常壓固定床氣化裝置技術升級的方向和形勢

田守國

（江西昌昱實業(yè)有限公司，江西南昌 330013）

國家已經停止審批新上固定床間歇氣化生產裝置，固定床氣化裝置的應用方式已經步入新的轉折階段。如何科學選擇新的氣化工藝，是決定應用單位能否可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。

1 常壓固定床氣化裝置技術升級的必要性

煤化工生產中，造氣的技術裝備水平是企業(yè)安全、節(jié)能、環(huán)保等最主要的決定因素。

當今，煤化工行業(yè)正處在產能過剩時期，面臨產品市場疲軟，資源環(huán)境約束力加大，國家產業(yè)政策不斷升級，優(yōu)惠政策逐步減少，生產成本不斷升高的局面。

如何實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展？必然的規(guī)律是順應市場需求，再次進行產業(yè)結構大調整、生產單位大規(guī)模重組，優(yōu)化產品結構，平衡產需。裝備水平低、生產效益差的企業(yè)必將被淘汰，結局必然是煤化工生產單位和從業(yè)工人隨之相應精減。

當今，煤化工生產面臨的困難很多。例如，原料結構調整局限性越來越大。目前，山西無煙塊煤與無煙粉煤差價越來越小，甚至讓人感覺到型煤氣化的成本優(yōu)勢已經不明顯了。如果這樣的話，采用型煤氣化的意義只是避開了無煙塊煤價高貨缺的困擾，而從經濟效益上講，并沒有明顯超過采用無煙塊煤多少。

當然，除了依賴山西無煙煤的地區(qū)以外，當?shù)赜袩o煙煤礦產資源的地區(qū)，原料煤價格相比山西無煙煤價格低一些，塊煤與粉煤的差價相對要大一些。但是，應該注意到，煤化工投資重心已經快速地向這些產煤地區(qū)轉移，致使一些產煤地區(qū)的原料優(yōu)勢逐步消退。

“十一五”初期煤化工行業(yè)內曾經提出的改變原料結構，推廣型煤氣化，確實給應用單位帶來了一定的經濟效益。然而，在當今的大環(huán)境下，僅靠調整原料結構已經不會產生足以救活一個生產企業(yè)的經濟效益了。

因此，必須通過開辟新的途徑尋求新的效益增長點。顯然，對造氣來講，最佳途徑就是加快氣化裝置的技術升級速度，著眼于更新改造現(xiàn)有的常壓固定床氣化裝置，提高裝備水平，采用新的氣化工藝，將傳統(tǒng)的常壓固定床間歇氣化工藝改進成新一代連續(xù)氣化工藝。用先進的工藝技術使傳統(tǒng)的氣化裝置煥發(fā)活力，從而提高造氣工序的技術裝備水平和工藝技術水平，進一步提高造氣生產效率，提高單位產能，提高原料的轉化利用率，從而降低生產成本，獲取更多的經濟效益。

眾所周知，氣化裝置的技術水平和氣化工藝的技術水平，以及生產運行的穩(wěn)定性和經濟性，是直接影響生產成本和經濟效益的主要因素。所以，煤氣化技術的發(fā)展方式和方向，已成為煤化工行業(yè)所有生產單位十分重視的問題。

2 固定床煤氣爐的起源和初期的完善階段

世界上第一臺常壓固定床煤氣爐，于1913年在德國開始工業(yè)化生產，并且很快被當時工業(yè)化發(fā)展快速的國家引進使用。后來，美國聯(lián)合氣體公司正式命名為UGI氣化爐。這是一種常壓固定床煤氣化設備，1935年引進到我國大連化學廠（煤氣爐φ2 745mm），隨著我國工業(yè)化生產的發(fā)展被逐步推廣，在我國通稱固定床煤氣爐。

固定床煤氣爐采用間歇運行方式，要求氣化原料是有一定粒度范圍的塊狀原料。原設計生產合成氨原料氣的裝置氣化原料是粒度范圍20～100mm的焦炭。1958年開發(fā)推廣小氮肥生產裝置時，開發(fā)了小型化氣化煤及配套設施（煤氣爐φ1 980mm），氣化原料設計為石灰碳化煤球。

上世紀80年代末，小氮肥行業(yè)開始改石灰碳化煤球為無煙塊煤，后來中氮肥行業(yè)開始改焦炭為無煙塊煤，起初原料煤粒度仍然執(zhí)行20～100mm標準。

隨著造氣操作技術進步和造氣設備逐步完善，為了充分消化利用煤炭資源，入爐煤粒度范圍改為10～100mm。并且規(guī)范為粒度分級：大塊50～100mm，中塊25～50mm，小塊13～25mm，小粒10～13mm。

固定床煤氣爐投資少，建設周期短，運行成本低，裝備完全國產化，而且設備造價透明度高。特別是工業(yè)體制改革以后，雖然煤氣技術裝備不斷發(fā)展進步，但是裝備行業(yè)一直微利運作，把絕大部分利潤讓給了廣大用戶。所以說，煤氣裝備行業(yè)為我國煤化工行業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻。

3 常壓固定床氣化工藝多元化，應用領域廣泛

有一個概念尚存模糊認識，應該明確一下，以往提到常壓固定床煤氣爐必然想到間歇氣化，認為固定床指的就是間歇氣化。

其實不然，常壓指的是爐內氣化壓力，固定床指的是爐內固體物料自然堆積的分布形式。固定床煤氣爐的主要特點，是可以靈活轉換氣化劑，可以間歇氣化，也可以連續(xù)氣化。

3.1 運行方式

（1）間歇雙向循環(huán)制氣。

（2）單向連續(xù)制氣。

（3）雙向轉換連續(xù)制氣。

3.2 氣化工藝、氣化劑組合形式

（1）空氣＋蒸汽間歇氣化生產半水煤氣。

（2）空氣＋蒸汽間歇氣化生產水煤氣（氮氣5%左右）。

（3）富氧＋蒸汽連續(xù)氣化單向或雙向轉換生產半水煤氣。

（4）純氧＋蒸汽連續(xù)氣化生產水煤氣（氮氣≤0.5%）。

（5）純氧＋二氧化碳連續(xù)氣化生產高一氧化碳煤氣。

（6）空氣＋蒸汽連續(xù)單向氣化生產混合煤氣（工業(yè)燃氣）。

（7）單一氣化劑生產空氣煤氣（低熱值工業(yè)燃氣）。

我國以煤炭為原料的合成氨廠，絕大多數(shù)是基于UGI固定床間歇氣化煤氣爐發(fā)展起來的。而且，目前煤化工行業(yè)75%左右的產能仍然是采用該氣化工藝。

原設計氣化原料是焦炭，在上世紀70年代初大力發(fā)展小氮肥時較為普遍地采用了石灰碳化煤球，到上世紀80年代中期小氮肥行業(yè)大范圍應用無煙塊煤。當今原料路線已經擴展為多元化：焦炭、無煙塊煤、非標的小籽煤、型煤（煤球、煤棒）、半焦（也稱蘭炭、汽焦）等，打破了完全依賴無煙塊煤和優(yōu)質焦炭的原料結構，而且同樣可以像其他氣化工藝一樣能消化粉煤，只是存在粉狀氣化與成型后再氣化的區(qū)別而已。

固定床煤氣爐是可調性最強、用途最廣泛的多用途煤氣爐，在我國的長期應用中經過了很多的工藝革新改造和裝備平衡完善。目前，常壓固定床煤氣爐，廣泛應用于化工、冶金、機械、建材、城市燃氣等行業(yè)，總數(shù)量10 000余臺，其中46%左右用于煤化工生產，成為我國多個行業(yè)應用最廣泛的煤氣化裝置。

隨著新興煤基化工產品的不斷開發(fā)，對煤氣成分還會出現(xiàn)特殊的要求，必將促使新的氣化劑組合形式不斷被發(fā)掘使用，固定床煤氣爐的氣化劑種類還將進一步豐富，該類氣化爐的功能還會增加?；谝环N煤氣爐上開發(fā)出如此多樣化的氣化工藝，使固定床煤氣爐的應用價值進一步提高，生命力越發(fā)強勁，這一點是其他氣化方式所不能及的。

4 富氧連續(xù)氣化的起源和當今應用狀況

4.1 我國富氧連續(xù)氣化的起源

富氧連續(xù)氣化技術在我國已經有30多年歷史。從理論上講，入爐空氣中的氧氣含量高于普通空氣時，就叫作富氧氣化，富氧氣化具有顯著提高氣化效率和高溫氣化的特點。當初，由于存在傳統(tǒng)制氧技術成本較高，加之原料煤市場價格較低、貨源寬松，質量好的原料容易買進等有利條件，所以新技術應用的積極性不高，富氧連續(xù)氣化的推廣應用受到一定限制。

隨著制氧工藝的技術進步，深冷空分和PSA分離技術的制氧成本都大幅度降低。富氧氣化技術近10年來逐漸推廣，工業(yè)領域主要應用行業(yè)：合成氨生產裝置、工業(yè)煤氣、城市燃料、有色金屬冶煉、玻璃窯爐的玻璃熔化、化鐵爐和鑄造爐、內燃機的增氧燃燒等。因為富氧連續(xù)氣化工藝并不是向爐內直接加入99.6%以上的高濃度純氧，所以可以采用PSA制氧工藝。

4.2 富氧連續(xù)氣化的技術優(yōu)勢

富氧連續(xù)氣化工藝因為具有氣化強度大、原料煤適應性廣、無吹風氣排放、原料煤轉化利用率高等優(yōu)勢，完全符合當今國家的產業(yè)政策，屬于允許發(fā)展的煤氣化工藝。該氣化工藝取消了間歇氣化十幾個頻繁切換的工藝閥門，延長了有效制氣時間，大幅提高了煤氣爐的單爐生產能力，并且可消化利用6～13mm間歇氣化不適用的小籽煤，從而提高了煤炭的利用率。

間歇氣化為了提高氣化溫度，必須增加吹風量，增加放熱提高溫度，然而同時比氧氣多出3.6倍以上的氮氣也通過炭層，以氮氣為載體的顯熱損失在所難免。從這方面分析，富氧連續(xù)氣化的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了：即提高氣化劑中的氧濃度，使放熱和吸熱反應達到平衡，實現(xiàn)連續(xù)制氣，通過氣化劑中多進氧氣提高爐溫，減少了氮氣為載體的顯熱損失，這本身就是節(jié)煤降耗的有效途徑之一。

對間歇氣化來講，吹風階段的熱損失實際上是氮氣為載體的顯熱損失和吹風氣中一氧化碳＋氫的潛熱損失。富氧連續(xù)氣化相比間歇氣化，放熱過程減少了36%左右的氮氣入爐量（空氣中氮氣78%左右，富氧空氣中42%左右），氮氣作為載體的顯熱損失大量減少，這方面當然也相當于提高原料轉化利用率。

另一方面是灰渣殘?zhí)剂拷档?，富氧連續(xù)氣化灰渣殘?zhí)剂康陀陂g歇氣化，一般在10%～15%，同樣起到節(jié)煤降耗的作用。

相比間歇氣化吹風過程，富氧連續(xù)氣化流速僅為1／4～1／5，氣體帶出物大量減少，炭層吹翻、風洞現(xiàn)象杜絕，因此工藝穩(wěn)定性強，當然也是降低煤耗的途徑之一。

氣化強度高是富氧連續(xù)氣化技術優(yōu)勢之一，因為原料條件等因素的影響，氣化強度一般在1 600～2 200m3／（m2·h），相比間歇氣化，高出500～1 000m3／（m2·h）。因此，更適合于大型合成氨生產裝置配套使用，當然也可以與不同產能的合成氨裝置靈活配套。

4.3 富氧連續(xù)氣化應用情況

富氧連續(xù)氣化工藝在各單位的應用狀況如同間歇氣化一樣，并不是平衡發(fā)展的。總體來講，應用水平高的單位占大多數(shù)，應用情況好的單位氣化強度、灰渣殘?zhí)?、劣質原料消化利用等方面確實存在間歇氣化所不能比擬的優(yōu)勢，但是同時也發(fā)現(xiàn)還存在些有待于分步驟深入挖掘的潛力。

以往，富氧連續(xù)氣化技術改造和技術進步的速度相比間歇氣化慢了一些，問題在于富氧連續(xù)氣化不象間歇氣化那樣伴隨小氮肥的發(fā)展遍地開花，而且小氮肥始終在激烈的市場競爭中靠拼搏求生存，循規(guī)蹈矩技術革新步伐慢一點的單位就被淘汰出局。因此，探索新的操作方法和從嘗試小改小革發(fā)展到大力度的技術改造，促使小氮肥行業(yè)造氣水平逐步提高。另外，小氮肥行業(yè)全國一盤棋大搞技術交流的風氣極大地促使小氮肥行業(yè)的技術進步，后來逐漸形成了中氮廠學習小氮肥造氣技術的狀況，不但學習造氣技術，還把小氮肥行業(yè)使用的 “小爐子”搬進中氮廠。

富氧連續(xù)氣化起初的應用單位僅僅局限在幾家中氮廠，計劃經濟年代中氮廠沒有成本壓力，不用考慮技術革新降低生產成本。因此，較長一段時期內富氧連續(xù)氣化僅是維持使用，沒有大的革新進步。進入21世紀后隨著制氧成本降低，富氧連續(xù)氣化工藝才得到逐步推廣，隨著應用單位逐步增加，技術進步速度也隨之加快。

4.4 以往制約富氧連續(xù)氣化效益發(fā)揮的因素分析

富氧連續(xù)氣化生產應用多年，為什么沒有發(fā)揮出應有的水平呢？主要問題之一是，起初只是采用了富氧連續(xù)氣化工藝，而沒有開發(fā)配置富氧連續(xù)氣化的專用裝備，只是在間歇氣化設備配置條件下加入一定數(shù)量的氧氣，達到了連續(xù)氣化而已，應該說設備缺陷在一定程度上制約了富氧連續(xù)氣化的技術進步。

眾所周知，間歇氣化生產過程存在一個最大的矛盾，就是吹風與制氣兩個過程對爐內條件有截然不同的要求，吹風過程需要有低溫度薄炭層才能降低二氧化碳還原率，從而減少原料損失。而制氣階段不僅要求有高爐溫，而且需要厚火層提供更多的熱量促進蒸汽分解率提高，同時增加二氧化碳與火層接觸時間，促進還原率提高。這是一個極難解決的矛盾，吹風氣與火層接觸時間越短，二氧化碳還原生成一氧化碳的量越少，降低溫度、降低炭層、控制薄火層盡管可以抑制二氧化碳的還原，但與吹風的目的有矛盾。

正如制吹風氣進行系統(tǒng)安全置換，控制低于正常生產時的爐溫和低于正常生產時的炭層高度才能制出一氧化碳＋氫小于5%的合格吹風氣。目前間歇氣化技術裝備條件下，正常生產時吹風氣中一氧化碳＋氫含量大多數(shù)都在10%左右。這是與這些年來間歇氣化裝置一直過度追求增加煤氣爐高度、提高炭層高度和默守低壓頭風機有直接關系的。

間歇氣化的吹風強度大于5 000m3／（m2·h），氣化層內空氣的流速大于1.3m／s，才能保證吹風氣中有效氣體含量在正常范圍內。但是，在較高炭層高度、較小原料粒度或者使用低壓頭風機的條件下是難以實現(xiàn)的。

實際生產中為了縮短吹風氣在炭層與火層接觸時間，宜采用提高風速或適當降低燃料層高度的方法來減少吹風氣中的一氧化碳含量。在采用間歇氣化確定工藝指標時，只能選擇適中，不能只顧一頭，否則將適得其反，這就是間歇氣化煤氣爐高徑比不能無原則地過大，床層高度不能不科學控制過高的原因所在，這一矛盾一直制約著間歇氣化的單爐生產能力和運行效益。

而富氧連續(xù)氣化，氧化放熱、蒸汽分解、二氧化碳還原是同時進行，根本不存在避免二氧化碳還原量增加的矛盾，反而要求提高氣化強度的同時必須創(chuàng)造強有利于二氧化碳還原的條件。炭層提高和火層增厚都是提高蓄熱能力，提高氣化溫度，促使蒸汽分解和二氧化碳還原反應增加的必須條件，這正是富氧連續(xù)氣化降低半水煤氣中二氧化碳含量和降低出氣溫度的主要手段。

然而，在間歇氣化裝置上采用富氧連續(xù)氣化，由于受煤氣爐高徑比和水夾套高度的制約，只能達到與間歇氣化相同的床層高度，甚至有的單位為了防止掛壁，控制的床層高度低于間歇氣化，爐箅A層以上有效床層只有1 500～2 000mm，根本沒有相應的蓄熱能力和火層伸展空間。如果灰渣層稍微厚一些，火層就會上移到炭層表面，爐上出口溫度居高不下，因而限制了氣化強度的提高。如果采用大粒原料煤或生產負荷較重時，出氣溫度高達600℃以上，出氣溫度難以降低，造成顯熱損失大、原料煤熱粉化量大、半水煤氣中二氧化碳含量偏高。由于有效床層太薄，灰渣層允許范圍有限，灰渣層穩(wěn)定難度大，容易出現(xiàn)火層下移紅炭落到灰盤上。為了保護設備，只能降負荷或停爐養(yǎng)爐，因此，不但爐子操作控制難度大，也限制了富氧連續(xù)氣化的生產能力和綜合效益。

二氧化碳存在一定的惰性，還原速度慢，二氧化碳還原效率一是取決于溫度，二是取決于與高溫原料接觸的時間。如果出口溫度600℃的話，炭層表面溫度應該在700℃左右。700℃的溫度正在二氧化碳還原所需溫度范圍，如果有足夠的炭層高度，利用這部分顯熱形成有效的還原層，二氧化碳還原數(shù)量和效率必定大幅度提高，煤氣中二氧化碳含量必將大幅度下降，連續(xù)氣化的優(yōu)勢和經濟效益就能更大限度的發(fā)揮。

富氧連續(xù)氣化半水煤氣成分見表1。

表1 富氧連續(xù)氣化半水煤氣成分 %

4.5 富氧連續(xù)氣化對設備的要求

富氧連續(xù)氣化的系統(tǒng)裝備有明顯技術特點，相比間歇氣化系統(tǒng)差別是很大的，前期的設計正是因為沒有抓住這一特點，沒有具備合理配置的設備條件，加之操作理念沒有完全符合富氧連續(xù)氣化的氣化原理，難免出現(xiàn)運行效益不甚理想的局面。在間歇氣化煤氣爐基礎上改為富氧連續(xù)氣化的煤氣爐，主要熱損失大部分在出氣溫度，產氣量越大出氣帶出的熱量越多。所以，對于連續(xù)氣化來講，降低出氣溫度是設計和操作的主要任務。連續(xù)氣化要求煤氣爐有充足的物容量和熱容量，從而降低出氣溫度，減少顯熱損失，否則熱效率就大幅度降低。

根據多家使用單爐的實際運行狀況分析，同樣化學特性的原料煤，采用小粒度原料時運行狀況明顯改善，上行出氣溫度下降100℃以上，控制相同出口溫度氣化強度增加30%左右。所以，使用單位總結出富氧連續(xù)氣化適應小粒度原料的經驗。實際上，這是小粒度原料使床層密實度增加，蓄熱能力增強的結果，與增加床層厚度是一個道理。連續(xù)氣化更適合小粒度原料也是符合氣化原理的，因為連續(xù)氣化取消了吹風過程，不用擔心吹翻炭層和吹風過程中的二氧化碳還原，當然會使小粒度原料發(fā)揮出更高的經濟效益。

4.6 富氧連續(xù)氣化技術升級的途徑

4.6.1 對氣化裝置進行二次升級

富氧連續(xù)氣化的潛力有以下四點：

（1）提高床層蓄熱能力，創(chuàng)造條件進一步提高生產負荷；

（2）進一步降低出氣溫度，減少顯熱損失；

（3）進一步降低灰渣殘?zhí)迹?/p>

（4）提高操作彈性、增強工況穩(wěn)定性，實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行才能發(fā)揮優(yōu)勢。

以上四條實際上是只要求改變一個條件，即床層高度。而改變這一條件必須首先要改變設備條件，必須采用連續(xù)氣化專用設備。所謂連續(xù)氣化專用設備，就是根據連續(xù)氣化生產特點有針對性的專門開發(fā)設計的整套生產裝置，包括造氣工藝流程中的系統(tǒng)配套設施，并非單純改進煤氣爐。

4.6.2 工藝操作方面

富氧連續(xù)氣化操作方法也有一定的可變性和靈活性，完全可以獨立配套合成氨工程，能夠使半水煤氣中氫／氮達到工藝要求。以往富氧連續(xù)氣化操作控制方法靈活性較差，致使富氧連續(xù)氣化不能單獨配套生產系統(tǒng)。目前還沒有一個單位全部使用富氧連續(xù)氣化為合成氨生產裝置配套，都是以間歇氣化為主，富氧連續(xù)氣化為輔。

為什么形成這樣的運行模式呢？因為操作上教條的執(zhí)行55%～58%氧濃度。在這個氧濃度范圍內，半水煤氣中氮氣含量10%～14%，顯然氫／氮不平衡，因此就形成了富氧氣化不考慮氫／氮，間歇氣化煤氣爐多加氮的操作模式。因而，也就形成了富氧氣化必須要與間歇氣化共存的配套模式。

半水煤氣中氮氣含量的高低，取決于富氧氣體中氮氣含量，降低氧濃度就增加了氮氣含量。富氧空氣控制適當?shù)牡獨夂?，半水煤氣中就會出現(xiàn)相應的氮氣含量，調節(jié)這一項指標就可實現(xiàn)氫／氮的調節(jié)控制，把握好規(guī)律后與間歇氣化的加氮操作一樣簡單。

5 純氧連續(xù)氣化工藝技術現(xiàn)狀

純氧連續(xù)氣化裝置是目前常壓固定床氣化裝置系列中的最高版本，同時純氧連續(xù)氣化工藝也是常壓固定床氣化工藝系列中的最高版本，當然還不是最終版本。純氧連續(xù)氣化技術裝備更新升級指的是整套系統(tǒng)配套設施而不是單純指煤氣爐，當然，純氧連續(xù)氣化專用爐是更新幅度最大的，煤氣爐主體部分和系統(tǒng)配套設施，都是針對純氧連續(xù)氣化的工藝原理和氣化特點而開發(fā)設計的專用裝置。

該氣化裝置自動化程度大幅度提高。除配置自動加煤、自動下灰和旋風除塵器、廢鍋底部全密閉水力除灰以外，煤氣爐和系統(tǒng)溫度、壓力、壓差、流量等重要參數(shù)都由計算機控制系統(tǒng)集中采集和顯示，并對多工藝控制數(shù)據配置自動調節(jié)和安全聯(lián)鎖。純氧水煤氣生產裝置是間歇氣化裝置的升級版，在原料煤適應面、氣化強度、煤氣組分、煤氣產率、蒸汽分解率、原料轉化利用率、安全、節(jié)能、環(huán)保等方面均有很大的提高和改善。

該工藝最重要的工藝操作參數(shù)是汽氧比，與氣流床氣化操作中強調的氧煤比有一定區(qū)別，但是目的是相同的，就是為了控制一定的氣化爐溫度。汽氧比的確定通常是根據原料煤的灰熔點溫度（ST）、反應活性、灰渣狀態(tài)和水煤氣中二氧化碳等組成來確定。

常壓固定床純氧連續(xù)氣化工藝，有兩種不同的氣化劑組合方式。

（1）純氧（≥99.6%）＋蒸汽連續(xù)氣化生產低含氮量（≤0.5%）的水煤氣。

（2）純氧（≥99.6%）＋二氧化碳（≥97%）生產富含一氧化碳（69%左右）的粗煤氣。

純氧連續(xù)氣化，是富氧連續(xù)氣化技術跨越式升級的結果。純氧連續(xù)氣化，氧氣純度高，放熱劇烈，氣化強度高，原料轉化利用率高，工況穩(wěn)定性強。

火層分布特點是，由于純氧氧化反應劇烈，高溫氧化區(qū)域相對集中，同時由于熱幅射傳導的作用，亞高溫區(qū)（還原層）相對溫度高、區(qū)域較長。對于純氧水煤氣工藝來講，既利于蒸汽高效率分解，又利于二氧化碳還原效率提高，也有利于熱量轉化利用率提高。對于純氧二氧化碳工藝來講，提高了二氧化碳轉化率及煤氣中一氧化碳含量，氧、焦、二氧化碳消耗都相應降低。

加之由于純氧連續(xù)氣化爐配給了合理的床層高度，床層蓄熱能力能夠滿足工藝需要，所以出氣溫度低，顯熱損失少。

更主要的特點是，生產專用工藝氣體，給系統(tǒng)生產裝置節(jié)能降耗創(chuàng)造了十分有利的條件。

常壓固定床煤氣爐的重大技術提升，起源于利用氧技術的推廣，由富氧氣化升級而來。由初步的在入爐空氣中增加氧氣進行富氧連續(xù)氣化，到隨著科學技術的發(fā)展進步，為了滿足不同碳基化工產品對原料氣成分的特殊要求，用氧技術有了突破性進展，即純氧連續(xù)氣化。

純氧連續(xù)氣化由于沒有氮氣為載體的熱損失，出氣溫度相對容易降低，原料轉化利用率高于常壓固定床煤氣爐的其他氣化工藝。

純氧氣化消除了氮氣為載體的熱損失，間歇氣化煤氣爐的熱損主要在吹風階段，而吹風階段的熱損實際上是氮氣為載體的顯熱損失和吹風氣中一氧化碳＋氫（含量10%左右）的潛熱損失。

純氧連續(xù)氣化使造氣在環(huán)境保護方面提高了一大步。固定床間歇氣化造氣系統(tǒng)，最大的噪音污染來源于大功率的空氣鼓風機，富氧連續(xù)氣化仍然沒有擺脫空氣鼓風機。而純氧連續(xù)氣化徹底擺脫了空氣鼓風機，生產操作噪音達到國標標準，造氣生產環(huán)境得到了極大的改善。

純氧連續(xù)氣化由于比間歇氣化單臺煤氣爐減少大部分油壓工藝閥門，減少60%左右的動密封點，大大減少了設備維護、檢修工作量和費用開支，大幅度減少了設備跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。生產現(xiàn)場干凈、整潔、安靜。

5.1 純氧＋蒸汽生產水煤氣

5.1.1 工藝原理

利用專門設計的常壓固定床煤氣爐，以無煙煤作氣化原料，以純氧（＞99.6%）和水蒸氣作氣化劑，在煤氣爐內高溫條件下連續(xù)氣化生產高質量水煤氣。

純氧＋蒸汽生產水煤氣有效氣體含量高，一氧化碳＋氫80%～84%，氮氣含量≤0.5%。而且原料煤種適應面廣，焦炭、無煙塊煤、型煤都可以，體現(xiàn)出優(yōu)于常壓固定床煤氣爐其他各種氣化工藝的優(yōu)勢，灰渣殘?zhí)嫉陀诔汗潭ù裁簹鉅t其他各種氣化工藝。實際生產表明，在間歇氣化煤氣爐上很難操作的半焦（也稱蘭炭），在純氧水煤氣爐上應用，結果與山西優(yōu)質的無煙塊煤相差很小。

5.1.2 水煤氣質量的優(yōu)勢

純氧連續(xù)氣化生產水煤氣，不但有效氣體含量大幅度提高，而且氮氣含量遠遠低于間歇氣化生產的水煤氣。因此，特別適合大型醇類煤化工生產裝置配套使用，同時也適合于前些年投產的配套間歇氣化工藝的醇類生產裝置改造。

純氧＋蒸汽連續(xù)氣化水煤氣成分見表2。

表2 純氧＋蒸汽連續(xù)氣化水煤氣組成 %

5.1.3 氣化強度的優(yōu)勢

純氧連續(xù)氣化由于取消了吹風過程和采用純氧作氣化劑，采用中等質量原料煤的條件下氣化強度在1 600m3／（m2·h）以上。相同煤質條件下比間歇氣化生產水煤氣單爐產氣量提高一倍以上。

純氧連續(xù)氣化，氧氣純度高，放熱劇烈，由于沒有其他氣狀熱載體經過床層，所以氧化反應區(qū)域短，火層不易分散，有利于床層蓄熱。十分有利于強化生產和充分利用熱量，提高原料轉化利用率。氧化放熱與蒸汽分解同時高效率進行，氣化層位置穩(wěn)定性強，原料煤氣化充分，灰渣殘?zhí)剂康?，出渣溫度低?/p>

純氧連續(xù)氣化蒸汽分解率高，一般原料煤條件下達到75%左右。某單位純氧連續(xù)氣化爐采用山西陽泉中小塊煤，蒸汽分解率在85%～88%，比間歇氣化高出30%左右，比富氧連續(xù)氣化高出20%左右。

間歇氣化過程氮氣載熱造成出氣溫度高，操作上必須加大蒸汽量來吸收熱量，因此又促成蒸汽過剩，氮氣和過剩蒸汽是數(shù)量很大的熱載體。降低這些載體的入爐量，就提高了原料轉化利用率，因此不讓氮氣入爐是很節(jié)能的工藝路線。

5.2 純氧＋二氧化碳生產富含一氧化碳的煤氣

5.2.1 工藝原理

利用專門的常壓固定床煤氣爐，采用焦炭作氣化原料，純氧（純度99.6%）和二氧化碳（純度＞97%）作氣化劑，利用二氧化碳還原反應：

在煤氣爐內高溫條件下連續(xù)氣化生產一氧化碳含量68%左右的粗煤氣，二氧化碳27%左右，其余少量為氫、氮、氬、甲烷、硫化氫，見表3。

由于醋酸、甲酸、甲胺、醋酐等產品氣體純度對原料煤的特殊要求，為以上產品配套的造氣裝置原料煤只適合焦類原料，加之氣化裝置采用了多項新技術，該工藝已經可采用焦類原料中最廉價的半焦（也稱蘭炭）作氣化原料，因此大幅度降低生產成本。

該還原工藝起初主要是為生產醋酸、甲酸、甲胺、醋酐等單獨使用一氧化碳的醇類下游產品生產系統(tǒng)配套的，因為以上產品要求煤氣中氫氣含量不能過高，所以氣化原料煤必須采用低揮發(fā)分的焦類原料。

表3 一氧化碳發(fā)生爐氣體組成 %

上述產品使用99.8%以上的高純度一氧化碳。傳統(tǒng)的一氧化碳獲取方法是從合成氨原料氣中提取一部分一氧化碳，由于合成氨原料氣中還有大量的氫氣、氮氣、二氧化碳、甲烷、氧氣、氬氣等氣體，一氧化碳的含量只有27%左右，提取的一氧化碳成本高，因而影響生產成本。

而且以前醋酸、甲酸、醋酐等產品只能與合成氨聯(lián)產，新型常壓固定床純氧連續(xù)生產一氧化碳工藝技術開發(fā)應用后，該類型化工生產裝置可以建設獨立的生產單位，一氧化碳生產成本低于合成氨聯(lián)產。

5.2.2 應用領域拓寬

該還原工藝同時適合于利用焦爐煤氣或干餾煤氣 “配碳”生產醇類產品的生產系統(tǒng)配套使用。而且用于生產 “配碳”的煤氣時，煤氣爐的原料適用面擴大，可以采用無煙塊煤，因為 “配碳”的煤氣中氫氣含量允許高一些。

由于二氧化碳本身存在較大的惰性，化學性質沒有過熱蒸汽那么活躍，所以純氧二氧化碳轉化爐的氣化強度低于純氧水煤氣爐，一般在1 100m3／（m2·h），這是氣化劑特性決定的。若為大型醋酸、甲酸、甲胺、醋酐等項目配套，要求進一步提高單爐生產能力，可選大爐型。

5.2.3 煤氣成分對原料煤的要求

生產醋酸等產品要求盡量減少煤氣中的氫氣含量，因為氫氣在這類產品生產中屬于廢氣。然而，原料煤中都含有一定的固體氫，無煙煤中氫含量低，煙煤中氫含量高些。所以，生產醋酸等產品需要采用干餾掉揮發(fā)分的焦炭作原料。

而作為氨／醇原料氣時，煤氣中有一定的氫氣更好。所以，二氧化碳還原爐用于氨／醇生產時不但適應無煙塊煤，也適合于型煤，而且可以采用較高揮發(fā)分的無煙煤作氣化原料。

二氧化碳還原爐生產的煤氣一氧化碳含量比殼牌和航天爐還要高，應該推廣到合成氨廠使用。造氣不用蒸汽而改用企業(yè)難以消化處理掉的二氧化碳作氣化劑，將廢氣變成能源使企業(yè)實現(xiàn)低碳經濟、步入良性循環(huán)。

固定床煤氣爐二氧化碳轉化工藝用于合成氨生產，造氣系統(tǒng)取消了蒸汽，由于煤氣中有大量一氧化碳需要變換，變換量增大，附產的蒸汽就能使全廠達到完全自給，這是合成氨生產裝置改變原料氣來源和生產低能耗的新途徑。

6 連續(xù)氣化煤氣中二氧化碳含量問題

說起連續(xù)氣化，人們較為關注的是煤氣中二氧化碳含量偏高的問題，這也是人們對連續(xù)氣化印象差的主要因素。

相比間歇氣化，連續(xù)氣化煤氣中二氧化碳含量確實偏高了一些。但是，連續(xù)氣化取消了吹風過程，將原來生產過程中放空的碳分子都回收到煤氣當中，另外，連續(xù)氣化大幅度提高了氣化強度，并且大幅度降低了灰渣殘?zhí)剂浚厦旱霓D化利用率提高了。單就煤氣中的二氧化碳來講，在變換前后都可以脫除，影響不到后面的高壓凈化過程和合成反應。

相比之下，連續(xù)氣化二氧化碳含量比間歇氣化偏高對系統(tǒng)凈化過程和壓縮功耗的影響，遠不如半水煤氣中氮氣的影響。氮氣自煤氣爐中加入系統(tǒng)，經過所有凈化工序和逐級壓縮加壓，到了合成塔內才參加合成反應。那么，造氣改為純氧連續(xù)氣化不加氮氣，等于濃縮了水煤氣，空分裝置送來的高純度氮氣按氫氮比要求送入合成系統(tǒng)，這樣就大幅度提高了系統(tǒng)的凈化效率。根據應用單位的生產運行情況分析，產生的經濟效益是顯著的。

隨著技術改造進程不斷深入和操作控制水平的提高，連續(xù)氣化煤氣中二氧化碳含量是會不斷降低的。從目前富氧連續(xù)氣化應用單位情況分析，各單位情況并不完全一樣，二氧化碳含量與各單位煤質情況或操作控制方法有密切關系，而且因此造成二氧化碳含量差別很大。有的單位二氧化碳含量確實達到了20%左右，而河南北部某化肥廠二氧化碳15%～18%，山西中部某化肥廠二氧化碳13%～17%。

這些單位都是屬于間歇改富氧連續(xù)氣化，富氧空氣氧濃度都在55%～58%。如果富氧連續(xù)氣化技術裝備能實現(xiàn)標準配置，氣化強度和二氧化碳還原能力提高以后，煤氣中二氧化碳含量必定有一定程度的降低。

連續(xù)氣化不論是常壓還是加壓氣化，不論是固定床、流化床還是氣流床，煤氣中二氧化碳含量都偏高一些，但是間歇氣化并不是二氧化碳產生得少，而是在吹風過程中二氧化碳連同10%左右的一氧化碳和氫放空了一部分而已。間歇氣化半水煤氣中二氧化碳含量也不是統(tǒng)一水平的，同樣是合成氨廠，同樣是無煙塊煤為原料，有的單位半水煤氣中二氧化碳含量7.5%左右，有的單位二氧化碳含量8%～9%。型煤間歇氣化二氧化碳一般在10%左右，有的單位12%左右。

其他煤氣化技術煤氣成分數(shù)據見表4。

表4 不同氣化技術煤氣成分 %

實際上二氧化碳并不是一種廢氣，而是一種可直接利用又可以轉化利用的資源。二氧化碳是價值比較高的可利用資源，在食品加工、機械制造、化工生產、石油開采等領域有廣泛應用。

利用固定床純氧連續(xù)氣化煤氣爐，將二氧化碳還原轉化為一氧化碳用于醋酸、甲酸、甲胺、醋酐等煤化工產品的生產，是經濟效益高的二氧化碳轉化利用技術，目前已經有部分單位率先應用，發(fā)展前景是非常廣闊的。

據有關資料介紹，我國正逐步實現(xiàn)二氧化碳資源化，形成二氧化碳產業(yè)結構鏈，將二氧化碳作為21世紀的碳能源，走循環(huán)經濟道路。以煤為原料生產甲醇，再以甲醇制烯烴，以乙烯和二氧化碳等作原料，制環(huán)氧乙烷，采用環(huán)氧乙烷工藝路線，再進行碳酸乙烯酯產品的生產；同時，采用環(huán)氧乙烷生產碳酸二甲酯聯(lián)產乙二醇、綠色清潔燃料——甲醇等，實現(xiàn)非光氣法聚碳酸酯、異氰酸酯及聚氨酯的綠色清潔化生產。

甲醇和二氧化碳產業(yè)鏈中碳酸二甲酯（DMC）是世界上第一個被命名為 “綠色”的精細化工產品。它是替代苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、丙酮、鹵代烷烴等有毒溶劑的環(huán)保型溶劑，用于涂料、膠粘劑、農藥和醫(yī)藥等行業(yè)，有廣闊的市場。它又是MTBE、硫酸二甲酯的甲基化劑、光氣的羰基化劑最好替代品。以碳酸二甲酯為原料，采用非光氣法生產聚氨酯，每年也具有近百萬噸的二氧化碳市場需求。

7 結 語

總體歸納常壓固定床氣化的技術升級，主要體現(xiàn)在以下步驟：即由空氣間歇氣化改為富氧連續(xù)氣化，又由富氧連續(xù)氣化提高到純氧連續(xù)氣化?？諝狻⒏谎?、純氧三大步體現(xiàn)了不同的技術層次。特別是進入純氧連續(xù)氣化后，這是常壓固定床氣化裝置和氣化工藝跨越式的技術提升，下一步將進入新型固定床加壓純氧連續(xù)氣化時代。

常壓固定床純氧連續(xù)氣化工藝，仍然是屬于固態(tài)不等粒度出渣，因為是常壓氣化，排灰方式仍然采用邊置灰斗，大灰盤旋轉排灰，利用灰犁刮除灰盤邊緣灰渣排入灰斗，保證排灰出渣既順暢又不出現(xiàn)塌炭流生，根本的措施是煤氣爐主要部件的設計必須與煤氣爐的氣化面積匹配合理，并且在操作控制方面要嚴格掌握灰渣的成渣狀態(tài)和成渣率。因此，在工藝操作方面，為了保證工藝正常，避免床層內出現(xiàn)原料熔結或局部結疤，必須保持較大的汽／氧，所以水煤氣中氫含量遠高于流化床氣化和熔態(tài)出渣的氣流床氣化。

同時，因為固定床是固態(tài)出渣工藝，氧氣的用量只控制能夠滿足制氣吸熱反應平衡就可以了，相比熔態(tài)出渣，節(jié)約了熔化灰渣所消耗的氧氣。因此，常壓固定床純氧連續(xù)氣化工藝單位氧耗比流化床、氣流床氣化工藝都要低，而且差距還比較大?？傊?，純氧連續(xù)氣化工藝增加了常壓固定床氣化裝置的功能，使之在節(jié)能、安全、環(huán)保等方面又提高一大步，從而進一步提高固定床煤氣爐的應用價值，使之應用領域更加寬廣，生命力更加強勁。