粉煤气化制合成氨变换工艺的对比

葛前进

摘要：采用粉煤气化生产合成氨时，出气化界区的粗煤气具有CO含量高、水气比低的特点。其变换装置多采用绝热工艺，有两种流程:①三段绝热变换流程，变换出口合成气中CO干基含量约为1.2%;②四段绝热变换流程，变换出口合成气中CO干基含量约为0.5%。出口CO含量越低，意味着粗煤气中更多的CO转化成了合成氨的有效气，相同煤耗下，合成氨的产量越高。因此，近年的煤制合成氨项目多要求出口CO干基含量达到0.5%。

关键词：粉煤气化；绝热；等温CO变换

引言

山西丰喜华瑞煤化工有限公司(简称丰喜华瑞)以焦炉煤气与半水煤气(固定床间歇式气化炉制气)为原料生产合成氨与尿素，原设计产能为合成氨180kt/a、尿素300kt/a。由于焦化厂所能提供的焦炉气量增加，按照以气定产的原则，丰喜华瑞对合成氨装置进行了升级改造，增设了1套氨合成系统，合成氨产能扩大至240kt/a、尿素产能扩大至400kt/a。产能扩大后，夏季高温天气氨合成系统需冷量增加，冰机进出口压力增大，冰机负荷加重，经常需增开1台冰机(夏季以外冰机两开两备，夏季冰机三开一备，高温天气甚至会出现需要系统减量的情况)，导致吨氨成本增高;同时，周边焦化厂供应丰喜华瑞的焦炉煤气量极不稳定，波动较大，导致合成氨装置负荷调节频繁，合成冰机开停机频繁。经分析与研究，2020年8月增设了1套超级吸氨器氨水制备系统，即从冰机入口处将750m3/h左右气氨引入超级吸氨器，利用脱盐水吸收气氨制备氨水用于烟气氨法脱硫系统(烟气氨法脱硫系统原使用的氨水源自原超级吸氨器氨水制备系统)，通过分流合成冷冻系统的气氨，实现了氨合成系统的节能降耗与冰机负荷的可调。以下对有关情况作一简介。

1艺流程介绍

粉煤气化装置工艺过程主要分为4个环节，分别为磨煤干燥、粉煤加压输送、粉煤气化、渣及灰水处理。具体的工艺过程为：将原煤送入磨煤机中进行研磨，并用干燥的惰性气体进行干燥。碾磨干燥后的煤粉经旋转分离器筛选后被惰性气体输送到粉煤袋式过滤器。进入粉煤袋式过滤器中的煤粉经滤袋进行气固分离，出袋时过滤器的惰性气体含尘量≤10mg/Nm3，过滤后的大部分气体进行再循环，部分气体被放空。煤粉随后从袋式收集器中被送到煤加压及给料系统。煤粉粒度是由循环风流量、加载力及旋转分离器转速控制，系统惰性化通过氮气及燃料气与空气匹配性燃烧控制。通过高压CO2或者N2输送到气化环节，粉煤和混合气进入气化炉中进行反应生成合成气，经过冷却、增湿以及除尘后输送到转换系统中，而反应不完全剩余的灰渣经过冷却固化后排入相应的设备中。由洗涤塔和气化炉产生的黑水通过闪蒸输送到沉降设备，经过除氧后，进行循环使用。

2变换工艺

2.1四段绝热变换工艺

粗煤气进入变换界区后，首先去1#分离器分离掉凝液，之后进入粗煤气过滤器，粗煤气过滤器内装填有保护剂，可除去粗煤气中携带的灰尘及有害杂质。之后一部分粗煤气进入原料气增湿器，加入自产的4.5MPa(G)饱和蒸汽，将水气比调整至1.5～1.7，然后经过原料气预热器预热至250℃，进入1#变换炉进行变换反应。出1#变换炉的变换气(温度≤460℃，CO干基含量5%～7%)去原料气预热器预热进料，同剩余部分粗煤气混合，进入2#变换炉发生变换反应。出2#变换炉的变换气(温度≤460℃，CO干基含量7%～9%)进入中压蒸汽发生器副产4.5MPa(G)中压饱和蒸汽，加入中压蒸汽和高温变换冷凝液，增湿变换气后，进入3#变换炉继续变换反应。出3#变换炉的变换气(温度260℃，CO干基含量约1.2%)进入低压蒸汽发生器副产1.0MPa(G)蒸汽后，进入4#变换炉进行深度变换反应。出4#变换炉的变换气(温度215℃，CO干基含量≤0.5%)进入低低压蒸汽发生器副产0.5MPa(G)蒸汽，最后经过热回收及水冷器冷却至40℃送出界外。

2.2氨水制备系统工艺流程优化

从管网送来的脱盐水进入超级吸氨器，通过调节阀及流量计控制脱盐水流量在20m3/h(以生产20%浓度的氨水为例)，液氨经调节阀(稳定减压后的压力指标模拟以控制液氨流量)进入超级吸氨器，当工艺水(脱盐水)流量为20t/h，氨水浓度恰好在20%，此时的减压后压力即为控制参数;液氨与脱盐水按比例进入超级吸氨器直接制成一定浓度的氨水(气氨生产氨水原理与采用液氨生产氨水时相同)，配制好的氨水送入氨水储槽。在氨水出口管路上配有密度仪及温度变送器，通过PLC运算显示即时氨水浓度;氨水储槽内排出的废气送入洗氨塔回收其中的气氨，尾气排入大气，洗氨塔采用脱盐水吸氨，形成的稀氨水送入尿素解吸水解系统处理。

2.3Shell工艺

Shell粉煤气化所用气化炉为立式圆筒形气化炉，炉膛周围安装有由沸水冷却管组成的膜式水冷壁，其内壁衬有耐热涂层，气化时熔融灰渣在水冷壁内壁涂层上形成液膜，沿壁顺流而下进行分离，采用以渣改渣的防腐办法，基本解决了高温耐火材料损坏严重和检修频繁的难题。水冷壁与简体外壳之间留有环形空间，便于输入集水管和输出集汽管的布置，便于水冷壁的检查和维修；环形空间内充满250~300℃的有压合成气。炉体设有对称的四个煤粉烧嘴，烧嘴使用寿命保证期为一年。Shell工艺技术特点如下：（1）原料煤适用范围较宽，煤种适应性强，如褐煤、烟煤、无烟煤等各种煤均可使用；对煤的性质，如粒度、结焦性、灰分、水分、硫分、氧分等含量均不敏感。（2）气化炉为水冷壁式，基本消除频繁检修、炉内耐火衬里更换频繁和耗费昂贵的弊端。单台气化炉产气能力大，具有高效、大型化和长周期运行的显著特点。（3）具有较高的热效率，碳转化率可高达99%，原料煤能量回收率高，冷煤气效率可达86%，比煤耗可达600kg/1000m3（CO+H2），比氧耗为365m3O2/1000m3（CO+H2），粗煤气成分中，CO+H2的比例可达86%[2]。

2.4合成气洗涤塔系统

(1)新型结构洗涤塔结构按照重力分离原理设计，无法有效解决合成气洗涤塔系统存在的问题，故本项目采用传统型洗涤塔。(2)根据粗合成气量计算，洗涤塔直径扩大至4200mm。(3)合成气入口距离洗涤塔底部高度为3500mm，对洗涤塔底液位存在扰动，对液相排放口可能会有影响，适当地增加合成气入口和洗涤塔底部高度。(4)取消塔内升气管。(5)洗涤塔顶部除沫器选用高效叶片式分离器。

2.5新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化

新型（对置式多喷嘴）水煤浆加压气化技术是华东理工大学开发的目前最先进的水煤浆气化技术之一。多喷嘴对置式水煤浆气化技术中试装置（22t煤/d）结果表明：有效气成分83%，比相同条件下的GEGP技术高1.5%~2%；碳转化率>98%，比GEGP高2%~3%；比煤耗、比氧耗均比GEGP技术低7%。多喷嘴对置式水煤浆气化技术以纯氧和水煤浆为原料制合成气，该技术包括磨煤单元、气化及初步净化单元及含渣水处理单元，具有以下特点：①煤种适用范围较粉煤气化窄；②气化压力范围大；③具有带压连投设计；④投入运行最大单炉投煤量可达到4000t/d；⑤多喷嘴对置式设计，实现煤浆在炉内对撞流，提高碳转化率；⑥预混式烧嘴结构设计，延长烧嘴使用寿命；⑦旋风+水洗的工艺，减少合成气的含尘量；⑧渣水处理流程，减少灰渣对设备管道的堵塞和磨蚀；⑨独特的激冷室除雾装置，减少合成气带水量。

结束语

总而言之，粉煤气化工艺属于一种较好的煤转换技术，在煤化工行业中的应用较为广泛。由于工艺技术的不断发展，关于粉煤气化工艺的流程也在逐渐的提高其作业要求，对粉煤气化装置工艺管道需要进行不断的改进优化，以使资源得到更加充分的利用，减少资源浪费、降低对环境的影响，这样为企业获得更好的经济效益。而这需要对工艺技术加强研究，对管道中容易出现的问题进行全面的分析，并制定出合理的优化改进对策，以使装置工艺管道运行的效率得到良好的提高。

参考文献

[1]王玉龙,周恩利,武麦桂.天然气自热式转化制合成气的AspenPlus模拟分析[J].煤化工,2019,47(05):8-12+22.

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[3]刘畅,陈军民,李繁荣,孔秋生.煤制合成氨低温甲醇洗工艺优化模拟研究[J].化肥设计,2019,57(05):19-20.

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[5]陈凤壮.合成氨装置工艺气余热回收系统存在的问题及改造[J].天然气化工(C1化学与化工),2019,44(05):102-106.