技改项目煤气化工艺路线比选总结

刘 明

（江苏德邦兴华化工股份有限公司，江苏连云港 222023）

0 引 言

江苏德邦兴华化工股份有限公司150kt／a合成氨装置采用固定床气化炉制半水煤气。当前，国家对安全环保的要求日益严苛，固定床气化工艺受到诸多限制，且固定床气化炉煤种适用范围窄，一般只能采用白煤作为制气原料，而白煤价格偏高，导致制气成本居高不下。基于降本增效、安全环保及气化炉煤种适应性等方面的考虑，公司决定对现有固定床气化系统进行升级改造。

对于中小型煤制氨／甲醇厂来说，固定床气化系统改造主要应遵循以下几点原则：①适应未来的煤种供求关系；②安全环保方面符合国家政策导向；③经济效益明显；④后系统改动小。为此，我们进行了一系列的调研，着重考察了一种新型流化床气化炉——循环流化床气化炉，并将其与固定床气化炉、水煤浆气化炉在煤种适应性、项目投资、能源利用率、制氨成本、气体压缩成本、制碱 （联碱）、安全及环保等方面进行了综合对比，现简介如下。

1 煤种适应性

循环流化床气化技术是一种新型气化技术，目前国内中小型合成氨、甲醇厂煤气化装置主要采用固定床气化技术和水煤浆气化技术，相较于这2种技术，循环流化床气化技术在煤种适应性方面有较大的优势：首先，固定床气化炉一般只能选用白煤作为原料，水煤浆气化炉原料一般选用神华煤配比其他煤种，而循环流化床气化炉可选用褐煤、烟煤或白煤；其次，循环流化床气化炉对煤的灰熔点要求较低，而固定床气化炉对煤的灰熔点要求高，否则易结疤结块，水煤浆气化炉对煤的灰熔点要求也较高，否则会影响炉壁的挂渣效果；再者，水煤浆气化炉对煤的成浆性要求也较高，这也就限制了水煤浆气化炉的煤种适应范围。

简言之，在煤种适应性方面，循环流化床气化炉优于固定床气化炉和水煤浆气化炉，尤其是在优质原料煤供应日益紧张及成本高企的未来。

2 制氨／制甲醇的可行性

山东聊城某公司共有5台循环流化床气化炉，用于生产燃料煤气，气化炉设计操作温度902℃ （实际操作温度约950℃），其中3台循环流化床气化炉单炉产煤气量40000m3／h，2台循环流化床气化炉单炉产煤气量60000m3／h，5台炉产能共计240000m3／h，其煤气成分分析数据如表1（并与固定床气化炉所产煤气成分进行对比）。可以看出，该公司循环流化床气化炉用于生产燃料煤气，因其气化炉操作温度低，故所产煤气CO和H2含量低、CH4含量高，煤气发热量约1400k cal／m3，有效气 （CO+H2）含量约40%。

表1 循环流化床气化炉所产煤气成分分析数据 %

据介绍，循环流化床气化炉应用于化工行业，如煤制氨、煤制甲醇等，据下游系统气质需求，主要需进行如下调整：调整原料添加位置；提高炉温，以控制粗煤气中CH4含量在1.8%以下；调整气化剂如氧气浓度等，氧气 （富氧空气）浓度达40%～50%时，有效气 （CO+H2）含量可达65%～70%。

3 运行稳定性

上述聊城某公司原有100台固定床气化炉，目前基本拆完，改为循环流化床气化炉，现场辅助设备基本上均为一开一备，运行稳定性好。据介绍，循环流化床气化炉运行过程中基本上不需要进行检修，原则上每年检修1次，有连续运行400d以上的记录，当然也有个别气化炉因跑火问题间隔半年停炉处理内保温 （属特殊情况），每次停炉时长在10d左右。

该公司循环流化床气化炉炉渣使用皮带输往电厂利用，含碳量低则电厂不接收，因此该公司气化炉炉渣含碳量偏高 （炉渣残炭可以调整），渣量3%，含碳量8%；其布袋除尘系统小灰量占投煤量的15%，小灰含碳量35%，全部使用气力输灰送至储仓，再用空气输灰送至锅炉燃烧利用；出界区煤气含尘量15mg／m3，煤气温度43℃，由压缩机外送下游系统。气化装置的炉渣和小灰循环利用后，能量利用率基本上可提高至98%以上。

4 经济性分析

对上述山东聊城某公司循环流化床气化炉进行调研，其煤气产量与投煤量统计情况如表2（每班 8h）。

表2 循环流化床气化炉煤气产量与投煤量统计

据表2数据以及现场采集到的其他数据，以150kt／a合成氨装置为例，对循环流化床气化炉、固定床气化炉、水煤浆气化炉的技术经济指标进行对比，具体如表3。

表3 循环流化床气化炉与固定床气化炉、水煤浆气化炉的技术经济指标对比

单从消耗 （表3）来看，循环流化床气化炉并无明显优势，但循环流化床气化炉炉灰量大，炉灰可在热电厂利用，无浪费。因此，利用综合能耗的观点来进行如下分析。

假设固定床气化炉、循环流化床气化炉的原料煤全部都用于产煤气和蒸汽，在无损失的理想状态下，以150kt／a合成氨装置为例，以煤的单位热值价格来进行比较，循环流化床气化炉与现有固定床气化炉的原料煤成本比较见表4。

表4 循环流化床气化炉与现有固定床气化炉的原料煤成本比较

由表4可以看出：同样150kt／a合成氨产能，以每年消耗225k t的白煤来计算，若采用循环流化床气化炉联合锅炉循环利用能源，每年可节省用煤成本8100万元左右，循环流化床气化炉煤种适应范围广、原料煤成本低的优势立即体现出来。

当然，由于采用循环流化床气化工艺的150 kt／a合成氨装置需配备12000m3／h的空分装置，按1m3氧气生产成本0.25元、空分装置年运行8000h计，全年空分装置的运行成本为2400万元，因此，较之于采用固定床气化工艺的150kt／a合成氨装置，粗略估算每年可产生5700万元的利润。

5 几种炉型的综合对比

以150kt／a合成氨装置配套气化系统为例，对固定床气化炉、水煤浆气化炉、循环流化床气化炉三者，从煤种适应性、项目投资、能源利用率、制氨成本、气体压缩成本、制碱 （联碱）、安全及环保等方面进行对比，具体如下。

5.1 固定床气化炉

（1）煤种适用性：白煤。

（2）项目投资：5000万元 （固定床气化炉系统占地面积大，产出比低）。

（3）能源利用率：间歇制气，能源利用率最低。

（4）制氨成本：受白煤价格和间歇制气工艺本身的影响，制氨成本最高。

（5）气体压缩成本：煤气常压压缩，电耗较高。

（6）制碱方面：节电 （变换气制碱）。

（7）安全方面：设有气柜，属重大危险源。

（8）环保方面：①停炉瞬间必然产生冒烟、粉尘，无法满足环保要求；②余热锅炉尾部烟气烟尘处理装置投资大；③水污染严重，污水处理成本高。

固定床气化工艺能耗高、污染大，属淘汰工艺。

5.2 水煤浆气化炉

（1）煤种适用性：烟煤；当前主流煤种为神华煤掺白煤 （白煤制浆效果好，神华煤灰熔点低、挂渣效果好）。

（2）项目投资：空分装置+煤气化系统投资约4亿元。

（3）能源利用率：水煤浆中水分占40%，气化反应实际水需求量不足15%，浪费大，故能源利用率低。

（4）制氨成本：使用高压纯氧作为气化剂，制氧成本高，达0.57元／m3，但原料煤利用率高，总体制氨成本较低。

（5）气体压缩成本：电耗较低，但气化剂——氧气利用空分装置分离，转化率低，能耗较高，制氧成本是变压吸附制氧的3倍，且除氧气、氮气2种原料气要从常压开始压缩外，H2也要直接提压至6.4MPa（水煤浆气化压力），算上制氧成本，就气体压缩环节而言，电耗方面3种技术无明显区别。

（6）制碱方面：需对CO2加压，属低压压缩，功耗大，电耗高。

（7）安全方面：设置有安全联锁，安全可靠。

（8）环保方面：①无大气污染；②渣水存在污染现象。

5.3 循环流化床气化炉

（1）煤种适用性：适应性广，无特殊要求。

（2）项目投资：空分装置+煤气化系统投资约1.2亿元。

（3）能源利用率：单台循环流化床气化炉能源利用率低，但联合热电锅炉运行则能源利用率最高，即循环流化床气化炉必须建设在有循环流化床锅炉 （发电）的厂家才能发挥优势。

（4）制氨成本：富氧制氧成本低 （低于0.25元／m3），能源利用率高，总体上制氨成本较低。

（5）气体压缩成本：煤气常压压缩，电耗较高。

（6）制碱方面：节电 （变换气制碱）。

（7）安全方面：设置有安全联锁，安全可靠。

（8）环保方面：①无大气污染；② 界区外脱硫系统前需配置洗气塔对煤气进行冷却降尘，存在少量水污染。

6 结 论

从经济性、煤种适应性等方面来看，循环流化床气化炉制氨／制甲醇相较于固定床气化炉、水煤浆气化炉有一定的优势，且安全可靠、无大气和废水污染，符合国家节能环保政策要求。目前，生产燃气的工业化循环流化床气化炉已成功运行，并已实现安全、稳定、长周期运行。经调研和综合评价，江苏德邦兴华化工股份有限公司已经决定采用循环流化床气化技术对固定床气化系统进行升级改造，目前正在做可研报告。总而言之，循环流化床气化炉可以作为中小型合成氨／甲醇生产企业新上项目或技改项目气化系统的炉型选择。