目前国内氮肥(甲醇)行业煤气化技术对比

论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司1目前国内氮肥（甲醇）行业煤气化技术对比吴健、刘卫平山东红日阿康化工股份有限公司摘要：介绍了目前国内氮肥（甲醇）行业主要的煤气化技术发展状况，不同煤气化技术的工艺特点，各技术的优势及不足。提出了在煤气化技术的选择方面应注意的几个主要问题。关键词：煤气化、富氧连续气化、恩德炉、灰熔聚、德士古、Shell、水煤浆1概述国内的合成氨与甲醇工业经历了多年的发展，目前在原料的采用上有煤、天然气、焦炉气等，同时由于我国能源特点是缺油、少气、煤炭资源相对丰富，因此煤在国内合成氨和甲醇工业原料中仍占据主导地位。煤气化在合成氨（甲醇）生产过程中是关键工序，它所消耗的能源占全部生产能耗的70%左右。我国煤气化技术发展起步较晚，但在合成氨行业煤气化技术的开发与应用上取得很大进展。从1935年引进UGI常压固定床间歇气化技术起步到20世纪50年代引进的加压固定床连续气化技术及80年代引进德士古水煤浆加压气化技术，进入21世纪又引进了壳牌干粉煤加压气化技术。加上我国自行研究开发的固定床无烟煤富氧气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术、恩德炉粉煤气化技术、多喷嘴水煤浆加压气化技术、多原料煤加压气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、多喷嘴对置式干粉煤加压气化技术等，可以说我国是世界上研究与应用各种煤气化技术最多的国家。对于煤气炉类型，目前主要有固定床、流化床和气流床三种，对于不同的炉型，相应的有固定床间歇气化炉、灰熔聚、德士古、恩德炉等多种造气方式，不同造气方式均有各自不同的特点，在国内也有不同厂家采用，下面进行具体介绍。2国内主要煤气化技术2.1固定床间歇气化（UGI）1）技术概况。这是我国采用最早的煤气化方式，也是目前在国内甲醇与合成氨装置中应用最普遍的一种造气方式，占目前合成氨生产能力的70%以上。经过多年的发展，该技术已基本成熟，且装置已经完全国产化。固定层间歇气化造气系统，主要包括原料煤的配置、造气、气体净化除尘、废热回收等装置。生产工艺为常压间歇气化，每个造气循环主要由吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净五部分组成，循环时间一般在120～150s。根据不同的控制工艺可生产成分不同的水煤气和半水煤气。该技术采用固态排灰方式，由于采用空气作为氧化剂，碳利用率较低，入炉蒸汽分解率低，灰渣含碳量较高，一般在20%左右。因为是常压间歇制气，单台设备生产能力较低，根据炉子规格不同，单台设备产气量在4000～12000Nm3/h之间，所产煤气有效气含量在60%～85%。该造气方式采用山西无烟块煤和型煤为原料，目前在国内有600家以上企业采用该技术。2）技术的优势与不足。该技术投资小，建设周期短，这是该技术最大的优点，由于采用空气与炭反应，省去了昂贵的空分装置，使该技术投资是目前所有煤气化技术中最低的，一般100kt/a合成氨装置所论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司2需的煤气化系统投资在3000万左右，从而生产成本的折旧费用降低。造气采用常压间歇气化，使装置大型化受到限制，同时由于设备连续运行时间短，使装置检修工作量大，且一般采用两台或以上备用炉。装置环境污染较大，现场粉尘量较大，操作环境差，工艺相对落后。2.2常压固定床富氧连续气化1）技术概况。该技术是利用UGI炉采用富氧-蒸汽连续上吹，取代空气间歇气化制取合成氨或甲醇原料气。20世纪60年代太原化肥厂和长春第一汽车制造厂分别在φ3600mm和φ3000mm煤气炉上进行过富氧连续气化制半水煤气试验，然后吉化公司化肥厂、解放军化肥厂、淮南化肥厂先后在φ2745mm煤气炉上进行生产试验。试验证明该技术比空气间歇气化可大大延长有效制气时间，使气化强度及单炉制气能力大幅度提高，且无废气排放，可有效地控制对环境的污染，是环境友好的工艺。目前在应用的厂家有：安徽淮化集团公司化肥厂（5台φ2745mm炉）、黑龙江化肥厂（7台φ3000mm炉与12000Nm3/h制氧装置）、河南平顶山化肥厂（3台φ3000mm炉与6000Nm3/h制氧装置）、吉化公司化肥厂、江苏新亚集团化肥厂（2台φ2400mm炉与1500Nm3/h制氧装置）等。2）技术的优势与不足。采用富氧连续气化可提高制气能力，与间歇气化相比，一般可增加一倍产气量。由于是连续气化，气化过程要保持热平衡，所以煤气炉气化层温度相对稳定。蒸汽分解率高，蒸汽消耗减少，废锅产汽量增加。煤气炉系统减少了自动阀门，简化了工艺流程，设备维修费降低。实现富氧连续气化后，由于没有吹风燃烧炭的损失，也减少大气污染，炉渣残碳明显降低，一般在10%以下。采用富氧连续气化，由于上行温度比较高，需要更换废锅，且因该工艺所产煤气中CO2含量一般在16%～20%，比目前固定床煤气化方式所产半水煤气中CO2含量接近一倍，从而使后续脱碳工段负荷相应有较大增加。采用富氧连续气化需要新上制氧装置，而10000Nm3/h制氧装置，投资约5000～7000万元。2.3恩德炉1）技术概况。恩德炉粉煤流化床气化技术是朝鲜恩德郡的七七化工厂在德国常压温克勒（Winkler）粉煤流化床气化炉的基础上，逐步改进和完善的一种煤气化工艺。该煤气化技术由辽宁恩德工程建设有限公司20世纪90年代引进中国，该炉型以粉煤为原料，采用不同的气化剂，可生产空气煤气、半水煤气和水煤气，分别用于工业加热炉煤气、民用燃料和化工合成气。目前该装置已经全部做到国产化。恩德炉的造气系统，主要包括原料煤配置、造气、气体的初步净化以及配套的空分装置构成。生产工艺为常压气化，操作温度在900～1000℃，采用固态排灰方式，灰渣含碳量＜10%，所产煤气有效气含量在65%～70%。对于气量40000Nm3/h的装置，如果采用一台造气炉，整套煤气化系统投资约8000万，其中恩德炉投资约3200万，空分系统投资3000万。如果采用2台20000Nm3/h的造气炉，整套系统投资约9000万。该设备目前生产能力主要有10000、20000、40000Nm3/h三种，考虑到设备的检修对装置运行稳定性的影响，一般一套装置要采用两台或以上的造气炉，从而在一台设备出现故障时不会造成装置停车。目前已在国内应用有18套装置，其中有7套以上用于合成氨装置。国内第一套恩德炉的造气装置于2001年在江西景德镇投产，规模为10000Nm3/h，随后又有黑龙江黑化集团（40000Nm3/h，2台），吉林长山化肥集团（40000Nm3/h，2台），安徽淮化集团（20000Nm3/h，1台），黑龙江倍丰集团宁安化工公司（40000Nm3/h，1台），通辽梅花生物科技有限公司（20000Nm3/h，2台），吉林北方气体等企业的恩德炉煤气化装置相继建成投产。2）技术的优势与不足。由于恩德炉造气技术可全部做到国产化，因此它的投资较小，10万t/a合成氨装置投资约7～8千万，相对于其它连续造气方式，投资较低。原料方面：该炉型采用褐煤和长焰煤为原料，价格比山西白煤低，从而可以降低造气成本，但对原料煤的粘性等指标要求较严格，目前该煤种主要分布在吉林、内蒙古、广西、云南、河南义马等地，在国内的分布并不广泛，因此该造气方式由于原料的限制在较大程度上影响了它的推广，这也是该炉型一个较主要缺陷。目前最大能力发气量为40000Nm3/h，由于为常压气化方式，一方面对于取代国内普遍应用的固定床间歇气化造气炉有较大优势，另一方面也使论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司3该炉型在装置的大型化方面受到一定限制。考虑装置的运行稳定性，一般一套装置采用两台以上造气炉，从而使投资、占地增大，操作复杂程度增加。2.4灰熔聚煤气化技术1）技术概况。灰熔聚技术是中国科学院山西煤炭化学研究所和陕西秦晋科技有限公司等单位联合开发的具有国内自主知识产权的煤气化技术。该技术为国内自主开发的较新的煤气化技术，目前在国内已有多家企业采用该技术生产合成氨或甲醇，如山东肥城、陕西城化（φ2400，1台），山西太化（φ3000，1台）、河南平顶山（φ3000，2台）、天津碱厂（φ3000，2台）等。灰熔聚流化床粉煤气化系统主要包括原料煤配置、进煤系统、气化炉、排灰系统、除尘系统、废热回收系统和洗涤净化设备等。该技术采用富氧或纯氧连续制气，采用造气压力在0.03～1.0MPa，操作温度一般控制在1100℃左右，应比灰熔点低100℃。采用固态排灰方式，灰渣含碳量＜10%，碳转化率超过90%，有效气含量72%～78%，气体中无焦油及重质烃类等物质，酚含量低，废水量少。单台设备生产能力按合成氨计算，从3～10万t/a不等。考虑到设备检修较频繁，一般一套装置要配套两台以上造气炉，从而保证装置运行连续性和稳定性。对于10万t/a合成氨装置，灰熔聚造气系统的投资在1.5～2.5亿元，其中空分系统的投资约占40%以上。2）技术的优势与不足。该技术是国内开发的具有完全知识产权的新型煤气化技术，因而设备可全部国产化，相对投资较低。由于该技术属较新的煤气化技术，目前也在不断的改进，有较好的市场前景，但因其推广应用时间较短，应用厂家较少，使该技术相应的设计、制作、应用经验较少。该技术摆脱了原料对山西白煤的依赖，但对煤种的灰熔点、灰分等性质仍有一定要求，对于原料仍有较多限制，从而也影响了该技术的推广。该技术目前以常压气化为主，低压气化正处于推广应用时期，单台设备产能较低，大型化还有待时日。该设备目前由于中心管使用周期较短，一般运行三个月至半年需更换中心管，从而使设备连续运转周期较短，设备开停车频繁。同时为了保证装置运行稳定性，一套装置需配套两台以上造气炉。该造气炉所产煤气中CO2含量一般超过20%，比目前固定床煤气化方式所产半水煤气中CO2含量高一倍以上，从而使后续脱碳工段负荷相应有较大增加。2.5壳牌煤气化技术1）技术概况。Shell煤气化技术从上世纪70年代开始研究，在进行了多次小试、中试、示范化装置建设基础上于1989年在荷兰德姆克勒联合循环发电厂建造了2.5×105kW工业化装置，该装置于1993年投入运行。其属于气流床技术，工艺流程主要包括原料煤的预处理、煤的加压和投料、煤的气化、除灰、煤气净化、脱硫以及配套的水处理、空分、氮气系统等。采用的造气压力为2.0～4.0MPa，操作温度1400～1600℃，采用液态排渣技术，渣中含碳量＜1%，干煤粉进料，碳转化率达99%，煤气中有效气含量约90%。对于壳牌的煤气化技术，目前除国外的一套工业化装置以外，国内从2001年起，已经有广西柳州化肥厂（投煤量1200t/d）、中石化洞庭氮肥厂、中国神华煤制油有限公司、中石化枝江化肥厂、中石化安庆化工总厂（投煤量2000t/d）、大连大化公司合成氨厂（投煤量1100t/d）、云南云天化集团（投煤量2800t/d）、云南沾化集团（投煤量2900t/d）等多家单位引进了12套13台Shell炉工艺，生产能力从20～50万t/a不等，基本应用于合成氨和甲醇装置。涉及到专利技术转让、设备国产化率低、关键设备需进口等因素，使该技术成为目前国内投资最大的煤气化装置，20万t/a合成氨装置配套的煤气化系统，投资约3.5～4亿元，其中空分系统投资约1亿元。2）技术的优势与不足。煤种适应性较广，对原料煤几乎没有要求，从无烟煤、烟煤、褐煤到石油焦均可气化，对煤的灰熔融性适应范围宽，即使高灰分、高水分、高含硫量的煤种也同样适应，这也是其它煤气化技术难以比拟的，但对于灰熔点较高的煤需加入助熔剂（石灰）来降低煤的熔点，因此从经济运行角度考虑，煤种还是要有所选择。采用加压气化，氧耗低，单炉生产能力大，适合大型化生产，目前单台设备投煤量可达到2000t/d，相应合成氨生产能力可达1500～1600t/d。由于采用了水冷壁结构，无需耐论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司4火砖衬里，同时气化炉内无运转部件，配套气化炉烧嘴使用寿命长，一般可达一年以上，使该设备连续运转周期长，无需备炉，这也是和其它煤气化技术的一个较大不同点。但由于国