兩種氣化方法生產合成氨的經濟性分析

王 敬

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司煤化工研究院，山西 晉城 048000)

引 言

使用煤炭為原料生產合成氨時，常壓固定床氣化主要有間歇氣化法和連續氣化法兩種，前者是以空氣和水蒸氣為氣化劑生產半水煤氣，后者是以富氧空氣和水蒸氣為氣化劑生產半水煤氣。控制碳排放是我國治理溫室氣體排放的關鍵，常壓間歇氣化爐碳轉化率低，每年向大氣排放大量的CO2，已經被國家發展改革委員會列為限制發展的落后技術。常壓富氧連續氣化能夠實現連續制氣，碳轉化率高，且能夠在現有間歇氣化爐的基礎上進行改造，是解決間歇氣化爐碳排放問題的方法之一[1]。常壓富氧連續氣化法在我國沒有大范圍利用，主要原因是氧耗增加，制氧成本高，需要投資空分裝置。目前，我國空分裝置已經實現大型化，單位成本大幅下降。脫碳等技術的發展使常壓富氧連續氣化技術趨于成熟。本文針對晉城無煙煤生產合成氨對兩種氣化方式進行分析。

1 工藝技術

1.1 常壓固定床間歇氣化爐生產合成氨工藝(見圖1)

常壓固定床間歇氣化爐采用空氣和水蒸氣為氣化劑，采用間歇式制氣方式生產半水煤氣用來生產合成氨，氣化壓力為常壓。

圖1 常壓固定床間歇氣化爐生產合成氨工藝流程圖

1.2 富氧連續氣化法生產合成氨工藝(見圖2)

富氧連續氣化就是在間歇式固定床氣化技術的基礎上，將空氣氣化劑提高氧濃度(48%～50%)，降低氮含量，采用連續制氣，不需要間歇式排放吹送氣，同樣生產出合格的原料氣。

圖2 富氧連續氣化生產合成氨工藝流程圖

使用晉城無煙煤生產合成氨，間歇氣化爐與富氧連續氣化爐的主要工藝生產流程區別不大，主要不同在于：

1) 改變了通入氣化爐的氧氣濃度，由21%提高到了50%左右。這就需要增加制氧裝置，如，采用深冷分離制氧。合成氨時需要補氮，若采用變壓吸附技術生產富氧，需另加制氮裝置補氮。

2) 變間歇制氣為連續制氣。變原來的五步(吹風、上吹、下吹、二次上吹、吹凈)間歇制氣為連續上吹制氣，沒有吹風氣排放階段。

3) 原料煤的粒度拓寬。由于提高了氧氣濃度，原料的粒度范圍得到了拓寬，富氧制氣可以使用6 mm～25 mm的碎煤或6 mm～13 mm的粒煤為原料，也可用型煤為原料。而間歇式固定床原則上只能以25 mm～50 mm的中塊煤或13 mm～25 mm的小塊煤為原料。這既解決了碎煤利用問題，也降低了氣化成本。

2 產氣量與氣體組分的對比

富氧連續氣化由于沒有間歇氣化頻繁地切換閥門，只有連續上吹制氣，有效制氣時間延長，單爐的產氣量得到提高。同時，由于間歇氣化爐使用空氣，連續氣化爐使用富氧空氣，氣化爐的爐況不同，產生的原料氣組成也有所不同。主要區別如表1。

表1 兩種氣化方式原料氣組成和產氣量對比表 %

從表1中可以看出，與間歇氣化爐相比，富氧連續氣化的氣體組分變化有：1)(CO+H2)的含量下降，噸氨所需的半水煤氣量體積增加，原料氣壓縮機的壓縮功增加；2)CO2含量升高，增了脫碳工序的負荷。

3 經濟性分析

由以上分析可知，間歇氣化和富氧連續氣化生產合成氨的工藝流程差別不大，主要差別是原料煤種類不同、氣體組分不同和需要增加氧耗。主要影響工段為造氣、原料氣壓縮、脫碳工段。因此，在這里不考慮投資、折人工等費用，僅就原料煤、氧耗、電耗等運行費用進行對比分析。

3.1 原料煤

間歇氣化爐一般采用25 mm～80 mm的中塊煤，富氧連續氣化可以使用6 mm～50 mm的碎煤。兩種氣化方式的原料煤消耗見表2。

表2 原料煤消耗對比表

使用富氧連續氣化，噸氨的原料煤成本增加1 075×1.35-1 230×1.15=36.75元。

3.2 氧耗

富氧連續氣化需要氧氣，噸氨的成本需要增加氧氣的消耗費用。氧氣消耗見表3。

表3 氧氣消耗對比表

使用富氧連續氣化，噸氨氧耗成本增加450×0.6×0.5=162元。

3.3 電耗(見表4)

表4 電耗對比表

采用富氧連續氣化，由于半水煤氣中的有效氣含量下降，生產相同產量的氨，需要半水煤氣的體積增加，由此造成了噸氨的原料氣壓縮成本增加。

噸氨原料氣壓縮功耗增加(472-440)/440×100%=7.27%。

噸氨的壓縮功耗增加電耗費用(472-440)×0.6=19.2元。

3.4 脫碳工段CO2的增加(見表5)

表5 脫碳工段CO2含量對比表

脫碳系統的總氣量增加12.9%，CO2含量增加41%，基本在設計余量范圍內，可以通過增加脫碳液的循環量來保證系統的正常運行。因此，脫碳系統噸氨的耗電量會略微增加，利用Aspen plus計算得噸氨電耗增量為3.25 kW·h/t，費用增加1.95元。

3.5 總增加成本

使用富氧連續氣化，噸氨成本增加36.75+162+19.2+1.95=219.9元。

則，富氧連續氣化氧耗增加較多，每噸合成氨增加成本約219.9元。

4 結論

通過以上的對比分析，我們認為：

1) 相比現有固定床間歇造氣技術，常壓富氧連續氣化運行成本比間歇固定床氣化爐高；

2) 常壓富氧連續氣化技術主要以廉價的小粒煤、碎煤或型煤為原料，拓寬了原料煤粒度，但由于煤耗較高，原料煤成本比間歇氣化爐高，運行成本比間歇氣化爐高220元/噸氨左右；

3) 富氧連續氣化技術是否具有經濟性，關鍵在于氧氣的成本。若是制氧成本可以減低，那么富氧連續氣化的經濟性會大大增強。