粉煤加壓氣化工藝采用CO2和N2輸煤的對(duì)比及選擇

尹俊杰，趙瑞萍

（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010）

粉煤加壓氣化工藝采用CO2和N2輸煤的對(duì)比及選擇

尹俊杰，趙瑞萍

（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010）

對(duì)粉煤加壓氣化中分別采用CO2輸煤和N2輸煤的兩種工藝進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明：采用CO2輸煤比采用N2輸煤的操作費(fèi)用會(huì)降低約4%，投資高3%。并由此總結(jié)出了煤化工裝置不同產(chǎn)品應(yīng)選用不同的輸煤工藝及適合的流程配置的規(guī)律。

粉煤加壓氣化；CO2輸煤；N2輸煤；對(duì)比

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

粉煤氣化工藝是目前世界上最先進(jìn)的煤氣化工藝之一，其工藝流程是先將原煤磨碎并干燥，再用高壓氣體進(jìn)行加壓，然后利用粉煤給料罐與氣化爐的壓差將其輸送到氣化爐與氧氣/蒸汽進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)后生成的粗合成氣（主要成分為CO和H2）經(jīng)洗滌后送往下游配套廠，經(jīng)進(jìn)一步處理后加工成甲醇或合成氨產(chǎn)品。

目前，國(guó)內(nèi)廣泛采用的粉煤加壓氣化工藝有國(guó)外的Shell、GSP等，還有國(guó)內(nèi)的航天爐（HT-L）等，粉煤輸送既有采用N2輸煤的，也有采用CO2輸煤的，兩者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及對(duì)于特定的產(chǎn)品如何選用輸煤工藝將是本文探討的內(nèi)容。

1　不同輸煤工藝對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程的影響

氣化反應(yīng)過(guò)程主要是碳與氧和碳與蒸汽的反應(yīng)。為了理解實(shí)際氣化的過(guò)程，用基本的氣化方程式闡述，在方程式中以純碳代表煤，反應(yīng)式為：

實(shí)際上，第一個(gè)部分氧化反應(yīng)可進(jìn)一步分成2步來(lái)理解，反應(yīng)式為：

這種細(xì)化表明，氣化反應(yīng)得以進(jìn)行的能量是內(nèi)部生成的（Q3＞Q4），此外還表明第2步反應(yīng)應(yīng)作為平衡來(lái)對(duì)待。

從上述反應(yīng)機(jī)理可以看出，CO2是參與氣化反應(yīng)的，該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，可以降低氣化反應(yīng)的劇烈程度，因此，采用CO2輸煤對(duì)氣化反應(yīng)是有好處的。

2　不同輸煤工藝對(duì)有效氣組成的影響

從上面氣化反應(yīng)方程式可以推斷出，CO2對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程有一定影響，采用CO2輸煤的煤氣化比采用N2輸煤的煤氣化有效氣（H2+CO）組成要高，即當(dāng)制取相同量有效氣時(shí)，采用CO2輸煤的煤氣化要比采用N2輸煤的煤氣化的氧耗和煤耗低。從河南某煤化工有限公司采用CO2代替N2輸煤［2］的結(jié)果來(lái)看，這一推斷也得到了證實(shí)，CO2替代N2輸煤后有效氣（H2+CO）含量基本上能增加約10%。我公司為山東2個(gè)建設(shè)地點(diǎn)相鄰的化工企業(yè)設(shè)計(jì)的年產(chǎn)30萬(wàn)t煤制合成氨裝置，都采用了HT-L粉煤加壓氣化工藝，分別為N2輸煤和CO2輸煤，氣化初步計(jì)算結(jié)果表明，采用CO2輸煤比采用N2輸煤的氣化裝置出口有效氣（H2+CO）（干基）含量提高了3%。

3　不同輸煤工藝對(duì)前后裝置的影響

3.1對(duì)空分裝置的影響

采用N2輸煤時(shí)，空分裝置的空壓機(jī)處理氣量需增加，并需增加液氮泵將中壓液氮壓縮至高壓液氮，而且需要增加氮壓機(jī)提供氣化裝置所需要的密封氮?dú)?。采用CO2輸煤時(shí)，雖然可以減少空壓機(jī)的處理氣量，并減少了液氮泵，但需增加輸煤二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組，而且該機(jī)組在開(kāi)車初期還要壓縮低壓氮?dú)?，低溫甲醇洗產(chǎn)出CO2后仍要切換過(guò)來(lái)，對(duì)機(jī)組要求比較高。

3.2對(duì)后續(xù)裝置的影響

對(duì)于煤制甲醇裝置來(lái)說(shuō)，與采用N2輸煤比較，采用CO2輸煤的粗煤氣經(jīng)過(guò)變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2含量低，對(duì)甲醇合成的影響是弛放氣量明顯減少，甲醇產(chǎn)量增加，合成效率提高［2］。因此，煤制甲醇裝置建議采用CO2輸煤。

對(duì)于煤制合成氨裝置來(lái)說(shuō)，采用CO2輸煤的粗煤氣經(jīng)過(guò)變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2約0.52%；采用N2輸煤的粗煤氣經(jīng)過(guò)變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2約7.5%。不同的N2含量對(duì)后續(xù)氣體精制工藝有一定影響，采用N2輸煤的粉煤加壓氣化后的氣體精制單元可以采用液氮洗工藝，但多采用甲烷化工藝，若N2含量大于9%，則建議只采用甲烷化工藝，而不要采用液氮洗工藝［3］；采用CO2輸煤的粉煤加壓氣化后的氣體精制單元可以采用液氮洗工藝，也可采用甲烷化工藝。

4　不同輸煤工藝的操作費(fèi)用比較

采用N2輸煤時(shí)，因輸煤需要的氮?dú)饬勘容^大，空分裝置的負(fù)荷也相應(yīng)提高，為滿足輸煤壓力的要求，還需要設(shè)置2臺(tái)低溫液氮泵；采用CO2輸煤時(shí)，空分裝置的負(fù)荷小，但需單獨(dú)設(shè)置二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組及廠房。采用N2與采用CO2輸煤的具體消耗和操作費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表1（以30萬(wàn)t/a合成氨為例，含空分裝置）。

表1　采用N2和采用CO2輸煤的消耗和操作費(fèi)用對(duì)比

從上表比較可看出，采用CO2輸煤比采用N2輸煤操作費(fèi)用降低約4%。

5　不同輸煤工藝的投資比較

采用N2輸煤與采用CO2輸煤的投資比較見(jiàn)表2（以30萬(wàn)t/a合成氨為例，含空分裝置）。

表2　采用N2輸煤與采用CO2輸煤的投資對(duì)比

從上表比較可看出，采用CO2輸煤比采用N2輸煤投資要高約3%。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)粉煤加壓氣化工藝中采用N2輸煤和CO2輸煤的綜合比較，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：①采用CO2輸煤降低了氣化反應(yīng)溫度，增加了有效氣含量，對(duì)煤化工裝置有一定好處；②煤制甲醇裝置建議采用CO2輸煤，煤制合成氨裝置若采用N2輸煤，建議氣體精制單元采用甲烷化工藝，若采用CO2輸煤，則氣體精制單元采用液氮洗或甲烷化工藝都可以；③采用CO2輸煤投資要略高于N2輸煤，但能耗和操作費(fèi)用略低。

［1］姜圣階，等.合成氨工學(xué)［M］.石油化工工業(yè)出版社，1978.

［2］戴樂(lè)亭.Shell氣化爐以CO2代替N2作為粉煤輸送氣的研究［J］.煤化工，2011（1）：35-36，50.

［3］高峰，尹俊杰.探討液氮洗原料氣中氮?dú)夂康母呦拗担跩］.大氮肥，2012，34（3）：181-184，206.

修改稿日期：2016-06-20

Com parison and Selection of CO2and N2as Pulverized Coal Carrier Gases in Coal Gasification Process

YIN Jun-jie，ZHAO Rui-ping
（Changzheng Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou Branch，Lanzhou Gansu 730010 China）

Analysis and comparison of the CO2and N2as pulverized coal carrier gases in coal gasification processusher the results that compared with the latter，applying the former one can decrease the operating cost by 4%and increase the investment by 3%.A rule is summed up therefrom that different pulverized coal carrier gases and applicable processes shall be selected for different products of coal chemical units.

coal gasification process；CO2as coal carrier gas；N2as coal carrier gas；comparison

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

TQ 546

B

1004-8901（2016）04-0022-02

尹俊杰（1977年-），男，山西浮山人，1999年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程系，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事化工工藝設(shè)計(jì)等工作。