煤炭常压固定层富氧连续气化技术展望

1、煤炭常压固定层富氧连续气化技术展望孙正泰 周孟仁（中国天辰化学工程公司 天津 300000）  前言 据国家有关部门统计及规划，1995年氮肥生产能力2100万吨（折纯N，以下同），实际产量为1768万吨，2000年能力为2577万吨，产量为2100万吨，其中以煤焦为原料的合成氨厂现有近千家，其中中型氮肥厂近四十家，遍布全国各地区。全国中小氮肥厂氨产量约占总产量的2/3，全年消耗煤炭约为四千多万吨，是仅次于发电行业的耗能大户。 这些目前仍在生产的以煤焦为原料的中小型化肥厂，生产技术普遍陈旧落户，产品能耗高，生产成本高。更为严重的是三废排放量大，对环境污染严重。这些厂大多数采用四、五十

2、年代美国、前苏联的U.G.I型和型造气炉，常压固定床炉型。造气工艺多为间歇式制气技术，原料耗量大，设备发气量低，操作烦杂，吹风气直接排入大气污染严重。对煤气的冷却除尘大多采用直接冷却，造成煤气中氰化物（CN-）随冷却水循环弛放入大气，部分煤尘、焦油等有害物质随排放水排出。这些工厂对于造气污水处理多数只采用较简单的灰水沉降处理，少数厂上了生化处理装置，因水量大处理困难，也形同虚设。因此可以说现有近千家煤焦为原料的化肥厂其造气系统不但是原料和能耗的大户，也是对大气、水体环境污染的大户。在当今技术高速发展的形势下，我国即将进入WTO，化肥行业面临激烈竞争的市场，环保形势极为严竣。老的间歇式造气工艺严

3、重束缚着上述中小型氮肥厂的生产和发展，采用新的工艺技术和原料路线改造这些老厂势在必行。 以下站在经济和环保的角度阐述采用富氧连续气化对间歇造气改造的方法及展望。   1 常压固定床富氧连续气化工艺技术的应用 世界上最早的煤气发生炉大约在十六世纪问世，主要用于冶金和玻璃行业。最初是用木炭、木柴为燃料，之后发展成煤和焦炭。进入二十世纪后，随着合成氨及化学工业的发展，大规模的煤气发生炉在技术和设备上有了突飞的发展。我国最早使用的用于合成氨工业的造气炉是三十年代南化公司引进美国制造的U.G.I炉，直径2745，以及五六十年代太原化肥厂引进苏联制造的型炉，直径3600。这些设备经消化吸收改造完

4、善后全部由我国制造并成为当时的省级化肥厂（中氮厂）的标准配套设备。 1.1 常压固定床富氧连续气化工艺技术的优点 目前的中氮厂大多以焦炭或山西无烟煤（白煤）为原料，采用间歇法工艺技术，生产半水煤气加工合成氨。六十年代末吉林化肥厂开始利用本厂空分富余的O2气在老的间歇造气炉上进行了富氧空气蒸汽连续气化制取合成氨原料气取得成功，使单炉生产能力增加了一倍，效果十分明显。之后，淮南化肥厂采用同样的办法，利用自己的多余O2气在老系统中进行焦炭和白煤富氧连续气化试验，均取得成功。从理论和实践中得知，富氧连续气化比间歇制气的优点表现如下： （1） 间歇法造气炭层温度上下变化大，气体流向周期变化，因此对燃料粒

5、度、热稳定性，灰熔点要求高，而富氧连续气化由于料层温度、介质流向、流量恒定，因而对燃料要求较低，适应小粒燃料，而间歇法则不能。 （2） 间歇法为了保持料层反应温度，必须进行空气吹风燃烧提温，吹风气放空带走了部分热量，造成燃料多余的损失。而且料层温度上下交变造成气化效率低。连续气化则由于富氧气进行氧化反应发热量可以维持气化反应的热平衡，因此床温平稳，热损失少，保证了高气化效率的条件（用焦炭时效率从50-60%提高到80-84%），从而节省燃料使得合成氨生产成本和能耗都有明显降低。 （3） 间歇法制气过程是按六个步骤循环程序进行的，其中空气吹风阶段是料层升温阶段，吹风气放空。这个阶段占了整个循环周

6、期的1/3。因而使设备利用率降低，生产能力下降，一般仅为连续气化的50%左右，燃料耗量高。 （4） 间歇法六步循环程控阀、程控机、工艺流程管线复杂，设备、阀门事故率高，维修管理工作量大，操作困难，气体成分不易调节，连续气化则工艺流程大大简化，程控阀大为减少，操作稳定，简易，维修工作量小，气体成分稳定易调节。 （5） 间歇法的吹风阶段将燃料燃烧吹风排放大气，使燃料中40%的硫化物及大量CO2及部分CO、灰尘直接排放大气，对大气造成严重污染。而连续气化取消了吹风阶段，不向大气排放，因而杜绝了大气污染。 （6） 间歇法的阶段性操作，主风管、风机、程控阀、放空等对操作环境的噪音污染严重。连续制气则安静

7、得多，使造气岗位成为一个安静环境。 从以上优缺点比较看，无论技术、经济、操作、维修、环保等各方面，富氧连续气化均优于间歇法。可见间歇法已是一个陈旧的落后技术了，在当代科技高速发展的今天被淘汰、被取代是不可避免的。然而目前国内尚有几十家中氮厂，几百家小氮肥厂仍用间歇法进行生产的原因是连续气化需要有制氧设备制取富氧或纯氧（O2>50%）。而制氧设备需要增加投资及增加电耗，（1Nm3纯氧，耗电0.4-0.5度电力），这就是间歇造气存在的唯一原因，这一点随着技术的进步也会逐步解决。 1998年我们为黑龙江某化工厂建成一套年产十八万吨合成氨装置。它用焦炭为原料，七台3m富氧连续气化炉，配一套120

8、00Nm3/h制氧设备，不但焦炭消耗低，总投资增加也较少。该装置1999年投入使用后效果很好，彻底改变了传统的间歇造气操作和管理，取得了初步成功。   1.2 富氧连续气化工艺流程 原料焦炭经破碎、筛分后，由皮带运输机送到煤气发生炉顶部焦炭料仓里，由加料斗经自动加焦机定时连续加入固定层煤气发生炉。蒸汽和富氧空气连续进入炉中，焦炭和富氧空气进行不完全燃烧产生大量的热量，温度升高，供蒸汽在炽热的炭中分解，制得半水煤气。 自空气鼓气机来的空气与空分系统来的99%以上氧气同时进入混合罐混合成5055%左右的富氧空气，混合后的富氧空气与来自蒸汽过热器的蒸汽再次混合进入煤气发生炉炉底，混合气温度

9、110140从煤气发生炉底部来的富氧空气，蒸汽与炉中的碳反应生成半水煤气从炉顶出来进入废热锅炉，将半水煤气由约700（<750）降至280左右。经过过热蒸汽预热器再次回收热量后约170进入洗气箱，煤气洗涤塔将半水煤气冷却至35送往气柜，经缓冲后进入泡沫除尘器，经过泡沫除尘后送入电滤器将其焦油和灰尘脱除至3mg/m3(标)以下，送入煤气压缩系统。废锅付产2.5MPa蒸汽外送，造气炉夹套付产0.04MPa(表)蒸汽供造气自用。 造气用蒸汽除夹套付产汽外，由空分空压机透平背压汽供给，这样节省电耗，蒸汽利用合理，制氧成本降低。 详见工艺流程图1-2-1。 图1-2-1 富氧连续气化工艺流程图1

10、自动加焦机 2 煤气发生炉 3 鼓风机 4混合器5 灰斗  6 废锅 7 汽包8 蒸汽过热器9 洗气箱 10 洗气塔   11 水封        1.3 富氧连续气化技术指标 （1） 焦炭规格 8-25mm小块 25-75mm大块 白煤规格8-25mm 小块煤 25-75mm 大块煤 分析组分：固定炭C 70%（实物） 灰分 A=16.4% 水分 W15% 焦炭发热量：25729kJ/kg 耗量：27.37t/h 折算1.314t/tNH3 （2） 消耗指标，见表

11、1-3-1 表1-3-1 富氧气化消耗指标 项 目 定额（吨氨） 小时耗量（/h） 备 注 小块、大块焦（分级入炉） 1.314t 27.37t 单炉耗4.562t/h 电 19.6kWh 490kWh   冷却水 60.4t 1510.0t   锅炉给水 1.69t 42.25t   蒸汽 0.73t 18.25t 扣除付产0.5t/tNH3 (12.75t/h) 氧气（O2>99.5%） 471.56Nm3 11789.0Nm3 单炉耗1964.83Nm3/h 付产中压蒸汽P=2.5MPa 1.1t 27.5t 外供尿素用 产半水煤气量 3241.76N

12、m3 81044.14Nm3 供合成氨甲醇用 单炉产气量（3m） 6开1备 13507.36Nm3 4.167tNH3/h·台   2. 固定层富氧连续气化工艺技术展望 富氧连续气化从理论研究到工业生产运用已有上百年历史，然而目前我国几百家中小化肥厂有几千台固定层造气炉绝大部分采用间歇气化工艺，为使这些企业在技术上、设备上进行更新改造，使得原燃料消耗、能耗进一步降低，产气量进一步提高，消除对环境的污染。这里着重介绍连续气化经济性，炉况自动监测，零污染排放等情况，作为今后发展方向。 2.1 富氧连续气化取代空气间歇气化 通过两种气化方法技经比较，择优采用，富氧连续气化是大有希

13、望的。 （1）两种气化方法的技术指标比较表2-1-1 两种气化方法技术指标比值 项 目 富氧连续气化 空气间歇气化 备 注 碳转化率 90%以上 -60%   焦耗 1.314t/tNH3 1.50t/tNH （入炉焦）1：1.14 气化效率 80% 75%   蒸汽分解率 -55.0% -45.0%   单炉制气能力（对比） 2-2.5 1（基准） 因原料不同而异   从表2-1-1中可见，富氧连续气化各项技术指标比值均优于空气间歇气化。富氧连续气化由于碳的利用率高，无吹风阶段，从而使吨氨入炉焦低14%左右，大大降低了能耗。虽然富氧连续气化所制得的半水

14、煤气中CO2含量比间歇气化法高56%左右，使脱碳装置负荷有所增加，并且增加了压缩机无用功的能耗，但总能耗仍低于空气间歇气化法，这在具体技术文件中可以看到。在调整H2/N2比、气体成分及操作管理、不污染环境等方面连续气化更优于间歇气化。 （2）  两种气化法能耗比较 详见如下能耗表2-1-2  两种气化方法生产能耗表（吨氨计） 项目 单位 单位 折能 富氧气化 间歇气化 数量 折能耗量 数量 折能耗量 KJ×106 KJ×106 kcal×106 KJ×106 kcal×106 入炉焦（白煤） t 27.5 1.314 36.

15、13 8.63 1.5 41.25 9.85 循环水 m3 0.0025 60.4 0.151 0.036 68.42 0.17 0.041 氧 m3 0.0095 453.37 4.30 1.03 - - - 电 lWh 0.01184 10.6 0.13 0.03 40.6 0.48 0.11 蒸汽 t 2.738 1.23 3.37 0.80 1.77 4.85 1.16 脱氧水 t 0.0285 1.68 0.045 0.011 1.85 0.066 0.016 付产蒸汽 t 2.802 1.60 -4.48 -1.07 1.8 -5.04 -1.20 合 计    

16、;   39.65 9.47   41.78 9.98   （3）  两种气化方法投资比较 原料白煤或焦炭，生产能力年产合成氨18万吨，空气间歇气化法需3600mm的气化炉9台套，生产能力按3.50吨氨/台·小时计算；富氧连续气化炉需3000mm的气化炉7台套，生产能力按4.2吨氨/台·小时计算，配用1套12000米3/小时的空分装置，供配制成50%的富氧所需的氧气。投资见下表2-1-3表2-1-3  两种气化方法投资比较表 项 目 富氧气化 间歇气化 备 注 1、生产能力 吨氨/天 600 600   2、造气装

17、置投资（万元） 7台炉及配套 9台炉及配套 配套机、电、仪、水等   3m炉 3.6m炉 全套工程   （开6备1） （开8备1或7备2）   设备费 1782.66 2666.2   安装费 1169.16 1856.4   建筑费 395.66 873.6   合 计 3347.48 5396.2   3、空分装置投资（万元） 空压机及分离装置 无此装置   （1） 空压机：设备费 2206.79     安装费 235.32     建筑费   147.49

18、    小 计 2589.60     （2） 空分装置：       设备费 2096.05     安装费 216.33     建筑费 125.64     小 计 2438.02     （3） 空分合计 5027.62     4、造气系统总投资 （万元） 8375.1 5396.2 差 值 2978.9   （4） 两种气化方法的成本比较（吨氨计）见表2-1-4。 表2-1-4 两种气化方法成本比较表（吨

19、氨计） 项 目 单价 （元） 富氧气化 间歇气化 备 注 单 耗 费用（元） 单 耗 费用（元） 焦炭或 白煤t 小粒 300 1.314 394.2     小粒与大中块混合 块 380     1.5 570   氧气 Nm3 0.2 453.37 90.67 - - 空压机用背压蒸汽透平驱动，背压汽用于造气使用。 循环水t 0.1 60.4 6.04 68.42 6.84   脱氧水t 2.00 1.68 3.36 1.85 3.7   电 kWh 0.25 16.6 2.05 40.6 10.15   蒸汽

20、0.3MPa t 35 0.73 25.55 自产自用 - 扣除夹套自产汽 工资     1.28   1.49 操作工人工资 外送蒸汽 2.5MPa t 50 1.1 -55.0     外送汽售价 合计元/t NH3     443.20   592.18   差 额 吨氨元   148.98   基准 运行1.12年可收回 空分增加的投资。 每年 万元 2681.56   （5） 两种工艺“三废”排放对环境污染情况比较 详见下表2-1-5 以年产18万吨氨（日产600t

21、NH3）计算表2-1-5 项 目 单 位 富氧气化 间歇气化 备 注 小时量 年量 小时量 年量 1、原料白煤耗量 吨 32.85 23.66×104 37.5 27×104   2、排灰渣 残炭15% 吨 6.58 4.74×104 7.95 5.72×104   3、吹风气排空 Nm3 无 无 82750 59580万m3 经燃烧室后 其中： CO 0.4% Nm3 - - 331 2.38×106 CO为0.4% CO2 19% Nm3 - - 15722.5 113.2×106   SO2 1.7

22、2g/Nm3 kg - - 143.15 1030.7吨   粉尘7.5mg/Nm3 kg - - 2.06 14.9吨   4、冷却水   采用零排放工艺 零排放     循环水经生化膜冷却塔处理，一般北方工厂处理效果较差，形同虚设。 CN- 5-10mg/l kg - - 10-20 72-144吨 S= 5-20mg/l kg - - 10-40 72-288吨 NH3-N 5-250mg/l kg - - 10-500 72-3600吨   从上表可看出，间歇气化的吹风气直接排入大气中，其中CO、SO2均超过国家环保标准，对大

23、气环境造成极坏影响。CO、SO2对人体产生毒害作用，造成酸雨严重危害地球生物。目前常压气化工艺冷却水大都采用直冷式，溶入水中的CN-，S=，NH3-N等有毒物质虽经生化塔处理，但效果较差，北方的冬季气温较低，生化膜活性差，处理装置形同虚设，因此循环水部分排水将污染江河水体。 鉴于间歇气化工艺对大气和水体的污染，从环保要求讲已经到了非改造治理不可的地步。采用富氧常压连续气化工艺改造间歇法是充分利用现有工艺设备，投资少，见效快，救活现有化肥企业，符合中国国情的改造方法。 2.2 采用炉况自动监测系统 近年来我科研部门推出不少方法，自动测量炉内炭层高度，料面形态，测量各层温度，通过数学模型微机处理，

24、达到自动控制加料量，下灰量及炉篦转速，气化剂蒸汽比和炉温，从而取代习惯采用的探火棒人工探火层，停炉加料、下灰，使固定层常压气化炉定陈旧古老技术焕发青春。发扬其造价低、见效快的长处，改掉其自动化水平低、人工方法控制的落后技术。 目前国内多家小化化肥厂采用武汉雷达学院研制的造气炉炉况监测系统，效果很好。但这些厂多数仅采用料层测量，并没有运用自动优化控制各参数的微机系统，仍用人工调节，这是今后厂家和科研设计部门共同努力的方向。 2.3 造气炉内温度测量 多年来许多企业对造气炉温测量作了许多工作，有直接测量，也有取出气流间接测量，也有分析成分计算炉温，上海吴淞煤气厂、上海工业自动化仪表研究所研制气化层

25、测温装置已进行了不少工作。 我国引进的鲁奇炉气化技术，操作压力2.73MPa，气化炉炉膛设三层测温热电偶共10只，底部（灰层）4只，280-320，中部（火层上）4只，760-820，顶部2只，200-210，下灰温度-280。煤气经废锅后引出、废锅付产蒸汽压力0.73MPa，该炉热电偶套管采用Cr25N20耐热不锈钢套管，每只热电偶使用寿命6-8个月，定期更换套管，操作基本稳定，有利生产管理。 富氧连续气化炉参照鲁奇炉技术配上三层热偶测温点，寿命按6个月计，相信测温正常使用后，可取消人工停炉探火，增加炉子气化能力，减少探火停车操作烦琐。由于有温度指示也避免了烧坏炉篦的事故，进而实现加料、负荷、温度、气体成分全自动优化控制操作。 2.4 造气废热锅炉 U.G.I炉所采用的火管式废锅，由于受气流灰缸冲蚀，煤气冷凝腐蚀及间歇气化变压力、温度造成应力腐蚀，使废锅炉寿命在一年左右，对生产影响较大。近年一些工厂运用热管技术，付产蒸汽压力可提高，使用寿命延长。但是热管技术较复杂，承受温度突然上升