富氧连续气化和空气间歇增氧气化技术应用情况调查

李永恒

（全国造气技术咨询部，上海 200062）

在我国煤气化领域，气化方法有多种形式，有成功的经验，也有失败的教训。上世纪60年代，富氧气化技术在我国固定层煤气炉上开始应用。50多年来，多次大起大落，给一些不明真象的企业造成重大的经济损失。近年内有关富氧连续气化技术，某些设计单位和该技术的开发单位，宣传报导的文章较多，但文章内容的真实性值得研究和商榷，因为有些文章在介绍时，扩大其中的利，对应用中的弊避而不谈。近年内在各种技术交流会上，许多代表向笔者咨询有关富氧气化技术。为了让更多的朋友了解富氧连续气化成败真实情况，我将所知道的情况整理后介绍如下。

1 富氧气化原理与工艺特点

在固定层煤气炉内，富氧空气与煤炭燃烧放热的同时，蒸汽与灼热的煤炭发生吸热反应，两反应基本达到平衡，气化过程便会连续平稳进行。为了满足半水煤气成分的要求，一般将富氧空气中的O2含量控制在47%～52%。富氧空气、蒸汽、煤炭的化学反应式如下：

富氧空气与煤炭在氧化层内发生放热反应（1）和（2），以获得足够的热量供应还原层进行（3）、（4）、（5）反应，提高燃料层高度将有利于反应（3）、（4）的进行，对降低半水煤气中的CO2有好处。

实现富氧连续气化后，由于取消了空气吹风阶段，减少了因吹风燃烧炭的损失，气体带出物减少以及炉渣含碳量的降低等，使碳的利用率得到提高，煤耗有所降低。另外，由于气体空速低，可以应用小粒煤和型煤进行气化。

由于该技术是连续气化，炉温相对比较稳定，蒸汽分解率比空气间歇式气化要高。另外，因为高温煤气全部进入废锅，余热回收效果好（原中氮厂大直径煤气炉的流程下吹煤气的显热未回收），因副产蒸汽量增加，氨系统可以实现蒸汽自给（这是理论推算的）。

该技术选用ZL型自动加煤机，可以恒定炭层高度，有利于富氧气化。再选用不停炉下灰装置，可以达到连续气化的要求。另外，减少了许多自动阀门，简化了工艺流程，降低了系统故障率，减少了设备维修费用。

富氧连续气化工艺流程如下：

2 氧气来源

2.1 企业内部有多余的氧气

有的企业内部其他工序中有多余的氧气，此种情况最好，既经济又实用。直接将氧气引入原固定层煤气炉使用。

2.2 新建制氧系统

目前实用性最广的两种制氧方法，一种是传统的深冷空分制氧，另一种是变压吸附制氧。变压吸附制氧原理：利用分子筛来吸附空气中的氮，根据加压下吸附量大，减压下吸附量小的原理，通过压力反复变化，让空气中的氮选择吸附、再生，实现氧气提纯。

变压吸附制氧与深冷空分法制氧对比情况见表1。

表1 两种制氧装置性能比较

3 曾经应用过富氧连续气化技术的单位

（1）60年代初太原化肥厂在φ3 600mm炉上用过。

（2）60年代长春第一汽车制造厂在3A－13型发生炉上用过。

（3）60年代吉林化肥厂在φ3 000mm炉上用过。

（4）70年代淮南化肥厂在5台φ3 000mm炉上用过。（其中有部分为两用炉，即在无氧气供应时，就改为间歇式空气气化炉。）

（5）70年代云南解放军化肥厂在2台φ3 000mm炉上用过。

（6）1994年黑龙江化肥厂新建7台φ3 000mm富氧炉。

（7）1996年四川大竹化肥厂在一台φ2 400mm炉上用过。

（8）1996年江苏武进化肥厂在2台φ2 400mm炉上用过。

（9）1998年河南平顶山化肥厂新建3台φ3 000mm炉。

（10）2001年吉林长山化肥厂新建6台φ3 000mm炉。

4 富氧气化炉应用中的问题探讨

4.1 关于半水煤气成分问题

富氧连续气化所生成的半水煤气成分见表2，CO和CO2偏高，给后系统带来麻烦。

从表2可以看出，富氧连续气化所生成的半水煤气中CO2高达13%～16%，最高可达到19.7%。由于CO2浓度过高，不但给脱碳工序增加了负荷，而且影响到合成工序中压缩机运行效率，一般会降低10%左右，必然造成电耗和压缩机维修费用增加。（此损失是无法估算的。）

再看空气间歇气化，半水煤气中CO含量为28%～31%，而富氧气化半水煤气中CO含量为38%～44%。由于CO含量的增加，必然会使变换工序变换炉的负荷增加，这不但会导致催化剂使用寿命降低，而且使变换炉的蒸汽消耗增加。据有关资料介绍，吨氨半水煤气中CO含量每增加1%，变换炉多消耗蒸汽1kg左右。按黑龙江化肥厂富氧炉，设计年产合成氨180kt计算，全年仅因CO含量高，变换炉多支出蒸汽费用40万元以上。

表2 各种气化方法的半水煤气成分（体积分率） %

4.2 关于气化强度问题

根据众多资料介绍和理论计算，富氧空气连续气化炉比空气间歇式气化炉的气化强度成倍增加，随所用原料不同，可增加1～1.5倍。但是，从应用富氧气化炉的众多厂家来看，实际仅增加5%～30%，有的厂还不如空气间歇式气化炉。现将历史上的情况介绍如下。

（1）淮南化肥厂增加30%。

（2）黑龙江化肥厂仅增加4%。

（3）武进化肥厂增加19%。

（4）大竹化肥厂下降10%。

采用富氧气化近年的气化强度如表3。

表3 富氧空气连续气化与固定层空气间歇气化的气化强度对比

4.3 关于煤耗与投资费用问题（表4）

表4 各种气化方法年产200kt氨的投资与吨氨入炉煤耗对比

4.4 配套设施

为了使燃料层布风均匀，要求设计出性能好的富氧气化专用炉箅。富氧连续气化要求炉箅的高度比间歇空气气化的炉箅要低些。但是，多边扇型炉箅虽然高度低，但是炉下带出物多，也不适用。最好还是ZL型铸钢炉箅，比较适宜。

选用ZL型自动加煤机，它可以使炭层高度保持恒定。通用型自动加煤机是每个循环间歇向炉内加煤，加煤量和炭层高度难以控制。ZL加煤机是连续向炉内加煤，炉内消耗多少煤，补充多少，所以炭层高度可以恒定在设定值。

由于富氧连续气化中间不间断，所以必需选择不停炉下灰装置。

5 目前富氧连续气化炉运行情况

（1）三明化工有限公司于2007年采用型煤（煤球）进行富氧连续气化，运行情况还算正常。开3～6台φ3 000～3 200mm炉，氧气由三钢供给，所产半水煤气与老系统并网。单炉小时发气量为9 000m3，吨氨煤耗为1.5t。

（2）淮南化肥厂开3台φ3 000mm炉，也是用煤球富氧气化。吨氨煤耗为1.8t，单炉小时发气量为7 000～8 000m3。

（3）湖北双环公司开2台φ3 300mm炉，用煤棒富氧气化。单炉小时发气量为12 000m3。

（4）云南解放军化肥厂，因效益问题于2008年全部停运富氧气化炉。

（5）河南平顶山化肥厂开3台φ3 000mm富氧气化炉，运行情况一般，不太理想。

（6）黑龙江化肥厂和长山化肥厂，一共有13台φ3 000mm富氧炉，于2003年全部停运。

（7）开封化肥厂于2008年12月新上4台φ2 743.2mm炉，采用小块煤富氧气化，所产半水煤气与原空气间歇气化炉的半水煤气并网送入后工序。从炉渣情况看，富氧连续气化炉运行情况并不理想。

（8）2009年12月柳化也改了几台富氧炉，因也与老系统并网，所以也看不出效果。

（9）据悉，近年新疆宜化新上了20台φ3 600mm炉，采用烟煤富氧连续气化，由于选用本单位昌吉煤矿低价烟煤，效益很好，还准备扩建。

（10）其他单位未能联系上。

6 富氧气化改进方法

6.1 富氧空气间歇气化技术（严格地说应该称为空气间歇增氧气化）

该技术是武汉利德公司研制的一种新技术。在原有的空气间歇气化基础上，加入适量的氧气（仅下吹阶段和二次上吹不加氧气）。此技术已在浙江清华化工有限公司应用。据介绍有些效果，其半水煤气中CO2在9.0%以下，CO＋H2为75.8%。近年内又在多厂应用。详情见表5。

表5 固定层空气增氧气化炉应用情况

6.1.1 增氧方法

（1）单炉增氧

将氧气引入单炉的空气管道上，根据炉型和原料品种不同，随空气加入适当的氧气一起入炉，实为富氧空气。蒸汽引入单炉上吹蒸汽管道上，两者均有特殊结构的阀门来调节用量。另外，两个氧气阀的启闭也都由电液阀来控制，达到增氧的目的。

（2）多炉同时增氧

氧气由空气鼓风机的进口管道或出口管道加入，在一机四炉的条件下，各炉吹风时就有富氧空气入炉，只是单炉的氧气量加入多少无法调节。

蒸汽增氧同上。

6.1.2 实际运行效果分析

（1）氧气的加入，减缓了气化层温度下降，提高了气化层平均温度，对于开太平炉的人员来说，给降低气化层的高温创造了条件，炉子不易结疤，炉况稳定。

（2）虽然节煤不太多，但是吨氨也可降煤耗80kg，减去吨氨增加的50m3的氧耗，吨氨也可以节省50元（各厂进煤价不等，节约金额不等）。

（3）可使用含碳量低于60%的劣煤，或者活性差的煤。

湖北潜江金华润在新建的40·52工程中，全面使用增氧气化技术。

6.1.3 目前准备上增氧气化的企业（表6）

表6 正在改造和即将运行的企业

6.2 上下吹富氧交换气化技术

该技术是多年前一位朋友电话告诉笔者的，他说已申请专利，在各种技术交流会上也作了介绍。近来有的单位准备试用，并把它改称为单炉富氧双向气化。从原理上分析是可行的，为了解决连续上吹气化，炉上温度偏高的问题，采用上下吹交换气化降低炉上温度。但必须采取一定的安全措施，否则会发生爆炸的。该方法近年内经有关企业试用，无明显效果而停用。

6.3 双床层双向耦合式气化法

以两台固定床气化炉为一组，形成双床层双向的耦合式气化炉。［按：该技术早在上世纪70年代浙江巨化厂就应用过，当时采用两台炉用空气间歇气化方法，对吹，其目的是为了提高蒸汽分解率和半水煤气有效成分。为此，笔者专程前往该厂考察，据当时的总工程师介绍，双向耦合式气化法很不理想，不如两台炉分别气化的产气量高，而且易发生事故。因此运行了一段时间，又改回两台炉分开气化。因此，采用富氧，双床层双向耦合式气化是否可行（希望成功），还将拭目以待。］

7 结 语

总之，富氧连续气化技术还存在许多问题，几十年来一直难以推广。目前各厂富氧气化炉的半水煤气，都是与老系统间歇空气炉并网送入后系统的，所以很难区别富氧连续气化的真正效率，文中所介绍的发气量和煤耗都是估算的。历史上只有黑龙江化肥厂和长山化肥厂，是独立系统应用富氧连续气化技术的，两厂均停用富氧连续气化技术了，可见独立系统运行的效果很不好。因此，笔者建议准备上富氧气化炉的企业一定要慎重。