煤气化技术在合成氨生产中的运用

陈绍波，陈绍茹

(1.潞安丰喜泉稷能源有限公司，山西 运城 043200；2.天津天盛鼎和通信工程有限公司，天津 301700)

0 引言

伴随着市场经济的不断发展，合成氨生产工艺受到了广泛关注，受限于我国资源体系的特点，多数合成氨生产体系的原料结构依旧采取煤炭为主要原料的方式，这就需要应用更加合理的技术控制方案，从而减少资源浪费。

1 煤气化技术发展现状

相较于发达国家，我国煤气化技术研究工作起步较晚，但对应的合成氨工艺匹配煤气化技术的研究，无论是开发工作还是应用工作都具有突出的优势。特别是在20 世纪80 年代引进的德士古水煤浆加压气化技术体系，配合自主研发的固定床无烟煤富氧气化技术等，建立了更加多元的煤气化应用平台，也维持合成氨工艺流程的规范性。与此同时，我国煤气化技术在合成氨中的应用范围也在扩大，将成为行业研究关注的重要课题[1]。

2 煤气化技术在合成氨生产中的具体应用

2.1 固定床气化技术

固定床气化技术的应用较为广泛，其分类也较多。依据不同固定床空气处理方式建立对应的技术模式，能更好地提升应用效率。其主要包括常压固定态连续气化技术、提升型固定床间歇气化技术以及碎煤固定床加压气化。

2.1.1 压固定态连续气化技术

在技术应用过程中，要借助UGI 炉建立“富氧-蒸汽”连续上吹的处理模式，这种操作手段能有效取代空气间歇气化制取合成氨所使用的原料气，满足节能降耗的基本要求和标准。最早使用这种技术是在20 世纪60 年代，借助过富氧连续气化制备水煤气的实验操作模式，配合化肥厂煤气炉完成生产试验，能有效验证技术的可控性和可操作性，发现技术方案的空气间歇气化过程对整个制气操作具有积极的作用。同时能减少对环境的污染，避免废气排放产生的问题。目前，黑龙江地区、吉林地区、安徽地区等多家化肥厂依旧沿用这种技术处理方式。

2.1.2 升型固定床间歇气化技术

在提升型固定床间歇气化技术应用控制工作中，要将块状无烟煤作为整个技术应用的基本原料，并且匹配空气、水蒸汽等气化剂，维持常温常压状态下原料气和燃烧气的控制(如图1)。技术无论是经济效益还是环保效益都较为突出，因此是目前应用最为广泛的煤气化技术方案之一。

图1 提升型固定床间歇气化技术流程示意图

第一，技术方案的操作过程在不断升级，传统的停炉加煤直到系统出灰过程已经逐渐被机械上煤匹配不停炉自动加煤出灰转型，能更好地提升资源利用效率，减少资源浪费。

第二，应用的设备无论是体型还是出气口的实际应用方位都呈现出多元发展的趋势。

第三，传统的技术方案中“四通考克”到水压自动机被取代。目前最为常见的技术应用DCS 油压自动控制系统，并且配置炉矿寻优控制方案，能更好地提升设备监督管理的规范性。

第四，高效余热锅炉成为了替代传统炉锅塔模式，借助高效余热锅炉等设备打造更加匹配的工艺流程，并且维持工艺设备配置的规范性。最关键的是，在技术应用中有效降低了系统产生的阻力作用，并且提高余热回收率，避免冷却水量和污水处理量的增多，减少环境负荷[2]。

第五，提升型固定床间歇气化技术相较于传统技术，蒸汽分解率上升到50%，气化强度提高到1 300 Nm3/(m2·h)，相较于传统技术提升了2～3 倍。

第六，提升型固定床间歇气化技术中，将热值低的炉渣二次利用提高利用率，全面维持循环流化床锅炉应用的规范性，提升原料煤的利用率。并且充分利用回收热量，制备水泥、粉煤等，打造多元资源利用体系。

第七，提升型固定床间歇气化技术还能配置煤气冷却和洗涤分流技术，有效循环利用冷却水闭路结构，减少污水排放量，维持生态平衡[3]。

2.1.3 煤固定床加压气化

碎煤固定床加压气化技术成型较早，在1936 年实现第一代碎煤固定床加压气化技术模式。随着科学技术的发展和进步，第四代技术方案应用较为广泛，实现了鲁奇炉内镜5 m 的设定，单独的鲁奇炉产气量约为每小时7 000 Nm3。目前，我国云南解放化肥厂一直沿用这项技术，有效实现褐煤气化方案，完成合成氨原料气的处理。

另外，河南省某气化厂也在使用碎煤固定床加压气化技术，主要是应用在城市煤气并联生产甲醇项目中，在一期工程内承建两台鲁奇炉，尺寸为φ3 800 mm，并且应用专项技术方案，匹配废锅流程，能有效提升技术处理的实效性[4]。

2.2 流化床气化技术

2.2.1 恩德粉煤气化生产技术

在恩德粉煤气化生产技术发展历程中，传统的技术体系在设备方面已经逐渐国产化，针对相关问题也提出了对应的处理控制措施。具体优化方案如下：

首先，恩德粉煤气化生产技术中，气化炉的炉箅已经改良为喷咀布风模式，这就大大提升了设备应用效率，减少炉箅结渣问题造成的影响，并且能在规范应用体系内维持气化温度的合理性和科学性，为气化炉运转效率的全面进步提供保障[5]。

其次，气化炉的中上部位置会结合实际应用要求增设进风喷咀。而在出口的位置，会增加干式旋风除尘装置，从而有效避免煤气夹杂细煤粒对环境造成影响。也就是说，结合其实际应用状态完成回收处理工序，确保返回气化炉内能重新燃烧操作，真正意义上打造良好环保的热物料循环模式，减少飞灰中含碳量，这就大大提升了工序的环保效益。

最后，会在废热炉的位置添加旋风除尘器，配合除尘工序，保证煤气在经过废热锅炉后，炉管的磨损程度能得到有效降低，减少炉管结构的积灰问题。正是借助增设处理的方式，优化了整体结构的稳定性和安全性，也为元件应用效率的提升提供保障，一定程度上延长了整个设备的使用寿命，确保在合理的检修周期内维持其综合应用水平。

2.2.2 熔聚流化床粉煤气化

20 世纪90 年代，由我国中科院山西煤化研究所研发的技术模式申请获得专利。相较于其他技术类型，灰熔聚流化床粉煤气化处理方式利用合成气工业示范装置试验作为基础，配合煤气送入原合成氨系统后能符合基本的生产需求。

2.3 气流床气化技术

应用最为广泛的气流床气化技术就是水煤浆加压气化处理技术方案，主要依托湿法进料处理模式，配合使用加压气化工艺流程，就能提升处理的实际效率。技术是由美国德世谷公司提出的，我国是在20 世纪70 年代引进该项技术，并且当时配合技术方案建造了水煤浆加压气化制合成气生产示范装置，应用激冷工艺流程，整体气化炉的尺寸为φ2 800 mm，采取“一开一备”的工艺方案，整体应用气压数值为2.7 MPa，单炉的投煤量为每天360 t 干煤。伴随着科学技术的不断发展，相关引进技术方案和气化装置也在革新，尤其是配套的多喷嘴对置式水煤浆气化技术的应用，大大提升了气化技术处理的时效性，并且应用环保价值和经济价值更加突出。

具体流程如下：(1) 原料煤进行破碎筛分处理。(2) 干燥处理。(3) 配合斗式提升机操作，运输到储煤斗内，并且配合使用螺旋给煤机。(4) 输送到气化炉，与此同时，气化炉中要填充氧气、蒸汽过热器处理的蒸汽和软水预热器处理的软水等。(5) 进入冷却器，配合完成第一旋风分离器、第二旋风分离器的处理，尤其是第二旋风分离器，能实现排灰操作。(6) 去废锅后，进入煤气洗涤塔，使用气柜予以收集。

另外，GSP 干粉煤气化技术方案的应用也比较广泛，利用加压处理的方式能有效维持整体工艺流程的规 范性。最初技术的目标是借助高灰分褐煤完成民用煤气的生产制造工作，并且研究部门也对应匹配额气化中试装置。而在1984 年，德国黑水泵工厂利用GSP 技术方案，完成了商业化装置的升级处理，整体参数为200 MW，粉煤的处理能力达到每小时30 t。在应用技术不断进步的时代背景下，GSP 工艺也逐渐成熟升级，气化原料改为煤焦油，能为联合循环发电项目提供支持，并整合技术应用流程，更好地打造多元技术体系。

3 结语

总而言之，在合成氨生产中应用煤气化技术，要结合实际情况综合分析技术要点，并且重视合成氨作为氮肥等基础原料的价值，最大范围内替代无烟煤，为原料煤本地化发展提供支持，促进合成氨行业的可持续健康发展，实现环保效益和经济效益的和谐统一。