常壓固定床間歇氣化改造分析

(新煤化工設(shè)計院(上海)有限公司，上海 200030)

固定床間歇氣化造氣技術(shù)曾經(jīng)在我國氮肥行業(yè)占主導(dǎo)地位，該技術(shù)在中國已經(jīng)發(fā)展近60多年，為化工特別是中小氮肥企業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻。近年來，由于無煙塊煤價格較高，越來越多有實力的化肥企業(yè)進行了技術(shù)升級。即便如此，以常壓固定床為氣頭的氮肥產(chǎn)能仍舊達到全國產(chǎn)能的50%。固定床間歇造氣工藝的能耗和生產(chǎn)成本占合成氨生產(chǎn)成本的70%，因此，不斷采用新技術(shù)、新工藝對其進行節(jié)能降耗改造會達到良好的效果[1]。

雖然經(jīng)過不斷改進，常壓固定床的噸氨醇能耗水平接近甚至低于氣流床，特別是三廢爐的普遍應(yīng)用，為以常壓固定床間歇造氣爐為氣頭的小氮肥企業(yè)提供了難得的喘息時機。但是近幾年，由于原料煤價格高、環(huán)保處理設(shè)施不夠完善、氣化強度低、現(xiàn)場勞動強度大、國家電價補貼優(yōu)惠取消等各種原因，以常壓固定床為氣頭的小氮肥企業(yè)生存空間越來越小。尤其在政策方面，發(fā)改委、環(huán)保部等部門也把常壓固定床間歇造氣工藝列為限制甚至淘汰工藝目錄。2018年6月27日，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的通知(國發(fā)〔2018〕22號)中提到，加大不達標(biāo)工業(yè)爐窯淘汰力度，加快淘汰中小型煤氣發(fā)生爐。淘汰爐膛直徑3m以下燃料類煤氣發(fā)生爐，加大化肥行業(yè)固定床間歇式煤氣化爐整改力度。2019年4月8日，國家發(fā)改委就《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019年本，征求意見稿)》(2019指導(dǎo)目錄)公開征求意見，提出將沒有配套建設(shè)吹風(fēng)氣余熱回收、造氣爐渣綜合利用裝置的固定床間歇式煤氣化裝置列入淘汰目錄。

為了滿足政策要求，提高小氮肥企業(yè)的盈利能力，越來越多的企業(yè)面臨常壓固定床氣頭改造的問題。由于小氮肥企業(yè)產(chǎn)量普遍較小，企業(yè)現(xiàn)金流不大，盈利能力有限，在選擇工藝路線時就顯得尤其關(guān)鍵。有的企業(yè)選擇常壓固定床富氧連續(xù)氣化工藝進行改造，但這種思路仍會面臨政策風(fēng)險，并且需新增一套空分系統(tǒng)，在增加電耗的同時卻沒有給企業(yè)帶來效益，反而提高了單位氨醇的能耗。筆者擬以一個年產(chǎn)40萬t甲醇的工廠為例，采用加壓流化床或者氣流床技術(shù)路線對固定床氣頭進行改造，分析改造的可行性與經(jīng)濟的可行性，并對這兩種改造路線進行對比分析，為小氮肥企業(yè)改造提供新思路。

1 技術(shù)改造

不同于大部分小氮肥企業(yè)以合成氨為主產(chǎn)品，該工廠以甲醇為主產(chǎn)品。工廠主要裝置配置如下：采用無煙末煤為原料(壓制成型)，常壓固定床造氣爐為氣頭，配置常壓濕法脫硫、0.8MPa變換、0.7MPa PSA脫碳、中溫水解精脫硫、JB6M50-330/54往復(fù)式合成氣壓縮機、中壓甲醇合成，副產(chǎn)LNG產(chǎn)品。配備有150t/h三廢鍋爐以及背壓發(fā)電機組。

1.1 加壓流化床改造工藝路線選擇

加壓流化床是以碎煤為原料，以空氣(富氧)和水蒸氣為氣化劑，在適當(dāng)?shù)拿侯w粒和氣速下，使床層中粉煤沸騰，床層中物料強烈返混，氣固兩相充分混合，溫度到處均一，在部分煤顆粒燃燒產(chǎn)生的高溫下進行煤的氣化。其主要優(yōu)點是床層溫度均勻、傳熱傳質(zhì)效率高、氣化強度大、可使用粉煤且煤種適應(yīng)范圍寬；產(chǎn)品煤氣中不含焦油和酚類物質(zhì)。根據(jù)下游產(chǎn)品需求，氣化壓力在常壓(約3.0MPa)范圍內(nèi)均可實現(xiàn)。

根據(jù)原工廠流程配置的特點，本著最大化利用原裝置的原則，可以選擇1.0MPa加壓流化床對氣頭進行改造。加壓流化床粗煤氣成分與常壓固定床間歇造氣的成分差別較大。加壓流化床煤氣中CO2、甲烷濃度比常壓固定床煤氣濃度高，煤氣干基的總量也較高。因此，加壓流化床改造固定床主要體現(xiàn)在以下幾個部分：①氣化部分。原有固定床發(fā)生爐系統(tǒng)、氣柜、靜電除塵、煤氣鼓風(fēng)機全部取消，新建加壓流化床氣化裝置和空分裝置。采用煙煤為原料生產(chǎn)粗煤氣，粗煤氣經(jīng)過除塵、熱水洗后送至耐硫變換裝置；②凈化部分。改造變換裝置為耐硫變換；保留原有再生及硫回收系統(tǒng)，新建加壓脫硫塔及溶液泵。加壓脫硫裝置在流程上置于耐硫變換之后。脫碳裝置新增吸附塔和真空泵，脫碳壓力不變；③甲醇合成。固定床氣化甲醇合成氣(N2+ CH4)約占5.5%，加壓流化床氣化甲醇合成氣中(N2+ CH4)大約6%，因此甲醇合成部分基本不變。改造后LNG裝置產(chǎn)能需擴建；④三廢鍋爐。改造前主要燃料有吹風(fēng)氣、弛放氣、爐渣以及少量摻燒的煤。改造后，由于系統(tǒng)中無吹風(fēng)氣、爐渣可以利用，擬氣化爐多產(chǎn)部分煤氣，在脫硫凈化后送三廢爐作為燃氣。三廢爐不夠部分采用煤為原料，以保證改造前后原背壓發(fā)電機組發(fā)電量不變。

1.2 加壓氣流床改造思路

氣流床氣化工藝將氣化劑(氧氣和蒸汽)夾帶著煤粉或煤漿，通過特殊燒嘴送入氣化爐膛。在較高溫度下，氧煤混合物瞬間著火、燃燒，進行還原反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)、生成合成氣。其主要特點是高溫反應(yīng)、液體排渣，單爐生產(chǎn)能力大，合成氣中甲烷含量較少，無烴類物質(zhì)；煤種適用性強，但需要設(shè)置龐大復(fù)雜的磨煤制粉單元以及余熱回收、除塵裝置。

現(xiàn)有的氣流床氣化工藝按進料形式的不同，可分為干煤粉進料和水煤漿進料。干煤粉進料氣流床的氣化壓力有4.0MPa，目前也有6.5MPa的商業(yè)化示范裝置在建設(shè)；水煤漿氣化壓力有2.8MPa、4.0MPa、6.5MPa、8.7MPa。從目前市場上可供選擇的爐型看，基本沒有與常壓固定床制氣流程相匹配的壓力。因此，如果選用氣流床技術(shù)改造，首選的氣化壓力等級是4.0MPa和6.5MPa，這樣的話，原有常壓固定床氣化后續(xù)處理流程基本不能利舊，需要新上氣流床氣化島、空分、寬溫耐硫變換、低溫甲醇洗(或NHD脫硫脫碳工藝)、氨冰機、離心式合成氣壓縮機。若采用蒸汽透平，還需要新上粉煤鍋爐。甲醇合成單元可以利舊。

2 技術(shù)經(jīng)濟對比分析

從技術(shù)改造路線上看，加壓流化床改造與原系統(tǒng)壓力匹配較好，后續(xù)裝置基本可以利用。因此，加壓流化床的改造投資比氣流床要低。這對于資金壓力較大的小氮肥企業(yè)來說，比較有吸引力。從能量消耗的角度看，一方面，氣流床反應(yīng)溫度要比流化床高200℃以上，高的反應(yīng)溫度預(yù)示著高的氧耗、煤耗；另一方面，氣流床粗煤氣凈化一般采用低溫甲醇洗工藝，這種工藝一個系統(tǒng)即可實現(xiàn)脫硫、脫碳，吸收溫度-40℃，富液再生需要大量氣提氮氣、降壓閃蒸、高溫解析。這種“冷熱病”，不可避免地需要大量耗能。

加壓流化床與氣流床相比，也有一些劣勢，比如凈化氣中甲烷含量較高，需要新增甲烷回收利用裝置；甲醇合成循環(huán)氣量要增加；采用變壓吸附凈化工藝，有效氣的損耗比低溫甲醇洗凈化高。

表1對比了典型的6.5MPa水煤漿氣流床、4.0MPa干煤粉氣流床、加壓流化床改造后主要原輔材料的變化。比較基準是40萬t/a甲醇工廠，操作時間8 000h。

表1 不同技術(shù)改造對比

注：1.采用無煙粉煤成型，低位收到基熱值約25MJ/kg。2.統(tǒng)一采用煙煤，低位收到基熱值約25.5MJ/kg。3.電按照1kW·h折合標(biāo)煤0.404kg計算能耗。4.該工廠配有背壓發(fā)電機組，發(fā)電量約14 000kW·h/h。5.為簡化計算，暫不考慮化學(xué)品消耗、水耗差別。

3 結(jié)語

(1)基于以常壓固定床間歇氣化為氣頭的小氮肥企業(yè)的現(xiàn)狀，分析了加壓流化床與氣流床改造的可行性。1.0MPa流化床后續(xù)配套變換、凈化可以充分利舊；4.0MPa氣流床以新建大型化處理裝置為主。

(2)列出了不同改造技術(shù)的單位甲醇煤耗、電耗變化情況，通過對比發(fā)現(xiàn)，常壓固定床間歇造氣爐單位甲醇能耗最低；由于政策原因以及無煙煤價格高，如確實需要改造，若不考慮副產(chǎn)LNG產(chǎn)品，氣流床的單位甲醇綜合能耗低；若減掉LNG的能效，流化床的單位甲醇綜合能耗低。

(3)流化床改造的主要優(yōu)點為副產(chǎn)高附加值LNG產(chǎn)品、整體投資省、氣流床改造優(yōu)點為技術(shù)成熟、流程簡單，但投資較大。小氮肥企業(yè)可以根據(jù)企業(yè)自身的經(jīng)濟實力和煤種的穩(wěn)定供應(yīng)等各方面，選擇適合自己的改造路線，以達到最佳收益。