粉煤加壓氣化工藝采用CO2和N2輸煤的對比及選擇

尹俊杰，趙瑞萍

（航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010）

粉煤加壓氣化工藝采用CO2和N2輸煤的對比及選擇

尹俊杰，趙瑞萍

（航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州 730010）

對粉煤加壓氣化中分別采用CO2輸煤和N2輸煤的兩種工藝進行了分析比較，結果表明：采用CO2輸煤比采用N2輸煤的操作費用會降低約4%，投資高3%。并由此總結出了煤化工裝置不同產品應選用不同的輸煤工藝及適合的流程配置的規律。

粉煤加壓氣化；CO2輸煤；N2輸煤；對比

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

粉煤氣化工藝是目前世界上最先進的煤氣化工藝之一，其工藝流程是先將原煤磨碎并干燥，再用高壓氣體進行加壓，然后利用粉煤給料罐與氣化爐的壓差將其輸送到氣化爐與氧氣/蒸汽進行氣化反應，反應后生成的粗合成氣（主要成分為CO和H2）經洗滌后送往下游配套廠，經進一步處理后加工成甲醇或合成氨產品。

目前，國內廣泛采用的粉煤加壓氣化工藝有國外的Shell、GSP等，還有國內的航天爐（HT-L）等，粉煤輸送既有采用N2輸煤的，也有采用CO2輸煤的，兩者各自的優缺點，以及對于特定的產品如何選用輸煤工藝將是本文探討的內容。

1　不同輸煤工藝對氣化反應過程的影響

氣化反應過程主要是碳與氧和碳與蒸汽的反應。為了理解實際氣化的過程，用基本的氣化方程式闡述，在方程式中以純碳代表煤，反應式為：

實際上，第一個部分氧化反應可進一步分成2步來理解，反應式為：

這種細化表明，氣化反應得以進行的能量是內部生成的（Q3＞Q4），此外還表明第2步反應應作為平衡來對待。

從上述反應機理可以看出，CO2是參與氣化反應的，該反應是吸熱反應，可以降低氣化反應的劇烈程度，因此，采用CO2輸煤對氣化反應是有好處的。

2　不同輸煤工藝對有效氣組成的影響

從上面氣化反應方程式可以推斷出，CO2對氣化反應過程有一定影響，采用CO2輸煤的煤氣化比采用N2輸煤的煤氣化有效氣（H2+CO）組成要高，即當制取相同量有效氣時，采用CO2輸煤的煤氣化要比采用N2輸煤的煤氣化的氧耗和煤耗低。從河南某煤化工有限公司采用CO2代替N2輸煤［2］的結果來看，這一推斷也得到了證實，CO2替代N2輸煤后有效氣（H2+CO）含量基本上能增加約10%。我公司為山東2個建設地點相鄰的化工企業設計的年產30萬t煤制合成氨裝置，都采用了HT-L粉煤加壓氣化工藝，分別為N2輸煤和CO2輸煤，氣化初步計算結果表明，采用CO2輸煤比采用N2輸煤的氣化裝置出口有效氣（H2+CO）（干基）含量提高了3%。

3　不同輸煤工藝對前后裝置的影響

3.1對空分裝置的影響

采用N2輸煤時，空分裝置的空壓機處理氣量需增加，并需增加液氮泵將中壓液氮壓縮至高壓液氮，而且需要增加氮壓機提供氣化裝置所需要的密封氮氣。采用CO2輸煤時，雖然可以減少空壓機的處理氣量，并減少了液氮泵，但需增加輸煤二氧化碳壓縮機組，而且該機組在開車初期還要壓縮低壓氮氣，低溫甲醇洗產出CO2后仍要切換過來，對機組要求比較高。

3.2對后續裝置的影響

對于煤制甲醇裝置來說，與采用N2輸煤比較，采用CO2輸煤的粗煤氣經過變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2含量低，對甲醇合成的影響是弛放氣量明顯減少，甲醇產量增加，合成效率提高［2］。因此，煤制甲醇裝置建議采用CO2輸煤。

對于煤制合成氨裝置來說，采用CO2輸煤的粗煤氣經過變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2約0.52%；采用N2輸煤的粗煤氣經過變換和低溫甲醇洗凈化后，凈化氣中N2約7.5%。不同的N2含量對后續氣體精制工藝有一定影響，采用N2輸煤的粉煤加壓氣化后的氣體精制單元可以采用液氮洗工藝，但多采用甲烷化工藝，若N2含量大于9%，則建議只采用甲烷化工藝，而不要采用液氮洗工藝［3］；采用CO2輸煤的粉煤加壓氣化后的氣體精制單元可以采用液氮洗工藝，也可采用甲烷化工藝。

4　不同輸煤工藝的操作費用比較

采用N2輸煤時，因輸煤需要的氮氣量比較大，空分裝置的負荷也相應提高，為滿足輸煤壓力的要求，還需要設置2臺低溫液氮泵；采用CO2輸煤時，空分裝置的負荷小，但需單獨設置二氧化碳壓縮機組及廠房。采用N2與采用CO2輸煤的具體消耗和操作費用對比見表1（以30萬t/a合成氨為例，含空分裝置）。

表1　采用N2和采用CO2輸煤的消耗和操作費用對比

從上表比較可看出，采用CO2輸煤比采用N2輸煤操作費用降低約4%。

5　不同輸煤工藝的投資比較

采用N2輸煤與采用CO2輸煤的投資比較見表2（以30萬t/a合成氨為例，含空分裝置）。

表2　采用N2輸煤與采用CO2輸煤的投資對比

從上表比較可看出，采用CO2輸煤比采用N2輸煤投資要高約3%。

6　結語

通過對粉煤加壓氣化工藝中采用N2輸煤和CO2輸煤的綜合比較，可以總結出以下幾點：①采用CO2輸煤降低了氣化反應溫度，增加了有效氣含量，對煤化工裝置有一定好處；②煤制甲醇裝置建議采用CO2輸煤，煤制合成氨裝置若采用N2輸煤，建議氣體精制單元采用甲烷化工藝，若采用CO2輸煤，則氣體精制單元采用液氮洗或甲烷化工藝都可以；③采用CO2輸煤投資要略高于N2輸煤，但能耗和操作費用略低。

［1］姜圣階，等.合成氨工學［M］.石油化工工業出版社，1978.

［2］戴樂亭.Shell氣化爐以CO2代替N2作為粉煤輸送氣的研究［J］.煤化工，2011（1）：35-36，50.

［3］高峰，尹俊杰.探討液氮洗原料氣中氮氣含量的高限值［J］.大氮肥，2012，34（3）：181-184，206.

修改稿日期：2016-06-20

Com parison and Selection of CO2and N2as Pulverized Coal Carrier Gases in Coal Gasification Process

YIN Jun-jie，ZHAO Rui-ping
（Changzheng Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou Branch，Lanzhou Gansu 730010 China）

Analysis and comparison of the CO2and N2as pulverized coal carrier gases in coal gasification processusher the results that compared with the latter，applying the former one can decrease the operating cost by 4%and increase the investment by 3%.A rule is summed up therefrom that different pulverized coal carrier gases and applicable processes shall be selected for different products of coal chemical units.

coal gasification process；CO2as coal carrier gas；N2as coal carrier gas；comparison

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

TQ 546

B

1004-8901（2016）04-0022-02

尹俊杰（1977年-），男，山西浮山人，1999年畢業于華東理工大學化學工程系，高級工程師，現主要從事化工工藝設計等工作。