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        U- GAS氣化技術(shù)改造中小型氮肥企業(yè)固定層造氣爐的研究

        2018-10-26 10:01:36邢憲軍
        肥料與健康 2018年4期
        關(guān)鍵詞:造氣氣爐工段

        邢憲軍

        (新煤化工設(shè)計(jì)院〔上海〕有限公司 上海 200233)

        我國中小型氮肥企業(yè)的造氣工段大多采用常壓固定層間歇?dú)饣に嚕詨K狀無煙煤或焦炭為原料,空氣或水蒸氣為氣化劑,在常壓條件下生產(chǎn)原料氣[1- 2]。該氣化技術(shù)投資少、建設(shè)周期短、運(yùn)行穩(wěn)定,但存在煤種選擇性比較單一、原料利用率低、能耗高、單爐產(chǎn)氣量小及吹風(fēng)氣對(duì)周圍環(huán)境污染嚴(yán)重等問題,屬于逐步淘汰的落后工藝[3- 4]。

        近年來,隨著無煙煤價(jià)格的持續(xù)上漲,中小型氮肥企業(yè)的生產(chǎn)成本急劇增加。由于原料煤占氮肥生產(chǎn)總成本的50%以上,如果不能改變以無煙塊煤為原料的狀況,氮肥企業(yè)則不可能從根本上扭轉(zhuǎn)成本居高不下的局面[5- 8]。因此,尋求能夠氣化劣質(zhì)煤、當(dāng)?shù)孛旱臐崈裘簹饣夹g(shù)來改造現(xiàn)有固定層造氣爐是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的有效途徑。

        由于中小型合成氨裝置工藝流程長、各工段關(guān)聯(lián)度大,因此固定層造氣工段的改造并不是簡單的推倒重來和以新代老,所面臨的最大問題就是改造后新氣化裝置如何與現(xiàn)有生產(chǎn)裝置進(jìn)行銜接。以河北某化肥企業(yè)的“24·40”裝置為例,對(duì)采用U- GAS氣化技術(shù)改造中小型氮肥企業(yè)固定層造氣爐進(jìn)行分析研究,以期在保證現(xiàn)有生產(chǎn)能力不變的前提下,最大限度地利用現(xiàn)有工藝流程和設(shè)備。

        1 現(xiàn)有工藝概述

        河北某化肥企業(yè)“18·30”裝置于2009年建成投產(chǎn),隨后對(duì)該裝置進(jìn)行了“24·40”節(jié)能挖潛技術(shù)改造,目前日產(chǎn)合成氨790 t,聯(lián)產(chǎn)甲醇80 t。該裝置以無煙煤為原料生產(chǎn)尿素(中間產(chǎn)品為液氨),造氣工段采用常壓固定層間歇?dú)饣に嚕灿效?2 800 mm和Ф 2 650 mm造氣爐18臺(tái),改造前全系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

        圖1 改造前全系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程

        空氣、過熱蒸汽與加氮空氣按一定工序交替送入固定層造氣爐內(nèi),在熾熱的炭層中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),制得的半水煤氣經(jīng)洗氣箱、洗氣塔降溫除塵后送入氣柜。氣柜中的半水煤氣經(jīng)除塵塔后送入羅茨風(fēng)機(jī),升壓至0.05 MPa進(jìn)入常壓脫硫塔進(jìn)行粗脫硫。粗脫硫氣經(jīng)凈氨塔、靜電除焦油塔后進(jìn)入壓縮機(jī)一、二、三段,升壓至2.10 MPa后送入變換工段,得到的變換氣經(jīng)變脫裝置脫除少量的H2S后送至脫碳工段脫除CO2。脫碳后的原料氣進(jìn)入壓縮機(jī)四、五段,升壓至11.00 MPa后送至中壓醇化工段聯(lián)產(chǎn)甲醇。出中壓醇化工段未反應(yīng)的原料氣經(jīng)甲醇洗滌塔洗去氣體中夾帶的微量甲醇后進(jìn)入壓縮機(jī)六段,升壓至22.00 MPa后經(jīng)高壓醇化工段、甲烷化工段脫除微量的CO和CO2,再送至氨合成工段生產(chǎn)液氨。來自氨合成工段的放空氣減壓后送至凈氨塔與軟水逆流接觸,得到的氨水由塔底排出,放空氣從塔頂出塔后送至膜分離器。通過膜分離器回收得到的氫氣送至壓縮機(jī)四段入口循環(huán)使用;膜分離器的尾氣作為燃料氣送至造氣工段的混燃爐燃燒,產(chǎn)生的過熱蒸汽供造氣工段使用。從氨合成工段送出的液氨與加壓CO2一起送至尿素合成塔,最終通過蒸發(fā)造粒得到尿素產(chǎn)品。

        2 改造方案的分析與討論

        由于尿素合成自成體系,造氣工段的改造不影響尿素合成部分,所以僅分析討論造氣工段的改造對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響。

        2.1 造氣工段

        U- GAS氣化技術(shù)是由美國氣體研究院(GTI)開發(fā)的流化床氣化技術(shù),其主要特點(diǎn):①對(duì)原料有較強(qiáng)的適應(yīng)性,可氣化褐煤、煙煤、次煙煤、無煙煤及高灰高硫劣質(zhì)煤;②氣化過程中不產(chǎn)生焦油,采用干法排渣,對(duì)環(huán)境友好;③氣化效率高,冷煤氣效率≥80%,碳轉(zhuǎn)化率≥98%;④操作簡單,易于維護(hù),建設(shè)投資低[9- 10]。由于U- GAS氣化技術(shù)對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng),可以氣化劣質(zhì)煤、本地煤,能有效降低合成氨的生產(chǎn)成本,是改造常壓固定層間歇造氣爐的理想技術(shù)。

        2.1.1 氣化壓力的選擇

        氣化壓力是由后續(xù)變換、變脫、脫碳、壓縮等工段綜合決定。由于該項(xiàng)目變換、變脫、脫碳工段的設(shè)計(jì)壓力均為2.1 MPa,所以氣化裝置出口壓力不能高于2.1 MPa,否則變換、變脫、脫碳工段全部要推倒重來,將大幅增加改造投資并延長改造工期,嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

        壓縮機(jī)三段進(jìn)口壓力為0.85 MPa,出口壓力為2.10 MPa。U- GAS氣化技術(shù)已有1.0 MPa加壓氣化業(yè)績,但沒有2.0 MPa壓力等級(jí)的氣化業(yè)績[11]。經(jīng)綜合考慮上述情況和凈化部分的壓降后,確定氣化壓力為1.2 MPa。

        2.1.2 造氣工段的改造方案

        采用2臺(tái)Ф 2 600 mm/Ф 3 600 mm U- GAS氣化爐取代原有的18臺(tái)常壓固定層間歇造氣爐;利用現(xiàn)有的煤場和備煤系統(tǒng),增設(shè)煤破碎系統(tǒng),新建上煤棧橋及煤輸送皮帶機(jī)、空分裝置(制氧規(guī)模22 000 m3/h,標(biāo)態(tài))以及污水處理裝置;取消原有的空氣鼓風(fēng)機(jī)、氣柜、靜電除塵塔和羅茨風(fēng)機(jī)。

        2.1.3 造氣工段改造前后消耗對(duì)比

        U- GAS氣化以煙煤為設(shè)計(jì)煤種,純氧氣化,氣化壓力1.2 MPa,氣化溫度950 ℃。固定層造氣爐以無煙煤為原料,常壓空氣氣化。2種氣化技術(shù)氣化用煤性質(zhì)對(duì)比如表1所示,所產(chǎn)煤氣組成對(duì)比如表2所示。

        在保持改造前后生產(chǎn)規(guī)模(合成氨790 t/d、甲醇80 t/d)相同的前提下,固定層間歇?dú)饣?、U- GAS氣化的消耗對(duì)比如表3所示,其中固定層間歇?dú)饣碑a(chǎn)、消耗的蒸汽規(guī)格為0.6 MPa、180 ℃,

        表1 2種氣化技術(shù)氣化用煤性質(zhì)對(duì)比

        表2 2種氣化技術(shù)所產(chǎn)煤氣組成對(duì)比 %

        表3 2種氣化技術(shù)的消耗對(duì)比

        U- GAS氣化副產(chǎn)、消耗的蒸汽規(guī)格為2.0 MPa、400 ℃。

        由表2可看出,U- GAS氣化所產(chǎn)煤氣中CH4含量較高,致使氨合成工段放空氣量較大[12- 13]。為了保證合成氨生產(chǎn)規(guī)模相同,所以U- GAS氣化所產(chǎn)的有效氣較固定層氣化多。

        U- GAS氣化所產(chǎn)的濕煤氣在水洗塔中采用熱水進(jìn)行洗滌,出水洗塔的濕煤氣壓力以及溫度分別為1.1 MPa和132 ℃,濕基含水體積分?jǐn)?shù)為23.81%,比較適合進(jìn)入耐硫變換工段進(jìn)行變換。

        2.1.4 空氣/氧氣消耗對(duì)比

        固定層造氣爐采用空氣氣化,空氣由鼓風(fēng)機(jī)鼓入氣化爐中;U- GAS氣化爐則采用純氧氣化,氧氣由空分裝置提供。改造前后制氧工段消耗對(duì)比如表4所示,其中改造后的電耗不僅包含制氧電耗,而且包含向氨合成工段補(bǔ)氮時(shí)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的電耗。

        表4 改造前后制氧工段消耗對(duì)比

        2.2 變換工段

        該裝置變換工段原采用高串低工藝,設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa,運(yùn)行壓力1.8~2.0 MPa。改造前后水煤氣中CO的量相近(表5),所以對(duì)變換工段的影響不大。U- GAS氣化所產(chǎn)的水煤氣壓力和溫度分別為1.1 MPa和132 ℃,汽氣比為0.31,適合采用全低變流程進(jìn)行變換。

        表5 改造前后變換工段參數(shù)對(duì)比

        變換工段改造方案:利用原有的設(shè)備,將高串低工藝改為全低變工藝,變換壓力降至1.1 MPa;高溫變換爐內(nèi)鐵-鉻系變換催化劑更換為鈷-鉬系耐硫?qū)挏刈儞Q催化劑并分3段裝填,在第1段加裝COS水解催化劑;新增變換工段開工硫化設(shè)備。

        2.3 脫硫工段

        脫硫工段原采用常壓濕法脫硫+變脫,變脫設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa,運(yùn)行壓力1.7~1.9 MPa?,F(xiàn)將常壓濕法脫硫改為加壓濕法脫硫,脫硫塔及貧富液泵需重新購置,再生及硫回收系統(tǒng)保留。加壓濕法脫硫設(shè)置在變換工段之后,變脫可以設(shè)置在加壓濕法脫硫后降壓運(yùn)行,也可以設(shè)置在壓縮機(jī)三段出口。

        2.4 脫碳工段

        脫碳工段現(xiàn)采用抽真空變壓吸附(VPSA)技術(shù),設(shè)計(jì)處理氣量為160 000 m3/h,設(shè)計(jì)壓力為2.1 MPa,運(yùn)行壓力1.7~1.9 MPa。該套裝置由提純段(VPSA- Ⅰ)和凈化段(VPSA- Ⅱ)組成,提純段采用18- 4- 9流程,共配置18臺(tái)吸附塔,采用4塔吸附、9次均壓、3塔抽真空工藝,出口氣中φ(CO2)控制在6%~10%;凈化段采用18- 4- 10流程,共配置18臺(tái)吸附塔,采用4塔吸附、10次均壓、3塔抽真空工藝,出口氣中φ(CO2)控制在0.2%左右。

        由于出造氣工段的原料氣直接進(jìn)行變換,致使氣體流量和平均分子量增大,若直接進(jìn)入壓縮機(jī)3段入口,會(huì)造成壓縮機(jī)的改造工作量較大。因此,變換后的原料氣在進(jìn)入壓縮機(jī)三段前,先進(jìn)行預(yù)脫碳,以減少原料氣的流量,降低壓縮功。

        改造方案:將原脫碳工段提純段設(shè)置在壓縮機(jī)三段入口前降壓使用,由于脫碳工作壓力降低,故提純段的脫碳能力已無法滿足現(xiàn)有裝置要求,需擴(kuò)建脫碳裝置的提純段,使其出口氣中φ(CO2)控制在8%左右;脫碳工段凈化段仍配置在壓縮機(jī)三段出口。

        2.5 壓縮工段

        該企業(yè)現(xiàn)采用臥式M型六列對(duì)稱平衡往復(fù)式壓縮機(jī),共由6段組成。改造以后,取消壓縮機(jī)的一、二段,原料氣經(jīng)預(yù)脫碳以后直接進(jìn)入壓縮機(jī)三段。改造前后壓縮機(jī)三段入口氣體性質(zhì)對(duì)比如表6所示。

        表6 改造前后壓縮機(jī)三段入口氣體性質(zhì)對(duì)比

        由表6可看出;改造前后壓縮機(jī)三段入口氣體流量基本相同,故無需改造壓縮機(jī)的氣缸;改造后,三段入口氣體平均分子量減小,壓縮功將相應(yīng)減少。

        2.6 甲醇合成、甲烷化和氨合成工段

        改造前后中壓甲醇合成、高壓甲醇合成、甲烷化、氨合成工段的進(jìn)口總氣量和有效氣量對(duì)比如表7所示。

        表7 改造前后甲醇合成、甲烷化和氨合成工段進(jìn)口總氣量和有效氣量對(duì)比m3/h(標(biāo)態(tài))

        從表7可看出:改造前后中壓甲醇合成、高壓甲醇合成、甲烷化工段的入口總氣量和有效氣量比較接近,對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的影響不大;改造后,進(jìn)入氨合成工段的原料氣量增加較多,有效氣量變化不大,這是因?yàn)閁- GAS氣化所產(chǎn)煤氣中甲烷含量高,進(jìn)入氨合成工段的惰性氣體亦增多,致使氨合成工段的放空氣量增大,回收氫氣量增多,但對(duì)合成氨產(chǎn)量影響不大。

        2.7 氫、氨、甲烷回收

        由于固定層氣化所產(chǎn)煤氣中含CH4體積分?jǐn)?shù)約1.0%,而U- GAS氣化高達(dá)4.5%,造成改造后放空氣流量增大數(shù)倍(表8),所以,改造后需要擴(kuò)建膜分離器和氨回收裝置。

        表8 改造前后放空氣流量和回收氫氣流量對(duì)比m3/h(標(biāo)態(tài))

        改造前后尾氣的流量和低位熱值對(duì)比如表9所示。改造前,合成氨放空氣經(jīng)膜分離器提氫后,尾氣送至三廢混燃爐燃燒,所生產(chǎn)的蒸汽供固定層氣化爐使用。改造后,合成氨放空氣經(jīng)膜分離器提氫后,尾氣為富甲烷氣,熱值較高,可用于燃?xì)?蒸汽輪機(jī)發(fā)電。經(jīng)測算,改造后尾氣可發(fā)電30 800 kW(燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電22 100 kW,蒸汽輪機(jī)發(fā)電8 700 kW),發(fā)電部分自用1 200 kW,凈輸出電力29 600 kW。

        表9 改造前后尾氣流量和低位熱值對(duì)比

        2.8 改造后全系統(tǒng)工藝流程的確定

        采用U- GAS氣化技術(shù)改造中小型氮肥企業(yè)固定層造氣裝置后,其全系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程見圖2。

        圖2 改造后全系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程

        3 改造前后能耗及成本對(duì)比

        3.1 改造前后主要原材料及公用工程消耗對(duì)比

        改造前后主要原材料及公用工程消耗對(duì)比如表10所示。

        3.2 改造前后主要公用工程對(duì)比

        分別對(duì)表10中所述電、低壓蒸汽、蒸汽、循環(huán)水、脫鹽水等主要公用工程的消耗情況進(jìn)行對(duì)比,以便確定改造后公用工程的擴(kuò)建情況,結(jié)果如表11所示。

        表10 改造前后主要原材料及公用工程消耗對(duì)比

        2)含羅茨風(fēng)機(jī)電耗;

        3)含靜電除焦油塔電耗

        從表11可看出,若不計(jì)燃?xì)?蒸汽發(fā)電,改造后用電量增加694 kW,對(duì)全系統(tǒng)用電容量基本沒有影響;若計(jì)入燃?xì)?蒸汽發(fā)電,改造后由全系統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)配,可少購電28 906 kW。

        改造后,低壓蒸汽耗量增加11.25 t/h,蒸汽耗量減少26.85 t/h,可將蒸汽減壓至0.60 MPa

        表11 改造前后主要公用工程對(duì)比

        進(jìn)行補(bǔ)充,以平衡低壓蒸汽。平衡后,蒸汽富裕15.60 t/h,可用于其他工段的蒸汽平衡或發(fā)電。

        改造后,循環(huán)水用量增加1 898 m3/h,增量不大,可由原循環(huán)冷卻水系統(tǒng)平衡解決。

        改造后,脫鹽水用量增加53.92 t/h,不足部分由原脫鹽水站統(tǒng)籌解決。

        總的來講,改造前后電和蒸汽基本持平,對(duì)公用工程系統(tǒng)沒有影響;循環(huán)水用量略有增加,循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化后,可以解決;由于改造后新建燃?xì)?蒸汽發(fā)電裝置,脫鹽水用量增加較多,可由脫鹽水站統(tǒng)籌解決。

        3.3 改造前后成本對(duì)比

        改造前后改造部分成本變化對(duì)比如表12所示。

        由表12可知:改造后,若不配置燃?xì)?蒸汽發(fā)電部分,年節(jié)省成本約4 736萬元,改造總投資為3.32億元,扣除折舊、維修后,噸氨成本可降低200元;若配置燃?xì)?蒸汽發(fā)電部分,年節(jié)省成本約1.75億元,改造總投資為4.36億元,扣除折舊、維修后,噸氨成本可降低568元。

        4 結(jié)語

        通過對(duì)U- GAS氣化技術(shù)改造中小型氮肥企業(yè)固定層造氣爐的研究表明:在整個(gè)改造過程,氣化裝置和空分裝置為新建,均為成熟技術(shù);壓縮工段的改造經(jīng)交流討論,完全可行;變換、脫硫、脫碳等工段均是小改造,技術(shù)成熟,基本無風(fēng)險(xiǎn);甲醇合成和氨合成部分無需改造。從整體上講,該改造方案技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。改造后,U- GAS氣化采用干法排渣,無飛灰和尾氣外排,節(jié)能環(huán)保;原料煤由無煙煤改為煙煤,還可使用劣質(zhì)煤,原料成本大幅降低;副產(chǎn)的富甲烷氣體可用于發(fā)電,能顯著提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

        表12 改造前后改造部分成本變化對(duì)比

        2)使用壽命3年;

        3)年運(yùn)行時(shí)間按7 200 h計(jì)

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