固定床气化增氧技术的探讨.doc

固定床气化增氧技术的探讨2012年第1期总第117期固定床气化增氧技术的探讨尚俊法王国耀(永济中农化工有限公司044500)80前言据有关资料介绍,截止20l0年底,国内在运行的尿素生产装置约265套,产能6694万t,过剩约30%.其中全循环法装置约有187套,占总量的70%,产能占到52%左右.这些装置有两个共同特点:(1)大多数是由碳铵改产为尿素,经过不断的扩能改造,达到lO20万t的中等规模;(2)配套的合成氨气头均为常压固定床(以下简称固定床)气化.由于固定床的气化压力低,碳利用率低,能耗高,再加之原料煤,动力电价格的不断上涨,导致合成氨的成本一路走高.而与之配套的水溶液全循环法(以下简称全循环)尿素装置,也因消耗高,能耗高的先天不足,致使尿素成本持续增高.?在目前尿素产能过剩的形势下,市场的竞争愈演愈烈,而固定床气头的合成氨配套全循环法尿素的装置,因尿素成本高,在与加压气化合成氨配套CO2汽提法尿素的装置竞争中,已逐渐失去了优势,面临淘汰出局的尴尬境地.可以预见,在未来的35年内,国内尿素的生产格局,将发生大重大变化,生产将由中东部向煤资源丰富的西部转移;固定床气头的合成氨配全循环法装置的尿素,将逐步退出氮肥市场;加压气化的合成氨配CO汽提法装置的尿素,将成为氮肥行业的主力军.1固定床气化的出路面对如此严峻的形势,固定床气化合成氨配全循环法的尿素装置,要全部改为加压气化配CO2汽提法的尿素,显然不可能.调整产品结构,改产合成氨,尿素的下游产品,又因合成氨,尿素的成本较高,同样没有竞争力.唯一的办法就是尽快采用先进,成熟的节能降耗新技术,对现有装置进行改造,降低合成氨,尿素的能耗和成本,才能提高市场竞争力,争得生存.而受投资等条件的限制,这些企业只能选择一些投资较小的节能降耗项目,尽快实施,以取得较好的经济效益.在这诸多的先进节能降耗技术中,固定床增氧(又称富氧)气化应是一项不错的选择.据有关资料介绍,目前全国各类型的固定床气化炉在5000台左右,产能在4500万t(也有介绍在6000万t)合成氨以上,占总产能的65%左右.这么多的装置在短期内不可能全部淘汰.由于原料煤在合成氨成本中占的比例越来越高,所以用增氧气化对固定床气化进行改造,应是一项适用,对路的”短平快”节能降耗新技术.2固定床增氧气化技术的进展实际上,增氧气化并不是近期才出现的技术.早在十多年前就有企业探索过,只是当时的原料煤价没有现在这样高;氧气的来源不方便;大家对此没有重视而已.一些有氧气来源的氮肥厂.把少量的氧气送到造气空气鼓风机进口,提高入炉空气的氧含量,从而改善了造气炉况.因氧气量有限,所以对入炉空气氧含量的高低,工艺指标的调整,煤耗的降低及效果,效益等,没有进行认真的总结,致使此项技术没有得到进一步发展.随着原料煤价格的一涨再涨,此项技术又引起大家重视.以江苏张家港化肥厂,淮南化肥厂,湖北双环科技,湖北潜江化肥厂,内蒙乌拉山化肥厂,河北景县化肥厂等代表的企业,在上海穗杉实业公司,湖南仪峰公司,武汉利德公司等技术研究单位的配合支持下,在固定床增氧气化方面进行了不懈的研究试验,取得了良好效果.目前,该技术的研发有两种工艺路线:2012年第1期总第117期9一一是用纯氧替代空气,将配备了自动加煤机,炉条机无级调速,实现了不停炉的加煤,下灰的固定床间歇气化炉,改造为富氧连续气化(又称:移动床单向气化连续制气),此方面的代表企业有:湖北双环科技,内蒙乌拉【j化肥厂,河北景县化肥厂等.二是用增氧(O23O%)空气替代空气,将固定床间歇气化改为增氧气化,此方面的代表企业有:江苏张家港化肥厂,淮南化肥厂,山东瑞星等.或者是将具备不停炉加煤,下灰条件的固定床间歇气化炉改造为增氧连续制气(又称:移动床双向气化),此方面的代表企业有:湖北潜江化肥厂等.在此类技术中,既有氧化剂的浓度,用量的不同,还有氧化剂的加入方式(或制气阶段)的不同.在氧化剂的浓度上,有用纯氧,有用增氧(浓度25%-30%)空气;再加入方式上,区别在二次上吹,吹净阶段是否加氧(为了安全,下吹都不加氧);在氧的用量上,少则为80Nm3/tNH3,多则为130Nm/tNH3.从Et前运行的情况看,富氧连续气化的改造不顺利,在湖北双环,河北景县化肥厂的试验中,出现炉体,炉面温度过高,炉顶坍塌,热损失大等问题.而用增氧空气或纯氧的增氧气化的改造比较理想,据了解,吨氨节原料煤可达到80120kg,吨氨耗纯氧在80130Nm3,可产生80l15元/tNH3的纯效益(原料煤价按1500元/t,氧气价按0.5frdNm计).3技术原理(1)根据理论计算,气化剂中氧含量每增加1%,可节省原料煤约60kg/tNH3,炉渣中的残碳量每降低1%,相当于节省原料煤1.92kg/tNH3.或每增lNm3氧,吨氨耗实物量下降约lkg;每增lNm氧,吨氨减排约CO21m,约2kg;气化剂氧含量增至24%-27%时,气化强度可提高18%-20%,碳转化率可提高l0%.(2)吹风加氧,可减少吹风时间和吹风气带出的热量,制气时间相对增加,制气产量提高.据测算,如只在上吹加氮加氧,吹风时间可缩短l0%15%,如在上吹加氮和回收阶段都加氧,则吹风时间可缩短20%25%,可节约原料煤约50”-80ketNH.(3)上吹加氧,提高了制气质量.制气时气化层温度提高,CO,H2等有效气体含量增加,CO2生成量减少,半水煤气质量提高.可使煤气中(C0+H2)含量由70%增加到75%,(4)制气时气化层温度提高,蒸汽分解率提高,汽约45kg/tNH3.相当于节约原料煤约40kg/tNH3.蒸汽消耗.据测算,氧含量每增加1%,可节蒸(5)减少废气排放.缩短吹风加热时间,吹风量减少,降低CO2和硫化物等废气的排放.据测算,氧含量每增加l%,可减排CO2约17ln3/tNH3,硫化物约0.3m3/tNH3.如节约原料煤100-150kg/tNH3,则可减少CO2排放量约275kg.4两种工艺的比较4.1流程(1)纯氧见图1.氧气总管(20t,降能耗28.7810GJ.6制氧技术选择目前,制氧的技术有三种:造气炉(1)空分深冷制氧:(2)变压吸附(PSA)制氧:(3)膜分离制氧(具体情况见表1).表1制氧技术情况比较lO项目深冷窄分法变压吸附法膜分离法装置经济规模(m/h)>l0000<50001000l00000氧气纯度(%)高纯99.9中纯9093低纯2830制氧压力加压常压一真空负压制氧能耗(kwh)O.65O.550.37O.5O.1l氧回收率(%)9045l60产品可调性较难较容易较容易出产品时间数小时数分钟数分钟装置占地较大何一定安全距禺较小规模越小,单位投资越高,>6000规模1503500m弧范围内,单位投资低于变压吸附和深建设投资m,投资才低.低于深冷法.冷空分.投资大;设备体积庞大,数量多;投资较少;设备体积小,数量投资少;设备体积小,数量少;设备特点结构复杂;安装,操作,维护复少;动力设备少;安装和维修动力设备少,安装,维修和开杂;制作周期长,需810个月.及开停车简单;可无人操作.停车简单,可无人操作.三种制氧技术比较,当数膜分离法技术投资小,操作简单.但因其生产的是富氧空气,且压力较低,需对富氧空气再加压,才能送入系统,使能耗增加,给操作带来不便.20I2年第1期总第1I7期用氧气量不大,如选用深冷空分法技术,则因空分的生产能力偏小,性价比不合算,且投资较大,操作复杂,氧气成本相对较高.相比之下,只有变压吸附(PSA)技术最适合,投资和氧气的成本居中,且技术成熟,操作相对简单.7投资估算.以我公司为例,年产l4万t氨醇,开9台2260造气炉,如采用纯氧技术,需要氧气约1500Nm3/h,如采用增氧空气技术,需要氧气2500Nm/h.7.1纯氧技术.如新建一套1500Nm/h的变压吸附装置,再加上配套的专用手控阀门,管道等,估计总投资约800万元.(1)投资估算(见表2)表2序号项目金额(万元)备注1变压吸附装置7501500m/h氧气,含配电2控制系统22含专用受控阀门管道等3仪表控制系统DCS4土建205电器4合计800(2)单位氧气成本核算(见表3)(3)效益估算节煤效益根据介绍,吨氨可节煤80,-.120kg,按最低的80kg/tNH3计,煤价按1500元/t计,则吨氨效益为:1500X0.08=120元:吨氨氧气成本氧气价格按0.38元/m,氨产量按17.5t/h,吨氨耗氧(100%)按128m3计,则吨氨的氧气成本:0-38128=48.64(元);吨氨节煤的效益为:12048.64=71.36(元);年效益为:71.3617.5X8000=999.04(万元):投资回收期:约1.4年可收回投资.表3(Nm)序号名称消耗单价费用(兀).备注l动力电(k)0.450.4元0.182冷却水(m3)O.030.2兀O.O63人员工资2页f人0.0044修理费1.5%0.O14折旧lO%0.0695利息0.06合计O-387.2增氧气化技术如新建一套2500Nm/h的变压吸附装置,再加上配套的混合罐,自调阀,氧分析仪,管道阀门,生产准备等,估计总投资约1450万元.(1)投资估算表(见表4)20I2年第1期总第117期表412序号项目金额(刀兀)备注l变压吸附装置l2502500m/h氧气,含配电2控制系统90含混合罐,分析仪,阀门管道等3仪表控制系统DCSl04土建405电器1O6生产准备费507合计1450(2)单位氧气成本核算(见表5)表5(Nm)序号名称消耗单价费用(元)各注l动力电(kWh)o.450.4元0.182冷却水(m)O.030.2元0.063人员工资2万/人0.0044修理费1.5%0.0l4折旧1O%0.0735利息0.07合计0.40(3)效益估算节煤效益根据介绍,吨氨可节煤80120kg,按最低的80kg/tNH,计,煤价按1500元/t计,则吨氨效益为:15000.08=120元;吨氨氧气成本:氧气价格按0.40元/m3,氨产量按17.5,吨氨耗氧(100%)按128m3计,则吨氨的氧气成本:0.4O128=51.2(元):吨氨节煤的效益为:120.51.2=68.8元;.年效益为:68.8l7.58000=963.2(万元);投资回收期:约1.5年可收回投资.8结论(1)固定床增氧气化,是降低合成氨原料煤耗的一项节能新技术,投资较小,好,一年半内收回投资.(2)固定床增氧气化改造,是目前提高全循环法尿素企业竞争力的一条出路,(3)富氧连续气化的改造不顺利,采用增氧制气气化的技术比较稳妥.实施简单,效益良应尽快实施.(4)两种增氧气化技术的运行情况及技术指标,均未经权威部门的考核认可,无法准确评价各自的优缺点.但可以肯定都有不错的效果,企业可根据各自的具体情况,选用纯氧或者增氧空气技术,再进一步摸索改进.(5)固定床增氧气化能否达到预期目的,制氧的技术成熟,关键是要