合成氨用煤氣化技術(shù)淺析

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( 1.湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，湖北 宜昌 443311；2.河南興發(fā)昊利達(dá)肥業(yè)有限公司，河南 輝縣 453600)

1 以煤為原料的氣化技術(shù)迅猛發(fā)展

以合成氨和甲醇產(chǎn)品為代表的煤氣化技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成三種類型的氣化方式，即固定床氣化、流化床氣化和當(dāng)前應(yīng)用較廣的氣流床氣化，其各自的特點(diǎn)如下。

1.1 固定床

固定床煤氣化技術(shù)已經(jīng)有100多年的歷史，經(jīng)歷了固定層間歇?dú)饣礁谎踹B續(xù)氣化，魯奇加壓氣化也屬于固定床氣化。固定床煤氣化是煤在固定層移動(dòng)床中完成氣化，間歇?dú)饣虼碉L(fēng)過(guò)程中放空氣對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重而被淘汰，富氧連續(xù)氣化因原料只能用焦炭和無(wú)煙煤，價(jià)格高，且氣化效率低，能耗高，生成氣中甲烷含量高，不適合作合成氨的原料氣。

魯奇(Lurgi)加壓氣化技術(shù)在我國(guó)建有多套裝置。該技術(shù)雖然能連續(xù)加壓氣化，但由于氣化溫度低，生成氣中甲烷含量大，還含有苯、酚、焦油等一系列難處理的物質(zhì)，凈化流程長(zhǎng)。該技術(shù)只能用碎煤不能用粉煤，因而原料利用率低，大量篩分下來(lái)的粉煤要配燃煤鍋爐處理。

1.2 流化床

采用粉碎的煤作原料，用氧化劑(氧氣或空氣)來(lái)使床體流化，溫度在1 000 ℃以下，以預(yù)防灰熔化后與爐床里的物質(zhì)發(fā)生結(jié)聚。反應(yīng)溫度低，意味著部分煤粒不能充分燃燒，而是收縮成碳素粒，被合成氣帶出氣化爐。這就需要大量的碳素粒循環(huán)，或被傳送到分離燃燒室中燃燒。

中科院山西煤化所開發(fā)的灰熔聚流化床粉煤氣化就是流化床氣化爐，目前有工業(yè)裝置運(yùn)行。

該技術(shù)工業(yè)示范裝置于2001年在陜西城固氮肥廠建成。氣化爐是一個(gè)單段流化床，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在流化床內(nèi)一次實(shí)現(xiàn)煤的破粘、脫揮發(fā)分、氣化、灰團(tuán)聚及分離、焦油及酚類的裂解。帶出細(xì)粉經(jīng)除塵系統(tǒng)捕集后返回氣化爐，再次參加反應(yīng)，有利于碳利用率的提高。產(chǎn)品氣中不含焦油，含酚量低。碳轉(zhuǎn)化率為90%。合成氣中CO+H2在70%左右，有效氣體成分含量偏低。其特點(diǎn)是煤種適應(yīng)性寬，煤灰不發(fā)生熔融，只是使灰渣熔聚成球狀或塊狀排出?？梢詺饣置?、低化學(xué)活性的煙煤和無(wú)煙煤、石油焦，投資較少，生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)是操作壓力偏低，對(duì)環(huán)境污染及飛灰堆存和綜合利用有待進(jìn)一步解決。

1.3 氣流床

氣流床煤氣化屬第三代先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，是最清潔、也是最高效的煤氣化類型。粉煤在1 200～1 700 ℃下被氧化，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質(zhì)成為熔渣后離開氣化爐。氣流床所使用的煤種比移動(dòng)床和流化床的范圍寬。

氣流床煤氣化工藝的典型代表有兩大類，一類是水煤漿加壓氣化技術(shù)，如GE公司德士古水煤漿加壓氣化工藝，國(guó)產(chǎn)新型對(duì)置式多噴嘴水煤漿加壓氣化工藝；另一類是干煤粉加壓氣化技術(shù)，如殼牌干粉煤加壓氣化工藝(SCGP)，國(guó)產(chǎn)HT-L航天爐干煤粉加壓氣化技術(shù)。

下面就水煤漿加壓氣化技術(shù)與干煤粉加壓氣化技術(shù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 水煤漿加壓氣化技術(shù)特點(diǎn)

2.1 水煤漿加壓氣化技術(shù)對(duì)原料煤的要求

水煤漿技術(shù)是上世紀(jì)70年代世界范圍內(nèi)的石油危機(jī)中產(chǎn)生的一種以煤代油的煤炭利用方式，是潔凈煤利用技術(shù)之一。該技術(shù)將煤炭、水、部分添加劑加入磨機(jī)中，經(jīng)過(guò)磨碎后成為一種類似石油可以流動(dòng)的煤基流體燃料。水煤漿的質(zhì)量濃度一般為65%±5%，它直接影響水煤漿的著火性能和熱值，濃度越大，含水量就越小，越容易點(diǎn)燃且熱值高，但流動(dòng)性變差。流變性一般采用粘度來(lái)表示，它是影響水煤漿輸送流動(dòng)性能、儲(chǔ)存穩(wěn)定性及燃燒效果的重要因數(shù)，要求水煤漿具有“剪切變稀”的特性，受到剪切或升溫后，其粘度能迅速降低，以便于運(yùn)輸和霧化燃燒。漿體的穩(wěn)定性是一個(gè)重要指標(biāo)。

水煤漿制備要求煤質(zhì)的哈氏可磨系數(shù)要大，成漿性要好，漿體中的煤不僅有粒度限制，還要求粒度分布良好。制漿過(guò)程中要添加分散劑和穩(wěn)定劑等，使水煤漿達(dá)到高濃度、高穩(wěn)定性以及良好的流變性。水煤漿技術(shù)對(duì)煤的質(zhì)量要求較高，需低灰、低硫精煤，煤種的選擇范圍有限。

2.2 GE公司德士古水煤漿加壓氣化

該工藝采用水煤漿進(jìn)料，制成濃度60%～65%的水煤漿，在氣流床中加壓氣化，水煤漿和氧氣在高溫高壓下反應(yīng)生成合成氣，液態(tài)排渣。在壓力2.7～6.5 MPa，溫度1 300～1 400 ℃條件下氣化，CO+H2達(dá)到80%。氣化過(guò)程對(duì)環(huán)境污染影響較小，要求煤的灰融點(diǎn)不超過(guò)1 350 ℃(否則必須添加助熔劑)。

2.3 對(duì)置式多噴嘴水煤漿加壓氣化技術(shù)

該技術(shù)是我國(guó)煤氣化科研人員經(jīng)過(guò)多年研究，在德士古水煤漿加壓氣化法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化技術(shù)。由華東理工大學(xué)同魯南化肥廠等單位合作開發(fā)。已在神華寧煤、江蘇索普、江蘇靈谷、煙臺(tái)萬(wàn)華、山東盛大等大型項(xiàng)目成功應(yīng)用。該技術(shù)有以下特點(diǎn)。

(1)采用撞擊流，加強(qiáng)混合和熱質(zhì)傳遞；預(yù)膜式噴嘴，氧氣壓降低；復(fù)合床洗滌冷卻技術(shù)，液位平穩(wěn)，避免了帶水帶灰；混合器、分離器、水洗塔組合“分級(jí)”凈化，系統(tǒng)壓降低，分離效果好；渣水處理系統(tǒng)采用直接換熱技術(shù)，熱回收效率高；氣化爐噴嘴之間相互協(xié)同，氣化爐負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍大。

(2)水煤漿氣化爐膛為熱壁爐，采用耐火材料結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間受煤漿燃燒和沖刷，爐膛耐火材料一般在使用18個(gè)月后需要更換或使用耐溫澆筑料重新澆筑；氣化爐燒嘴壽命短，正常運(yùn)行時(shí)間在2～3個(gè)月，因此，一條生產(chǎn)線需要備用一臺(tái)氣化爐，交替投運(yùn)和檢修。

(3)水煤漿氣化生產(chǎn)的有效氣(CO+H2)含量達(dá)到83%～85%；采用該氣化工藝生產(chǎn)合成氨噸氨煤耗1.40～1.43 t；碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%。

3 干煤粉加壓氣化工藝

3.1 對(duì)煤質(zhì)的要求及煤粉的加工工藝

該氣化工藝煤種的適應(yīng)性較廣，褐煤、次煙煤、煙煤等均可作為氣化原料煤，但從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用高熱值、低灰分、低硫煤比較經(jīng)濟(jì)；對(duì)煤的灰融性適應(yīng)范圍寬。

煤粉加工過(guò)程中，為了便于磨煤機(jī)磨碎，對(duì)煤的游離水和粒度有一定要求，原料煤一般進(jìn)磨煤機(jī)前，需經(jīng)烘干、篩分、粗破碎處理；原料煤在磨煤機(jī)磨粉和輸送過(guò)程中，需用氮?dú)獗Ｗo(hù)以及用氮?dú)庾鳛檩斔洼d體，并配備煤粉除塵裝置。

具有代表性的干煤粉加壓氣化技術(shù)是荷蘭殼牌公司的Shell煤氣化工藝和國(guó)內(nèi)航天長(zhǎng)征化學(xué)工程公司開發(fā)的HT-L航天爐干煤粉氣化工藝。

3.2 殼牌干粉煤加壓氣化工藝

殼牌公司干粉煤氣化研究始于1972年，研究工作在阿姆斯特丹研究院開展，1993年在荷蘭的德姆克勒(Demkolec)電廠建成投煤量2 000 t/d的煤氣化裝置，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，稱作SCGP工業(yè)生產(chǎn)裝置。裝置開工率最高達(dá)73%。2006年5月雙環(huán)化工引進(jìn)該技術(shù)，投煤量1 000 t/d，裝置一次開車成功，并轉(zhuǎn)入平穩(wěn)運(yùn)行。

Shell煤氣化法的典型流程如圖1所示。

Shell 粉煤氣化流程的特點(diǎn)是粉煤、氧氣和水蒸氣在加壓條件下并流進(jìn)入氣化爐內(nèi)部，在3～10 s時(shí)間內(nèi)，完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒和轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過(guò)程。流程包含以下工序：① 磨煤及干燥，② 煤加壓及進(jìn)煤，③ 氣化及合成氣冷卻，④ 除渣，⑤ 除灰，⑥ 洗滌，⑦ 廢水汽提及澄清等。該流程中煤粉的制備和輸送，與水煤漿不同，經(jīng)過(guò)預(yù)破碎后原料煤先進(jìn)入干燥系統(tǒng)烘干，使原料煤中的水分降到2%以下，然后進(jìn)入磨煤機(jī)磨粉，用N2送入煤粉倉(cāng)中備用。

圖1 Shell煤氣化流程

Shell煤氣化工藝指標(biāo) 氣化溫度1 400～1 600 ℃；耗氧量(標(biāo)態(tài)CO+H2)為330～360 km3；有效氣體(CO+H2)含量約90%；氣化爐操作壓力為2～4 MPa；碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%。

Shell煤氣化爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 氣化爐由內(nèi)筒和外筒兩部分組成，包括膜式水冷壁、環(huán)形空間和高壓容器外殼。內(nèi)筒采用水冷壁結(jié)構(gòu)，僅在向火面有一層薄的耐火材料涂層，主要是為了掛渣，充分利用渣層的隔熱功能，減少熱損失；同時(shí)以渣保護(hù)爐壁，提高氣化爐的可操作性和氣化效率。冷壁與筒體外殼之間留有環(huán)形空間，便于輸入集水管和輸出副產(chǎn)蒸汽的集汽管布置，以及水冷壁的檢查和維修。Shell氣化爐根據(jù)氣化能力的大小采用4～8個(gè)呈中心對(duì)稱分布的側(cè)壁燒嘴，燒嘴使用壽命保證期為一年。

3.3 HT-L航天爐干煤粉氣化工藝

航天工程公司依托中國(guó)航天50多年來(lái)在運(yùn)載火箭和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制、生產(chǎn)和試驗(yàn)方面積累的技術(shù)、條件、人才和管理優(yōu)勢(shì)，將在系統(tǒng)工程、系統(tǒng)控制、燃燒傳熱、流體控制、特種材料等領(lǐng)域取得的技術(shù)成果，應(yīng)用于煤炭潔凈高效利用領(lǐng)域，形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)”，可以廣泛應(yīng)用于煤基甲醇、煤基合成氨以及煤制天然氣、煤制合成油、煤制烯烴、煤制氫、IGCC發(fā)電等領(lǐng)域。該氣化技術(shù)充分吸收了當(dāng)今世界兩大先進(jìn)煤氣化技術(shù)，即干粉煤氣流床氣化和水煤漿氣化急冷流程的優(yōu)點(diǎn)，在備煤、輸煤、燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)、氣化爐輻射段均采用先進(jìn)的粉煤氣流床氣化技術(shù)；灰渣水系統(tǒng)、洗滌、凈化則采用氣體急冷流程。該技術(shù)的重點(diǎn)在于原料煤本地化，優(yōu)化工藝路線、減少投資、關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等方面。

(1)HT-L航天爐工藝特點(diǎn)

以粉煤為原料，以純氧和過(guò)熱蒸汽為氣化劑，加壓氣化。不同煤種的適應(yīng)性好，入爐煤的灰熔點(diǎn)范圍較寬，為1 200～1 460 ℃。對(duì)煤種要求低。惰性氣體濃相輸送，原則上均可以CO2作為煤粉輸送介質(zhì)，部分CO2循環(huán)利用，減少碳排放。粗合成氣中有效氣體(CO+H2)含量高，CO2含量低，凈化負(fù)荷小，單位有效氣體氧耗低，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，冷煤氣效率達(dá)80%～83%，煤耗低，熱效率高，可達(dá)95%。

(2)HT-L航天氣化爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

氣化段盤管采用水冷壁結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高的氣化溫度，這樣原料煤灰熔點(diǎn)范圍寬。氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，能承受1 500～1 700 ℃的高溫。氣化溫度1 200～1 700 ℃，副產(chǎn)中壓蒸汽，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。運(yùn)行過(guò)程中，爐膛內(nèi)壁的耐火材料涂層表面會(huì)形成固渣層和液渣層，為自我修復(fù)式耐火結(jié)構(gòu)，有效地保護(hù)水冷壁，實(shí)現(xiàn)“以渣抗渣”。 氣化爐只設(shè)置一臺(tái)組合燃燒器，安裝在氣化段頂部。組合燃燒器將點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火燒嘴、開工燒嘴、工藝燒嘴設(shè)計(jì)成一體，調(diào)節(jié)單一氧煤比和汽氧比，就可以實(shí)現(xiàn)氣化參數(shù)的調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便、快捷，易于掌握，特別適用于煤種變化頻繁，要求在線及時(shí)調(diào)節(jié)的工況。激冷、水浴式合成氣冷卻及洗滌流程，增加的飽和水蒸氣可直接用于變換工序。

HT-L煤氣化工藝流程如圖2。

圖2 HT-L煤氣化工藝流程圖

4 不同煤氣化技術(shù)部分氣化指標(biāo)分析(表1)

目前，以上三種煤氣化方式在國(guó)內(nèi)煤化工裝置上廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)干煤粉氣化技術(shù)及水煤漿氣化技術(shù)日趨成熟，已在多套大型煤制氣生產(chǎn)合成氨和甲醇裝置上應(yīng)用。

5 煤氣化技術(shù)的選擇

以煤為原料制備合成氣生產(chǎn)合成氨、甲醇等多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品，目前較適用的國(guó)外氣化技術(shù)有魯奇爐固定床氣化、德士古水煤漿氣化技術(shù)和Shell干煤粉氣化技術(shù)SCGP工藝；國(guó)產(chǎn)技術(shù)有華東理工大學(xué)的對(duì)置式多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)，航天長(zhǎng)征化學(xué)工程公司開發(fā)的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)等。選擇哪一種煤氣化技術(shù)，需要綜合考慮以下方面的因素。

表1 煤氣化裝置部分氣化技術(shù)指標(biāo)分析表

(1)根據(jù)原料煤的來(lái)源，首先了解煤種性能，再根據(jù)煤種選擇適應(yīng)的氣化方式，同時(shí)考慮配煤調(diào)節(jié)氣化的適應(yīng)性，選用適宜的煤氣化技術(shù)。

(2)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃的產(chǎn)品方案要求，結(jié)合各種煤氣化后的粗合成氣成分，選擇有利于產(chǎn)品合成的煤氣化技術(shù)。

(3)根據(jù)各種煤氣化的技術(shù)指標(biāo)，如有效成分含量、氧耗、煤耗、碳轉(zhuǎn)化率、動(dòng)力消耗、熱效率等，綜合比較煤氣化成本或者產(chǎn)品成本。

(4)煤氣化技術(shù)的投資比較。包括配套的空分裝置、粗合成氣變換與凈化、備煤、三廢治理及公用工程等。水煤漿加壓氣化因氧耗高配套空分投資大；干煤粉加壓氣化因粉煤制備過(guò)程中煤干燥裝置投資大，移動(dòng)床廢水處理困難，廢水處理裝置投資大。

(5)煤氣化技術(shù)國(guó)產(chǎn)化水平。該部分不僅影響到項(xiàng)目投資費(fèi)用，還影響到建設(shè)的進(jìn)度和后期維護(hù)。就國(guó)產(chǎn)化水平而言，魯奇氣化裝置可完全國(guó)產(chǎn)化，水煤漿氣化和干煤粉氣化裝置的國(guó)產(chǎn)化率近年來(lái)也達(dá)到了較高的水平。

(6)三廢與治理。氣流床氣化不管是干法(干煤粉氣化)還是濕法(水煤漿氣化)，三廢少且易于處理，對(duì)環(huán)境友好；而固定床氣化三廢問(wèn)題較嚴(yán)重，尤其是魯奇氣化，不僅廢水成分復(fù)雜且量大，處理有一定難度，必須格外重視，使三廢治理達(dá)到環(huán)保的要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，決定了我國(guó)能源的消費(fèi)模式是以煤炭為主，如何提高煤炭的利用效率一直是國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)追求的目標(biāo)。探索提高煤炭利用率，研究更高水平的煤氣化和氣體凈化方式，降低廢棄物的排放是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的保障。根據(jù)原料煤種、產(chǎn)品特點(diǎn)等因素選擇合理的煤氣化技術(shù)，不僅是企業(yè)控制生產(chǎn)成本、技術(shù)革新和經(jīng)濟(jì)效益的需要，也是節(jié)能減排、創(chuàng)造美好生活的需要。航天公司開發(fā)的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)，從煤種和顆粒的適應(yīng)范圍、單臺(tái)爐的生產(chǎn)能力、煤氣化的操作壓力和連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)、粗煤氣有效成分、灰水環(huán)保處理等方面，成為煤氣化技術(shù)的先進(jìn)代表之一，將推動(dòng)我國(guó)大型煤化工技術(shù)和裝備的進(jìn)步。

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