煤氣化技術在氮肥行業的應用情況

王國祥

(全國化工合成氨設計技術中心站 山東濟南 250101)

煤氣化技術在氮肥行業的應用情況

王國祥

(全國化工合成氨設計技術中心站 山東濟南 250101)

我國煤氣化技術發展起步較晚，但其在合成氨生產中的應用取得了很大進展。采用新的煤氣化技術，以量大、面廣、價廉的煙煤、褐煤、高硫煤等劣質煤為原料，替代山西晉城無煙煤，實現原料煤本地化，是今后氮肥行業原料氣制取的發展方向。

合成氨；煤氣化；氣化爐；應用

由于我國化石能源富煤、缺油、少氣，因此，我國合成氨生產以煤為主要原料。煤氣化在合成氨生產過程中是關鍵工序，其所消耗的能源占全部生產能耗的70%左右，是直接影響產品成本與企業經濟效益的主要因素，因此，對煤氣化技術的研究已成為行業十分重視與關注的課題。

我國煤氣化技術發展起步較晚，但其在合成氨行業取得了很大的進展。從1935年引進UGI常壓固定層間歇氣化技術起步，20世紀50年代引進加壓固定層連續氣化技術，80年代引進德士古水煤漿加壓氣化技術，2001年又引進Shell干粉煤加壓氣化技術，加上我國自行研發的固定層無煙煤富氧氣化技術、灰熔聚流化床粉煤氣化技術、多噴嘴水煤漿加壓氣化技術、多元料漿加壓氣化技術、二段式干粉煤加壓氣化技術、多噴嘴對置式干粉煤加壓氣化技術、航天爐氣化技術等，可以說我國是世界上研究與應用各種煤氣化技術最多的國家，幾乎涉及到固定層、流化床、氣流床各種方法。國內合成氨生產中已使用的主要煤氣化工藝技術應用情況介紹如下。

1 固定層氣化技術

1.1 提升型固定層間歇氣化

該氣化技術以塊狀無煙煤(型煤)或焦炭為原料，以空氣和蒸汽為氣化劑，在常壓下生產合成氨原料氣或燃料氣，具有設備制造容易、生產操作簡單、運行穩定可靠、建設投資少等特點。我國于1935年引進該技術，主要用于生產合成氨。

經過幾十年的使用及技術改進，固定層間歇氣化技術已提升至一個新的水平階段，與原技術相比有很大差異：①所使用的原料從焦炭、無煙塊煤延伸至各種粉煤加工而成的型煤(碳化煤球、黏土煤球、腐殖酸煤棒、腐殖酸煤球等)與高硫無煙煤；②加煤出灰方式從停爐加煤和出灰發展至機械上煤與不停爐自動加煤和出灰；③氣化爐爐形、出氣口方位、爐箅形式都作了很大的變動與改進；④生產控制方式從四通閥與水壓自動機發展至DCS油壓自動控制與爐況尋優控制；⑤從過去傳統的一爐(造氣爐)一鍋(廢熱鍋爐)一塔(洗氣塔)流程(分散式工藝)發展到多爐一鍋一塔流程(集中式工藝)，并采用高效余熱鍋爐(熱管式)與高效洗氣塔等設備，從而使工藝流程與設備配置更合理，降低了系統阻力，提高了余熱回收效率，減少了冷卻水耗量與污水處理量；⑥采用過熱蒸汽制氣，使蒸汽分解率從30%左右提高至50%以上，蒸汽消耗大幅下降；⑦氣化強度從約500 m3/(m2·h，標態)提高至目前的1 300～1 500 m3/(m2·h，標態)，提高了2～3倍；⑧從過去僅回收吹風氣顯熱發展至吹風氣顯熱和潛熱的集中回收與熱電聯產，實現廢氣可燃物的超低排放；⑨過去爐渣作為廢渣處理，現將爐渣用作低熱值循環流化床鍋爐或三廢混燃爐的燃料，使原料煤的碳轉化率大幅提高，而且爐渣經燃燒回收熱量后，其灰渣還可以制粉煤、粉磚與水泥，使資源得到綜合利用；⑩造氣冷卻水從直接排放發展至目前的煤氣冷卻與洗滌分流技術，使冷卻水閉路循環使用，實現污水零排放。

提升型固定層間歇氣化是我國目前應用最廣泛的煤氣化技術。

1.2 常壓固定層富氧連續氣化

常壓固定層富氧連續氣化是利用UGI爐采用富氧空氣和蒸汽連續上吹，取代空氣間歇氣化制取合成氨原料氣。該技術于20世紀60年代分別在太原化肥廠和長春第一汽車制造廠的Ф 3 600 mm和Ф 3 000 mm煤氣爐上進行制取半水煤氣的試驗，然后吉化公司化肥廠、云南解放軍化肥廠、淮南化肥廠先后在Ф 2 740 mm煤氣爐上進行生產試驗。試驗結果表明，與空氣間歇氣化相比，該技術大大延長了有效制氣時間，使氣化強度及單爐制氣能力大幅提高。應用該技術的企業有安徽淮化化肥廠(5臺Ф 2 745 mm爐)、黑龍江化肥廠(7臺Ф 3 000 mm爐)、長山化肥廠(7臺Ф 3 000 mm爐)、平頂山化肥廠(3臺Ф 3 000 mm爐)、開封化肥廠(4臺Ф 2 743 mm爐)、吉化化肥廠、新亞化肥廠(2臺Ф 2 400 mm爐)、福建三明化工廠(4臺Ф 3 000 mm爐)、雙環化肥公司(2臺Ф 3 300 mm爐)等，目前半數裝置在運行。

1.3 碎煤固定床加壓氣化

該技術系德國魯奇公司開發，自1936年第1代工業化魯奇爐以褐煤為原料生產城市煤氣至今，經過幾十年不斷研發，先后開發出了第2代、第3代和第4代魯奇爐，其中第4代魯奇爐內徑達5 m，單爐產氣量可達75 000 m3/h(標態)。目前，我國應用該技術的企業主要有：云南解放軍化肥廠，第1代魯奇爐，內徑Ф 2 600 mm，無廢鍋流程，主要用于氣化褐煤生產合成氨原料氣；蘭州煤氣廠，第2代魯奇爐，內徑Ф 2 700 mm，廢鍋流程，用于生產城市煤氣；山西天脊煤化工集團有限公司，第3代魯奇爐，內徑Ф 3 800 mm，廢鍋流程，用于生產合成氨原料氣；哈爾濱氣化廠，第3代魯奇爐，內徑Ф 3 800 mm，廢鍋流程，用于生產城市煤氣并聯產甲醇；河南義馬氣化廠，用于生產城市煤氣并聯產甲醇，工藝流程與山西天脊煤化工集團有限公司基本相同，局部進行了改進。

2 流化床氣化技術

2.1 恩德爐粉煤氣化

中朝合作撫順恩德機械公司引進朝鮮恩德“七七”聯合企業的改進型溫克勒(Winkler)氣化爐，并結合國情完善、開發形成專利技術，設備制造已完全實現了國產化。該技術在德國常壓溫克勒煤氣化技術的基礎上，進行了3項重大改進和完善，逐步形成了實用新型技術。改進的主要內容：①氣化爐爐底的爐箅改為噴嘴布風，解決了爐箅易結渣的問題，有利于提高氣化溫度和氣化爐運轉率；②氣化爐中上部增設二次進風噴嘴，出口增設干式旋風除塵器回收煤氣夾帶的細煤粒和熱灰并返回氣化爐內再次流化氣化，形成熱物料循環，降低飛灰含碳量，使碳轉化率有所提高；③廢熱鍋爐安裝于旋風除塵器之后，除塵后的煤氣通過廢熱鍋爐，可減輕爐管的磨損，同時避免爐管積灰，延長了廢熱鍋爐的使用壽命和檢修周期。

2.2 灰熔聚流化床粉煤氣化

該技術由中科院山西煤化所于20世紀90年代開發成功并獲得中國專利，在Φ1 000 mm中試裝置(投煤量24 t/d)對多種煤進行試驗的基礎上，與陜西秦晉煤氣工程設備公司、中西部煤氣化工程技術中心等單位共同在陜西城化股份有限公司進行投煤量100 t/d(Φ2 400 mm爐)灰熔聚流化床粉煤氣化制合成氣的工業示范裝置試驗。從2002年3月至2003年6月，工業示范裝置累計運行超過8 000 h，所產煤氣送入合成氨系統，能滿足生產要求。2004年12月，在國家發改委批準的第1批氮肥行業原料及動力結構調整專項項目中，山東肥城、山西豐喜、河南平頂山、天津堿廠等企業采用了該技術。采用灰熔聚流化床氣化技術制取合成氨原料氣的裝置見表1。

表1 采用灰熔聚流化床氣化技術制取合成氨原料氣的裝置

3 氣流床氣化技術

3.1 德士古水煤漿加壓氣化

該技術屬于濕法進料的氣流床加壓氣化工藝，系原美國德士古公司的專利技術。從20世紀70年代起，我國西北化工研究院在研究開發水煤漿制備與氣化技術方面積累了大量的基礎數據。20世紀80年代末，山東魯南化肥廠第1家從原德士古公司引進該專利技術，投資1.6億元建設的德士古水煤漿加壓氣化制合成氣生產示范裝置(包括空分裝置)于1993年3月投運。該裝置采用激冷工藝流程，氣化爐規格Φ2 800 mm，1開1備，操作壓力2.7 MPa，單爐投煤量360 t/d(干煤)。2000年又建成1套操作壓力為8.3 MPa的水煤漿氣化試驗裝置，氣化爐規格Φ2 800 mm。此后，我國相繼引進了多套德士古水煤漿加壓氣化裝置。我國采用德士古水煤漿加壓氣化技術生產合成氨的部分裝置見表2。

表2 我國采用德士古水煤漿加壓氣化技術生產合成氨的部分裝置

3.2 多噴嘴對置式水煤漿氣化

多噴嘴對置式水煤漿氣化是華東理工大學經10多年研發而成的具有我國自主知識產權的氣化技術，第1套工業生產裝置(Φ2 800 mm，3臺，壓力6.5 MPa)于2004年12月在山東德州華魯恒升化工股份有限公司投運，此后兗礦國泰化工有限公司采用該技術的生產裝置(Φ3 400 mm，2臺，壓力4.0 MPa)于2005年10月正式運行。采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術生產合成氨的部分裝置見表3。

表3 采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術生產合成氨的部分裝置

3.3 殼牌粉煤加壓氣化

該煤氣化工藝簡稱SCGP，是荷蘭Shell國際石油公司開發的加壓氣流床粉煤氣化技術。從20世紀70年代開始，該技術經歷了小試、中試及工業示范裝置等不同階段的研究試驗。1993年，荷蘭布根倫市煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電廠建成了第1套殼牌煤氣化大型工業生產裝置，發電量為250 MW，試運行3年后轉交當地公用事業部門進入商業化運行。

進入21世紀后，我國不少大中型合成氨企業進行以煤代油生產合成氣的原料路線改造，陸續向Shell公司引進該氣化技術。國內引進SCGP技術生產合成氨的部分裝置見表4。

表4 國內引進SCGP技術生產合成氨的部分裝置

3.4 HT- L航天粉煤加壓氣化

HT- L航天粉煤加壓氣化技術由中國航天科技集團公司北京航天動力研究所研制，北京航天萬源煤化工工程技術有限公司負責推廣。該氣化技術借鑒了荷蘭殼牌、德國GSP、美國德士古煤氣化工藝中的先進技術，配置自行研發的盤管式水冷壁氣化爐而形成的一套結構簡單、有效實用的煤氣化工藝。采用HT- L航天粉煤加壓氣化技術生產合成氨的部分裝置見表5。

表5 采用HT- L航天粉煤加壓氣化技術生產合成氨的部分裝置

3.5 其他

3.5.1 GSP干粉煤氣化技術

GSP加壓氣流床氣化技術由前東德的德意志燃料研究所開發，始于20世紀70年代末，最初目的是用高灰分褐煤生產民用煤氣，分別于1979年和1996年建設了3 MW和5 MW 2套氣化中試裝置。1984年，在德國黑水泵工廠采用GSP氣化技術建成1套200 MW的商業化裝置，粉煤處理能力為30 t/h。2001年，巴斯夫(BASF)公司采用該技術在英國的塑料廠建成30 MW工業裝置，用于氣化塑料生產過程中所產生的廢料。2006年，捷克Vresova工廠采用GSP氣化技術建設的175 MW工業裝置開車試運轉，其氣化原料為煤焦油，用于聯合循環發電項目。2007年6月，北京杰斯菲克氣化技術有限公司與神華寧夏煤業集團簽訂了520 kt/a煤基烯烴(中間產品為1 670 kt/a甲醇)氣化島項目合同；與山西蘭花煤化工有限責任公司簽訂了300 kt/a合成氨與甲醇氣化島項目合同。GSP干粉煤氣化技術在合成氨生產中的應用較少。

3.5.2 多元料漿氣化技術

西北化工研究院開發的多元料漿氣化技術屬濕法氣流床加壓氣化技術，是將固體或液體含碳物質(包括煤、石油焦、瀝青、油、煤液化殘渣)與流動相(水、廢液、廢水)通過添加助劑(分散劑、穩定劑、pH調節劑、濕潤劑、乳化劑)所制備的料漿與氧氣進行部分氧化反應，生產以CO+H2為主的合成氣，水煤漿加壓氣化屬多元料漿氣化的特定形式。多元料漿氣化技術在合成氨生產中有少量的用戶。

3.5.3 科林CCG粉煤氣化技術

貴州開陽化工500 kt/a合成氨項目采用2臺科林CCG粉煤氣化爐，單爐日投煤量1 500 t，科林公司為該項目提供CCG粉煤氣化技術許可、工藝包、專有設備以及技術服務。該項目于2012年9月開始調試，2013年1月打通全流程，生產出合格的合成氨產品。目前該項目氣化裝置已進入穩定運行階段。

3.5.4 BGL碎煤熔渣氣化技術

BGL碎煤熔渣氣化技術是在原魯奇固定床加壓氣化技術的基礎上開發出來的新型煤氣化技術，將高溫熔渣氣化與加壓固定床氣化技術結合在一起，兼具兩者的優勢，克服了各自的一些缺點，是一種既高效又經濟的氣化技術。

2005年，云南煤化工集團與Advantica公司合作，在其下屬的云南解化集團改造了1臺碎煤加壓固定床氣化爐作為示范爐，試燒當地含水質量分數35%的褐煤。

中煤圖克集團化肥項目總投資200億元，建設規模為年產2 000 kt合成氨、3 500 kt尿素。其中，一期工程年產1 000 kt合成氨、1 750 kt尿素、4.1億m3天然氣，項目共計配置7臺BGL氣化爐(5開2備)，單爐日投煤量1 250 t，單爐產粗合成氣量約為70 000 m3/h(標態)。目前氣化爐運行穩定，合成氨產量2 400 t/d，尿素產量4 560 t/d。

4 結語

合成氨主要用作氮肥的原料及工業原料，在國民經濟中具有非常重要的地位。采用新的煤氣化技術，以量大、面廣、價廉的煙煤、褐煤、高硫煤等劣質煤為原料替代山西晉城無煙塊煤，實現原料煤本地化，是合成氨行業今后發展的方向。

ApplicationSituationofCoalGasificationTechnologyinNitrogenousFertilizerIndustry

WANG Guoxiang

(National Chemical Engineering and Ammonia Plant Design Technology Center of China, Jinan 250101, China)

China started late in the development of coal gasification technology, but it has made a great progress in application of synthesis ammonia production. Adopting new coal gasification technology, substituting anthracite of Jincheng, Shanxi Province with low-grade coals such as bituminous coal, lignite and high- sulfur coal, which are abundant, cheap and have numerous sources, and realizing raw coal localization are the future development direction of preparing feed gas for nitrogenous fertilizer industry.

synthesis ammonia; coal gasification; gasifier; application

本文作者的聯系方式：wgx8899@126.com

TQ546 文獻標示碼：A

1006- 7779(2017)03 - 0059- 04

2015- 04- 29)