王 敬

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)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(chǎn)合成氨時，常壓固定床氣化主要有間歇?dú)饣ê瓦B續(xù)氣化法兩種，前者是以空氣和水蒸氣為氣化劑生產(chǎn)半水煤氣，后者是以富氧空氣和水蒸氣為氣化劑生產(chǎn)半水煤氣?？刂铺寂欧攀俏覈卫頊厥覛怏w排放的關(guān)鍵，常壓間歇?dú)饣癄t碳轉(zhuǎn)化率低，每年向大氣排放大量的CO2，已經(jīng)被國家發(fā)展改革委員會列為限制發(fā)展的落后技術(shù)。常壓富氧連續(xù)氣化能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)制氣，碳轉(zhuǎn)化率高，且能夠在現(xiàn)有間歇?dú)饣癄t的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，是解決間歇?dú)饣癄t碳排放問題的方法之一[1]。常壓富氧連續(xù)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(jīng)實(shí)現(xiàn)大型化，單位成本大幅下降。脫碳等技術(shù)的發(fā)展使常壓富氧連續(xù)氣化技術(shù)趨于成熟。本文針對晉城無煙煤生產(chǎn)合成氨對兩種氣化方式進(jìn)行分析。

1 工藝技術(shù)

1.1 常壓固定床間歇?dú)饣癄t生產(chǎn)合成氨工藝(見圖1)

常壓固定床間歇?dú)饣癄t采用空氣和水蒸氣為氣化劑，采用間歇式制氣方式生產(chǎn)半水煤氣用來生產(chǎn)合成氨，氣化壓力為常壓。

圖1 常壓固定床間歇?dú)饣癄t生產(chǎn)合成氨工藝流程圖

1.2 富氧連續(xù)氣化法生產(chǎn)合成氨工藝(見圖2)

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

圖2 富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)合成氨工藝流程圖

使用晉城無煙煤生產(chǎn)合成氨，間歇?dú)饣癄t與富氧連續(xù)氣化爐的主要工藝生產(chǎn)流程區(qū)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(bǔ)氮，若采用變壓吸附技術(shù)生產(chǎn)富氧，需另加制氮裝置補(bǔ)氮。

2) 變間歇制氣為連續(xù)制氣。變原來的五步(吹風(fēng)、上吹、下吹、二次上吹、吹凈)間歇制氣為連續(xù)上吹制氣，沒有吹風(fēng)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(chǎn)氣量與氣體組分的對比

富氧連續(xù)氣化由于沒有間歇?dú)饣l繁地切換閥門，只有連續(xù)上吹制氣，有效制氣時間延長，單爐的產(chǎn)氣量得到提高。同時，由于間歇?dú)饣癄t使用空氣，連續(xù)氣化爐使用富氧空氣，氣化爐的爐況不同，產(chǎn)生的原料氣組成也有所不同。主要區(qū)別如表1。

表1 兩種氣化方式原料氣組成和產(chǎn)氣量對比表 %

從表1中可以看出，與間歇?dú)饣癄t相比，富氧連續(xù)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(jī)的壓縮功增加；2)CO2含量升高，增了脫碳工序的負(fù)荷。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

由以上分析可知，間歇?dú)饣透谎踹B續(xù)氣化生產(chǎn)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(fèi)用，僅就原料煤、氧耗、電耗等運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對比分析。

3.1 原料煤

間歇?dú)饣癄t一般采用25 mm～80 mm的中塊煤，富氧連續(xù)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(xù)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(xù)氣化需要氧氣，噸氨的成本需要增加氧氣的消耗費(fèi)用。氧氣消耗見表3。

表3 氧氣消耗對比表

使用富氧連續(xù)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(xù)氣化，由于半水煤氣中的有效氣含量下降，生產(chǎn)相同產(chǎn)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(fèi)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(tǒng)的總氣量增加12.9%，CO2含量增加41%，基本在設(shè)計(jì)余量范圍內(nèi)，可以通過增加脫碳液的循環(huán)量來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，脫碳系統(tǒng)噸氨的耗電量會略微增加，利用Aspen plus計(jì)算得噸氨電耗增量為3.25 kW·h/t，費(fèi)用增加1.95元。

3.5 總增加成本

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

則，富氧連續(xù)氣化氧耗增加較多，每噸合成氨增加成本約219.9元。

4 結(jié)論

通過以上的對比分析，我們認(rèn)為：

1) 相比現(xiàn)有固定床間歇造氣技術(shù)，常壓富氧連續(xù)氣化運(yùn)行成本比間歇固定床氣化爐高；

2) 常壓富氧連續(xù)氣化技術(shù)主要以廉價(jià)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?dú)饣癄t高，運(yùn)行成本比間歇?dú)饣癄t高220元/噸氨左右；

3) 富氧連續(xù)氣化技術(shù)是否具有經(jīng)濟(jì)性，關(guān)鍵在于氧氣的成本。若是制氧成本可以減低，那么富氧連續(xù)氣化的經(jīng)濟(jì)性會大大增強(qiáng)。