技改項目煤氣化工藝路線比選總結(jié)

劉 明

（江蘇德邦興華化工股份有限公司，江蘇連云港 222023）

0 引 言

江蘇德邦興華化工股份有限公司150kt／a合成氨裝置采用固定床氣化爐制半水煤氣。當(dāng)前，國家對安全環(huán)保的要求日益嚴(yán)苛，固定床氣化工藝受到諸多限制，且固定床氣化爐煤種適用范圍窄，一般只能采用白煤作為制氣原料，而白煤價格偏高，導(dǎo)致制氣成本居高不下?；诮当驹鲂А踩h(huán)保及氣化爐煤種適應(yīng)性等方面的考慮，公司決定對現(xiàn)有固定床氣化系統(tǒng)進行升級改造。

對于中小型煤制氨／甲醇廠來說，固定床氣化系統(tǒng)改造主要應(yīng)遵循以下幾點原則：①適應(yīng)未來的煤種供求關(guān)系；②安全環(huán)保方面符合國家政策導(dǎo)向；③經(jīng)濟效益明顯；④后系統(tǒng)改動小。為此，我們進行了一系列的調(diào)研，著重考察了一種新型流化床氣化爐——循環(huán)流化床氣化爐，并將其與固定床氣化爐、水煤漿氣化爐在煤種適應(yīng)性、項目投資、能源利用率、制氨成本、氣體壓縮成本、制堿 （聯(lián)堿）、安全及環(huán)保等方面進行了綜合對比，現(xiàn)簡介如下。

1 煤種適應(yīng)性

循環(huán)流化床氣化技術(shù)是一種新型氣化技術(shù)，目前國內(nèi)中小型合成氨、甲醇廠煤氣化裝置主要采用固定床氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)，相較于這2種技術(shù)，循環(huán)流化床氣化技術(shù)在煤種適應(yīng)性方面有較大的優(yōu)勢：首先，固定床氣化爐一般只能選用白煤作為原料，水煤漿氣化爐原料一般選用神華煤配比其他煤種，而循環(huán)流化床氣化爐可選用褐煤、煙煤或白煤；其次，循環(huán)流化床氣化爐對煤的灰熔點要求較低，而固定床氣化爐對煤的灰熔點要求高，否則易結(jié)疤結(jié)塊，水煤漿氣化爐對煤的灰熔點要求也較高，否則會影響爐壁的掛渣效果；再者，水煤漿氣化爐對煤的成漿性要求也較高，這也就限制了水煤漿氣化爐的煤種適應(yīng)范圍。

簡言之，在煤種適應(yīng)性方面，循環(huán)流化床氣化爐優(yōu)于固定床氣化爐和水煤漿氣化爐，尤其是在優(yōu)質(zhì)原料煤供應(yīng)日益緊張及成本高企的未來。

2 制氨／制甲醇的可行性

山東聊城某公司共有5臺循環(huán)流化床氣化爐，用于生產(chǎn)燃料煤氣，氣化爐設(shè)計操作溫度902℃ （實際操作溫度約950℃），其中3臺循環(huán)流化床氣化爐單爐產(chǎn)煤氣量40000m3／h，2臺循環(huán)流化床氣化爐單爐產(chǎn)煤氣量60000m3／h，5臺爐產(chǎn)能共計240000m3／h，其煤氣成分分析數(shù)據(jù)如表1（并與固定床氣化爐所產(chǎn)煤氣成分進行對比）?？梢钥闯?，該公司循環(huán)流化床氣化爐用于生產(chǎn)燃料煤氣，因其氣化爐操作溫度低，故所產(chǎn)煤氣CO和H2含量低、CH4含量高，煤氣發(fā)熱量約1400k cal／m3，有效氣 （CO+H2）含量約40%。

表1 循環(huán)流化床氣化爐所產(chǎn)煤氣成分分析數(shù)據(jù) %

據(jù)介紹，循環(huán)流化床氣化爐應(yīng)用于化工行業(yè)，如煤制氨、煤制甲醇等，據(jù)下游系統(tǒng)氣質(zhì)需求，主要需進行如下調(diào)整：調(diào)整原料添加位置；提高爐溫，以控制粗煤氣中CH4含量在1.8%以下；調(diào)整氣化劑如氧氣濃度等，氧氣 （富氧空氣）濃度達40%～50%時，有效氣 （CO+H2）含量可達65%～70%。

3 運行穩(wěn)定性

上述聊城某公司原有100臺固定床氣化爐，目前基本拆完，改為循環(huán)流化床氣化爐，現(xiàn)場輔助設(shè)備基本上均為一開一備，運行穩(wěn)定性好。據(jù)介紹，循環(huán)流化床氣化爐運行過程中基本上不需要進行檢修，原則上每年檢修1次，有連續(xù)運行400d以上的記錄，當(dāng)然也有個別氣化爐因跑火問題間隔半年停爐處理內(nèi)保溫 （屬特殊情況），每次停爐時長在10d左右。

該公司循環(huán)流化床氣化爐爐渣使用皮帶輸往電廠利用，含碳量低則電廠不接收，因此該公司氣化爐爐渣含碳量偏高 （爐渣殘?zhí)靠梢哉{(diào)整），渣量3%，含碳量8%；其布袋除塵系統(tǒng)小灰量占投煤量的15%，小灰含碳量35%，全部使用氣力輸灰送至儲倉，再用空氣輸灰送至鍋爐燃燒利用；出界區(qū)煤氣含塵量15mg／m3，煤氣溫度43℃，由壓縮機外送下游系統(tǒng)。氣化裝置的爐渣和小灰循環(huán)利用后，能量利用率基本上可提高至98%以上。

4 經(jīng)濟性分析

對上述山東聊城某公司循環(huán)流化床氣化爐進行調(diào)研，其煤氣產(chǎn)量與投煤量統(tǒng)計情況如表2（每班 8h）。

表2 循環(huán)流化床氣化爐煤氣產(chǎn)量與投煤量統(tǒng)計

據(jù)表2數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場采集到的其他數(shù)據(jù)，以150kt／a合成氨裝置為例，對循環(huán)流化床氣化爐、固定床氣化爐、水煤漿氣化爐的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)進行對比，具體如表3。

表3 循環(huán)流化床氣化爐與固定床氣化爐、水煤漿氣化爐的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比

單從消耗 （表3）來看，循環(huán)流化床氣化爐并無明顯優(yōu)勢，但循環(huán)流化床氣化爐爐灰量大，爐灰可在熱電廠利用，無浪費。因此，利用綜合能耗的觀點來進行如下分析。

假設(shè)固定床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐的原料煤全部都用于產(chǎn)煤氣和蒸汽，在無損失的理想狀態(tài)下，以150kt／a合成氨裝置為例，以煤的單位熱值價格來進行比較，循環(huán)流化床氣化爐與現(xiàn)有固定床氣化爐的原料煤成本比較見表4。

表4 循環(huán)流化床氣化爐與現(xiàn)有固定床氣化爐的原料煤成本比較

由表4可以看出：同樣150kt／a合成氨產(chǎn)能，以每年消耗225k t的白煤來計算，若采用循環(huán)流化床氣化爐聯(lián)合鍋爐循環(huán)利用能源，每年可節(jié)省用煤成本8100萬元左右，循環(huán)流化床氣化爐煤種適應(yīng)范圍廣、原料煤成本低的優(yōu)勢立即體現(xiàn)出來。

當(dāng)然，由于采用循環(huán)流化床氣化工藝的150 kt／a合成氨裝置需配備12000m3／h的空分裝置，按1m3氧氣生產(chǎn)成本0.25元、空分裝置年運行8000h計，全年空分裝置的運行成本為2400萬元，因此，較之于采用固定床氣化工藝的150kt／a合成氨裝置，粗略估算每年可產(chǎn)生5700萬元的利潤。

5 幾種爐型的綜合對比

以150kt／a合成氨裝置配套氣化系統(tǒng)為例，對固定床氣化爐、水煤漿氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐三者，從煤種適應(yīng)性、項目投資、能源利用率、制氨成本、氣體壓縮成本、制堿 （聯(lián)堿）、安全及環(huán)保等方面進行對比，具體如下。

5.1 固定床氣化爐

（1）煤種適用性：白煤。

（2）項目投資：5000萬元 （固定床氣化爐系統(tǒng)占地面積大，產(chǎn)出比低）。

（3）能源利用率：間歇制氣，能源利用率最低。

（4）制氨成本：受白煤價格和間歇制氣工藝本身的影響，制氨成本最高。

（5）氣體壓縮成本：煤氣常壓壓縮，電耗較高。

（6）制堿方面：節(jié)電 （變換氣制堿）。

（7）安全方面：設(shè)有氣柜，屬重大危險源。

（8）環(huán)保方面：①停爐瞬間必然產(chǎn)生冒煙、粉塵，無法滿足環(huán)保要求；②余熱鍋爐尾部煙氣煙塵處理裝置投資大；③水污染嚴(yán)重，污水處理成本高。

固定床氣化工藝能耗高、污染大，屬淘汰工藝。

5.2 水煤漿氣化爐

（1）煤種適用性：煙煤；當(dāng)前主流煤種為神華煤摻白煤 （白煤制漿效果好，神華煤灰熔點低、掛渣效果好）。

（2）項目投資：空分裝置+煤氣化系統(tǒng)投資約4億元。

（3）能源利用率：水煤漿中水分占40%，氣化反應(yīng)實際水需求量不足15%，浪費大，故能源利用率低。

（4）制氨成本：使用高壓純氧作為氣化劑，制氧成本高，達0.57元／m3，但原料煤利用率高，總體制氨成本較低。

（5）氣體壓縮成本：電耗較低，但氣化劑——氧氣利用空分裝置分離，轉(zhuǎn)化率低，能耗較高，制氧成本是變壓吸附制氧的3倍，且除氧氣、氮氣2種原料氣要從常壓開始壓縮外，H2也要直接提壓至6.4MPa（水煤漿氣化壓力），算上制氧成本，就氣體壓縮環(huán)節(jié)而言，電耗方面3種技術(shù)無明顯區(qū)別。

（6）制堿方面：需對CO2加壓，屬低壓壓縮，功耗大，電耗高。

（7）安全方面：設(shè)置有安全聯(lián)鎖，安全可靠。

（8）環(huán)保方面：①無大氣污染；②渣水存在污染現(xiàn)象。

5.3 循環(huán)流化床氣化爐

（1）煤種適用性：適應(yīng)性廣，無特殊要求。

（2）項目投資：空分裝置+煤氣化系統(tǒng)投資約1.2億元。

（3）能源利用率：單臺循環(huán)流化床氣化爐能源利用率低，但聯(lián)合熱電鍋爐運行則能源利用率最高，即循環(huán)流化床氣化爐必須建設(shè)在有循環(huán)流化床鍋爐 （發(fā)電）的廠家才能發(fā)揮優(yōu)勢。

（4）制氨成本：富氧制氧成本低 （低于0.25元／m3），能源利用率高，總體上制氨成本較低。

（5）氣體壓縮成本：煤氣常壓壓縮，電耗較高。

（6）制堿方面：節(jié)電 （變換氣制堿）。

（7）安全方面：設(shè)置有安全聯(lián)鎖，安全可靠。

（8）環(huán)保方面：①無大氣污染；② 界區(qū)外脫硫系統(tǒng)前需配置洗氣塔對煤氣進行冷卻降塵，存在少量水污染。

6 結(jié) 論

從經(jīng)濟性、煤種適應(yīng)性等方面來看，循環(huán)流化床氣化爐制氨／制甲醇相較于固定床氣化爐、水煤漿氣化爐有一定的優(yōu)勢，且安全可靠、無大氣和廢水污染，符合國家節(jié)能環(huán)保政策要求。目前，生產(chǎn)燃?xì)獾墓I(yè)化循環(huán)流化床氣化爐已成功運行，并已實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長周期運行。經(jīng)調(diào)研和綜合評價，江蘇德邦興華化工股份有限公司已經(jīng)決定采用循環(huán)流化床氣化技術(shù)對固定床氣化系統(tǒng)進行升級改造，目前正在做可研報告。總而言之，循環(huán)流化床氣化爐可以作為中小型合成氨／甲醇生產(chǎn)企業(yè)新上項目或技改項目氣化系統(tǒng)的爐型選擇。