煤氣化技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的運(yùn)用

陳紹波，陳紹茹

(1.潞安豐喜泉稷能源有限公司，山西 運(yùn)城 043200；2.天津天盛鼎和通信工程有限公司，天津 301700)

0 引言

伴隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，合成氨生產(chǎn)工藝受到了廣泛關(guān)注，受限于我國資源體系的特點(diǎn)，多數(shù)合成氨生產(chǎn)體系的原料結(jié)構(gòu)依舊采取煤炭為主要原料的方式，這就需要應(yīng)用更加合理的技術(shù)控制方案，從而減少資源浪費(fèi)。

1 煤氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于發(fā)達(dá)國家，我國煤氣化技術(shù)研究工作起步較晚，但對(duì)應(yīng)的合成氨工藝匹配煤氣化技術(shù)的研究，無論是開發(fā)工作還是應(yīng)用工作都具有突出的優(yōu)勢。特別是在20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)的德士古水煤漿加壓氣化技術(shù)體系，配合自主研發(fā)的固定床無煙煤富氧氣化技術(shù)等，建立了更加多元的煤氣化應(yīng)用平臺(tái)，也維持合成氨工藝流程的規(guī)范性。與此同時(shí)，我國煤氣化技術(shù)在合成氨中的應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大，將成為行業(yè)研究關(guān)注的重要課題[1]。

2 煤氣化技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的具體應(yīng)用

2.1 固定床氣化技術(shù)

固定床氣化技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，其分類也較多。依據(jù)不同固定床空氣處理方式建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)模式，能更好地提升應(yīng)用效率。其主要包括常壓固定態(tài)連續(xù)氣化技術(shù)、提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)以及碎煤固定床加壓氣化。

2.1.1 壓固定態(tài)連續(xù)氣化技術(shù)

在技術(shù)應(yīng)用過程中，要借助UGI 爐建立“富氧-蒸汽”連續(xù)上吹的處理模式，這種操作手段能有效取代空氣間歇?dú)饣迫『铣砂彼褂玫脑蠚猓瑵M足節(jié)能降耗的基本要求和標(biāo)準(zhǔn)。最早使用這種技術(shù)是在20 世紀(jì)60 年代，借助過富氧連續(xù)氣化制備水煤氣的實(shí)驗(yàn)操作模式，配合化肥廠煤氣爐完成生產(chǎn)試驗(yàn)，能有效驗(yàn)證技術(shù)的可控性和可操作性，發(fā)現(xiàn)技術(shù)方案的空氣間歇?dú)饣^程對(duì)整個(gè)制氣操作具有積極的作用。同時(shí)能減少對(duì)環(huán)境的污染，避免廢氣排放產(chǎn)生的問題。目前，黑龍江地區(qū)、吉林地區(qū)、安徽地區(qū)等多家化肥廠依舊沿用這種技術(shù)處理方式。

2.1.2 升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)

在提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)應(yīng)用控制工作中，要將塊狀無煙煤作為整個(gè)技術(shù)應(yīng)用的基本原料，并且匹配空氣、水蒸汽等氣化劑，維持常溫常壓狀態(tài)下原料氣和燃燒氣的控制(如圖1)。技術(shù)無論是經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)保效益都較為突出，因此是目前應(yīng)用最為廣泛的煤氣化技術(shù)方案之一。

圖1 提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)流程示意圖

第一，技術(shù)方案的操作過程在不斷升級(jí)，傳統(tǒng)的停爐加煤直到系統(tǒng)出灰過程已經(jīng)逐漸被機(jī)械上煤匹配不停爐自動(dòng)加煤出灰轉(zhuǎn)型，能更好地提升資源利用效率，減少資源浪費(fèi)。

第二，應(yīng)用的設(shè)備無論是體型還是出氣口的實(shí)際應(yīng)用方位都呈現(xiàn)出多元發(fā)展的趨勢。

第三，傳統(tǒng)的技術(shù)方案中“四通考克”到水壓自動(dòng)機(jī)被取代。目前最為常見的技術(shù)應(yīng)用DCS 油壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，并且配置爐礦尋優(yōu)控制方案，能更好地提升設(shè)備監(jiān)督管理的規(guī)范性。

第四，高效余熱鍋爐成為了替代傳統(tǒng)爐鍋塔模式，借助高效余熱鍋爐等設(shè)備打造更加匹配的工藝流程，并且維持工藝設(shè)備配置的規(guī)范性。最關(guān)鍵的是，在技術(shù)應(yīng)用中有效降低了系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力作用，并且提高余熱回收率，避免冷卻水量和污水處理量的增多，減少環(huán)境負(fù)荷[2]。

第五，提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)相較于傳統(tǒng)技術(shù)，蒸汽分解率上升到50%，氣化強(qiáng)度提高到1 300 Nm3/(m2·h)，相較于傳統(tǒng)技術(shù)提升了2～3 倍。

第六，提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)中，將熱值低的爐渣二次利用提高利用率，全面維持循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用的規(guī)范性，提升原料煤的利用率。并且充分利用回收熱量，制備水泥、粉煤等，打造多元資源利用體系。

第七，提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)還能配置煤氣冷卻和洗滌分流技術(shù)，有效循環(huán)利用冷卻水閉路結(jié)構(gòu)，減少污水排放量，維持生態(tài)平衡[3]。

2.1.3 煤固定床加壓氣化

碎煤固定床加壓氣化技術(shù)成型較早，在1936 年實(shí)現(xiàn)第一代碎煤固定床加壓氣化技術(shù)模式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，第四代技術(shù)方案應(yīng)用較為廣泛，實(shí)現(xiàn)了魯奇爐內(nèi)鏡5 m 的設(shè)定，單獨(dú)的魯奇爐產(chǎn)氣量約為每小時(shí)7 000 Nm3。目前，我國云南解放化肥廠一直沿用這項(xiàng)技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)褐煤氣化方案，完成合成氨原料氣的處理。

另外，河南省某氣化廠也在使用碎煤固定床加壓氣化技術(shù)，主要是應(yīng)用在城市煤氣并聯(lián)生產(chǎn)甲醇項(xiàng)目中，在一期工程內(nèi)承建兩臺(tái)魯奇爐，尺寸為φ3 800 mm，并且應(yīng)用專項(xiàng)技術(shù)方案，匹配廢鍋流程，能有效提升技術(shù)處理的實(shí)效性[4]。

2.2 流化床氣化技術(shù)

2.2.1 恩德粉煤氣化生產(chǎn)技術(shù)

在恩德粉煤氣化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展歷程中，傳統(tǒng)的技術(shù)體系在設(shè)備方面已經(jīng)逐漸國產(chǎn)化，針對(duì)相關(guān)問題也提出了對(duì)應(yīng)的處理控制措施。具體優(yōu)化方案如下：

首先，恩德粉煤氣化生產(chǎn)技術(shù)中，氣化爐的爐箅已經(jīng)改良為噴咀布風(fēng)模式，這就大大提升了設(shè)備應(yīng)用效率，減少爐箅結(jié)渣問題造成的影響，并且能在規(guī)范應(yīng)用體系內(nèi)維持氣化溫度的合理性和科學(xué)性，為氣化爐運(yùn)轉(zhuǎn)效率的全面進(jìn)步提供保障[5]。

其次，氣化爐的中上部位置會(huì)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求增設(shè)進(jìn)風(fēng)噴咀。而在出口的位置，會(huì)增加干式旋風(fēng)除塵裝置，從而有效避免煤氣夾雜細(xì)煤粒對(duì)環(huán)境造成影響。也就是說，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)完成回收處理工序，確保返回氣化爐內(nèi)能重新燃燒操作，真正意義上打造良好環(huán)保的熱物料循環(huán)模式，減少飛灰中含碳量，這就大大提升了工序的環(huán)保效益。

最后，會(huì)在廢熱爐的位置添加旋風(fēng)除塵器，配合除塵工序，保證煤氣在經(jīng)過廢熱鍋爐后，爐管的磨損程度能得到有效降低，減少爐管結(jié)構(gòu)的積灰問題。正是借助增設(shè)處理的方式，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，也為元件應(yīng)用效率的提升提供保障，一定程度上延長了整個(gè)設(shè)備的使用壽命，確保在合理的檢修周期內(nèi)維持其綜合應(yīng)用水平。

2.2.2 熔聚流化床粉煤氣化

20 世紀(jì)90 年代，由我國中科院山西煤化研究所研發(fā)的技術(shù)模式申請(qǐng)獲得專利。相較于其他技術(shù)類型，灰熔聚流化床粉煤氣化處理方式利用合成氣工業(yè)示范裝置試驗(yàn)作為基礎(chǔ)，配合煤氣送入原合成氨系統(tǒng)后能符合基本的生產(chǎn)需求。

2.3 氣流床氣化技術(shù)

應(yīng)用最為廣泛的氣流床氣化技術(shù)就是水煤漿加壓氣化處理技術(shù)方案，主要依托濕法進(jìn)料處理模式，配合使用加壓氣化工藝流程，就能提升處理的實(shí)際效率。技術(shù)是由美國德世谷公司提出的，我國是在20 世紀(jì)70 年代引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，并且當(dāng)時(shí)配合技術(shù)方案建造了水煤漿加壓氣化制合成氣生產(chǎn)示范裝置，應(yīng)用激冷工藝流程，整體氣化爐的尺寸為φ2 800 mm，采取“一開一備”的工藝方案，整體應(yīng)用氣壓數(shù)值為2.7 MPa，單爐的投煤量為每天360 t 干煤。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)引進(jìn)技術(shù)方案和氣化裝置也在革新，尤其是配套的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的應(yīng)用，大大提升了氣化技術(shù)處理的時(shí)效性，并且應(yīng)用環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值更加突出。

具體流程如下：(1) 原料煤進(jìn)行破碎篩分處理。(2) 干燥處理。(3) 配合斗式提升機(jī)操作，運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)煤斗內(nèi)，并且配合使用螺旋給煤機(jī)。(4) 輸送到氣化爐，與此同時(shí)，氣化爐中要填充氧氣、蒸汽過熱器處理的蒸汽和軟水預(yù)熱器處理的軟水等。(5) 進(jìn)入冷卻器，配合完成第一旋風(fēng)分離器、第二旋風(fēng)分離器的處理，尤其是第二旋風(fēng)分離器，能實(shí)現(xiàn)排灰操作。(6) 去廢鍋后，進(jìn)入煤氣洗滌塔，使用氣柜予以收集。

另外，GSP 干粉煤氣化技術(shù)方案的應(yīng)用也比較廣泛，利用加壓處理的方式能有效維持整體工藝流程的規(guī) 范性。最初技術(shù)的目標(biāo)是借助高灰分褐煤完成民用煤氣的生產(chǎn)制造工作，并且研究部門也對(duì)應(yīng)匹配額氣化中試裝置。而在1984 年，德國黑水泵工廠利用GSP 技術(shù)方案，完成了商業(yè)化裝置的升級(jí)處理，整體參數(shù)為200 MW，粉煤的處理能力達(dá)到每小時(shí)30 t。在應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步的時(shí)代背景下，GSP 工藝也逐漸成熟升級(jí)，氣化原料改為煤焦油，能為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目提供支持，并整合技術(shù)應(yīng)用流程，更好地打造多元技術(shù)體系。

3 結(jié)語

總而言之，在合成氨生產(chǎn)中應(yīng)用煤氣化技術(shù)，要結(jié)合實(shí)際情況綜合分析技術(shù)要點(diǎn)，并且重視合成氨作為氮肥等基礎(chǔ)原料的價(jià)值，最大范圍內(nèi)替代無煙煤，為原料煤本地化發(fā)展提供支持，促進(jìn)合成氨行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，實(shí)現(xiàn)環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的和諧統(tǒng)一。