合成氨用煤氣化技術淺析

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( 1.湖北興發化工集團股份有限公司，湖北 宜昌 443311；2.河南興發昊利達肥業有限公司，河南 輝縣 453600)

1 以煤為原料的氣化技術迅猛發展

以合成氨和甲醇產品為代表的煤氣化技術，經過多年的發展，已形成三種類型的氣化方式，即固定床氣化、流化床氣化和當前應用較廣的氣流床氣化，其各自的特點如下。

1.1 固定床

固定床煤氣化技術已經有100多年的歷史，經歷了固定層間歇氣化到富氧連續氣化，魯奇加壓氣化也屬于固定床氣化。固定床煤氣化是煤在固定層移動床中完成氣化，間歇氣化因吹風過程中放空氣對環境污染嚴重而被淘汰，富氧連續氣化因原料只能用焦炭和無煙煤，價格高，且氣化效率低，能耗高，生成氣中甲烷含量高，不適合作合成氨的原料氣。

魯奇(Lurgi)加壓氣化技術在我國建有多套裝置。該技術雖然能連續加壓氣化，但由于氣化溫度低，生成氣中甲烷含量大，還含有苯、酚、焦油等一系列難處理的物質，凈化流程長。該技術只能用碎煤不能用粉煤，因而原料利用率低，大量篩分下來的粉煤要配燃煤鍋爐處理。

1.2 流化床

采用粉碎的煤作原料，用氧化劑(氧氣或空氣)來使床體流化，溫度在1 000 ℃以下，以預防灰熔化后與爐床里的物質發生結聚。反應溫度低，意味著部分煤粒不能充分燃燒，而是收縮成碳素粒，被合成氣帶出氣化爐。這就需要大量的碳素粒循環，或被傳送到分離燃燒室中燃燒。

中科院山西煤化所開發的灰熔聚流化床粉煤氣化就是流化床氣化爐，目前有工業裝置運行。

該技術工業示范裝置于2001年在陜西城固氮肥廠建成。氣化爐是一個單段流化床，結構簡單，可在流化床內一次實現煤的破粘、脫揮發分、氣化、灰團聚及分離、焦油及酚類的裂解。帶出細粉經除塵系統捕集后返回氣化爐，再次參加反應，有利于碳利用率的提高。產品氣中不含焦油，含酚量低。碳轉化率為90%。合成氣中CO+H2在70%左右，有效氣體成分含量偏低。其特點是煤種適應性寬，煤灰不發生熔融，只是使灰渣熔聚成球狀或塊狀排出。可以氣化褐煤、低化學活性的煙煤和無煙煤、石油焦，投資較少，生產成本低。缺點是操作壓力偏低，對環境污染及飛灰堆存和綜合利用有待進一步解決。

1.3 氣流床

氣流床煤氣化屬第三代先進的煤氣化技術，是最清潔、也是最高效的煤氣化類型。粉煤在1 200～1 700 ℃下被氧化，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質成為熔渣后離開氣化爐。氣流床所使用的煤種比移動床和流化床的范圍寬。

氣流床煤氣化工藝的典型代表有兩大類，一類是水煤漿加壓氣化技術，如GE公司德士古水煤漿加壓氣化工藝，國產新型對置式多噴嘴水煤漿加壓氣化工藝；另一類是干煤粉加壓氣化技術，如殼牌干粉煤加壓氣化工藝(SCGP)，國產HT-L航天爐干煤粉加壓氣化技術。

下面就水煤漿加壓氣化技術與干煤粉加壓氣化技術各自的特點進行分析。

2 水煤漿加壓氣化技術特點

2.1 水煤漿加壓氣化技術對原料煤的要求

水煤漿技術是上世紀70年代世界范圍內的石油危機中產生的一種以煤代油的煤炭利用方式，是潔凈煤利用技術之一。該技術將煤炭、水、部分添加劑加入磨機中，經過磨碎后成為一種類似石油可以流動的煤基流體燃料。水煤漿的質量濃度一般為65%±5%，它直接影響水煤漿的著火性能和熱值，濃度越大，含水量就越小，越容易點燃且熱值高，但流動性變差。流變性一般采用粘度來表示，它是影響水煤漿輸送流動性能、儲存穩定性及燃燒效果的重要因數，要求水煤漿具有“剪切變稀”的特性，受到剪切或升溫后，其粘度能迅速降低，以便于運輸和霧化燃燒。漿體的穩定性是一個重要指標。

水煤漿制備要求煤質的哈氏可磨系數要大，成漿性要好，漿體中的煤不僅有粒度限制，還要求粒度分布良好。制漿過程中要添加分散劑和穩定劑等，使水煤漿達到高濃度、高穩定性以及良好的流變性。水煤漿技術對煤的質量要求較高，需低灰、低硫精煤，煤種的選擇范圍有限。

2.2 GE公司德士古水煤漿加壓氣化

該工藝采用水煤漿進料，制成濃度60%～65%的水煤漿，在氣流床中加壓氣化，水煤漿和氧氣在高溫高壓下反應生成合成氣，液態排渣。在壓力2.7～6.5 MPa，溫度1 300～1 400 ℃條件下氣化，CO+H2達到80%。氣化過程對環境污染影響較小，要求煤的灰融點不超過1 350 ℃(否則必須添加助熔劑)。

2.3 對置式多噴嘴水煤漿加壓氣化技術

該技術是我國煤氣化科研人員經過多年研究，在德士古水煤漿加壓氣化法基礎上發展起來，具有中國知識產權的煤氣化技術。由華東理工大學同魯南化肥廠等單位合作開發。已在神華寧煤、江蘇索普、江蘇靈谷、煙臺萬華、山東盛大等大型項目成功應用。該技術有以下特點。

(1)采用撞擊流，加強混合和熱質傳遞；預膜式噴嘴，氧氣壓降低；復合床洗滌冷卻技術，液位平穩，避免了帶水帶灰；混合器、分離器、水洗塔組合“分級”凈化，系統壓降低，分離效果好；渣水處理系統采用直接換熱技術，熱回收效率高；氣化爐噴嘴之間相互協同，氣化爐負荷可調節范圍大。

(2)水煤漿氣化爐膛為熱壁爐，采用耐火材料結構，長時間受煤漿燃燒和沖刷，爐膛耐火材料一般在使用18個月后需要更換或使用耐溫澆筑料重新澆筑；氣化爐燒嘴壽命短，正常運行時間在2～3個月，因此，一條生產線需要備用一臺氣化爐，交替投運和檢修。

(3)水煤漿氣化生產的有效氣(CO+H2)含量達到83%～85%；采用該氣化工藝生產合成氨噸氨煤耗1.40～1.43 t；碳轉化率可達98%。

3 干煤粉加壓氣化工藝

3.1 對煤質的要求及煤粉的加工工藝

該氣化工藝煤種的適應性較廣，褐煤、次煙煤、煙煤等均可作為氣化原料煤，但從經濟的角度考慮，采用高熱值、低灰分、低硫煤比較經濟；對煤的灰融性適應范圍寬。

煤粉加工過程中，為了便于磨煤機磨碎，對煤的游離水和粒度有一定要求，原料煤一般進磨煤機前，需經烘干、篩分、粗破碎處理；原料煤在磨煤機磨粉和輸送過程中，需用氮氣保護以及用氮氣作為輸送載體，并配備煤粉除塵裝置。

具有代表性的干煤粉加壓氣化技術是荷蘭殼牌公司的Shell煤氣化工藝和國內航天長征化學工程公司開發的HT-L航天爐干煤粉氣化工藝。

3.2 殼牌干粉煤加壓氣化工藝

殼牌公司干粉煤氣化研究始于1972年，研究工作在阿姆斯特丹研究院開展，1993年在荷蘭的德姆克勒(Demkolec)電廠建成投煤量2 000 t/d的煤氣化裝置，用于聯合循環發電，稱作SCGP工業生產裝置。裝置開工率最高達73%。2006年5月雙環化工引進該技術，投煤量1 000 t/d，裝置一次開車成功，并轉入平穩運行。

Shell煤氣化法的典型流程如圖1所示。

Shell 粉煤氣化流程的特點是粉煤、氧氣和水蒸氣在加壓條件下并流進入氣化爐內部，在3～10 s時間內，完成升溫、揮發分脫除、裂解、燃燒和轉化等一系列物理和化學過程。流程包含以下工序：① 磨煤及干燥，② 煤加壓及進煤，③ 氣化及合成氣冷卻，④ 除渣，⑤ 除灰，⑥ 洗滌，⑦ 廢水汽提及澄清等。該流程中煤粉的制備和輸送，與水煤漿不同，經過預破碎后原料煤先進入干燥系統烘干，使原料煤中的水分降到2%以下，然后進入磨煤機磨粉，用N2送入煤粉倉中備用。

圖1 Shell煤氣化流程

Shell煤氣化工藝指標 氣化溫度1 400～1 600 ℃；耗氧量(標態CO+H2)為330～360 km3；有效氣體(CO+H2)含量約90%；氣化爐操作壓力為2～4 MPa；碳轉化率達到99%。

Shell煤氣化爐的結構特點 氣化爐由內筒和外筒兩部分組成，包括膜式水冷壁、環形空間和高壓容器外殼。內筒采用水冷壁結構，僅在向火面有一層薄的耐火材料涂層，主要是為了掛渣，充分利用渣層的隔熱功能，減少熱損失；同時以渣保護爐壁，提高氣化爐的可操作性和氣化效率。冷壁與筒體外殼之間留有環形空間，便于輸入集水管和輸出副產蒸汽的集汽管布置，以及水冷壁的檢查和維修。Shell氣化爐根據氣化能力的大小采用4～8個呈中心對稱分布的側壁燒嘴，燒嘴使用壽命保證期為一年。

3.3 HT-L航天爐干煤粉氣化工藝

航天工程公司依托中國航天50多年來在運載火箭和液體火箭發動機研制、生產和試驗方面積累的技術、條件、人才和管理優勢，將在系統工程、系統控制、燃燒傳熱、流體控制、特種材料等領域取得的技術成果，應用于煤炭潔凈高效利用領域，形成了擁有自主知識產權的“HT-L航天粉煤加壓氣化技術”，可以廣泛應用于煤基甲醇、煤基合成氨以及煤制天然氣、煤制合成油、煤制烯烴、煤制氫、IGCC發電等領域。該氣化技術充分吸收了當今世界兩大先進煤氣化技術，即干粉煤氣流床氣化和水煤漿氣化急冷流程的優點，在備煤、輸煤、燃燒調節系統、氣化爐輻射段均采用先進的粉煤氣流床氣化技術；灰渣水系統、洗滌、凈化則采用氣體急冷流程。該技術的重點在于原料煤本地化，優化工藝路線、減少投資、關鍵設備國產化等方面。

(1)HT-L航天爐工藝特點

以粉煤為原料，以純氧和過熱蒸汽為氣化劑，加壓氣化。不同煤種的適應性好，入爐煤的灰熔點范圍較寬，為1 200～1 460 ℃。對煤種要求低。惰性氣體濃相輸送，原則上均可以CO2作為煤粉輸送介質，部分CO2循環利用，減少碳排放。粗合成氣中有效氣體(CO+H2)含量高，CO2含量低，凈化負荷小，單位有效氣體氧耗低，碳轉化率達到99%，冷煤氣效率達80%～83%，煤耗低，熱效率高，可達95%。

(2)HT-L航天氣化爐結構特點

氣化段盤管采用水冷壁結構，可以實現高的氣化溫度，這樣原料煤灰熔點范圍寬。氣化爐為水冷壁結構，能承受1 500～1 700 ℃的高溫。氣化溫度1 200～1 700 ℃，副產中壓蒸汽，實現能量的高效利用。運行過程中，爐膛內壁的耐火材料涂層表面會形成固渣層和液渣層，為自我修復式耐火結構，有效地保護水冷壁，實現“以渣抗渣”。 氣化爐只設置一臺組合燃燒器，安裝在氣化段頂部。組合燃燒器將點火裝置、點火燒嘴、開工燒嘴、工藝燒嘴設計成一體，調節單一氧煤比和汽氧比，就可以實現氣化參數的調節，操作簡便、快捷，易于掌握，特別適用于煤種變化頻繁，要求在線及時調節的工況。激冷、水浴式合成氣冷卻及洗滌流程，增加的飽和水蒸氣可直接用于變換工序。

HT-L煤氣化工藝流程如圖2。

圖2 HT-L煤氣化工藝流程圖

4 不同煤氣化技術部分氣化指標分析(表1)

目前，以上三種煤氣化方式在國內煤化工裝置上廣泛應用。近年來，國產干煤粉氣化技術及水煤漿氣化技術日趨成熟，已在多套大型煤制氣生產合成氨和甲醇裝置上應用。

5 煤氣化技術的選擇

以煤為原料制備合成氣生產合成氨、甲醇等多聯產產品，目前較適用的國外氣化技術有魯奇爐固定床氣化、德士古水煤漿氣化技術和Shell干煤粉氣化技術SCGP工藝；國產技術有華東理工大學的對置式多噴嘴水煤漿氣化技術，航天長征化學工程公司開發的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術等。選擇哪一種煤氣化技術，需要綜合考慮以下方面的因素。

表1 煤氣化裝置部分氣化技術指標分析表

(1)根據原料煤的來源，首先了解煤種性能，再根據煤種選擇適應的氣化方式，同時考慮配煤調節氣化的適應性，選用適宜的煤氣化技術。

(2)根據項目規劃的產品方案要求，結合各種煤氣化后的粗合成氣成分，選擇有利于產品合成的煤氣化技術。

(3)根據各種煤氣化的技術指標，如有效成分含量、氧耗、煤耗、碳轉化率、動力消耗、熱效率等，綜合比較煤氣化成本或者產品成本。

(4)煤氣化技術的投資比較。包括配套的空分裝置、粗合成氣變換與凈化、備煤、三廢治理及公用工程等。水煤漿加壓氣化因氧耗高配套空分投資大；干煤粉加壓氣化因粉煤制備過程中煤干燥裝置投資大，移動床廢水處理困難，廢水處理裝置投資大。

(5)煤氣化技術國產化水平。該部分不僅影響到項目投資費用，還影響到建設的進度和后期維護。就國產化水平而言，魯奇氣化裝置可完全國產化，水煤漿氣化和干煤粉氣化裝置的國產化率近年來也達到了較高的水平。

(6)三廢與治理。氣流床氣化不管是干法(干煤粉氣化)還是濕法(水煤漿氣化)，三廢少且易于處理，對環境友好；而固定床氣化三廢問題較嚴重，尤其是魯奇氣化，不僅廢水成分復雜且量大，處理有一定難度，必須格外重視，使三廢治理達到環保的要求。

6 結 語

我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構，決定了我國能源的消費模式是以煤炭為主，如何提高煤炭的利用效率一直是國內科研院所和企業追求的目標。探索提高煤炭利用率，研究更高水平的煤氣化和氣體凈化方式，降低廢棄物的排放是實現可持續發展的保障。根據原料煤種、產品特點等因素選擇合理的煤氣化技術，不僅是企業控制生產成本、技術革新和經濟效益的需要，也是節能減排、創造美好生活的需要。航天公司開發的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術，從煤種和顆粒的適應范圍、單臺爐的生產能力、煤氣化的操作壓力和連續運行狀態、粗煤氣有效成分、灰水環保處理等方面，成為煤氣化技術的先進代表之一，將推動我國大型煤化工技術和裝備的進步。

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