煤气化技术在合成氨生产中的应用与发展趋势

摘 要 简要叙述了国内目前煤气化技术在合成氨生产中的应用情况及煤气化技术的发展趋势。 关键词 煤气化 合成氨 现状 发展趋势
煤炭是地球上储量丰富、分布最广泛的化石 原料。我国是能源生产和消费大国，我国能源结 构更是富煤少油（气），煤炭在我国一次能源结构 中占主导地位。在我国常规能源（包括煤、油、气、 水能）探明总资源量中，煤炭占 ８７．４％，石油占 ２．８％，天然气占 ０．３％，水能占 ９．５％，因此能源消 费也更依赖煤炭，当前大约 ８０％的电力、６０％的 化工原料、７２％的工业燃料和 ９２％的民用燃料都 以煤为原料。国家正在逐步出台能源结构调整的 政策改变这种局面，但在短时间内难以改变。
（３）“三废”污染小。大部分工艺水回收循环 使用，排出废水少，几乎无废气排放。
（４）碳转化率高，＞９８％。 （５） 有 效 气 成 分 高 ， 粗 合 成 气 中 有 效 气 （ＣＯ＋Ｈ２）体积分数约 ８０％。 （６）气化炉设计简单，国内可以制造。 （７）自动控制水平高，整个系统用 ＤＣＳ 系统 控制。 水煤浆加压气化工艺是一项先进、成熟、稳 妥、可靠的工艺技术。水煤浆加压气化生产合成 氨，在日本宇部氨厂（４．０ ＭＰａ）已运行了十几年，
加压气化技术目前还处在小规模工业示范 的阶段，缺乏大规模工业化及长周期运行的经 验。在放大及工程化应用方面还需要一定的过 程。 ３．２．２ 恩德粉煤气化技术
中朝合作抚顺恩德机械公司引进朝鲜恩德 “七．七”联合企业改进的温克勒气化炉，并结合国 情完善、开发形成专利技术，其设备已完全实现
了国产化。该技术主要特点是：可采用劣质粉煤， 如褐煤、长焰煤、不粘或弱粘结煤，气化强度大。 单台炉生产能力产合成气为 ４×１０４Ｎｍ３／ｈ，以合成 氨计为 ９×１０４ｔ／ａ；操作弹性大，运行可靠，投资省； 可根据合成气的要求采用空气、氧气或富氧空气 作气化剂。技术成熟，该技术在朝鲜已运转了 ３０ 多年。
煤气化技术种类较多，发展较快，各种炉型 在我国都有过实验，我国可谓是世界煤气化炉的 “博物馆”。在合成氨生产中应用的主要煤气化炉 介绍如下。 ３．１ 固定床
固定床煤气化炉的主要特点是：炉内气体流 速较慢，煤粒静止，停留时间 １．０～１．５ｈ；操作条件 为：温度 ８００～１ ２００℃；压力为常压～４．０ＭＰａ；原 料煤粒径 ３～３０ ｍｍ。用煤要求具有高活性、高灰 熔点、高热稳定性。 ３．１．１ 常压固定床间歇气化
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２００８ 年第 ２９ 卷第 ５ 期
氮肥技术
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煤气化技术在合成氨生产中的应用与发展趋势
王国祥 （全国化工合成氨设计技术中心站 ２５００１３）
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这是我国自主研发的第二代新型煤气化技 术，具有原料适应性广，投资费用低的特点，可用 于化工合成气、民用和工业炉窑燃料气、发电燃 料气的生产。２００１ 年灰融聚气化技术在陕西城固 化肥厂建成了工业化装置，单炉年产合成氨 ２× １０４ｔ、日投煤量 １００ｔ，炉直径下部 ２．４ｍ、上部 ３．６ｍ， 高 ３．６ｍ。投运以来运行效果较好，已进行 ６ 种煤 的试烧，焦炭粉、烟煤粉煤、无烟煤粉煤、高硫煤 粉煤等也可使用，碳转化率＞９０％，粉煤粒径要 求＜６ｍｍ。２００４ 年底，国家发改委为促进灰融聚 煤气化技术大型化，将灰融聚煤气化技术列为氮 肥行业原料结构调整 ５ 种煤气化示范技术之一， 安排天津碱厂等示范项目的建设。２００６ 年上半 年，我国第一套大型常压灰融聚煤气化装置— —— 两台单炉日投煤量 ２００ｔ 气化炉在天津碱厂投入 运行。该炉炉径 ３．２ｍ，内衬耐火材料，反应温度 １ ０５０℃，粉煤粒径要求＜１０ｍｍ。目前灰融聚煤气 化炉主要问题是常压操作，单炉生产能力不高。 技术开发单位正研制加压灰融聚煤气化炉，操作 压力为 １ＭＰａ、单台炉日投煤量在 ５００～１ ０００ｔ 的 气化炉在山西丰喜肥业（集团）股份有限公司建 设。
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煤化所在 ２０ 世纪 ８０ 年代初开发的。其气化炉气 化压力有常压和加压（１．０～１．５ ＭＰａ）两种，采用 空气或氧气作气化剂。该工艺根据射流原理，在 流化床底部设计了灰团聚分离装置，形成床内局 部高温区。使灰渣团聚成球，借助重力的差异达 到灰团的分离，提高了碳利用率。
我国的氮肥工业始于 ２０ 世纪 ３０ 年代。１９３７ 年第一家中国自己的化肥厂—— —永利宁化学公 司硫酸厂 （后改为南京化学工业公司氮肥厂）在 南京建立。１９４９ 年，我国合成氨产能为 ５ ０００ｔ，到 ２００７ 年，我国合成氨产量达到了 ５ １５８．９×１０４ｔ， 居世界首位。这些成绩的取得都离不开煤气化技 术的发展和新型煤气化技术应用。
常压固定床间歇气化技术经过 ５０ 年的发 展，原来放空的吹风气通过“三气”回收装置对气 体中的显热和潜热进行回收，并通过除尘脱硫装 置处理有害气体，污染物排放量大大减少。造气 炉渣送循环流化床锅炉进行二次燃烧，使炉渣中 的残碳进一步降低，提高了碳的利用率。造气污 水实施闭路循环，达到零排放。固定床间歇制气 的缺点得到了大大改善。
我国煤气化技术发展起步较晚，合成氨生产 以老式的 ＵＧＩ 炉固定床间歇气化制水煤气和常 压发生炉煤气为主，至今占合成氨总生产能力约 ８０％。自上世纪 ７０ 年代，对于新型气化炉或气化
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氮肥技术
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方法开始研究，在液态排渣加压碎煤气化、水煤 浆加压气化、灰融聚流化床气化等领域进行开 发，这几项气化技术在我国都相继进入了工业化 应用阶段。 ３ 合成氨生产应用的煤气化技术
当气体流速继续增大到 Ｅ 点时，流化床的上 界面消失，固体颗粒分散悬浮在气体中并被气流 夹带而离开床层，这样的床层称为气流床，Ｅ 点的 气流速度称为气流极限速度。此时，气体通过固 体颗粒床层的压力降随气体空床速度的增大而 急剧减小，甚至固体颗粒被气体全部带出。
当固体颗粒处于流化床状态时，床层有一明 显的上界面，看起来很象沸腾的液体，并在许多 方面呈现出类似液体的性质，故有时也称流化床 为沸腾床。
鲁奇加压气化工艺的气化压力 ３．０ ＭＰａ，气 化温度 ９００～１ ０５０℃。该工艺所用原料煤粒度为 ８～５０ｍｍ，要求使用活性好、不粘结的烟煤或褐 煤。采用固态排渣方式运行。
鲁奇炉气化技术的特点： （１）氧耗低。鲁奇炉气化工艺是目前各种采 用纯氧为气化剂中氧耗最低的。 （２）冷煤气效率高。冷煤气效率代表了煤中 的热量转化为煤气中热量的程度，鲁奇炉最高可 达 ９３％，高于其它的煤气化技术。 该工艺污水排放中含有较多的焦油、酚类和 氨。需要配备较复杂的污水处理装置，环保处理 费用较高。鲁奇煤气化技术近年来也在某些方面 有所改进，如排渣系统的改进（熔渣气化技术）、 三废处理技术的改进等。鲁奇煤气化技术至今在 某些地区及部分领域仍是先进适用的技术。 鲁奇炉最大用户是城市煤气和合成烃（合成 油），国外没有大型鲁奇炉单产合成氨的装置，主 要原因除环保问题外，工艺流程长，特别要增加 冷冻分离甲烷和烃类转化。该工艺技术在合成氨 领域应用较少。 ３．２ 流化床 流化床技术特点：炉内气体流速较大，煤粒 悬浮于气流中作相对运动，呈沸腾状，有明显床 层界限，停留时间数分钟。操作条件：温度 ８００～ １ １００℃：压力为常压～２．５ＭＰａ；煤块粒径 １～５ ｍｍ；用煤要求具有高活性、高灰熔点。 流化床气 化技术主要包括：灰融聚流化床气化技术、温克 勒 ／ 恩德炉气化技术和鲁奇循环流化床技术。 ３．２．１ 灰融聚流化床气化炉 灰融聚流化床气化技术是中国科学院山西
固定床间歇气化技术目前被 ９０％的中小合 成氨生产企业所使用，有近万台气化炉在运转，
仍是合成氨生产的主力军。 ３．１．２ 鲁奇加压气化
鲁奇碎煤加压气化技术诞生于 ２０ 世纪 ４０ 年代。鲁奇气化炉生产能力大，煤种适应性广，主 要用于生产城市煤气，用于生产合成气的较少。 我国云南解化集团和山西天脊集团采用该技术 生产合成氨，解放军化肥厂生产规模为年产 １７× １０４ｔ 合成氨，山西天脊集团生产规模为年产 ３０× １０４ｔ 合成氨。采用鲁奇气化炉生产合成气时，气体 成分中甲烷含量高（８％～１０％），且含焦油、酚等 物质，气化炉后需设置废水处理及回收、甲烷分 离转化等装置。
空床流速 u（０ ｃｍ·ｓ－１）
图 １ 气体通过均匀颗粒床层的压力降与气速的关系
随着气体流速增大到图 ｌ 中 Ｂ 点时，固体颗
粒床层开始松动，固体颗粒的相对位置也在一定 区域内进行调整，床层高度略有增加；如果气体 流速继续增大，固体颗粒则完全悬浮在向上流动 的气体中，并进行相当不规则的运动；气体流速 进一步增大，床层高度将随之增加，固体颗粒的 运动更为激烈，但仍停留在床层中，而不被气流 所带出，这样的床层称为流化床。此时，气体通过 固体颗粒床层的压力降随气体空床速度的增大 而基本上保持不变，如图 １ 中 ＣＥ 段所示。Ｃ 点的 气体流速称为临界流化速度。
根据上述原理，形成 ３ 种制气技术，即固定 床气化、流化床气化、气流床气化。 ２ 煤气化技术的发展
煤气化技术经过 １５０ 多年的发展，形成了上 百种炉型，工业化的炉型十余种，有代表的工业 化煤气化炉型有：固定床 ［ＵＧＩ 炉、Ｌｕｒｇｉ 炉、ＢＧＬ （熔渣固定床）炉］；流化床（Ｗｉｎｋｌｅｒ 炉、ＨＴＷ 炉、 Ｕ－Ｇａｓ 炉、ＫＲＷ 炉和 ＣＦＢ 气化炉］；气流床（Ｋ－Ｔ 炉、Ｔｅｘａｃｏ 炉、Ｓｈｅｌｌ 炉、Ｐｒｅｎｆｌｏ 炉和 ＧＳＰ 炉）等。
气流床气化技术特 条件：温度 １ ３００～１ ７００℃；压力 １．０～８．５ ＭＰａ； 煤块粒径＜０．１ ｍｍ。对原料煤种适应性宽。 ３．３．１ 水煤浆气化技术
采用水煤浆气化工艺生产合成气的厂在世 界上已建成了 １２ 个，在我国已建成投产 ７ 个，单 炉 投 煤 量 ３６０ ～２ ０００ ｔ／ｄ， 气 化 压 力 ２．７ ～８．５ ＭＰａ。所产合成气用于生产合成氨、甲醇、乙酸等。 通过这几套水煤浆气化装置的建设，我国在设 计、设备制造、施工、生产操作等方面已积累了丰 富的经验。除进口部分关键设备外，大部分设备 均可立足国内制造，国产化程度较高。水煤浆加 压气化技术主要有如下优点。