以煤為原料新建合成氨裝置的工藝組合

徐建平

（云南云天化國際化工紅磷分公司，云南開遠 661600）

1 煤氣化

1.1 合成氨的原料

在國內，能用來做合成氨的原料有重油、天然氣、焦爐氣、焦炭、無煙煤、煙煤、褐煤。

（1）重油 隨著國際油價的上升，重油作為合成氨的原料在1995年以后就已經淘汰。現在國內沒有用重油作為合成氨原料的廠家。

（2）焦炭 每噸氨消耗焦炭1.4t，隨著焦炭價格的上升，現已經達到1 800元／t，原料在合成氨的成本中占到了2 520元／t。用焦炭作為合成氨原料的廠家從1990年開始就不斷減少，現在國內用焦炭作為合成氨原料的廠家不超過5家，再過2年，估計會為零。

（3）焦爐氣 用焦爐氣作為合成氨的原料是較好的，但因為煉焦企業自身處理焦爐氣中的成分要用蒸汽以及煉焦自身需要熱量，每生產1t焦炭產生的300～350m3焦爐氣焦化企業自身要用80%以上，剩余的部分大多企業用火炬燃燒排放，只有在焦化企業集中的地方才能收集作為合成氨原料。國內以焦爐氣為原料生產的合成氨只占合成氨總產量的2%。

（4）天然氣 生產現場干凈整潔。因受天然氣供應的限制，國內只有為數不多的大型凱洛格流程合成氨裝置以及四川的幾套小裝置在用。

（5）煤 我國的合成氨主要以煤為原料，產能在42Mt／a以上（2010年全國合成氨總產量約50Mt）。

我國煤的儲量豐富，分布面廣，品種齊全。據中國第二次煤田預測資料，埋深在1 000m以內的淺煤炭總資源量為2.6×1012t。

中國煤炭資源的種類較多，在現有探明儲量中，煙煤占75%，無煙煤占12%，褐煤占13%。其中，原料煤占27%，動力煤占73%。動力煤主要分布在華北和西北，分別占全國的46%和38%，煉焦煤主要集中在華北，無煙煤主要集中在山西和貴州兩省。

中國煤炭質量，總的來看較好。已探明的儲量中，灰分小于10%的特低灰煤占20%以上；硫分小于1%的低硫煤占65%～70%；硫分1%～2%的占15%～20%。高硫煤主要集中在西南、中南地區。華東和華北地區上部煤層多低硫煤，下部多高硫煤。

綜上所述，以煤為原料生產合成氨是國內合成氨行業主要趨勢。只有在少數情況下，才會用其他作為合成氨的原料。

1.2 煤氣化的爐型

以煤為原料生產合成氨是國內合成氨行業的必然，煤氣化爐就成了以煤為原料生產合成氨的關鍵。

（1）煤氣化的爐型從溫度、壓力上來分，有高溫（在煤的灰熔點以上250℃左右）高壓（一般在4MPa左右）型、低溫（在煤的灰熔點以下200℃左右）低壓（接近常壓）型、低溫高壓型三種形式。

高溫高壓型 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

低溫低壓型 灰熔聚爐、恩德爐、五步法固定床間歇制氣爐

低溫高壓型 魯奇爐、BGL爐

（2）煤氣化的爐型從煤的狀態上分為固定床、流化床和氣流床三種。

固定床 五步法固定床間歇制氣爐、魯奇爐、BGL爐

流化床 灰熔聚爐、恩德爐

氣流床 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

（3）從氧氣濃度上可分為空氣間歇氣化、富氧連續氣化和純氧連續氣化三種。

空氣間隙氣化 五步法固定床間歇制氣爐富氧連續氣化 灰熔聚爐、恩德爐、魯奇爐、BGL爐

純氧連續氣化 殼牌爐、航天爐、德士古爐、GSP爐、二段爐、WHL

還有從噴嘴數量上可分為單噴嘴和多噴嘴，從進料形式上可分為干煤和水煤漿。但從目前看，無論如何就是上面的幾種爐型。

1.3 煤氣化爐的選擇

（1）氣化后氣體組成

作為合成氨原料氣，煙煤、無煙煤、褐煤氣化后得到的氣體成分不一致，但大致為表1～5幾種情況。

表1 殼牌爐、航天爐、GSP爐、二段爐、WHL氣體成分

表2 灰熔聚爐、恩德爐氣體組成

表3 五步法固定床間歇制氣爐氣體成分

表4 魯奇爐、BGL爐氣體成分

表5 德士古爐氣體成分

低溫低壓型 氣體中的有效氣H2＋CO居中，CO2及CH4也比低溫高壓型好。

低溫高壓型 氣體中的有效氣H2＋CO最低（不計CH4轉化后），CO2及CH4量最高。

高溫高壓型 氣體中的有效氣H2＋CO最高，CO2及CH4最低，也就是說氣體成分最好。

（2）煤種對氣化爐選擇的影響

一種氣化爐型適應于一種或幾種煤。

殼牌爐、航天爐、GSP爐、二段爐、WHL幾乎適應各種煤。

灰熔聚爐、恩德爐、魯奇爐、BGL爐對褐煤較好。

德士古爐只適應于成漿性好的煤種，要求成漿率達到65%以上。

五步法固定床間歇制氣爐只適應于焦炭、無煙塊煤或無煙粉煤成型的煤球、煤棒。

（3）煤氣化爐的選擇

根據建廠地的煤資源情況進行氣化爐的選擇。下面分別介紹各種爐型的大致優缺點。

五步法固定床間歇制氣爐 國內合成氨生產中最成熟的煤氣化方式。每年此方式氣化生產的合成氨達40Mt左右。優點是投資少見效快，工藝簡單，無需空分。缺點是煤的利用率偏低，要用無煙煤或焦炭，現在國家政策是限制發展。單爐合成氨產能15～20kt／a（取決于爐徑大小）。有效氣體H2＋CO約為70%。

德士古爐 優點是現場比較干凈，缺點是所用的煤成漿率要在65%以上，因此不宜用褐煤。定型爐單爐合成氨產能100kt／a，每臺投資約1億元人民幣。有效氣體H2＋CO約為76%。

灰熔聚爐、恩德爐 優點是投資省，約5 000萬元人民幣，比較適宜的煤種為褐煤。缺點是體積大，年產100kt氨的爐子直徑約為8m，黑水較難處理。有效氣休H2＋CO約為70%。

魯奇爐、BGL爐 優點是適宜褐煤。缺點是氣體中的CH4高達13%，必須再建甲烷部分氧化爐才能作為合成氨原料氣；氣體中焦油、酚類多，對后面凈化系統要求高，黑水也較難處理；氣體中H2＋CO約為60%（不含甲烷轉化后的影響）。

殼牌爐 國外技術，實現了單爐年產500kt氨的大型化。優點是煤種適應廣，煤利用率高。缺點是投資大；因為是單系列，合成氨系統的連續運行周期短。有效氣體H2＋CO約為90%。

GSP爐 國內應用不多，到目前為止，建成投產的僅一臺。

航天爐 國內技術，實現了單爐年產200～300kt氨。優點是投資比國外技術省，不用從國外進口設備；煤種適應廣，煤利用率高。缺點是超過年產300kt氨時，可能要建二臺爐。有效氣體H2＋CO約為90%。

二段爐 國內技術，實現了單爐年產200～300kt氨。優點是投資比國外技術省，不用從國外進口設備；煤種適應廣，煤利用率高。缺點是有在建的爐子，投產的不多。有效氣體H2＋CO約為90%。

WHL 還在概念階段，五環公司在做工作。

綜上所述，哪一種爐型好是有條件的。在選擇爐型時要根據煤種的供應，建廠場地大小，生產規模，投資額度和工廠綜合能耗等條件綜合考慮。能為工廠創造效益的爐型才是好的。

2 凈 化

變換現在基本上采用耐硫鈷鉬系深度變換，不再描述。

2.1 低溫甲醇、液氮洗流程

低溫甲醇、液氮洗是變換氣在4MPa左右的壓力和－50℃左右的溫度下，用甲醇脫除硫化氫、二氧化碳酸性氣體后，再用液氮脫除一氧化碳，使氣體中的一氧化碳和二氧化碳之和小于15×10－6，達到氨合成需要的條件。甲醇和液氮經過再生后循環使用。

甲醇再生釋放出的氣體中大部分為二氧化碳，還有硫化氫。

如果是單純生產液氨，此再生氣可配氧氣燃燒，硫化氫轉化成二氧化硫再轉化成三氧化硫，生產硫酸，尾氣達標排放。

如果企業是生產尿素，在氣體進入變換系統前就要進行脫硫，從而使甲醇再生氣中的硫含量減少，以利再生氣作為尿素的原料使用。變換系統前脫除的硫用來生產單質硫出售。

液氮再生氣送火炬燃燒排放。

低溫甲醇、液氮洗流程被認為是合成氨流程在變換后到氨合成前氣體凈化的最佳流程。但在國內有其局限性。一是設備得進口，造成投資較大。二是生產中必須儲備配件，否則出現問題等待國外進口影響太大。

2.2 “小氮”流程

為了節省投資，減少生產中受國外配件的影響，可用 “小氮”流程代替低溫甲醇、液氮洗流程。具體如下。

脫碳 在4MPa時，采用變壓吸附脫碳，占地大，但操作簡單容易。碳酸苯烯酯脫碳，電耗大且出系統的二氧化硫偏高，達0.5%左右，對后面的工序不利。NHD脫碳，耗一定蒸汽。還有苯菲爾法等等。

如果是單純生產液氨，采用變壓吸附脫碳，解吸氣中的二氧化硫轉化成三氧化硫生產硫酸后達標排放。

如果企業是生產尿素，在氣體進入變換系統前就要進行脫硫，變換后再對變換氣脫硫。之后不論用何種脫碳方法，都可以得到較純的二氧化碳供尿素生產用。

精脫硫 采用干法脫硫。過程為粗脫硫、加熱、有機硫水解、降溫、精脫硫等等。使氣體中的總硫小于0.1×10－6。

精制 在1.5MPa下銅洗流程（屬于限制型工藝），甲烷化或烴化流程（年產超過300kt氨，目前還未有定型設備，因此在能力超過300kt／a氨時，還是用低溫甲醇、液氮洗流程或者把凈化系統分成二個甚至幾個系統為好）。

凈化系統省投資，適用才是合適的。

3 氨合成

有15MPa和30MPa二種壓力等級，因現在的大型合成氨裝置采用離心式透平壓縮機，排氣壓力多在15MPa，因此合成壓力大都采用了15MPa。如要采用30MPa壓力等級，大多要采用多級往復式壓縮機來完成，這樣會增加工廠的電耗，是不經濟的。

4 合成氨新建裝置各工序的工藝配置組合

4.1 高溫高壓煤氣化

以下四種組合（圖1～4）是基于高溫高壓煤氣化，可根據不同產品選用。全部以方框圖表示。

圖1 最終產品是合成氨的 “小氮凈化”流程

圖2 最終產品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖3 最終產品是尿素的 “小氮凈化”流程

圖4 最終產品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

4.2 低溫低壓煤氣化（圖5～8）

圖5 最終產品是合成氨的“小氮凈化”流程

圖6 最終產品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖7 最終產品是尿素的“小氮凈化”流程

圖8 最終產品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

4.3 低溫高壓煤氣化（圖9～12）

圖9 最終產品是合成氨的 “小氮凈化”流程

圖10 最終產品是合成氨的低溫甲醇、液氮洗流程

圖11 最終產品是尿素的 “小氮凈化”流程

圖12 最終產品是尿素的低溫甲醇、液氮洗流程

5 結 論

不能說哪種氣化爐、凈化流程、氨合成方案好，那樣說是片面的，不科學的。具體哪種工藝好，要根據所能供應的煤種、產品方案、生產能力、場地大小、投資規模、工廠效益、操作檢修方便等綜合考慮。