煤氣化技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的運(yùn)用

＊余友元 余林峰

（四川金石新能源集團(tuán)有限公司 四川 614504）

引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示：我國(guó)現(xiàn)已探明的總資源量中，水能占比為9.5%，天然氣占比為0.3%，石油占比為2.8%，煤炭占比達(dá)到87.4%?？梢?jiàn)煤炭在我國(guó)各領(lǐng)域的生產(chǎn)發(fā)展更加依賴(lài)煤炭。由于受限于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，合成氨生產(chǎn)也非常依賴(lài)煤炭，其中以無(wú)煙塊煤為主，然而隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的迅速發(fā)展，相較于粉狀煤，塊狀煤的產(chǎn)量日益減少，這就增加了合成氨生產(chǎn)的成本，也造成了更加嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1]?；谶@一背景，要求合成氨行業(yè)積極探索煤氣化這一新型潔凈煤技術(shù)的應(yīng)用和推廣，以此來(lái)降低煤炭資源的消耗，減少環(huán)境污染，促進(jìn)合成氨行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.煤氣化技術(shù)的基本原理

針對(duì)煤氣化技術(shù)的產(chǎn)生機(jī)制，主要是通過(guò)采取合理技術(shù)手段，科學(xué)把控氣流穿過(guò)固體顆粒的速度，以改變壓力降，促使氣體從下至上穿過(guò)固體顆粒，這時(shí)氣流也會(huì)流過(guò)固體顆粒的間隙，而固定顆粒層位置無(wú)任何變化，也就是固體顆粒床，在這一過(guò)程中，若氣流速度出現(xiàn)變化，則會(huì)讓氣體穿過(guò)均勻顆粒床層，從而引發(fā)壓力降的變化，在這一過(guò)程中，固體流化床層的氣流速度約為1～3范圍內(nèi)，這時(shí)的氣流速度的提高，促使氣體通過(guò)均勻顆粒床層的壓力降產(chǎn)生上升的變化趨勢(shì)。

圖1 煤氣化技術(shù)的基本原理

當(dāng)氣流速度不斷增加后，氣流速度上升到3.2cm/s時(shí)，在氣流組織的作用下，顆粒層組織會(huì)變得更加松動(dòng)，床層也會(huì)有所增高。隨著氣流速度進(jìn)一步增加，會(huì)讓顆粒層組織懸浮于氣流中，此時(shí)氣流速度處于臨界值，從而確保固體顆粒層和氣流組織之間處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，這一過(guò)程中，當(dāng)空床流速的進(jìn)一步增加，會(huì)讓氣流穿過(guò)均勻顆粒床層形成的壓力降越來(lái)越穩(wěn)定，氣流范圍在5～50cm/s，將會(huì)讓床層出現(xiàn)清晰的分界面。

隨著氣流速度的不斷提高，尤其是流速達(dá)到50cm/s后，將會(huì)讓流化床的界面越來(lái)越模糊，固體顆粒也逐漸開(kāi)始與床層相分離，并在氣流中分散懸浮，這就形成了氣流床。但是，當(dāng)氣流速度大于氣流極限速度且越來(lái)越大時(shí)，就會(huì)在很大程度上降低氣體通過(guò)均勻顆粒床層的壓力降。

2.煤氣化技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的運(yùn)用

(1)固定床氣化技術(shù)

基于不同固定空氣處理方式，可將固定床氣化技術(shù)劃分成以下三種類(lèi)型：

一是，常壓固定態(tài)連續(xù)氣化技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用原理為：利用UGI爐來(lái)建立“富氧-蒸汽”持續(xù)性上吹的處理模式，其能夠有效取代空間間歇?dú)饣迫『铣砂边^(guò)程中所需的原料氣，從而在很大程度上降低能源的消耗[2]。該固定床氣化技術(shù)最早在20世紀(jì)60年代得到應(yīng)用，能夠利用富氧連續(xù)氣化制備水煤氣，還能夠聯(lián)合化肥廠煤氣爐，順利完成生產(chǎn)試驗(yàn)，并證明了該技術(shù)具備良好的可操作性與可控性，該方案的空氣間歇?dú)饣^(guò)程可對(duì)整個(gè)制氣操作產(chǎn)生積極影響，能夠在很大程度上減少?gòu)U氣的排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的有效保護(hù)[3]。

二是，提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)。主要是選擇以塊狀無(wú)煙煤為基本原料，選擇水蒸氣和空氣等氣化劑，基于常溫常壓環(huán)境下，科學(xué)控制燃燒氣和原料氣；該煤氣化技術(shù)具備比較突出的環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益。主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括：①隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，提升型固定床間歇?dú)饣夹g(shù)的操作過(guò)程得到進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，機(jī)械上煤聯(lián)合不停爐自動(dòng)加煤出灰模式已取代以往的停爐加煤直到系統(tǒng)出灰模式，從而提高資源的利用效率，節(jié)省了能源的應(yīng)用；②現(xiàn)有的設(shè)備在體型和出氣口的應(yīng)用方面均實(shí)現(xiàn)了多元化的發(fā)展；③水壓自動(dòng)機(jī)已代替了以往技術(shù)方案中的“四通考克”，其中DCS油壓自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合爐礦尋優(yōu)控制方案，能夠更加規(guī)范、有效的管理相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備；④傳統(tǒng)爐鍋塔模式不再滿足現(xiàn)代合成氨生產(chǎn)的需求，高效余熱鍋爐逐漸得到廣泛利用，在此基礎(chǔ)上，人們研發(fā)出更加科學(xué)、可行的工藝流程，顯著提高了工藝設(shè)備運(yùn)行的規(guī)范性，并在極大程度上降低系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的阻力，獲得更高的余熱回收率，減少污水處理量和冷卻水量，從而降低環(huán)境的負(fù)荷[4]；⑤該技術(shù)能夠顯著提高蒸汽分解率和氣化強(qiáng)度，并提高了爐渣的利用率，進(jìn)一步規(guī)范循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)原料煤的高效利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的回收高效利用，形成多元資源利用體系；⑥通過(guò)聯(lián)合煤氣冷卻與洗滌分流技術(shù)，打造冷卻水循環(huán)利用閉路結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減少污水排放量的目的。

三是，碎煤固定床加壓氣化。該技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，如今已發(fā)展到第四代，實(shí)現(xiàn)了魯奇爐內(nèi)鏡5m的設(shè)定，其中一個(gè)魯奇爐產(chǎn)氣量就能夠達(dá)到7000Nm3/h。碎煤固定床加壓氣化技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)褐煤氣化方案，并有效處理合成氨原料氣[5]。目前在城市煤氣并聯(lián)生產(chǎn)甲醇項(xiàng)目中，很多氣化廠開(kāi)始嘗試使用碎煤固定床加壓氣化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上增加廢鍋流程，以此來(lái)獲得更加理想的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)流化床氣化技術(shù)

在流化床氣化技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要確保生產(chǎn)環(huán)境的溫度維持在800～1100℃，壓力控制為常壓～2.5MPa，要求煤原料具備高灰熔點(diǎn)與高活性，煤塊粒徑為1～5mm。該技術(shù)的特點(diǎn)是：存在明顯的床層界限，煤粒懸浮在氣流中進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，爐內(nèi)有著較大的氣體流速等。在這種技術(shù)應(yīng)用下，能夠于流化床內(nèi)完成煤裂解、氣化的全過(guò)程生產(chǎn)，降低生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣量，從而促進(jìn)氨合成生產(chǎn)效率。該技術(shù)可細(xì)分成以下兩種類(lèi)型：

一是，灰融聚流化床氣化技術(shù)，其最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，由我國(guó)科學(xué)院山西煤化所研發(fā)，其氣化爐氣化壓力包括常壓和加壓，將氧氣或是空氣作為氣化劑。結(jié)合射流原理，將灰團(tuán)聚分離裝置安裝到流化床底部，打造出床內(nèi)局部高溫區(qū)；先是讓灰渣團(tuán)聚成球，再利用重力的差異，來(lái)實(shí)現(xiàn)灰團(tuán)的分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭資源的高效利用。該技術(shù)方案具有投資成本低、原料適應(yīng)性廣的優(yōu)勢(shì)，適用于發(fā)電燃料氣、工業(yè)爐窯燃料氣與化工合成氣等原料的生產(chǎn)。其中可用原料包括焦炭粉、無(wú)煙煤粉煤、煙煤粉煤及高硫煤粉煤等，具有較高的碳轉(zhuǎn)化率（＞90%），但要求粉煤粒徑必須小于6mm。該技術(shù)的不足之處在于：?jiǎn)螤t生產(chǎn)能力有待提高，必須常壓操作等。

二是，恩德粉煤氣化技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在恩德粉煤氣化技術(shù)中所應(yīng)用的設(shè)備現(xiàn)已逐漸實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系中存在的問(wèn)題，采取了有效的優(yōu)化處理措施，主要體現(xiàn)為：①?lài)娋撞硷L(fēng)模式逐漸取代了氣化爐的爐箅，促使設(shè)備使用效率得到顯著提升，避免了爐箅結(jié)渣問(wèn)題引發(fā)的負(fù)面影響，可以在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用體系內(nèi)確保氣化溫度的有效性和科學(xué)性，最終顯著提升氣化爐運(yùn)轉(zhuǎn)效率[6]；②對(duì)于氣化爐的中上部位置，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，增加了進(jìn)粉風(fēng)噴咀，還將干式旋風(fēng)除塵裝置安裝到了出口位置，這樣做有利于防止煤氣夾雜細(xì)煤粒對(duì)周?chē)h(huán)境的不良影響；同時(shí)，根據(jù)其具體的應(yīng)用狀態(tài)，有效利用回收處理技術(shù)，讓煤氣能夠返回氣化爐內(nèi)再次燃燒，從而有效提升了工序的環(huán)保效益；③通過(guò)將旋風(fēng)除塵器安裝到廢熱爐的位置，同時(shí)借助合理的除塵工序，讓煤氣能夠順利進(jìn)入廢熱鍋爐，從而有效保護(hù)低爐管，減輕爐管結(jié)構(gòu)的積灰情況，然后進(jìn)一步優(yōu)化這一工藝流程，可大大提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，從而提升元件的應(yīng)用效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限。

(3)氣流床氣化技術(shù)

一是，水煤漿加壓氣化處理技術(shù)。該技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的氣流床氣化技術(shù)，以濕法進(jìn)料處理模式為基礎(chǔ)，聯(lián)合加壓氣化工藝流程的應(yīng)用，來(lái)顯著提高處理的實(shí)際效率。我國(guó)于1970年左右就開(kāi)始引進(jìn)水煤漿加壓氣化處理技術(shù)，并充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用，制造出了水煤漿加壓氣化制合成氣生產(chǎn)示范裝置，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出了與該設(shè)備相匹配的激冷工藝流程，打造了尺寸為φ2800mm的氣化爐，利用“一開(kāi)一備”的工藝流程，氣壓數(shù)值達(dá)到2.7MPa。

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平顯著提升，水煤漿加壓氣化處理技術(shù)方案與氣化裝置均得到了很大程度的創(chuàng)新，特別是多噴嘴在置式水煤漿氣化技術(shù)中的應(yīng)用，能夠獲得更大化的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。具體操作流程：①采用破碎篩分方法對(duì)原料煤進(jìn)行處理；②干燥處理；③通過(guò)斗式提升機(jī)設(shè)備將原料煤運(yùn)送到儲(chǔ)煤斗中，聯(lián)合應(yīng)用螺旋給煤機(jī)；④將原料煤運(yùn)送到氣化爐，同時(shí)開(kāi)展氧氣填充、蒸汽過(guò)熱器處理蒸汽等工藝操作；⑤進(jìn)入冷卻器，應(yīng)用第一旋和第二旋風(fēng)分離器完成相應(yīng)的處理，特別是排灰操作；⑥去廢鍋后，傳送至煤氣洗滌塔，利用氣柜完成收集工作。

二是，GSP干粉煤氣化技術(shù)。該技術(shù)主要是借助加壓處理方式，來(lái)確保整體工藝流程的有效性和規(guī)范性。在20世紀(jì)80年代初，國(guó)外某工廠就提出了GSP技術(shù)方案，并應(yīng)用到具體實(shí)踐中，完成了商業(yè)化裝置的升級(jí)處理，粉煤處理能力為30t/h，總體參數(shù)為200MW。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GSP工藝得到進(jìn)一步革新和優(yōu)化，煤焦油逐漸取代了氣化原料，可以為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目提供必要的支持，且通過(guò)對(duì)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用流程的整合，建構(gòu)了更加多元的技術(shù)體系。

3.煤氣化技術(shù)的發(fā)展

在未來(lái)，隨著時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，將會(huì)推動(dòng)著煤氣化技術(shù)朝著加壓氣化、高溫氣化及純氧氣化等方向發(fā)展。其中加壓氣化主要指通過(guò)氣化壓力的不斷提高，將會(huì)顯著提高投煤量的比，從而進(jìn)一步擴(kuò)大氣化爐的生產(chǎn)能力，通過(guò)運(yùn)用高壓氣化制合成氣，能夠有效降低氣體凈化的投入成本，減少產(chǎn)品能耗。高溫氣化主要指通過(guò)采用高溫氣化操作，能夠全面顯示出參與反應(yīng)的各種物質(zhì)的高溫化學(xué)活性，在極大程度上提高碳轉(zhuǎn)化率；與此同時(shí)，在高溫條件下，能夠更加充分地轉(zhuǎn)化煤中的焦油、氮、氰化物等揮發(fā)成本，從而獲得較為純凈的產(chǎn)品煤氣，也比較容易處理煤氣洗滌污水，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的[7]。

粉煤氣化主要指通過(guò)增大煤的表面積，獲得更高的氣化能力，尤其是選擇價(jià)格昂貴的優(yōu)質(zhì)煤，最好采用煤粉氣化，可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。液態(tài)排渣主要是通過(guò)高溫熔融方式，將灰渣排出氣化爐，具有無(wú)毒無(wú)害的特點(diǎn)，因?yàn)槭且簯B(tài)排渣，所以必須確保氣化爐的安全可靠操作，注意操作溫度應(yīng)控制在灰的流動(dòng)溫度以上，當(dāng)原料煤的灰熔點(diǎn)更高時(shí)，就需要選擇更高的氣化操作溫度，以此來(lái)減少氣化氧氣的消耗量，確保運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；針對(duì)高灰熔點(diǎn)煤，可選擇添加助溶劑的方式，來(lái)減小灰的黏度和灰熔點(diǎn)，以此來(lái)確保氣化的順利進(jìn)行[8]。

結(jié)合如今煤炭氣化技術(shù)的特征，未來(lái)對(duì)煤氣化技術(shù)的要求大致如下：①更高的冷煤氣效率，即能夠?qū)⒚褐写罅康哪芰哭D(zhuǎn)換成有用氣體的能力；②更廣的煤種適應(yīng)性，在生產(chǎn)工藝上盡量適應(yīng)泥煤、無(wú)煙煤、渣燃煤等各種天然固體原料；③更好的煤炭轉(zhuǎn)換率，在實(shí)際上，固體燃料中的所有可燃有機(jī)成分均能夠充分轉(zhuǎn)換成氣體；④更好的煤氣品質(zhì)，生產(chǎn)出的氣體應(yīng)含有大量的一氧化碳與氫等有用成分，不會(huì)產(chǎn)生無(wú)用成分（焦油、酚等）；⑤良好的操作性能，即氣化爐具備更大的操作彈性和更長(zhǎng)的連續(xù)運(yùn)行周期；⑥良好的環(huán)境性能，在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)產(chǎn)生影響生態(tài)環(huán)境的有毒有害成分；⑦更大的生產(chǎn)能力，可以滿足企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)需求；⑧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，即能夠與先進(jìn)的信息技術(shù)相融合，達(dá)到智能化、自動(dòng)化控制的目的，有效減少人力成本的投入；⑨與其他煤氣利用技術(shù)具備更優(yōu)的兼容性，如：化工合成工藝技術(shù)等。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，合成氨是我國(guó)目前最為關(guān)鍵的化工產(chǎn)品之一，主要用作工業(yè)原料和氮肥，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用?？v觀我國(guó)合成氨生產(chǎn)的現(xiàn)狀，該行業(yè)每年的能源消耗量和碳排放量都非常大，已不能適應(yīng)我國(guó)提倡的節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求，也不利于合成氨行業(yè)的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。為此，相關(guān)企業(yè)必須高度重視煤氣化技術(shù)的有效應(yīng)用，結(jié)合自身具體需求，選擇最為適應(yīng)的煤氣化技術(shù)方案，以此來(lái)降低煤炭的消耗量，節(jié)省生產(chǎn)成本。