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        干煤粉氣化工藝煤粉輸送載氣的選擇

        2021-12-31 09:15:38
        化肥設(shè)計(jì) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:載氣合成氨煤氣化

        (中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

        近幾十年來(lái),第二代煤氣化技術(shù)飛速發(fā)展,尤其是干粉煤氣化技術(shù)在中國(guó)取得長(zhǎng)足發(fā)展,1984年GSP首臺(tái)商業(yè)設(shè)備(200 MW)氣化爐使用褐煤,粉煤處理能力30t/h,1993年SHELL在荷蘭Buggenum建成投產(chǎn)的投煤量2 000t/d的大型干煤粉氣化裝置運(yùn)行,開(kāi)啟了干煤粉氣化技術(shù)新的篇章,隨著這些干粉煤氣化技術(shù)在中國(guó)的推廣,國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開(kāi)發(fā)了近十種干煤粉氣化技術(shù)(見(jiàn)表1)。

        上述干煤粉氣化技術(shù)均有運(yùn)用的生產(chǎn)裝置,大多數(shù)已成功工業(yè)化。而干煤粉氣化工藝的一個(gè)重要特點(diǎn),是干煤粉進(jìn)氣化爐需要載氣輸送,目前,工業(yè)化運(yùn)用成熟的是采用加壓N2或者CO2作為載氣輸送,其具有連續(xù)性好、氣化爐操作穩(wěn)定的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析、探討不同載氣的選擇。

        表1 國(guó)內(nèi)外干煤粉氣化技術(shù)對(duì)比

        1 不同載氣輸送的煤氣化裝置差異

        干煤粉氣化工藝的干煤粉需要采用惰性氣體進(jìn)行輸送,原GSP煤氣化工藝和SHELL煤氣化工藝開(kāi)發(fā)采用的是N2輸送煤粉,且合成氣用于發(fā)電,N2在粗合成氣中含量約8%(φ),若將此合成氣用于生產(chǎn)甲醇或CO,N2為惰性組分,對(duì)于后續(xù)粗合成氣處理不利,因此,中國(guó)五環(huán)工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)五環(huán))先后在貴州天福項(xiàng)目和神華寧煤項(xiàng)目中,分別在SHELL氣化爐工藝和神寧爐氣化工藝中采用CO2進(jìn)行煤粉輸送的開(kāi)發(fā)和工程化設(shè)計(jì),兩個(gè)項(xiàng)目開(kāi)車(chē)運(yùn)行后均取得良好效益。

        以下重點(diǎn)介紹投煤量2 000t/d、產(chǎn)12.5萬(wàn)Nm3/h(CO+H2)神寧爐采用N2和CO2輸送煤氣化工藝的差異。

        1.1 煤氣化裝置中關(guān)鍵設(shè)備差異

        采用N2和CO2輸送煤粉,其煤氣化裝置配置的設(shè)備有顯著差異,考慮到N2和CO2的來(lái)源差異,在煤氣化裝置開(kāi)車(chē)階段,N2輸送煤粉還需要保留,同時(shí),因CO2特性的差異增加部分設(shè)備,其詳細(xì)差異見(jiàn)表2。

        表2 煤氣化關(guān)鍵設(shè)備差異對(duì)比

        1.2 煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)的差異

        由于N2在煤氣化過(guò)程中為惰性組分,而CO2在煤氣化過(guò)程中為活性組分,兩種不同載氣輸送煤粉,對(duì)煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)產(chǎn)生一定差異,其主要差異對(duì)比(典型數(shù)據(jù))見(jiàn)表3。

        2 煤氣化裝置采用不同載氣輸送煤粉生產(chǎn)不同產(chǎn)品的差異

        兩種不同載氣輸送煤粉的氣化裝置所產(chǎn)粗合成氣的差別、輸送煤粉載氣的來(lái)源差別,導(dǎo)致相配套工藝的配置和消耗差別較大,以下以投煤量2 000t/a、產(chǎn)12.5萬(wàn)Nm3/h(CO+H2)神寧爐,采用N2輸送和CO2輸送煤氣化分別生產(chǎn)合成氨和甲醇(典型工藝)為例,對(duì)比說(shuō)明其配置差異和原料及公用工程消耗差異。

        表3 煤氣化裝置工藝性能指標(biāo)差異對(duì)比

        (1)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨,其原料及公用工程消耗對(duì)比見(jiàn)表4。

        從表中看出,干煤粉氣化采用N2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于CO2輸送煤粉。

        (2)采用N2輸送煤粉和CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的原料及公用工程消耗對(duì)比見(jiàn)表5。

        表4 N2和CO2輸送煤粉生產(chǎn)合成氨的原料及公用工程消耗對(duì)比

        表5 N2和CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的原料及公用工程消耗對(duì)比

        從上表看出,干煤粉氣化采用CO2輸送煤粉生產(chǎn)甲醇的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于N2輸送煤粉。

        3 干煤粉氣化裝置載氣輸送煤粉的分析

        3.1 N2作為載氣輸送煤粉

        用N2作為載氣輸送煤粉,空分裝置可以提供不同等級(jí)N2,相對(duì)空分裝置流程配置簡(jiǎn)單,高中壓N2可以采用液氮泵來(lái)供給,如果煤氣化裝置為合成氨生產(chǎn)合成氣,氮?dú)庥昧枯^大,空分需采用氮?dú)庋h(huán)流程,用于輸送煤粉的載氣N2就可以成為合成氨的一部分原料 N2的來(lái)源,合成氣中N2不夠,在液氮洗時(shí)進(jìn)行配氮補(bǔ)充。因此,輸煤N2作為產(chǎn)品的原料氣,整個(gè)工藝裝置流程相對(duì)較為簡(jiǎn)潔。

        如果煤氣化裝置為甲醇生產(chǎn)合成氣,N2作為載氣輸送煤粉,煤氣化所產(chǎn)粗合成氣中N2含量將達(dá)到8%,去甲醇合成的新鮮合成氣中占比達(dá)9%,惰性氣含量太高,大大影響甲醇合成的效率,尤其是甲醇合成和循環(huán)氣壓縮機(jī)能耗大幅增加,甲醇合成單元的有效氣損失,導(dǎo)致投資增加。

        另外,煤氣化裝置生產(chǎn)相同有效氣(CO+H2)量,在用N2作為載氣輸送煤粉時(shí),總氣量比CO2輸煤大3.7%,相對(duì)投資和能耗要稍高些。

        3.2 CO2作為載氣輸送煤粉

        煤氣化裝置考慮用CO2作為載氣輸送煤粉時(shí),N2作為載氣輸送煤粉的系統(tǒng)仍然要保留,只是這套系統(tǒng)作為開(kāi)車(chē)使用,配置可以按臨時(shí)性來(lái)設(shè)計(jì)??辗盅b置可以考慮按臨時(shí)性設(shè)計(jì)思路提供氮?dú)猓珡S用氮量會(huì)大幅減少,空分可以采用空氣循環(huán)流程,能耗大幅減少。

        如果煤氣化裝置為合成氨生產(chǎn)合成氣,CO2作為載氣輸送煤粉時(shí),相較于N2作為載氣輸送煤粉,CO2壓縮功要高于空分增加的能耗,后續(xù)CO變換因CO和CO2濃度高,需要消耗的外加蒸汽多,CO2濃度高也會(huì)導(dǎo)致低溫甲醇洗冷量消耗也高,但是液氮洗的H2損失少。

        4 結(jié)語(yǔ)

        中國(guó)五環(huán)近三十年來(lái)完成了大量的干煤粉氣化裝置,在干煤粉輸送載氣的選擇上,需要根據(jù)后續(xù)產(chǎn)品來(lái)綜合考慮。

        (1)干粉煤氣化工藝生產(chǎn)合成氨,從投資、消耗以及生產(chǎn)操作的角度看,選擇N2作為載氣是經(jīng)濟(jì)、可靠的選擇。

        (2)干粉煤氣化工藝生產(chǎn)甲醇或其他CO/H2等下游產(chǎn)品,選擇CO2作為載氣是較為經(jīng)濟(jì)的選擇,同時(shí)要充分考慮開(kāi)車(chē)期間N2載氣系統(tǒng)的設(shè)置和N2/CO2切換的問(wèn)題。

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