)。

（2）60年代長(zhǎng)春第一汽車(chē)制造廠在3A－13型發(fā)生爐上用過(guò)。

（3）60年代吉林化肥廠在φ3 000mm爐上用過(guò)。

（4）70年代淮南化肥廠在5臺(tái)φ3 000mm爐上用過(guò)。（其中有部分為兩用爐，即在無(wú)氧氣供應(yīng)時(shí)，就改為間歇式空氣氣化爐。）

（5）70年代云南解放軍化肥廠在2臺(tái)φ3 000mm爐上用過(guò)。

（6）1994年黑龍江化肥廠新建7臺(tái)φ3 000mm富氧爐。

（7）1996年四川大竹化肥廠在一臺(tái)φ2 400mm爐上用過(guò)。

（8）1996年江蘇武進(jìn)化肥廠在2臺(tái)φ2 400mm爐上用過(guò)。

（9）1998年河南平頂山化肥廠新建3臺(tái)φ3 000mm爐。

（10）2001年吉林長(zhǎng)山化肥廠新建6臺(tái)φ3 000mm爐。

4 富氧氣化爐應(yīng)用中的問(wèn)題探討

4.1 關(guān)于半水煤氣成分問(wèn)題

富氧連續(xù)氣化所生成的半水煤氣成分見(jiàn)表2，CO和CO2偏高，給后系統(tǒng)帶來(lái)麻煩。

從表2可以看出，富氧連續(xù)氣化所生成的半水煤氣中CO2高達(dá)13%～16%，最高可達(dá)到19.7%。由于CO2濃度過(guò)高，不但給脫碳工序增加了負(fù)荷，而且影響到合成工序中壓縮機(jī)運(yùn)行效率，一般會(huì)降低10%左右，必然造成電耗和壓縮機(jī)維修費(fèi)用增加。（此損失是無(wú)法估算的。）

再看空氣間歇?dú)饣?，半水煤氣中CO含量為28%～31%，而富氧氣化半水煤氣中CO含量為38%～44%。由于CO含量的增加，必然會(huì)使變換工序變換爐的負(fù)荷增加，這不但會(huì)導(dǎo)致催化劑使用壽命降低，而且使變換爐的蒸汽消耗增加。據(jù)有關(guān)資料介紹，噸氨半水煤氣中CO含量每增加1%，變換爐多消耗蒸汽1kg左右。按黑龍江化肥廠富氧爐，設(shè)計(jì)年產(chǎn)合成氨180kt計(jì)算，全年僅因CO含量高，變換爐多支出蒸汽費(fèi)用40萬(wàn)元以上。

表2 各種氣化方法的半水煤氣成分（體積分率） %

4.2 關(guān)于氣化強(qiáng)度問(wèn)題

根據(jù)眾多資料介紹和理論計(jì)算，富氧空氣連續(xù)氣化爐比空氣間歇式氣化爐的氣化強(qiáng)度成倍增加，隨所用原料不同，可增加1～1.5倍。但是，從應(yīng)用富氧氣化爐的眾多廠家來(lái)看，實(shí)際僅增加5%～30%，有的廠還不如空氣間歇式氣化爐。現(xiàn)將歷史上的情況介紹如下。

（1）淮南化肥廠增加30%。

（2）黑龍江化肥廠僅增加4%。

（3）武進(jìn)化肥廠增加19%。

（4）大竹化肥廠下降10%。

采用富氧氣化近年的氣化強(qiáng)度如表3。

表3 富氧空氣連續(xù)氣化與固定層空氣間歇?dú)饣臍饣瘡?qiáng)度對(duì)比

4.3 關(guān)于煤耗與投資費(fèi)用問(wèn)題（表4）

表4 各種氣化方法年產(chǎn)200kt氨的投資與噸氨入爐煤耗對(duì)比

4.4 配套設(shè)施

為了使燃料層布風(fēng)均勻，要求設(shè)計(jì)出性能好的富氧氣化專(zhuān)用爐箅。富氧連續(xù)氣化要求爐箅的高度比間歇空氣氣化的爐箅要低些。但是，多邊扇型爐箅雖然高度低，但是爐下帶出物多，也不適用。最好還是ZL型鑄鋼爐箅，比較適宜。

選用ZL型自動(dòng)加煤機(jī)，它可以使炭層高度保持恒定。通用型自動(dòng)加煤機(jī)是每個(gè)循環(huán)間歇向爐內(nèi)加煤，加煤量和炭層高度難以控制。ZL加煤機(jī)是連續(xù)向爐內(nèi)加煤，爐內(nèi)消耗多少煤，補(bǔ)充多少，所以炭層高度可以恒定在設(shè)定值。

由于富氧連續(xù)氣化中間不間斷，所以必需選擇不停爐下灰裝置。

5 目前富氧連續(xù)氣化爐運(yùn)行情況

（1）三明化工有限公司于2007年采用型煤（煤球）進(jìn)行富氧連續(xù)氣化，運(yùn)行情況還算正常。開(kāi)3～6臺(tái)φ3 000～3 200mm爐，氧氣由三鋼供給，所產(chǎn)半水煤氣與老系統(tǒng)并網(wǎng)。單爐小時(shí)發(fā)氣量為9 000m3，噸氨煤耗為1.5t。

（2）淮南化肥廠開(kāi)3臺(tái)φ3 000mm爐，也是用煤球富氧氣化。噸氨煤耗為1.8t，單爐小時(shí)發(fā)氣量為7 000～8 000m3。

（3）湖北雙環(huán)公司開(kāi)2臺(tái)φ3 300mm爐，用煤棒富氧氣化。單爐小時(shí)發(fā)氣量為12 000m3。

（4）云南解放軍化肥廠，因效益問(wèn)題于2008年全部停運(yùn)富氧氣化爐。

（5）河南平頂山化肥廠開(kāi)3臺(tái)φ3 000mm富氧氣化爐，運(yùn)行情況一般，不太理想。

（6）黑龍江化肥廠和長(zhǎng)山化肥廠，一共有13臺(tái)φ3 000mm富氧爐，于2003年全部停運(yùn)。

（7）開(kāi)封化肥廠于2008年12月新上4臺(tái)φ2 743.2mm爐，采用小塊煤富氧氣化，所產(chǎn)半水煤氣與原空氣間歇?dú)饣癄t的半水煤氣并網(wǎng)送入后工序。從爐渣情況看，富氧連續(xù)氣化爐運(yùn)行情況并不理想。

（8）2009年12月柳化也改了幾臺(tái)富氧爐，因也與老系統(tǒng)并網(wǎng)，所以也看不出效果。

（9）據(jù)悉，近年新疆宜化新上了20臺(tái)φ3 600mm爐，采用煙煤富氧連續(xù)氣化，由于選用本單位昌吉煤礦低價(jià)煙煤，效益很好，還準(zhǔn)備擴(kuò)建。

（10）其他單位未能聯(lián)系上。

6 富氧氣化改進(jìn)方法

6.1 富氧空氣間歇?dú)饣夹g(shù)（嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該稱(chēng)為空氣間歇增氧氣化）

該技術(shù)是武漢利德公司研制的一種新技術(shù)。在原有的空氣間歇?dú)饣A(chǔ)上，加入適量的氧氣（僅下吹階段和二次上吹不加氧氣）。此技術(shù)已在浙江清華化工有限公司應(yīng)用。據(jù)介紹有些效果，其半水煤氣中CO2在9.0%以下，CO＋H2為75.8%。近年內(nèi)又在多廠應(yīng)用。詳情見(jiàn)表5。

表5 固定層空氣增氧氣化爐應(yīng)用情況

6.1.1 增氧方法

（1）單爐增氧

將氧氣引入單爐的空氣管道上，根據(jù)爐型和原料品種不同，隨空氣加入適當(dāng)?shù)难鯕庖黄鹑霠t，實(shí)為富氧空氣。蒸汽引入單爐上吹蒸汽管道上，兩者均有特殊結(jié)構(gòu)的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)用量。另外，兩個(gè)氧氣閥的啟閉也都由電液閥來(lái)控制，達(dá)到增氧的目的。

（2）多爐同時(shí)增氧

氧氣由空氣鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)口管道或出口管道加入，在一機(jī)四爐的條件下，各爐吹風(fēng)時(shí)就有富氧空氣入爐，只是單爐的氧氣量加入多少無(wú)法調(diào)節(jié)。

蒸汽增氧同上。

6.1.2 實(shí)際運(yùn)行效果分析

（1）氧氣的加入，減緩了氣化層溫度下降，提高了氣化層平均溫度，對(duì)于開(kāi)太平爐的人員來(lái)說(shuō)，給降低氣化層的高溫創(chuàng)造了條件，爐子不易結(jié)疤，爐況穩(wěn)定。

（2）雖然節(jié)煤不太多，但是噸氨也可降煤耗80kg，減去噸氨增加的50m3的氧耗，噸氨也可以節(jié)省50元（各廠進(jìn)煤價(jià)不等，節(jié)約金額不等）。

（3）可使用含碳量低于60%的劣煤，或者活性差的煤。

湖北潛江金華潤(rùn)在新建的40·52工程中，全面使用增氧氣化技術(shù)。

6.1.3 目前準(zhǔn)備上增氧氣化的企業(yè)（表6）

表6 正在改造和即將運(yùn)行的企業(yè)

6.2 上下吹富氧交換氣化技術(shù)

該技術(shù)是多年前一位朋友電話告訴筆者的，他說(shuō)已申請(qǐng)專(zhuān)利，在各種技術(shù)交流會(huì)上也作了介紹。近來(lái)有的單位準(zhǔn)備試用，并把它改稱(chēng)為單爐富氧雙向氣化。從原理上分析是可行的，為了解決連續(xù)上吹氣化，爐上溫度偏高的問(wèn)題，采用上下吹交換氣化降低爐上溫度。但必須采取一定的安全措施，否則會(huì)發(fā)生爆炸的。該方法近年內(nèi)經(jīng)有關(guān)企業(yè)試用，無(wú)明顯效果而停用。

6.3 雙床層雙向耦合式氣化法

以兩臺(tái)固定床氣化爐為一組，形成雙床層雙向的耦合式氣化爐。［按：該技術(shù)早在上世紀(jì)70年代浙江巨化廠就應(yīng)用過(guò)，當(dāng)時(shí)采用兩臺(tái)爐用空氣間歇?dú)饣椒?，?duì)吹，其目的是為了提高蒸汽分解率和半水煤氣有效成分。為此，筆者專(zhuān)程前往該廠考察，據(jù)當(dāng)時(shí)的總工程師介紹，雙向耦合式氣化法很不理想，不如兩臺(tái)爐分別氣化的產(chǎn)氣量高，而且易發(fā)生事故。因此運(yùn)行了一段時(shí)間，又改回兩臺(tái)爐分開(kāi)氣化。因此，采用富氧，雙床層雙向耦合式氣化是否可行（希望成功），還將拭目以待。］

7 結(jié) 語(yǔ)

總之，富氧連續(xù)氣化技術(shù)還存在許多問(wèn)題，幾十年來(lái)一直難以推廣。目前各廠富氧氣化爐的半水煤氣，都是與老系統(tǒng)間歇空氣爐并網(wǎng)送入后系統(tǒng)的，所以很難區(qū)別富氧連續(xù)氣化的真正效率，文中所介紹的發(fā)氣量和煤耗都是估算的。歷史上只有黑龍江化肥廠和長(zhǎng)山化肥廠，是獨(dú)立系統(tǒng)應(yīng)用富氧連續(xù)氣化技術(shù)的，兩廠均停用富氧連續(xù)氣化技術(shù)了，可見(jiàn)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行的效果很不好。因此，筆者建議準(zhǔn)備上富氧氣化爐的企業(yè)一定要慎重。