煤气化技术在合成氨生产中的运用

＊余友元 余林峰

（四川金石新能源集团有限公司 四川 614504）

引言

据相关数据调查显示：我国现已探明的总资源量中，水能占比为9.5%，天然气占比为0.3%，石油占比为2.8%，煤炭占比达到87.4%。可见煤炭在我国各领域的生产发展更加依赖煤炭。由于受限于我国能源结构，合成氨生产也非常依赖煤炭，其中以无烟块煤为主，然而随着煤炭开采技术的迅速发展，相较于粉状煤，块状煤的产量日益减少，这就增加了合成氨生产的成本，也造成了更加严重的环境污染问题[1]。基于这一背景，要求合成氨行业积极探索煤气化这一新型洁净煤技术的应用和推广，以此来降低煤炭资源的消耗，减少环境污染，促进合成氨行业的健康可持续发展。

1.煤气化技术的基本原理

针对煤气化技术的产生机制，主要是通过采取合理技术手段，科学把控气流穿过固体颗粒的速度，以改变压力降，促使气体从下至上穿过固体颗粒，这时气流也会流过固体颗粒的间隙，而固定颗粒层位置无任何变化，也就是固体颗粒床，在这一过程中，若气流速度出现变化，则会让气体穿过均匀颗粒床层，从而引发压力降的变化，在这一过程中，固体流化床层的气流速度约为1～3范围内，这时的气流速度的提高，促使气体通过均匀颗粒床层的压力降产生上升的变化趋势。

图1 煤气化技术的基本原理

当气流速度不断增加后，气流速度上升到3.2cm/s时，在气流组织的作用下，颗粒层组织会变得更加松动，床层也会有所增高。随着气流速度进一步增加，会让颗粒层组织悬浮于气流中，此时气流速度处于临界值，从而确保固体颗粒层和气流组织之间处于动态平衡状态，这一过程中，当空床流速的进一步增加，会让气流穿过均匀颗粒床层形成的压力降越来越稳定，气流范围在5～50cm/s，将会让床层出现清晰的分界面。

随着气流速度的不断提高，尤其是流速达到50cm/s后，将会让流化床的界面越来越模糊，固体颗粒也逐渐开始与床层相分离，并在气流中分散悬浮，这就形成了气流床。但是，当气流速度大于气流极限速度且越来越大时，就会在很大程度上降低气体通过均匀颗粒床层的压力降。

2.煤气化技术在合成氨生产中的运用

(1)固定床气化技术

基于不同固定空气处理方式，可将固定床气化技术划分成以下三种类型：

一是，常压固定态连续气化技术。该技术的应用原理为：利用UGI炉来建立“富氧-蒸汽”持续性上吹的处理模式，其能够有效取代空间间歇气化制取合成氨过程中所需的原料气，从而在很大程度上降低能源的消耗[2]。该固定床气化技术最早在20世纪60年代得到应用，能够利用富氧连续气化制备水煤气，还能够联合化肥厂煤气炉，顺利完成生产试验，并证明了该技术具备良好的可操作性与可控性，该方案的空气间歇气化过程可对整个制气操作产生积极影响，能够在很大程度上减少废气的排放，实现环境的有效保护[3]。

二是，提升型固定床间歇气化技术。主要是选择以块状无烟煤为基本原料，选择水蒸气和空气等气化剂，基于常温常压环境下，科学控制燃烧气和原料气；该煤气化技术具备比较突出的环保效益与经济效益。主要应用优势包括：①随着科学技术的不断发展，提升型固定床间歇气化技术的操作过程得到进一步优化升级，机械上煤联合不停炉自动加煤出灰模式已取代以往的停炉加煤直到系统出灰模式，从而提高资源的利用效率，节省了能源的应用；②现有的设备在体型和出气口的应用方面均实现了多元化的发展；③水压自动机已代替了以往技术方案中的“四通考克”，其中DCS油压自动控制系统联合炉矿寻优控制方案，能够更加规范、有效的管理相关生产设备；④传统炉锅塔模式不再满足现代合成氨生产的需求，高效余热锅炉逐渐得到广泛利用，在此基础上，人们研发出更加科学、可行的工艺流程，显著提高了工艺设备运行的规范性，并在极大程度上降低系统运行带来的阻力，获得更高的余热回收率，减少污水处理量和冷却水量，从而降低环境的负荷[4]；⑤该技术能够显著提高蒸汽分解率和气化强度，并提高了炉渣的利用率，进一步规范循环流化床锅炉的应用，从而实现原料煤的高效利用，实现对热量的回收高效利用，形成多元资源利用体系；⑥通过联合煤气冷却与洗涤分流技术，打造冷却水循环利用闭路结构，以达到减少污水排放量的目的。

三是，碎煤固定床加压气化。该技术最早出现在20世纪30年代，如今已发展到第四代，实现了鲁奇炉内镜5m的设定，其中一个鲁奇炉产气量就能够达到7000Nm3/h。碎煤固定床加压气化技术能够很好地实现褐煤气化方案，并有效处理合成氨原料气[5]。目前在城市煤气并联生产甲醇项目中，很多气化厂开始尝试使用碎煤固定床加压气化技术，并在此基础上增加废锅流程，以此来获得更加理想的生产效益和经济效益。

(2)流化床气化技术

在流化床气化技术应用过程中，需要确保生产环境的温度维持在800～1100℃，压力控制为常压～2.5MPa，要求煤原料具备高灰熔点与高活性，煤块粒径为1～5mm。该技术的特点是：存在明显的床层界限，煤粒悬浮在气流中进行相对运动，炉内有着较大的气体流速等。在这种技术应用下，能够于流化床内完成煤裂解、气化的全过程生产，降低生产过程中产生的废气量，从而促进氨合成生产效率。该技术可细分成以下两种类型：

一是，灰融聚流化床气化技术，其最早出现在20世纪80年代，由我国科学院山西煤化所研发，其气化炉气化压力包括常压和加压，将氧气或是空气作为气化剂。结合射流原理，将灰团聚分离装置安装到流化床底部，打造出床内局部高温区；先是让灰渣团聚成球，再利用重力的差异，来实现灰团的分离，从而实现对煤炭资源的高效利用。该技术方案具有投资成本低、原料适应性广的优势，适用于发电燃料气、工业炉窑燃料气与化工合成气等原料的生产。其中可用原料包括焦炭粉、无烟煤粉煤、烟煤粉煤及高硫煤粉煤等，具有较高的碳转化率（＞90%），但要求粉煤粒径必须小于6mm。该技术的不足之处在于：单炉生产能力有待提高，必须常压操作等。

二是，恩德粉煤气化技术。随着科学技术的发展在恩德粉煤气化技术中所应用的设备现已逐渐实现了国产化，并针对传统技术体系中存在的问题，采取了有效的优化处理措施，主要体现为：①喷咀布风模式逐渐取代了气化炉的炉箅，促使设备使用效率得到显著提升，避免了炉箅结渣问题引发的负面影响，可以在标准应用体系内确保气化温度的有效性和科学性，最终显著提升气化炉运转效率[6]；②对于气化炉的中上部位置，根据具体的应用需求，增加了进粉风喷咀，还将干式旋风除尘装置安装到了出口位置，这样做有利于防止煤气夹杂细煤粒对周围环境的不良影响；同时，根据其具体的应用状态，有效利用回收处理技术，让煤气能够返回气化炉内再次燃烧，从而有效提升了工序的环保效益；③通过将旋风除尘器安装到废热炉的位置，同时借助合理的除尘工序，让煤气能够顺利进入废热锅炉，从而有效保护低炉管，减轻炉管结构的积灰情况，然后进一步优化这一工艺流程，可大大提高整个结构的安全性与稳定性，从而提升元件的应用效率，延长设备的使用年限。

(3)气流床气化技术

一是，水煤浆加压气化处理技术。该技术是应用最为广泛的气流床气化技术，以湿法进料处理模式为基础，联合加压气化工艺流程的应用，来显著提高处理的实际效率。我国于1970年左右就开始引进水煤浆加压气化处理技术，并充分利用该技术的优势和作用，制造出了水煤浆加压气化制合成气生产示范装置，并在此基础上，研发出了与该设备相匹配的激冷工艺流程，打造了尺寸为φ2800mm的气化炉，利用“一开一备”的工艺流程，气压数值达到2.7MPa。

近年来，我国科学技术水平显著提升，水煤浆加压气化处理技术方案与气化装置均得到了很大程度的创新，特别是多喷嘴在置式水煤浆气化技术中的应用，能够获得更大化的经济效益和环保价值。具体操作流程：①采用破碎筛分方法对原料煤进行处理；②干燥处理；③通过斗式提升机设备将原料煤运送到储煤斗中，联合应用螺旋给煤机；④将原料煤运送到气化炉，同时开展氧气填充、蒸汽过热器处理蒸汽等工艺操作；⑤进入冷却器，应用第一旋和第二旋风分离器完成相应的处理，特别是排灰操作；⑥去废锅后，传送至煤气洗涤塔，利用气柜完成收集工作。

二是，GSP干粉煤气化技术。该技术主要是借助加压处理方式，来确保整体工艺流程的有效性和规范性。在20世纪80年代初，国外某工厂就提出了GSP技术方案，并应用到具体实践中，完成了商业化装置的升级处理，粉煤处理能力为30t/h，总体参数为200MW。随着科学技术的不断发展，GSP工艺得到进一步革新和优化，煤焦油逐渐取代了气化原料，可以为联合循环发电项目提供必要的支持，且通过对相关技术应用流程的整合，建构了更加多元的技术体系。

3.煤气化技术的发展

在未来，随着时代的发展与科技的进步，将会推动着煤气化技术朝着加压气化、高温气化及纯氧气化等方向发展。其中加压气化主要指通过气化压力的不断提高，将会显著提高投煤量的比，从而进一步扩大气化炉的生产能力，通过运用高压气化制合成气，能够有效降低气体净化的投入成本，减少产品能耗。高温气化主要指通过采用高温气化操作，能够全面显示出参与反应的各种物质的高温化学活性，在极大程度上提高碳转化率；与此同时，在高温条件下，能够更加充分地转化煤中的焦油、氮、氰化物等挥发成本，从而获得较为纯净的产品煤气，也比较容易处理煤气洗涤污水，实现节能减排的目的[7]。

粉煤气化主要指通过增大煤的表面积，获得更高的气化能力，尤其是选择价格昂贵的优质煤，最好采用煤粉气化，可以获得更好的经济效益。液态排渣主要是通过高温熔融方式，将灰渣排出气化炉，具有无毒无害的特点，因为是液态排渣，所以必须确保气化炉的安全可靠操作，注意操作温度应控制在灰的流动温度以上，当原料煤的灰熔点更高时，就需要选择更高的气化操作温度，以此来减少气化氧气的消耗量，确保运行的经济性；针对高灰熔点煤，可选择添加助溶剂的方式，来减小灰的黏度和灰熔点，以此来确保气化的顺利进行[8]。

结合如今煤炭气化技术的特征，未来对煤气化技术的要求大致如下：①更高的冷煤气效率，即能够将煤中大量的能量转换成有用气体的能力；②更广的煤种适应性，在生产工艺上尽量适应泥煤、无烟煤、渣燃煤等各种天然固体原料；③更好的煤炭转换率，在实际上，固体燃料中的所有可燃有机成分均能够充分转换成气体；④更好的煤气品质，生产出的气体应含有大量的一氧化碳与氢等有用成分，不会产生无用成分（焦油、酚等）；⑤良好的操作性能，即气化炉具备更大的操作弹性和更长的连续运行周期；⑥良好的环境性能，在实际应用中不会产生影响生态环境的有毒有害成分；⑦更大的生产能力，可以满足企业大规模生产需求；⑧实现自动化控制，即能够与先进的信息技术相融合，达到智能化、自动化控制的目的，有效减少人力成本的投入；⑨与其他煤气利用技术具备更优的兼容性，如：化工合成工艺技术等。

4.结语

综上所述，合成氨是我国目前最为关键的化工产品之一，主要用作工业原料和氮肥，在我国经济发展中起着至关重要的作用。纵观我国合成氨生产的现状，该行业每年的能源消耗量和碳排放量都非常大，已不能适应我国提倡的节能减排、绿色环保的要求，也不利于合成氨行业的健康长远发展。为此，相关企业必须高度重视煤气化技术的有效应用，结合自身具体需求，选择最为适应的煤气化技术方案，以此来降低煤炭的消耗量，节省生产成本。