型煤富氧連續氣化技術(shù)
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一、概述
型煤富氧連續氣化技術(shù)是一項綜合了粉煤成型技術(shù)、固定床煤氣爐技術(shù)和空氣分離制氧技術(shù)為一體的系統工程技術(shù)。它把粉煤成型用于氣化，使煤氣化工業(yè)企業(yè)避開(kāi)了以?xún)?yōu)質(zhì)塊煤焦為原料的獨木橋，走上了以本地粉煤為氣化原料，成本低、資源豐富的廣闊大道。同時(shí)，也避開(kāi)了采用國外粉煤氣化技術(shù)，投資大、消化期長(cháng)、見(jiàn)效慢的曲折道路。走上了投資少、見(jiàn)效快、節能減排效果好的寬廣道路。
我們中國的能源結構是比較特殊的，原煤生產(chǎn)占能源生產(chǎn)總量的77%，原油生產(chǎn)占能源總量的12%，天然氣生產(chǎn)占能源生產(chǎn)總量的3%，水電生產(chǎn)占能源生產(chǎn)總量的7%，其它占1%。中國國情決定了國民經(jīng)濟發(fā)展必須以煤為主要能源。
目前，我國氮肥企業(yè)合成氨年總產(chǎn)達到5000萬(wàn)噸，在世界上占第一位。生產(chǎn)合成氨以煤為原料的比例達到了76%以上。煤氣化是我國合成氨生產(chǎn)的主力軍。在煤氣化企業(yè)的生產(chǎn)中，以固定床間歇氣化爐生產(chǎn)的占全部生產(chǎn)能力的70%以上。由此可見(jiàn)，固定床間歇氣化爐在我國煤氣化工業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位。
我國以固定床間歇氣化為工藝生產(chǎn)的企業(yè)約500家左右，擁有固定床間歇氣化爐約5000余臺。其中Φ3.6m爐約110臺，Φ3.0m系列600臺，Φ2.6系列3500臺，其它煤氣爐300臺。固定床間歇氣化工藝能耗高，污染較重，注定要退出歷史舞臺。但是，我國國情決定了，上述落后的工藝技術(shù)與國際上選進(jìn)技術(shù)必須有對接和過(guò)渡，這就是型煤富氧氣化的歷史使命。型煤富氧連續氣化技術(shù)，它是一項可以在眾多煤氣化企業(yè)現有裝置的基礎上，進(jìn)行設備改造和技術(shù)提升后即可實(shí)現的技術(shù)。它是由多項已經(jīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的成熟技術(shù)的組合，是一種零風(fēng)險的技術(shù)。
在二00七年召開(kāi)的“巴厘島”會(huì )議之后，世界各國把治理溫室氣體排放問(wèn)題做為工業(yè)發(fā)展的首要問(wèn)題。我國更是以積極態(tài)度走在發(fā)展中國家的前列。我國目前用于煤氣化的近5000臺常壓間歇氣化煤氣爐，每年向大氣排放CO2達到6000萬(wàn)噸以上，是我國治理溫室氣體排放的重點(diǎn)問(wèn)題。而型煤富氧連續氣化技術(shù)，正是治理我國現有5000臺常壓間歇氣化煤氣爐排放CO2和其它有害氣體的金鑰匙。它完全可以做到現代工業(yè)發(fā)展所要求的零排放。
綜上所述，型煤富氧連續氣化技術(shù)，是符合中國國情、適應我國產(chǎn)業(yè)政策，順應世界潮流的一項綜合技術(shù)，是具有中國特色和強大生命力的技術(shù)。
我國富氧連續氣化（固定床煤氣爐）始于60年代末，是在固定床間歇氣化爐的基礎上發(fā)展的。主要用于UGI型煤氣爐。發(fā)展四十余年，爐型沒(méi)有大的技術(shù)進(jìn)步，仍然是UGI煤氣爐的基本設計，流程沒(méi)有大的變化，自控技術(shù)發(fā)展到今天，老的工藝也沒(méi)有明顯的變化。主要原因：歷史上這種富氧氣化生產(chǎn)成本偏高，與其它氣化技術(shù)相比，沒(méi)有生命力，因此一直沒(méi)有得到明顯的發(fā)展。它的主要缺點(diǎn)：1、裝置不合理，熱損失大，有效氣體成份達不到要求；2、煤價(jià)較低，而制氧成本偏高，用價(jià)格偏高的氧來(lái)節約用煤，生產(chǎn)成本不合算；3、富氧氣化CO2偏高，脫C系統成本升高。而隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，現在出現了一系列變化：1、裝置技術(shù)含量大幅度提高，煤氣爐、爐箅、自控水平、余熱回收技術(shù)、自動(dòng)下灰技術(shù)、變壓吸附脫C技術(shù)等；2、制氧成本大幅度下降，由0.6元/m3下降到0.3元/m3；3、煤價(jià)翻了兩番，中塊煤由原來(lái)的200元/T升至800元/T，粉煤由100元/T升至450元/T；4、型煤制造技術(shù)飛速發(fā)展。
新的歷史條件和歷史使命注定了型煤富氧氣化技術(shù)的誕生和發(fā)展。
二、型煤富氧連續氣化技術(shù)的組成
1、型煤技術(shù)
富氧連續氣化要求型煤要具備如下特性：
熱穩定性≥80%，熱強度≥50kg/cm2，固定C≥60%，化學(xué)活性較好。
目前，腐植酸型煤，復合粘結劑型煤都可以達到上述要求。并且，無(wú)論型煤加工成球還是棒，都實(shí)現了自動(dòng)加煤機連續自動(dòng)控制。
2、固定床間歇氣化煤氣爐技術(shù)
以型煤為原料進(jìn)行富氧連續氣化，煤氣爐的設計要解決如下問(wèn)題：
A、高徑比問(wèn)題
型煤富氧氣化的CO2必然偏高，只有靠提高氣化層中的還原層才能降低CO2。但是型煤的灰熔點(diǎn)偏低夾套鍋爐的高度設計必須考慮壁免掛疤，因此，煤氣爐要綜合考慮解決上述問(wèn)題。現在經(jīng)過(guò)實(shí)踐，已經(jīng)很好地解決了高徑比設計問(wèn)題。
B、爐箅問(wèn)題
型煤富氧氣化的氣化劑中O2濃度達到58%左右。O2與高溫炭的反應是非常劇烈的。用常規的塔形爐箅環(huán)形布風(fēng)，必然造成環(huán)中心區溫度高，而環(huán)邊緣區溫度低，特別是兩個(gè)環(huán)帶之間，形成氣化劑死角，炭反應薄弱，燒不透；而環(huán)中心區溫度高，超過(guò)灰熔點(diǎn)，結疤結塊。實(shí)際生產(chǎn)中，的確出現了這種現象。如：有兩個(gè)企業(yè)五臺爐的型煤富氧氣化，出現上述情況后，只能靠降低生產(chǎn)負荷來(lái)適應。
型煤富氧氣化的爐箅，要求每個(gè)布風(fēng)單元盡量小，單元之間的間隙盡量小，整個(gè)布風(fēng)要求盡可能均勻，但通風(fēng)面積要適當加大。同時(shí)，破碴能力要強，否則富氧氣化中達到T2點(diǎn)溫度以上的碴是硬度較高的熔融后的碴，破碴強度較大。
對于爐箅材質(zhì)的要求：（1）耐高溫，因為富氧氣化中局部溫升很容易達到600℃以上。（2）材質(zhì)硬度高、耐磨損。熔融冷卻后灰碴硬度很高，對爐箅的磨損會(huì )很?chē)乐兀鬆t箅用特殊材質(zhì)。
目前，專(zhuān)門(mén)用于型煤富氧連續氣化的爐箅已經(jīng)成功投運。
C、不停車(chē)下灰和自動(dòng)連續下灰
富氧氣化是連續的，不宜停車(chē)下灰，因為每停一次爐，氣汽比的調整和氣化層的調整都要有一個(gè)過(guò)程，調整中，最容易出現不平衡而造成工藝波動(dòng)。
不停車(chē)下灰和自動(dòng)連續下灰裝置要求：第一必須安全，嚴格切斷氣化劑與灰斗內的灰碴的接觸，不允許漏氣。第二要快捷靈活，下灰時(shí)間不能太長(cháng)，要求在5分鐘之內操作完畢。自動(dòng)下灰則要求連續、均衡、穩定，可調性好。最后，裝置運行周期要長(cháng)，連續運行確保一年以上。
D、自動(dòng)加煤機
型煤富氧連續氣化的自動(dòng)加煤機與間歇氣化煤的自動(dòng)加煤機是有嚴格區別的。間歇氣化爐的加煤時(shí)間可以放在下行時(shí)加入爐內，此時(shí)即便加煤機漏氣，也是蒸汽外漏，不會(huì )出現著(zhù)火、爆炸等事故。而型煤富氧連續氣化爐的自動(dòng)加煤機，必須確保：
（1）兩道閥都不能漏氣，否則，會(huì )出現煤氣直接與空氣接觸，形成燃燒或爆炸。
（2）型煤與蒸汽接觸，會(huì )降低機械強度，形成破碎率升高。
（3）富氧氣化，爐上溫度較高，自動(dòng)加煤機部分部件要耐高溫。
E、連續富氧氣化與間歇氣化自由切換裝置。
連續富氧氣化時(shí)，氣化劑富氧空氣和蒸氣混合后，是從煤氣爐的下部入爐，經(jīng)過(guò)固定的碳層氣化，半水煤氣從煤氣爐的上部出來(lái)，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器等設備。由于氣化劑一直是自下而上流動(dòng)，爐膛內的碳層溫度很容易上移，造成爐上溫度逐步升高，經(jīng)常高達650℃-750℃。上部的高溫危害較大，第一造成熱損失增加；第二造成原料的破碎率升高，氣體中帶出物增加；第三造成設備在高溫下使用壽命降低。
為了有效解決上述問(wèn)題，對富氧連續氣化的工藝流程設計，可以自由切換為上下行制氣，把較高的爐上溫度降下來(lái)，再恢復富氧連續氣化。這種工藝，不但可以較好地利用熱量，還可以保護設備和平衡氣體質(zhì)量，增加氣化原料利用率和選擇范圍。當然，前提是確保安全，因為富氧空氣和煤氣的交替切換，是極易出現爆炸的。因此，自由切換裝置的管道、閥門(mén)、油壓程控系統、安全聯(lián)鎖等裝置，要求很高，必須達到萬(wàn)無(wú)一失。
3、工藝流程
型煤富氧氣化的工藝流程不同于一般富氧氣化工藝流程。因為型煤的熱穩定性，熱強度都較差，氣化中如果造成爐上部溫度過(guò)高，爐內炭層表面會(huì )形成粉狀或爛泥狀料層，造成氣化阻力升高，工藝迅速惡化。
為了解決連續上行氣化易造成上部溫度過(guò)高的問(wèn)題，特別設計了切換為間歇氣化的程序。即沒(méi)有吹風(fēng)階段的間歇氣化程序。上行——吹凈——下行——上行，待到爐上部溫度降低后，再切換為富氧連續氣化。也可以設計為自動(dòng)程序重復：上行連續氣化——吹凈——下行——上行——吹凈——下行——上行連續氣化。根據工藝流程配備工藝管道和工藝閥門(mén)，應特別注意工藝閥門(mén)不能出現漏氣。密封面應避免氧化。型煤富氧連續氣化半水煤氣主要氣體成份：CO2 14~16%, CO 36~40, H2 31~34%, O2 0.3%, CH4 1.5%, N2 10~12% ;在氣體凈化脫碳后，有效氣體成份百分比含量會(huì )高于合成氨工藝要求，適合用于合成氨和甲醇的生產(chǎn)。
4、系統配套設備
型煤富氧連續氣化的系統配套設備有旋風(fēng)除塵器，兩段余熱回收鍋爐，即高溫段、低溫段。根據不同的位置，設計不同的換熱方式和換熱面積。也可以按一廢鍋、二廢鍋設計。
富氧氣體和蒸汽、CO2，在型煤氣化中要求的壓力差別較大，必須要有特殊的加入裝置和混合器，否則會(huì )形成不安全因素和工藝惡化。
5、CO2氣化爐
型煤富氧連續氣化原料氣中的CO2較高，一般會(huì )達到14~15%，在后序工序脫除CO2后，應返回造氣工段進(jìn)行CO2氣化，轉變?yōu)镃O和部分CO2，再進(jìn)入系統。這樣既避免了CO2放空，造成污染大氣環(huán)境，又提高了C轉化率，降低生產(chǎn)成本。CO2氣化爐是專(zhuān)用爐，視系統工程規模情況，確定建CO2氣化爐的型號和數量。
三、空氣分離設備
一般而言，空氣分離工程的選型，應根據企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，選擇深冷空分制氧或者變壓吸附制氧。
空分的生產(chǎn)規模，可以根據合成氨（甲醇可折氨）規模的情況選取。每噸合成氨按需要純O2500 m3—550m3/TNH3，來(lái)配套考慮，優(yōu)質(zhì)煤生產(chǎn)負荷較高，氧耗較低；劣質(zhì)煤則相反。
深冷空分制氧的優(yōu)點(diǎn)：氧的純度較高，副產(chǎn)品較多，液氧、液氮、液氬，副產(chǎn)品經(jīng)濟效益好。壓縮機可以用透平技術(shù)代替電機達到節約成本的目的。
缺點(diǎn)：工藝流程復雜，操作技術(shù)性強，系統啟動(dòng)后出產(chǎn)品所需時(shí)間較長(cháng)，要三個(gè)小時(shí)。變工況速度慢，要90分鐘。
變壓吸附制氧的優(yōu)點(diǎn)：工藝流程簡(jiǎn)單，便于操作，生產(chǎn)彈性大，可在正常工況的40-110%操作，變工況速度快，10分鐘即可。運行中電耗低。
缺點(diǎn)：副產(chǎn)品少。
各企業(yè)可根據自身要求選擇空分。
四、后工序的要求
型煤富氧連續氣化技術(shù) 配套的原料氣凈化系統的脫C方法，最好使用變壓吸附脫C。可以更適應CO2較高的原料氣體，脫C成本較低。
五、型煤富氧連續氣化技術(shù)的經(jīng)濟效益
富氧連續氣化的固定床煤氣爐目前在國內有約20臺，歷史上沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展，主要原因：
1、制O2成本高，達到0.6元/m3以上，而1995年前煤價(jià)較低，塊煤僅有300元/T，優(yōu)質(zhì)焦僅有450元/T，粉煤僅有110元/T，企業(yè)不愿用成本較高的O2，而節約成本較低的煤焦。
2、富氧氣化的煤氣爐是借用固定床間歇氣化爐，設備落后，幾十年一貫制，沒(méi)有進(jìn)行技術(shù)改造。一直到目前，富氧氣化爐的專(zhuān)用爐箅還沒(méi)有采用。
3、工藝流程落后，中能進(jìn)行連續上行氣化，易造成上部溫度過(guò)高，熱損失大，經(jīng)濟效益差。
而今天，歷史發(fā)生了較大變化：
（1）、制O2成本大幅度下降，由原來(lái)的0.6元/m3降到目前的0.25元/m3。煤焦價(jià)格上漲了數倍：焦1200元/T，塊煤800元/T，粉煤450元/T。
用550m3 O2生產(chǎn)一噸合成氨，多投入了165元/TNH3，而可以節約：煤300元，蒸汽50元，共節約成本350元/TNH3，350元—165元=185元。每噸合成氨成本下降185元。
（2）、富氧氣化工藝流程更加成熟靈活。可以切換上、下吹制氣，有效地控制爐上溫度。使富氧氣化工藝應用劣質(zhì)煤成為現實(shí)。
（3）、富氧氣化煤氣爐及其關(guān)鍵部件技術(shù)含量大幅度提高，進(jìn)而可靠性，經(jīng)濟性得到根本改善。
（4）、制O2技術(shù)、裝備發(fā)展，使空分大型化，單位成本大幅度下降。
（5）、脫C技術(shù)發(fā)展，使原料氣中較高的CO2可以順利脫除，并且回收利用，得到二次氣化。
（6）、型煤富氧氣化對煤的適應性非常強，只要是無(wú)煙煤幾乎都可以有效利用。并且爐渣中殘碳很低。一是可以“吃光、燒盡”，二是爐渣做為工業(yè)原料，在市場(chǎng)上很受歡迎。
綜合上述原因，型煤富氧連續氣化目前各方面條件已經(jīng)成熟，應該得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為社會(huì )創(chuàng )造效益。目前，已經(jīng)有幾個(gè)新建工程采用型煤富氧氣化技術(shù)，這種新技術(shù)很快會(huì )在全國遍地開(kāi)花結果。