上行制氣采用增氧間歇式氣化節(jié)能減排的預(yù)測

張 莉，劉勝利，丁 瑤， 張鳳葵，黃 璞

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430073)

0 引 言

我國67%以上的合成氨原料氣是利用無煙塊煤(自然塊煤、人工型煤)制得的，現(xiàn)階段我國中小型化肥廠每噸NH3的能耗在44～77 GJ之間，而國外先進(jìn)的制氨工藝的能耗已降到每噸30 GJ左右[1-2].從合成氨的能源消耗來看，原料煤消耗占55.8%、電耗占25.82%、蒸汽占17.27%、水占1.05%.按照當(dāng)前的生產(chǎn)水平，平均每噸氨需消耗1 550 kg標(biāo)煤.因此高耗能的合成氨工業(yè)及其巨大節(jié)能潛力應(yīng)當(dāng)引起人們的高度重視，而降低能源消耗最有效的措施就是提高煤炭的利用效率.

在合成氨原料氣制備過程中，如何同時(shí)提高煤氣熱值與鼓風(fēng)量是降低能耗[3]過程中的矛盾所在.C和高溫蒸汽H2O反應(yīng)生成H2與CO要大量吸熱，CO2還原成CO也要大量吸熱.提高爐溫，需增加鼓風(fēng)量，鼓風(fēng)量增大，N2要大量進(jìn)爐，由于空氣中氧氣的含量占20.94%，而不助燃的氮?dú)庹?8.10%.在燃燒過程中，氮?dú)鈳ё吡舜罅繜崃?，?dǎo)致爐溫降低，為提高煤氣熱值必須減少風(fēng)量.因此，采用富氧燃燒后既能提高爐溫，又可減少20%～35%N2(空氣)的進(jìn)風(fēng)量，減少了熱能的流失，而使排煙溫度下降50～100 ℃，一舉兩得地解決了技術(shù)難關(guān).

上行制氣采用增氧間歇式氣化工藝改革現(xiàn)行煤氣氣化工藝，降低煤耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，建設(shè)“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會(huì)具有極其重要的作用.

1 工藝技術(shù)分析

1.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的上行制氣采用的是空氣與水蒸氣為原料制取合成氨原料氣，此工藝在生產(chǎn)中存在以下的弊端：

a.制氣過程消耗熱量大[4].由于空氣中N2含量高達(dá)78%以及氫氮比的限制，制氣過程中加入的空氣量較少、熱量產(chǎn)生有限，使蒸汽分解的吸熱反應(yīng)難以達(dá)到自熱平衡.

b.制氣階段蒸汽分解率低，造成大量蒸汽浪費(fèi)，同時(shí)未分解的蒸汽會(huì)帶走大量的熱量導(dǎo)致制氣各階段能耗增加.

針對(duì)傳統(tǒng)的上行制氣過程中存在的問題，研發(fā)了上行制氣采用增氧間歇式氣化，保持原有上行制氣加氮不變的基礎(chǔ)上，在上行制氣入爐蒸汽中增加90%濃氧空氣，與傳統(tǒng)的制氣方法相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)[5]：

a.節(jié)省原料煤和蒸汽的消耗，彌補(bǔ)了制氣溫度，相應(yīng)減少了吹風(fēng)時(shí)間，減少原料煤消耗所產(chǎn)生的CO2和硫化物氣體的排放.

b.充分發(fā)揮有效碳的作用，提高蒸汽分解效率，相應(yīng)的減少蒸汽的消耗.

c.采用增氧間歇式氣化制氣時(shí)，氣化層爐溫提高，一氧化碳和氫氣等有效氣體成分含量增加，二氧化碳生成量減少，提高了半水煤氣質(zhì)量.

1.2 反應(yīng)原理

在上行制氣過程中發(fā)生的反應(yīng)主要有：

C+H2O=CO+H2-122.6 kJ

C+2H2O=CO2+2H2-80.3 kJ

CO+H2O=CO2+H2+42.3 kJ

C+CO2=2CO -164.9 kJ

在上行制氣過程中，根據(jù)半水煤氣中CO2、CO、H2等主要?dú)怏w成分和上行出口氣體溫度調(diào)節(jié)增氧空氣的加入量，穩(wěn)定氣化床溫度，提高蒸汽分解率，充分提高有效碳和蒸汽的利用效率[6].

1.3 工藝流程說明及節(jié)能減排分析

入爐蒸汽中添加含量大于90%的由VPSA制氧裝置提供的濃氧空氣，經(jīng)加壓大于0.6 MPa壓力后，首先進(jìn)入氧氣緩沖罐穩(wěn)定壓力，經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入增氧空氣總管，由總管分別去支管上雙切斷閥后，去各臺(tái)造氣爐上行制氣后入爐蒸汽管混合，再去抽引加氮空氣，當(dāng)蒸汽、氧氣、加氮空氣3氣混合后，經(jīng)氧濃度分析儀通過增氧氣化控制站和調(diào)節(jié)閥隨時(shí)控制入爐氧氣濃度的變化，使之在蒸汽分解時(shí)消耗熱量緩慢下降，優(yōu)化各臺(tái)造氣爐穩(wěn)定運(yùn)行.

上行制氣過程中增加O2的濃度，一方面可以提高O2擴(kuò)散推動(dòng)力，另一方面可彌補(bǔ)制氣過程中爐溫的下降.由于原料煤在高體積分?jǐn)?shù)氧的條件下助燃，提高了爐溫，使蒸汽與熾熱的碳層分解反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的有效氣體中CO和H2的體積分?jǐn)?shù)增加，相應(yīng)的CO2含量減少提高了半水煤氣的質(zhì)量，因而增加了煤氣產(chǎn)量.富氧在煤氣爐中起到催化劑的作用，提高氧化層溫度，穩(wěn)定還原層的溫度，促進(jìn)CO與H2的生成，促進(jìn)CO2還原成CO，減少鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量30%～60%，每噸煤產(chǎn)生H2與CO的總發(fā)熱量可以增加50%～100%.煤氣的熱值提高一倍，對(duì)由于煤氣燃燒爐溫偏低而影響生產(chǎn)的窯爐起到關(guān)鍵的作用，由于燃燒溫度上升，爐溫容易控制在理想狀態(tài)，生產(chǎn)率也得到大幅度提高.

2 應(yīng)用效果預(yù)測

下面以山東某有限公司為例來分析技改后節(jié)能減排效果.因該公司搬遷后還未投入運(yùn)行，只能依據(jù)公司提供搬遷前生產(chǎn)數(shù)據(jù)來預(yù)測上行制氣“增氧間歇式氣化”節(jié)能減排的效果.

2.1 技改前上行制氣現(xiàn)狀

技改前在上行制氣過程中，直接加入空氣，根據(jù)氨合成氫氮比的需要調(diào)整空氣量，空氣中的氮?dú)膺M(jìn)入水煤氣，形成半水煤氣.其成分見表1.

表1 半水煤氣成分表

該工藝采用的一個(gè)循環(huán)制氣時(shí)間為135 s，采用5.4 s吹凈回收，彌補(bǔ)半水煤氣中的氫氮比的指標(biāo)，減少了上行制氣加氮空氣中氧與原料煤氧化反應(yīng)放出的熱量.此過程雖然回收了部分煤氣，但產(chǎn)生的吹風(fēng)氣中大量的CO2氣也進(jìn)入合成氨原料氣中，影響了半水煤氣的質(zhì)量.

2.2 技改后上行制氣技術(shù)

針對(duì)原上行制取半水煤氣的過程中存在的問題，技改后在保持原生產(chǎn)上行制氣加氮過程不變，盡量減少吹凈回收時(shí)間，增加上行制氣加氮量.在滿足半水煤氣中氫氮比的需要基礎(chǔ)上，上行制氣入爐蒸汽中加入含90%氧氣(其中還有10%氮?dú)饬?，彌補(bǔ)蒸汽分解時(shí)吸熱反應(yīng)的熱量，使蒸汽長時(shí)間在高溫條件下進(jìn)行分解，提高蒸汽分解率.

2.3 技改前后節(jié)能減排效果預(yù)測內(nèi)容分析

根據(jù)企業(yè)提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，技改前提供的8臺(tái)∮2 800 mm造氣爐，合成氨年產(chǎn)量為100 000 t，噸氨原料煤耗為1.32 t；技改后增設(shè)1 000 m3/h變壓吸附制氧裝置，合成氨年產(chǎn)量為120 000 t，噸氨原料煤耗為1.25 t.因該公司般遷后還未投入運(yùn)行，只能根據(jù)該公司提供搬遷前生產(chǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)測上行制氣“增氧間歇式氣化”的效果，其物料及熱量平衡計(jì)算效果見表2.

通過表2分析可得：技改前增氨折成原料煤量為1.250 t/t，CO2排放量分別達(dá)855.83 m3/t；硫化物的排放量為10.53 m3/t；技改后預(yù)測增氨折成原料煤量為1.022 kg/t，CO2排放量分別達(dá)642.04 m3/t，硫化物的排放量為7.90 m3/t；則技改后每年預(yù)測可以節(jié)約能源27 360 t/a萬噸標(biāo)煤；減少CO2的排放量為213.79 m3/t；減少硫化物的排放量為2.63 m3/t.技改后使上行制氣入爐的蒸汽、加氮空氣及濃氧空氣混合后含氧氣濃度為4.42%增加至8.04%，使上行制氣時(shí)每噸氨增加了110.05 m3的純氧量，蒸汽在爐內(nèi)氣化層分解時(shí)，增加了1 164 242 kJ/t氧化反應(yīng)熱量，直接減少9.49 kmol/t(170.82 kg/t)氨蒸汽分解，一年可充分有效利用20 520 t蒸汽，可增產(chǎn)16 962 t/a合成氨量，充分發(fā)揮了有效碳和蒸汽分解的效率.由此可見，上行制氣采用增氧間歇式氣化技術(shù)取得了非常明顯的節(jié)能減排效果.

表2 節(jié)能減排效果預(yù)測對(duì)比

注：單位m3/t指每噸NH3排放氣體量，標(biāo)準(zhǔn)立方米.全文同.

3 結(jié) 語

上行制氣采用增氧間歇式氣化方法制合成氨原料氣，有利于降低能耗，減少CO2的排放量.特別是當(dāng)前煤價(jià)在上漲，CO2溫室氣排放將要實(shí)行花錢購買，國家和地方政府又有節(jié)煤獎(jiǎng)勵(lì)的政策形勢下，上行制氣采用“增氧間歇式氣化”技術(shù)，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境效益是非常有利的，將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李琦，角仕云．合成氨工藝設(shè)計(jì)的改進(jìn)及能耗分析[J]. 云南化工，1995(1)：37-41.

[2] 孫寶慈. 近兩年大型合成氨裝置運(yùn)行和技術(shù)改造綜述[J]. 大氮肥，2000，23(1)：1-6．

[3] 天然氣化工編輯部. 世界合成氨產(chǎn)能未來幾年仍將增加[J].天然氣化工，2009，34(3)：43.

[4] 張莉，丁瑤，吳鵬，等. 增氧間歇式氣化生產(chǎn)合成氨原料氣的分析[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，8(33)：33-35.

[5] 張鳳葵. 增氧間歇式氣化的應(yīng)用實(shí)踐[J].全國煤氣化技術(shù)通訊，2011(3)：3-7.

[6] 吳林南. 送風(fēng)強(qiáng)度對(duì)煤氣發(fā)生爐氣化層的影響. 煤氣與熱力，1987，3(2)：27-30.