煤气化技术在氮肥行业的应用情况

王国祥

(全国化工合成氨设计技术中心站 山东济南 250101)

煤气化技术在氮肥行业的应用情况

王国祥

(全国化工合成氨设计技术中心站 山东济南 250101)

我国煤气化技术发展起步较晚，但其在合成氨生产中的应用取得了很大进展。采用新的煤气化技术，以量大、面广、价廉的烟煤、褐煤、高硫煤等劣质煤为原料，替代山西晋城无烟煤，实现原料煤本地化，是今后氮肥行业原料气制取的发展方向。

合成氨；煤气化；气化炉；应用

由于我国化石能源富煤、缺油、少气，因此，我国合成氨生产以煤为主要原料。煤气化在合成氨生产过程中是关键工序，其所消耗的能源占全部生产能耗的70%左右，是直接影响产品成本与企业经济效益的主要因素，因此，对煤气化技术的研究已成为行业十分重视与关注的课题。

我国煤气化技术发展起步较晚，但其在合成氨行业取得了很大的进展。从1935年引进UGI常压固定层间歇气化技术起步，20世纪50年代引进加压固定层连续气化技术，80年代引进德士古水煤浆加压气化技术，2001年又引进Shell干粉煤加压气化技术，加上我国自行研发的固定层无烟煤富氧气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术、多喷嘴水煤浆加压气化技术、多元料浆加压气化技术、二段式干粉煤加压气化技术、多喷嘴对置式干粉煤加压气化技术、航天炉气化技术等，可以说我国是世界上研究与应用各种煤气化技术最多的国家，几乎涉及到固定层、流化床、气流床各种方法。国内合成氨生产中已使用的主要煤气化工艺技术应用情况介绍如下。

1 固定层气化技术

1.1 提升型固定层间歇气化

该气化技术以块状无烟煤(型煤)或焦炭为原料，以空气和蒸汽为气化剂，在常压下生产合成氨原料气或燃料气，具有设备制造容易、生产操作简单、运行稳定可靠、建设投资少等特点。我国于1935年引进该技术，主要用于生产合成氨。

经过几十年的使用及技术改进，固定层间歇气化技术已提升至一个新的水平阶段，与原技术相比有很大差异：①所使用的原料从焦炭、无烟块煤延伸至各种粉煤加工而成的型煤(碳化煤球、黏土煤球、腐殖酸煤棒、腐殖酸煤球等)与高硫无烟煤；②加煤出灰方式从停炉加煤和出灰发展至机械上煤与不停炉自动加煤和出灰；③气化炉炉形、出气口方位、炉箅形式都作了很大的变动与改进；④生产控制方式从四通阀与水压自动机发展至DCS油压自动控制与炉况寻优控制；⑤从过去传统的一炉(造气炉)一锅(废热锅炉)一塔(洗气塔)流程(分散式工艺)发展到多炉一锅一塔流程(集中式工艺)，并采用高效余热锅炉(热管式)与高效洗气塔等设备，从而使工艺流程与设备配置更合理，降低了系统阻力，提高了余热回收效率，减少了冷却水耗量与污水处理量；⑥采用过热蒸汽制气，使蒸汽分解率从30%左右提高至50%以上，蒸汽消耗大幅下降；⑦气化强度从约500 m3/(m2·h，标态)提高至目前的1 300～1 500 m3/(m2·h，标态)，提高了2～3倍；⑧从过去仅回收吹风气显热发展至吹风气显热和潜热的集中回收与热电联产，实现废气可燃物的超低排放；⑨过去炉渣作为废渣处理，现将炉渣用作低热值循环流化床锅炉或三废混燃炉的燃料，使原料煤的碳转化率大幅提高，而且炉渣经燃烧回收热量后，其灰渣还可以制粉煤、粉砖与水泥，使资源得到综合利用；⑩造气冷却水从直接排放发展至目前的煤气冷却与洗涤分流技术，使冷却水闭路循环使用，实现污水零排放。

提升型固定层间歇气化是我国目前应用最广泛的煤气化技术。

1.2 常压固定层富氧连续气化

常压固定层富氧连续气化是利用UGI炉采用富氧空气和蒸汽连续上吹，取代空气间歇气化制取合成氨原料气。该技术于20世纪60年代分别在太原化肥厂和长春第一汽车制造厂的Ф 3 600 mm和Ф 3 000 mm煤气炉上进行制取半水煤气的试验，然后吉化公司化肥厂、云南解放军化肥厂、淮南化肥厂先后在Ф 2 740 mm煤气炉上进行生产试验。试验结果表明，与空气间歇气化相比，该技术大大延长了有效制气时间，使气化强度及单炉制气能力大幅提高。应用该技术的企业有安徽淮化化肥厂(5台Ф 2 745 mm炉)、黑龙江化肥厂(7台Ф 3 000 mm炉)、长山化肥厂(7台Ф 3 000 mm炉)、平顶山化肥厂(3台Ф 3 000 mm炉)、开封化肥厂(4台Ф 2 743 mm炉)、吉化化肥厂、新亚化肥厂(2台Ф 2 400 mm炉)、福建三明化工厂(4台Ф 3 000 mm炉)、双环化肥公司(2台Ф 3 300 mm炉)等，目前半数装置在运行。

1.3 碎煤固定床加压气化

该技术系德国鲁奇公司开发，自1936年第1代工业化鲁奇炉以褐煤为原料生产城市煤气至今，经过几十年不断研发，先后开发出了第2代、第3代和第4代鲁奇炉，其中第4代鲁奇炉内径达5 m，单炉产气量可达75 000 m3/h(标态)。目前，我国应用该技术的企业主要有：云南解放军化肥厂，第1代鲁奇炉，内径Ф 2 600 mm，无废锅流程，主要用于气化褐煤生产合成氨原料气；兰州煤气厂，第2代鲁奇炉，内径Ф 2 700 mm，废锅流程，用于生产城市煤气；山西天脊煤化工集团有限公司，第3代鲁奇炉，内径Ф 3 800 mm，废锅流程，用于生产合成氨原料气；哈尔滨气化厂，第3代鲁奇炉，内径Ф 3 800 mm，废锅流程，用于生产城市煤气并联产甲醇；河南义马气化厂，用于生产城市煤气并联产甲醇，工艺流程与山西天脊煤化工集团有限公司基本相同，局部进行了改进。

2 流化床气化技术

2.1 恩德炉粉煤气化

中朝合作抚顺恩德机械公司引进朝鲜恩德“七七”联合企业的改进型温克勒(Winkler)气化炉，并结合国情完善、开发形成专利技术，设备制造已完全实现了国产化。该技术在德国常压温克勒煤气化技术的基础上，进行了3项重大改进和完善，逐步形成了实用新型技术。改进的主要内容：①气化炉炉底的炉箅改为喷嘴布风，解决了炉箅易结渣的问题，有利于提高气化温度和气化炉运转率；②气化炉中上部增设二次进风喷嘴，出口增设干式旋风除尘器回收煤气夹带的细煤粒和热灰并返回气化炉内再次流化气化，形成热物料循环，降低飞灰含碳量，使碳转化率有所提高；③废热锅炉安装于旋风除尘器之后，除尘后的煤气通过废热锅炉，可减轻炉管的磨损，同时避免炉管积灰，延长了废热锅炉的使用寿命和检修周期。

2.2 灰熔聚流化床粉煤气化

该技术由中科院山西煤化所于20世纪90年代开发成功并获得中国专利，在Φ1 000 mm中试装置(投煤量24 t/d)对多种煤进行试验的基础上，与陕西秦晋煤气工程设备公司、中西部煤气化工程技术中心等单位共同在陕西城化股份有限公司进行投煤量100 t/d(Φ2 400 mm炉)灰熔聚流化床粉煤气化制合成气的工业示范装置试验。从2002年3月至2003年6月，工业示范装置累计运行超过8 000 h，所产煤气送入合成氨系统，能满足生产要求。2004年12月，在国家发改委批准的第1批氮肥行业原料及动力结构调整专项项目中，山东肥城、山西丰喜、河南平顶山、天津碱厂等企业采用了该技术。采用灰熔聚流化床气化技术制取合成氨原料气的装置见表1。

表1 采用灰熔聚流化床气化技术制取合成氨原料气的装置

3 气流床气化技术

3.1 德士古水煤浆加压气化

该技术属于湿法进料的气流床加压气化工艺，系原美国德士古公司的专利技术。从20世纪70年代起，我国西北化工研究院在研究开发水煤浆制备与气化技术方面积累了大量的基础数据。20世纪80年代末，山东鲁南化肥厂第1家从原德士古公司引进该专利技术，投资1.6亿元建设的德士古水煤浆加压气化制合成气生产示范装置(包括空分装置)于1993年3月投运。该装置采用激冷工艺流程，气化炉规格Φ2 800 mm，1开1备，操作压力2.7 MPa，单炉投煤量360 t/d(干煤)。2000年又建成1套操作压力为8.3 MPa的水煤浆气化试验装置，气化炉规格Φ2 800 mm。此后，我国相继引进了多套德士古水煤浆加压气化装置。我国采用德士古水煤浆加压气化技术生产合成氨的部分装置见表2。

表2 我国采用德士古水煤浆加压气化技术生产合成氨的部分装置

3.2 多喷嘴对置式水煤浆气化

多喷嘴对置式水煤浆气化是华东理工大学经10多年研发而成的具有我国自主知识产权的气化技术，第1套工业生产装置(Φ2 800 mm，3台，压力6.5 MPa)于2004年12月在山东德州华鲁恒升化工股份有限公司投运，此后兖矿国泰化工有限公司采用该技术的生产装置(Φ3 400 mm，2台，压力4.0 MPa)于2005年10月正式运行。采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术生产合成氨的部分装置见表3。

表3 采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术生产合成氨的部分装置

3.3 壳牌粉煤加压气化

该煤气化工艺简称SCGP，是荷兰Shell国际石油公司开发的加压气流床粉煤气化技术。从20世纪70年代开始，该技术经历了小试、中试及工业示范装置等不同阶段的研究试验。1993年，荷兰布根伦市煤气化燃气-蒸汽联合循环发电厂建成了第1套壳牌煤气化大型工业生产装置，发电量为250 MW，试运行3年后转交当地公用事业部门进入商业化运行。

进入21世纪后，我国不少大中型合成氨企业进行以煤代油生产合成气的原料路线改造，陆续向Shell公司引进该气化技术。国内引进SCGP技术生产合成氨的部分装置见表4。

表4 国内引进SCGP技术生产合成氨的部分装置

3.4 HT- L航天粉煤加压气化

HT- L航天粉煤加压气化技术由中国航天科技集团公司北京航天动力研究所研制，北京航天万源煤化工工程技术有限公司负责推广。该气化技术借鉴了荷兰壳牌、德国GSP、美国德士古煤气化工艺中的先进技术，配置自行研发的盘管式水冷壁气化炉而形成的一套结构简单、有效实用的煤气化工艺。采用HT- L航天粉煤加压气化技术生产合成氨的部分装置见表5。

表5 采用HT- L航天粉煤加压气化技术生产合成氨的部分装置

3.5 其他

3.5.1 GSP干粉煤气化技术

GSP加压气流床气化技术由前东德的德意志燃料研究所开发，始于20世纪70年代末，最初目的是用高灰分褐煤生产民用煤气，分别于1979年和1996年建设了3 MW和5 MW 2套气化中试装置。1984年，在德国黑水泵工厂采用GSP气化技术建成1套200 MW的商业化装置，粉煤处理能力为30 t/h。2001年，巴斯夫(BASF)公司采用该技术在英国的塑料厂建成30 MW工业装置，用于气化塑料生产过程中所产生的废料。2006年，捷克Vresova工厂采用GSP气化技术建设的175 MW工业装置开车试运转，其气化原料为煤焦油，用于联合循环发电项目。2007年6月，北京杰斯菲克气化技术有限公司与神华宁夏煤业集团签订了520 kt/a煤基烯烃(中间产品为1 670 kt/a甲醇)气化岛项目合同；与山西兰花煤化工有限责任公司签订了300 kt/a合成氨与甲醇气化岛项目合同。GSP干粉煤气化技术在合成氨生产中的应用较少。

3.5.2 多元料浆气化技术

西北化工研究院开发的多元料浆气化技术属湿法气流床加压气化技术，是将固体或液体含碳物质(包括煤、石油焦、沥青、油、煤液化残渣)与流动相(水、废液、废水)通过添加助剂(分散剂、稳定剂、pH调节剂、湿润剂、乳化剂)所制备的料浆与氧气进行部分氧化反应，生产以CO+H2为主的合成气，水煤浆加压气化属多元料浆气化的特定形式。多元料浆气化技术在合成氨生产中有少量的用户。

3.5.3 科林CCG粉煤气化技术

贵州开阳化工500 kt/a合成氨项目采用2台科林CCG粉煤气化炉，单炉日投煤量1 500 t，科林公司为该项目提供CCG粉煤气化技术许可、工艺包、专有设备以及技术服务。该项目于2012年9月开始调试，2013年1月打通全流程，生产出合格的合成氨产品。目前该项目气化装置已进入稳定运行阶段。

3.5.4 BGL碎煤熔渣气化技术

BGL碎煤熔渣气化技术是在原鲁奇固定床加压气化技术的基础上开发出来的新型煤气化技术，将高温熔渣气化与加压固定床气化技术结合在一起，兼具两者的优势，克服了各自的一些缺点，是一种既高效又经济的气化技术。

2005年，云南煤化工集团与Advantica公司合作，在其下属的云南解化集团改造了1台碎煤加压固定床气化炉作为示范炉，试烧当地含水质量分数35%的褐煤。

中煤图克集团化肥项目总投资200亿元，建设规模为年产2 000 kt合成氨、3 500 kt尿素。其中，一期工程年产1 000 kt合成氨、1 750 kt尿素、4.1亿m3天然气，项目共计配置7台BGL气化炉(5开2备)，单炉日投煤量1 250 t，单炉产粗合成气量约为70 000 m3/h(标态)。目前气化炉运行稳定，合成氨产量2 400 t/d，尿素产量4 560 t/d。

4 结语

合成氨主要用作氮肥的原料及工业原料，在国民经济中具有非常重要的地位。采用新的煤气化技术，以量大、面广、价廉的烟煤、褐煤、高硫煤等劣质煤为原料替代山西晋城无烟块煤，实现原料煤本地化，是合成氨行业今后发展的方向。

ApplicationSituationofCoalGasificationTechnologyinNitrogenousFertilizerIndustry

WANG Guoxiang

(National Chemical Engineering and Ammonia Plant Design Technology Center of China, Jinan 250101, China)

China started late in the development of coal gasification technology, but it has made a great progress in application of synthesis ammonia production. Adopting new coal gasification technology, substituting anthracite of Jincheng, Shanxi Province with low-grade coals such as bituminous coal, lignite and high- sulfur coal, which are abundant, cheap and have numerous sources, and realizing raw coal localization are the future development direction of preparing feed gas for nitrogenous fertilizer industry.

synthesis ammonia; coal gasification; gasifier; application

本文作者的联系方式：wgx8899@126.com

TQ546 文献标示码：A

1006- 7779(2017)03 - 0059- 04

2015- 04- 29)