合成氨用煤气化技术浅析

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( 1.湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北 宜昌 443311；2.河南兴发昊利达肥业有限公司，河南 辉县 453600)

1 以煤为原料的气化技术迅猛发展

以合成氨和甲醇产品为代表的煤气化技术，经过多年的发展，已形成三种类型的气化方式，即固定床气化、流化床气化和当前应用较广的气流床气化，其各自的特点如下。

1.1 固定床

固定床煤气化技术已经有100多年的历史，经历了固定层间歇气化到富氧连续气化，鲁奇加压气化也属于固定床气化。固定床煤气化是煤在固定层移动床中完成气化，间歇气化因吹风过程中放空气对环境污染严重而被淘汰，富氧连续气化因原料只能用焦炭和无烟煤，价格高，且气化效率低，能耗高，生成气中甲烷含量高，不适合作合成氨的原料气。

鲁奇(Lurgi)加压气化技术在我国建有多套装置。该技术虽然能连续加压气化，但由于气化温度低，生成气中甲烷含量大，还含有苯、酚、焦油等一系列难处理的物质，净化流程长。该技术只能用碎煤不能用粉煤，因而原料利用率低，大量筛分下来的粉煤要配燃煤锅炉处理。

1.2 流化床

采用粉碎的煤作原料，用氧化剂(氧气或空气)来使床体流化，温度在1 000 ℃以下，以预防灰熔化后与炉床里的物质发生结聚。反应温度低，意味着部分煤粒不能充分燃烧，而是收缩成碳素粒，被合成气带出气化炉。这就需要大量的碳素粒循环，或被传送到分离燃烧室中燃烧。

中科院山西煤化所开发的灰熔聚流化床粉煤气化就是流化床气化炉，目前有工业装置运行。

该技术工业示范装置于2001年在陕西城固氮肥厂建成。气化炉是一个单段流化床，结构简单，可在流化床内一次实现煤的破粘、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解。带出细粉经除尘系统捕集后返回气化炉，再次参加反应，有利于碳利用率的提高。产品气中不含焦油，含酚量低。碳转化率为90%。合成气中CO+H2在70%左右，有效气体成分含量偏低。其特点是煤种适应性宽，煤灰不发生熔融，只是使灰渣熔聚成球状或块状排出。可以气化褐煤、低化学活性的烟煤和无烟煤、石油焦，投资较少，生产成本低。缺点是操作压力偏低，对环境污染及飞灰堆存和综合利用有待进一步解决。

1.3 气流床

气流床煤气化属第三代先进的煤气化技术，是最清洁、也是最高效的煤气化类型。粉煤在1 200～1 700 ℃下被氧化，高温保证了煤的完全气化，煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。气流床所使用的煤种比移动床和流化床的范围宽。

气流床煤气化工艺的典型代表有两大类，一类是水煤浆加压气化技术，如GE公司德士古水煤浆加压气化工艺，国产新型对置式多喷嘴水煤浆加压气化工艺；另一类是干煤粉加压气化技术，如壳牌干粉煤加压气化工艺(SCGP)，国产HT-L航天炉干煤粉加压气化技术。

下面就水煤浆加压气化技术与干煤粉加压气化技术各自的特点进行分析。

2 水煤浆加压气化技术特点

2.1 水煤浆加压气化技术对原料煤的要求

水煤浆技术是上世纪70年代世界范围内的石油危机中产生的一种以煤代油的煤炭利用方式，是洁净煤利用技术之一。该技术将煤炭、水、部分添加剂加入磨机中，经过磨碎后成为一种类似石油可以流动的煤基流体燃料。水煤浆的质量浓度一般为65%±5%，它直接影响水煤浆的着火性能和热值，浓度越大，含水量就越小，越容易点燃且热值高，但流动性变差。流变性一般采用粘度来表示，它是影响水煤浆输送流动性能、储存稳定性及燃烧效果的重要因数，要求水煤浆具有“剪切变稀”的特性，受到剪切或升温后，其粘度能迅速降低，以便于运输和雾化燃烧。浆体的稳定性是一个重要指标。

水煤浆制备要求煤质的哈氏可磨系数要大，成浆性要好，浆体中的煤不仅有粒度限制，还要求粒度分布良好。制浆过程中要添加分散剂和稳定剂等，使水煤浆达到高浓度、高稳定性以及良好的流变性。水煤浆技术对煤的质量要求较高，需低灰、低硫精煤，煤种的选择范围有限。

2.2 GE公司德士古水煤浆加压气化

该工艺采用水煤浆进料，制成浓度60%～65%的水煤浆，在气流床中加压气化，水煤浆和氧气在高温高压下反应生成合成气，液态排渣。在压力2.7～6.5 MPa，温度1 300～1 400 ℃条件下气化，CO+H2达到80%。气化过程对环境污染影响较小，要求煤的灰融点不超过1 350 ℃(否则必须添加助熔剂)。

2.3 对置式多喷嘴水煤浆加压气化技术

该技术是我国煤气化科研人员经过多年研究，在德士古水煤浆加压气化法基础上发展起来，具有中国知识产权的煤气化技术。由华东理工大学同鲁南化肥厂等单位合作开发。已在神华宁煤、江苏索普、江苏灵谷、烟台万华、山东盛大等大型项目成功应用。该技术有以下特点。

(1)采用撞击流，加强混合和热质传递；预膜式喷嘴，氧气压降低；复合床洗涤冷却技术，液位平稳，避免了带水带灰；混合器、分离器、水洗塔组合“分级”净化，系统压降低，分离效果好；渣水处理系统采用直接换热技术，热回收效率高；气化炉喷嘴之间相互协同，气化炉负荷可调节范围大。

(2)水煤浆气化炉膛为热壁炉，采用耐火材料结构，长时间受煤浆燃烧和冲刷，炉膛耐火材料一般在使用18个月后需要更换或使用耐温浇筑料重新浇筑；气化炉烧嘴寿命短，正常运行时间在2～3个月，因此，一条生产线需要备用一台气化炉，交替投运和检修。

(3)水煤浆气化生产的有效气(CO+H2)含量达到83%～85%；采用该气化工艺生产合成氨吨氨煤耗1.40～1.43 t；碳转化率可达98%。

3 干煤粉加压气化工艺

3.1 对煤质的要求及煤粉的加工工艺

该气化工艺煤种的适应性较广，褐煤、次烟煤、烟煤等均可作为气化原料煤，但从经济的角度考虑，采用高热值、低灰分、低硫煤比较经济；对煤的灰融性适应范围宽。

煤粉加工过程中，为了便于磨煤机磨碎，对煤的游离水和粒度有一定要求，原料煤一般进磨煤机前，需经烘干、筛分、粗破碎处理；原料煤在磨煤机磨粉和输送过程中，需用氮气保护以及用氮气作为输送载体，并配备煤粉除尘装置。

具有代表性的干煤粉加压气化技术是荷兰壳牌公司的Shell煤气化工艺和国内航天长征化学工程公司开发的HT-L航天炉干煤粉气化工艺。

3.2 壳牌干粉煤加压气化工艺

壳牌公司干粉煤气化研究始于1972年，研究工作在阿姆斯特丹研究院开展，1993年在荷兰的德姆克勒(Demkolec)电厂建成投煤量2 000 t/d的煤气化装置，用于联合循环发电，称作SCGP工业生产装置。装置开工率最高达73%。2006年5月双环化工引进该技术，投煤量1 000 t/d，装置一次开车成功，并转入平稳运行。

Shell煤气化法的典型流程如图1所示。

Shell 粉煤气化流程的特点是粉煤、氧气和水蒸气在加压条件下并流进入气化炉内部，在3～10 s时间内，完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧和转化等一系列物理和化学过程。流程包含以下工序：① 磨煤及干燥，② 煤加压及进煤，③ 气化及合成气冷却，④ 除渣，⑤ 除灰，⑥ 洗涤，⑦ 废水汽提及澄清等。该流程中煤粉的制备和输送，与水煤浆不同，经过预破碎后原料煤先进入干燥系统烘干，使原料煤中的水分降到2%以下，然后进入磨煤机磨粉，用N2送入煤粉仓中备用。

图1 Shell煤气化流程

Shell煤气化工艺指标 气化温度1 400～1 600 ℃；耗氧量(标态CO+H2)为330～360 km3；有效气体(CO+H2)含量约90%；气化炉操作压力为2～4 MPa；碳转化率达到99%。

Shell煤气化炉的结构特点 气化炉由内筒和外筒两部分组成，包括膜式水冷壁、环形空间和高压容器外壳。内筒采用水冷壁结构，仅在向火面有一层薄的耐火材料涂层，主要是为了挂渣，充分利用渣层的隔热功能，减少热损失；同时以渣保护炉壁，提高气化炉的可操作性和气化效率。冷壁与筒体外壳之间留有环形空间，便于输入集水管和输出副产蒸汽的集汽管布置，以及水冷壁的检查和维修。Shell气化炉根据气化能力的大小采用4～8个呈中心对称分布的侧壁烧嘴，烧嘴使用寿命保证期为一年。

3.3 HT-L航天炉干煤粉气化工艺

航天工程公司依托中国航天50多年来在运载火箭和液体火箭发动机研制、生产和试验方面积累的技术、条件、人才和管理优势，将在系统工程、系统控制、燃烧传热、流体控制、特种材料等领域取得的技术成果，应用于煤炭洁净高效利用领域，形成了拥有自主知识产权的“HT-L航天粉煤加压气化技术”，可以广泛应用于煤基甲醇、煤基合成氨以及煤制天然气、煤制合成油、煤制烯烃、煤制氢、IGCC发电等领域。该气化技术充分吸收了当今世界两大先进煤气化技术，即干粉煤气流床气化和水煤浆气化急冷流程的优点，在备煤、输煤、燃烧调节系统、气化炉辐射段均采用先进的粉煤气流床气化技术；灰渣水系统、洗涤、净化则采用气体急冷流程。该技术的重点在于原料煤本地化，优化工艺路线、减少投资、关键设备国产化等方面。

(1)HT-L航天炉工艺特点

以粉煤为原料，以纯氧和过热蒸汽为气化剂，加压气化。不同煤种的适应性好，入炉煤的灰熔点范围较宽，为1 200～1 460 ℃。对煤种要求低。惰性气体浓相输送，原则上均可以CO2作为煤粉输送介质，部分CO2循环利用，减少碳排放。粗合成气中有效气体(CO+H2)含量高，CO2含量低，净化负荷小，单位有效气体氧耗低，碳转化率达到99%，冷煤气效率达80%～83%，煤耗低，热效率高，可达95%。

(2)HT-L航天气化炉结构特点

气化段盘管采用水冷壁结构，可以实现高的气化温度，这样原料煤灰熔点范围宽。气化炉为水冷壁结构，能承受1 500～1 700 ℃的高温。气化温度1 200～1 700 ℃，副产中压蒸汽，实现能量的高效利用。运行过程中，炉膛内壁的耐火材料涂层表面会形成固渣层和液渣层，为自我修复式耐火结构，有效地保护水冷壁，实现“以渣抗渣”。 气化炉只设置一台组合燃烧器，安装在气化段顶部。组合燃烧器将点火装置、点火烧嘴、开工烧嘴、工艺烧嘴设计成一体，调节单一氧煤比和汽氧比，就可以实现气化参数的调节，操作简便、快捷，易于掌握，特别适用于煤种变化频繁，要求在线及时调节的工况。激冷、水浴式合成气冷却及洗涤流程，增加的饱和水蒸气可直接用于变换工序。

HT-L煤气化工艺流程如图2。

图2 HT-L煤气化工艺流程图

4 不同煤气化技术部分气化指标分析(表1)

目前，以上三种煤气化方式在国内煤化工装置上广泛应用。近年来，国产干煤粉气化技术及水煤浆气化技术日趋成熟，已在多套大型煤制气生产合成氨和甲醇装置上应用。

5 煤气化技术的选择

以煤为原料制备合成气生产合成氨、甲醇等多联产产品，目前较适用的国外气化技术有鲁奇炉固定床气化、德士古水煤浆气化技术和Shell干煤粉气化技术SCGP工艺；国产技术有华东理工大学的对置式多喷嘴水煤浆气化技术，航天长征化学工程公司开发的HT-L航天炉粉煤加压气化技术等。选择哪一种煤气化技术，需要综合考虑以下方面的因素。

表1 煤气化装置部分气化技术指标分析表

(1)根据原料煤的来源，首先了解煤种性能，再根据煤种选择适应的气化方式，同时考虑配煤调节气化的适应性，选用适宜的煤气化技术。

(2)根据项目规划的产品方案要求，结合各种煤气化后的粗合成气成分，选择有利于产品合成的煤气化技术。

(3)根据各种煤气化的技术指标，如有效成分含量、氧耗、煤耗、碳转化率、动力消耗、热效率等，综合比较煤气化成本或者产品成本。

(4)煤气化技术的投资比较。包括配套的空分装置、粗合成气变换与净化、备煤、三废治理及公用工程等。水煤浆加压气化因氧耗高配套空分投资大；干煤粉加压气化因粉煤制备过程中煤干燥装置投资大，移动床废水处理困难，废水处理装置投资大。

(5)煤气化技术国产化水平。该部分不仅影响到项目投资费用，还影响到建设的进度和后期维护。就国产化水平而言，鲁奇气化装置可完全国产化，水煤浆气化和干煤粉气化装置的国产化率近年来也达到了较高的水平。

(6)三废与治理。气流床气化不管是干法(干煤粉气化)还是湿法(水煤浆气化)，三废少且易于处理，对环境友好；而固定床气化三废问题较严重，尤其是鲁奇气化，不仅废水成分复杂且量大，处理有一定难度，必须格外重视，使三废治理达到环保的要求。

6 结 语

我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，决定了我国能源的消费模式是以煤炭为主，如何提高煤炭的利用效率一直是国内科研院所和企业追求的目标。探索提高煤炭利用率，研究更高水平的煤气化和气体净化方式，降低废弃物的排放是实现可持续发展的保障。根据原料煤种、产品特点等因素选择合理的煤气化技术，不仅是企业控制生产成本、技术革新和经济效益的需要，也是节能减排、创造美好生活的需要。航天公司开发的HT-L航天炉粉煤加压气化技术，从煤种和颗粒的适应范围、单台炉的生产能力、煤气化的操作压力和连续运行状态、粗煤气有效成分、灰水环保处理等方面，成为煤气化技术的先进代表之一，将推动我国大型煤化工技术和装备的进步。

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