煤炭常壓固定層富氧連續(xù)氣化技術(shù)展望

1、煤炭常壓固定層富氧連續(xù)氣化技術(shù)展望孫正泰 周孟仁（中國天辰化學工程公司 天津 300000）  前言 據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計及規(guī)劃，1995年氮肥生產(chǎn)能力2100萬噸（折純N，以下同），實際產(chǎn)量為1768萬噸，2000年能力為2577萬噸，產(chǎn)量為2100萬噸，其中以煤焦為原料的合成氨廠現(xiàn)有近千家，其中中型氮肥廠近四十家，遍布全國各地區(qū)。全國中小氮肥廠氨產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的2/3，全年消耗煤炭約為四千多萬噸，是僅次于發(fā)電行業(yè)的耗能大戶。 這些目前仍在生產(chǎn)的以煤焦為原料的中小型化肥廠，生產(chǎn)技術(shù)普遍陳舊落戶，產(chǎn)品能耗高，生產(chǎn)成本高。更為嚴重的是三廢排放量大，對環(huán)境污染嚴重。這些廠大多數(shù)采用四、五十

2、年代美國、前蘇聯(lián)的U.G.I型和型造氣爐，常壓固定床爐型。造氣工藝多為間歇式制氣技術(shù)，原料耗量大，設備發(fā)氣量低，操作煩雜，吹風氣直接排入大氣污染嚴重。對煤氣的冷卻除塵大多采用直接冷卻，造成煤氣中氰化物（CN-）隨冷卻水循環(huán)弛放入大氣，部分煤塵、焦油等有害物質(zhì)隨排放水排出。這些工廠對于造氣污水處理多數(shù)只采用較簡單的灰水沉降處理，少數(shù)廠上了生化處理裝置，因水量大處理困難，也形同虛設。因此可以說現(xiàn)有近千家煤焦為原料的化肥廠其造氣系統(tǒng)不但是原料和能耗的大戶，也是對大氣、水體環(huán)境污染的大戶。在當今技術(shù)高速發(fā)展的形勢下，我國即將進入WTO，化肥行業(yè)面臨激烈競爭的市場，環(huán)保形勢極為嚴竣。老的間歇式造氣工藝嚴

3、重束縛著上述中小型氮肥廠的生產(chǎn)和發(fā)展，采用新的工藝技術(shù)和原料路線改造這些老廠勢在必行。 以下站在經(jīng)濟和環(huán)保的角度闡述采用富氧連續(xù)氣化對間歇造氣改造的方法及展望。   1 常壓固定床富氧連續(xù)氣化工藝技術(shù)的應用 世界上最早的煤氣發(fā)生爐大約在十六世紀問世，主要用于冶金和玻璃行業(yè)。最初是用木炭、木柴為燃料，之后發(fā)展成煤和焦炭。進入二十世紀后，隨著合成氨及化學工業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模的煤氣發(fā)生爐在技術(shù)和設備上有了突飛的發(fā)展。我國最早使用的用于合成氨工業(yè)的造氣爐是三十年代南化公司引進美國制造的U.G.I爐，直徑2745，以及五六十年代太原化肥廠引進蘇聯(lián)制造的型爐，直徑3600。這些設備經(jīng)消化吸收改造完

4、善后全部由我國制造并成為當時的省級化肥廠（中氮廠）的標準配套設備。 1.1 常壓固定床富氧連續(xù)氣化工藝技術(shù)的優(yōu)點 目前的中氮廠大多以焦炭或山西無煙煤（白煤）為原料，采用間歇法工藝技術(shù)，生產(chǎn)半水煤氣加工合成氨。六十年代末吉林化肥廠開始利用本廠空分富余的O2氣在老的間歇造氣爐上進行了富氧空氣蒸汽連續(xù)氣化制取合成氨原料氣取得成功，使單爐生產(chǎn)能力增加了一倍，效果十分明顯。之后，淮南化肥廠采用同樣的辦法，利用自己的多余O2氣在老系統(tǒng)中進行焦炭和白煤富氧連續(xù)氣化試驗，均取得成功。從理論和實踐中得知，富氧連續(xù)氣化比間歇制氣的優(yōu)點表現(xiàn)如下： （1） 間歇法造氣炭層溫度上下變化大，氣體流向周期變化，因此對燃料粒

5、度、熱穩(wěn)定性，灰熔點要求高，而富氧連續(xù)氣化由于料層溫度、介質(zhì)流向、流量恒定，因而對燃料要求較低，適應小粒燃料，而間歇法則不能。 （2） 間歇法為了保持料層反應溫度，必須進行空氣吹風燃燒提溫，吹風氣放空帶走了部分熱量，造成燃料多余的損失。而且料層溫度上下交變造成氣化效率低。連續(xù)氣化則由于富氧氣進行氧化反應發(fā)熱量可以維持氣化反應的熱平衡，因此床溫平穩(wěn)，熱損失少，保證了高氣化效率的條件（用焦炭時效率從50-60%提高到80-84%），從而節(jié)省燃料使得合成氨生產(chǎn)成本和能耗都有明顯降低。 （3） 間歇法制氣過程是按六個步驟循環(huán)程序進行的，其中空氣吹風階段是料層升溫階段，吹風氣放空。這個階段占了整個循環(huán)周

6、期的1/3。因而使設備利用率降低，生產(chǎn)能力下降，一般僅為連續(xù)氣化的50%左右，燃料耗量高。 （4） 間歇法六步循環(huán)程控閥、程控機、工藝流程管線復雜，設備、閥門事故率高，維修管理工作量大，操作困難，氣體成分不易調(diào)節(jié)，連續(xù)氣化則工藝流程大大簡化，程控閥大為減少，操作穩(wěn)定，簡易，維修工作量小，氣體成分穩(wěn)定易調(diào)節(jié)。 （5） 間歇法的吹風階段將燃料燃燒吹風排放大氣，使燃料中40%的硫化物及大量CO2及部分CO、灰塵直接排放大氣，對大氣造成嚴重污染。而連續(xù)氣化取消了吹風階段，不向大氣排放，因而杜絕了大氣污染。 （6） 間歇法的階段性操作，主風管、風機、程控閥、放空等對操作環(huán)境的噪音污染嚴重。連續(xù)制氣則安靜

7、得多，使造氣崗位成為一個安靜環(huán)境。 從以上優(yōu)缺點比較看，無論技術(shù)、經(jīng)濟、操作、維修、環(huán)保等各方面，富氧連續(xù)氣化均優(yōu)于間歇法?？梢婇g歇法已是一個陳舊的落后技術(shù)了，在當代科技高速發(fā)展的今天被淘汰、被取代是不可避免的。然而目前國內(nèi)尚有幾十家中氮廠，幾百家小氮肥廠仍用間歇法進行生產(chǎn)的原因是連續(xù)氣化需要有制氧設備制取富氧或純氧（O2>50%）。而制氧設備需要增加投資及增加電耗，（1Nm3純氧，耗電0.4-0.5度電力），這就是間歇造氣存在的唯一原因，這一點隨著技術(shù)的進步也會逐步解決。 1998年我們?yōu)楹邶埥郴S建成一套年產(chǎn)十八萬噸合成氨裝置。它用焦炭為原料，七臺3m富氧連續(xù)氣化爐，配一套120

8、00Nm3/h制氧設備，不但焦炭消耗低，總投資增加也較少。該裝置1999年投入使用后效果很好，徹底改變了傳統(tǒng)的間歇造氣操作和管理，取得了初步成功。   1.2 富氧連續(xù)氣化工藝流程 原料焦炭經(jīng)破碎、篩分后，由皮帶運輸機送到煤氣發(fā)生爐頂部焦炭料倉里，由加料斗經(jīng)自動加焦機定時連續(xù)加入固定層煤氣發(fā)生爐。蒸汽和富氧空氣連續(xù)進入爐中，焦炭和富氧空氣進行不完全燃燒產(chǎn)生大量的熱量，溫度升高，供蒸汽在熾熱的炭中分解，制得半水煤氣。 自空氣鼓氣機來的空氣與空分系統(tǒng)來的99%以上氧氣同時進入混合罐混合成5055%左右的富氧空氣，混合后的富氧空氣與來自蒸汽過熱器的蒸汽再次混合進入煤氣發(fā)生爐爐底，混合氣溫度

9、110140從煤氣發(fā)生爐底部來的富氧空氣，蒸汽與爐中的碳反應生成半水煤氣從爐頂出來進入廢熱鍋爐，將半水煤氣由約700（<750）降至280左右。經(jīng)過過熱蒸汽預熱器再次回收熱量后約170進入洗氣箱，煤氣洗滌塔將半水煤氣冷卻至35送往氣柜，經(jīng)緩沖后進入泡沫除塵器，經(jīng)過泡沫除塵后送入電濾器將其焦油和灰塵脫除至3mg/m3(標)以下，送入煤氣壓縮系統(tǒng)。廢鍋付產(chǎn)2.5MPa蒸汽外送，造氣爐夾套付產(chǎn)0.04MPa(表)蒸汽供造氣自用。 造氣用蒸汽除夾套付產(chǎn)汽外，由空分空壓機透平背壓汽供給，這樣節(jié)省電耗，蒸汽利用合理，制氧成本降低。 詳見工藝流程圖1-2-1。 圖1-2-1 富氧連續(xù)氣化工藝流程圖1

10、自動加焦機 2 煤氣發(fā)生爐 3 鼓風機 4混合器5 灰斗  6 廢鍋 7 汽包8 蒸汽過熱器9 洗氣箱 10 洗氣塔   11 水封        1.3 富氧連續(xù)氣化技術(shù)指標 （1） 焦炭規(guī)格 8-25mm小塊 25-75mm大塊 白煤規(guī)格8-25mm 小塊煤 25-75mm 大塊煤 分析組分：固定炭C 70%（實物） 灰分 A=16.4% 水分 W15% 焦炭發(fā)熱量：25729kJ/kg 耗量：27.37t/h 折算1.314t/tNH3 （2） 消耗指標，見表

11、1-3-1 表1-3-1 富氧氣化消耗指標 項 目 定額（噸氨） 小時耗量（/h） 備 注 小塊、大塊焦（分級入爐） 1.314t 27.37t 單爐耗4.562t/h 電 19.6kWh 490kWh   冷卻水 60.4t 1510.0t   鍋爐給水 1.69t 42.25t   蒸汽 0.73t 18.25t 扣除付產(chǎn)0.5t/tNH3 (12.75t/h) 氧氣（O2>99.5%） 471.56Nm3 11789.0Nm3 單爐耗1964.83Nm3/h 付產(chǎn)中壓蒸汽P=2.5MPa 1.1t 27.5t 外供尿素用 產(chǎn)半水煤氣量 3241.76N

12、m3 81044.14Nm3 供合成氨甲醇用 單爐產(chǎn)氣量（3m） 6開1備 13507.36Nm3 4.167tNH3/h·臺   2. 固定層富氧連續(xù)氣化工藝技術(shù)展望 富氧連續(xù)氣化從理論研究到工業(yè)生產(chǎn)運用已有上百年歷史，然而目前我國幾百家中小化肥廠有幾千臺固定層造氣爐絕大部分采用間歇氣化工藝，為使這些企業(yè)在技術(shù)上、設備上進行更新改造，使得原燃料消耗、能耗進一步降低，產(chǎn)氣量進一步提高，消除對環(huán)境的污染。這里著重介紹連續(xù)氣化經(jīng)濟性，爐況自動監(jiān)測，零污染排放等情況，作為今后發(fā)展方向。 2.1 富氧連續(xù)氣化取代空氣間歇氣化 通過兩種氣化方法技經(jīng)比較，擇優(yōu)采用，富氧連續(xù)氣化是大有希

13、望的。 （1）兩種氣化方法的技術(shù)指標比較表2-1-1 兩種氣化方法技術(shù)指標比值 項 目 富氧連續(xù)氣化 空氣間歇氣化 備 注 碳轉(zhuǎn)化率 90%以上 -60%   焦耗 1.314t/tNH3 1.50t/tNH （入爐焦）1：1.14 氣化效率 80% 75%   蒸汽分解率 -55.0% -45.0%   單爐制氣能力（對比） 2-2.5 1（基準） 因原料不同而異   從表2-1-1中可見，富氧連續(xù)氣化各項技術(shù)指標比值均優(yōu)于空氣間歇氣化。富氧連續(xù)氣化由于碳的利用率高，無吹風階段，從而使噸氨入爐焦低14%左右，大大降低了能耗。雖然富氧連續(xù)氣化所制得的半水

14、煤氣中CO2含量比間歇氣化法高56%左右，使脫碳裝置負荷有所增加，并且增加了壓縮機無用功的能耗，但總能耗仍低于空氣間歇氣化法，這在具體技術(shù)文件中可以看到。在調(diào)整H2/N2比、氣體成分及操作管理、不污染環(huán)境等方面連續(xù)氣化更優(yōu)于間歇氣化。 （2）  兩種氣化法能耗比較 詳見如下能耗表2-1-2  兩種氣化方法生產(chǎn)能耗表（噸氨計） 項目 單位 單位 折能 富氧氣化 間歇氣化 數(shù)量 折能耗量 數(shù)量 折能耗量 KJ×106 KJ×106 kcal×106 KJ×106 kcal×106 入爐焦（白煤） t 27.5 1.314 36.

15、13 8.63 1.5 41.25 9.85 循環(huán)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 - - - 電 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 脫氧水 t 0.0285 1.68 0.045 0.011 1.85 0.066 0.016 付產(chǎn)蒸汽 t 2.802 1.60 -4.48 -1.07 1.8 -5.04 -1.20 合 計    

16、;   39.65 9.47   41.78 9.98   （3）  兩種氣化方法投資比較 原料白煤或焦炭，生產(chǎn)能力年產(chǎn)合成氨18萬噸，空氣間歇氣化法需3600mm的氣化爐9臺套，生產(chǎn)能力按3.50噸氨/臺·小時計算；富氧連續(xù)氣化爐需3000mm的氣化爐7臺套，生產(chǎn)能力按4.2噸氨/臺·小時計算，配用1套12000米3/小時的空分裝置，供配制成50%的富氧所需的氧氣。投資見下表2-1-3表2-1-3  兩種氣化方法投資比較表 項 目 富氧氣化 間歇氣化 備 注 1、生產(chǎn)能力 噸氨/天 600 600   2、造氣裝

17、置投資（萬元） 7臺爐及配套 9臺爐及配套 配套機、電、儀、水等   3m爐 3.6m爐 全套工程   （開6備1） （開8備1或7備2）   設備費 1782.66 2666.2   安裝費 1169.16 1856.4   建筑費 395.66 873.6   合 計 3347.48 5396.2   3、空分裝置投資（萬元） 空壓機及分離裝置 無此裝置   （1） 空壓機：設備費 2206.79     安裝費 235.32     建筑費   147.49

18、    小 計 2589.60     （2） 空分裝置：       設備費 2096.05     安裝費 216.33     建筑費 125.64     小 計 2438.02     （3） 空分合計 5027.62     4、造氣系統(tǒng)總投資 （萬元） 8375.1 5396.2 差 值 2978.9   （4） 兩種氣化方法的成本比較（噸氨計）見表2-1-4。 表2-1-4 兩種氣化方法成本比較表（噸

19、氨計） 項 目 單價 （元） 富氧氣化 間歇氣化 備 注 單 耗 費用（元） 單 耗 費用（元） 焦炭或 白煤t 小粒 300 1.314 394.2     小粒與大中塊混合 塊 380     1.5 570   氧氣 Nm3 0.2 453.37 90.67 - - 空壓機用背壓蒸汽透平驅(qū)動，背壓汽用于造氣使用。 循環(huán)水t 0.1 60.4 6.04 68.42 6.84   脫氧水t 2.00 1.68 3.36 1.85 3.7   電 kWh 0.25 16.6 2.05 40.6 10.15   蒸汽

20、0.3MPa t 35 0.73 25.55 自產(chǎn)自用 - 扣除夾套自產(chǎn)汽 工資     1.28   1.49 操作工人工資 外送蒸汽 2.5MPa t 50 1.1 -55.0     外送汽售價 合計元/t NH3     443.20   592.18   差 額 噸氨元   148.98   基準 運行1.12年可收回 空分增加的投資。 每年 萬元 2681.56   （5） 兩種工藝“三廢”排放對環(huán)境污染情況比較 詳見下表2-1-5 以年產(chǎn)18萬噸氨（日產(chǎn)600t

21、NH3）計算表2-1-5 項 目 單 位 富氧氣化 間歇氣化 備 注 小時量 年量 小時量 年量 1、原料白煤耗量 噸 32.85 23.66×104 37.5 27×104   2、排灰渣 殘?zhí)?5% 噸 6.58 4.74×104 7.95 5.72×104   3、吹風氣排空 Nm3 無 無 82750 59580萬m3 經(jīng)燃燒室后 其中： CO 0.4% Nm3 - - 331 2.38×106 CO為0.4% CO2 19% Nm3 - - 15722.5 113.2×106   SO2 1.7

22、2g/Nm3 kg - - 143.15 1030.7噸   粉塵7.5mg/Nm3 kg - - 2.06 14.9噸   4、冷卻水   采用零排放工藝 零排放     循環(huán)水經(jīng)生化膜冷卻塔處理，一般北方工廠處理效果較差，形同虛設。 CN- 5-10mg/l kg - - 10-20 72-144噸 S= 5-20mg/l kg - - 10-40 72-288噸 NH3-N 5-250mg/l kg - - 10-500 72-3600噸   從上表可看出，間歇氣化的吹風氣直接排入大氣中，其中CO、SO2均超過國家環(huán)保標準，對大

23、氣環(huán)境造成極壞影響。CO、SO2對人體產(chǎn)生毒害作用，造成酸雨嚴重危害地球生物。目前常壓氣化工藝冷卻水大都采用直冷式，溶入水中的CN-，S=，NH3-N等有毒物質(zhì)雖經(jīng)生化塔處理，但效果較差，北方的冬季氣溫較低，生化膜活性差，處理裝置形同虛設，因此循環(huán)水部分排水將污染江河水體。 鑒于間歇氣化工藝對大氣和水體的污染，從環(huán)保要求講已經(jīng)到了非改造治理不可的地步。采用富氧常壓連續(xù)氣化工藝改造間歇法是充分利用現(xiàn)有工藝設備，投資少，見效快，救活現(xiàn)有化肥企業(yè)，符合中國國情的改造方法。 2.2 采用爐況自動監(jiān)測系統(tǒng) 近年來我科研部門推出不少方法，自動測量爐內(nèi)炭層高度，料面形態(tài)，測量各層溫度，通過數(shù)學模型微機處理，

24、達到自動控制加料量，下灰量及爐篦轉(zhuǎn)速，氣化劑蒸汽比和爐溫，從而取代習慣采用的探火棒人工探火層，停爐加料、下灰，使固定層常壓氣化爐定陳舊古老技術(shù)煥發(fā)青春。發(fā)揚其造價低、見效快的長處，改掉其自動化水平低、人工方法控制的落后技術(shù)。 目前國內(nèi)多家小化化肥廠采用武漢雷達學院研制的造氣爐爐況監(jiān)測系統(tǒng)，效果很好。但這些廠多數(shù)僅采用料層測量，并沒有運用自動優(yōu)化控制各參數(shù)的微機系統(tǒng)，仍用人工調(diào)節(jié)，這是今后廠家和科研設計部門共同努力的方向。 2.3 造氣爐內(nèi)溫度測量 多年來許多企業(yè)對造氣爐溫測量作了許多工作，有直接測量，也有取出氣流間接測量，也有分析成分計算爐溫，上海吳淞煤氣廠、上海工業(yè)自動化儀表研究所研制氣化層

25、測溫裝置已進行了不少工作。 我國引進的魯奇爐氣化技術(shù)，操作壓力2.73MPa，氣化爐爐膛設三層測溫熱電偶共10只，底部（灰層）4只，280-320，中部（火層上）4只，760-820，頂部2只，200-210，下灰溫度-280。煤氣經(jīng)廢鍋后引出、廢鍋付產(chǎn)蒸汽壓力0.73MPa，該爐熱電偶套管采用Cr25N20耐熱不銹鋼套管，每只熱電偶使用壽命6-8個月，定期更換套管，操作基本穩(wěn)定，有利生產(chǎn)管理。 富氧連續(xù)氣化爐參照魯奇爐技術(shù)配上三層熱偶測溫點，壽命按6個月計，相信測溫正常使用后，可取消人工停爐探火，增加爐子氣化能力，減少探火停車操作煩瑣。由于有溫度指示也避免了燒壞爐篦的事故，進而實現(xiàn)加料、負荷、溫度、氣體成分全自動優(yōu)化控制操作。 2.4 造氣廢熱鍋爐 U.G.I爐所采用的火管式廢鍋，由于受氣流灰缸沖蝕，煤氣冷凝腐蝕及間歇氣化變壓力、溫度造成應力腐蝕，使廢鍋爐壽命在一年左右，對生產(chǎn)影響較大。近年一些工廠運用熱管技術(shù)，付產(chǎn)蒸汽壓力可提高，使用壽命延長。但是熱管技術(shù)較復雜，承受溫度突然上升