富氧连续气化技术简介

1、富氧连续气化技术一、富氧连续气化技术简介我国在煤气化领域中，气化方法有多种形式，有成功的经验，也 有失败的教训。从上世纪60年代开始富氧气化技术在我国固定层煤 气炉上开始成功的应用，在50多年中，多次出现大起大落。六十年代末吉林化肥厂利用本厂空分富余的氧气在老的间歇造 气炉上进行了富氧空气-蒸汽连续气化制取合成氨原料气取得成功， 使单炉生产能力增加了一倍，效果十分明显。之后，淮南化肥厂采用 同样的办法，利用白己的多余氧气在老系统中进行焦炭和白煤富氧连 续气化试验，均取得成功。1998年黑龙江某化工厂建成一套年产十 八万吨合成氨装置。它用焦炭为原料，七台4 3mU氧连续气化炉，配一套12000N

2、m3/h制氧设备，不但焦炭消耗低，总投资增加也较少。 该装置1999年投入使用后效果很好，彻底改变了传统的间歇造气操 作和管理，取得了初步成功。二、富氧连续气化原理与工艺特点在固定层煤气炉内，当富氧空气与煤炭然烧时产生放热反应的同 时，蒸汽与灼热的煤炭产生吸热反应，两反应基本达到平衡时，气化 过程便会连续平稳的进行。为了符合半水煤气成份的要求，一般将富 氧空气中的O2含量控制在47%52%。富氧空气、蒸汽、煤炭的化 学反应式如下：C +。2 = CO2 + 40808KJ2C + O2 = 2CO + 246.4KJC + O2= 2CO -165.7KJC + H2O = CO + H2-1

3、18.8KJC + 2H2O = CO2+ 2H2 -75.2KJ最终生成气体达到半水煤气反应平衡富氧空气与煤炭在氧化层内发生放热反应如式和式 ，以获得足够的热量供应还原层以反应式、 进行，提高燃料层高度 将有利于反应式、 的发生，对降低半水煤气中的CO2有好处。实现富氧连续气化后，由于取消了空气吹风阶段，减少了因吹风燃烧炭的损失，气体带出物减少和炉渣含炭量的降低等原因， 使炭 的利用率得到提高，煤耗有所降低。另外，由于气体空速低，可以应 用小粒煤和型煤进行气化。由于该技术是连续气化，炉温相对比较稳定，蒸汽分解率比空气 间歇式气化要高。另外，因为高温煤气全部进入废锅，余热回收效果 好，因副产蒸

4、汽量增加，氨系统可以实现蒸汽白给这是理论推算。三、富氧连续气化工艺流程原料焦炭经破碎、筛分后，由皮带运输机送到煤气发生炉顶 部焦炭料仓里，由加料斗经白动加焦机定时连续加入固定层煤气 发生炉。蒸汽和富氧空气连续进入炉中，焦炭和富氧空气进行不 完全燃烧产生大量的热量，温度升高，供蒸汽在炽热的炭中分解， 制得半水煤气。白空气鼓气机来的空气与空分系统来的 99%以上氧气同时进入混合罐混合成5055%左右的富氧空气，混合后的富氧空气与来白 蒸汽过热器的蒸汽再次混合进入煤气发生炉炉底，混合气温度110140成煤气发生炉底部来的富氧空气，蒸汽与炉中的碳反应生 成半水煤气从炉顶出来进入废热锅炉，将半水煤气由约

5、7000 <750 0 降至280。右。经过过热蒸汽预热器再次回收热量后约 170础入洗 气箱，煤气洗涤塔将半水煤气冷却至 35说往气柜，经缓冲后进入泡 沫除尘器，经过泡沫除尘后送入电滤器将其焦油和灰尘脱除至3mg/m3（标）以下，送入煤气压缩系统。废锅付产 2.5MPa蒸汽外送， 造气炉夹套付产0.04MPa（表）蒸汽供造气白用。四、富氧连续气化消耗指标消耗指标见表1。表1富氧气化消耗指标项目定额（吨氨）小时耗量（/h）备 注小块、大块焦（分级入炉）1.314t27.37t单炉耗4.562t/h电19.6kWh490kWh冷却水60.4t1510.0t锅炉给水1.69t42.25t蒸汽

6、0.73t18.25t扣除付产0.5t/tNH3 (12.75t/h)氧气(。2>99.5%)3471.56Nm3一311789.0Nm3单炉耗1964.83Nm3/h付产中压蒸浅=2.5MPa1.1t27.5t外供尿素用产半水煤气量3241.76Nm3一一一 381044.14Nm3供合成氨甲醇用单炉产气量（0 3m6开1备13507.36Nm34.167tNH3/h 台*备注：表中各项数据为黑龙江化肥厂 18万吨/年合成氨各项消耗指标。五、富氧连续气化与间歇气化比较5.1富氧连续气化的优点（1）煤种和粒度适应性广。不仅可以烧 4 13 4 25勺小粒煤，而且 适合烧机械强度较差的白煤

7、或型煤。 从所查文献来看，大部分企业用 的都是焦炭，现阶段焦炭价格较高，很不划算。目前新投产的采用富 氧气化的企业都已改为型煤制气。(2) 基本杜绝了由于吹风气放空带来的环境污染，环保效益明显。(3) 单炉生产能力大。与间歇气化比较，相同炉型单炉产气量可提高2倍(理论计算)。但是，从应用富氧气化炉的众多厂家来看，实际仅增加5%30%。如： 淮南化肥厂增加30%。 黑龙江化 肥厂仅增加4%。 武进化肥厂增加19%。(4) 碳的转化率高，灰渣残炭质量分数可降低至7% 12% (河南 平顶山飞行化工的灰渣含碳量小于 10%),而且煤气中的带出物明显 减少。(5) 工艺简单、炉况稳定、便于操作、维修工

8、作量小。由于气化 过程为单纯的上吹，没有间歇气化的多阶段的切换，因此操作较为简 单。由于没有频繁切换的阀门，维修工作量较少，维修费用降低。(6) 蒸汽分解率高，与间歇气化相比，蒸汽分解率可提高10%(55% 左右)。(7) 由于采用连续气化，气体成分稳定，特别有利于整个生产系 统的稳定。(8) 热利用率高，可副产中压蒸汽。5.2富氧连续气化工艺的主要缺陷(1) 虽然是连续气化，但仍是常压气化，不可能摆脱碳转化率低、能耗高的缺点(2) 煤气中氧含量超标，危害大。富氧连续气化所产生的煤气中， 氧含量是比较低的，其体积分数一般只有 0.2% ,但是由于富氧空气 的氧含量较高，一旦气化不完全，会出现过

9、氧速度快，煤气中氧浓度 高，给后续工段带来极大的安全隐患。目前，生产过程中为了控制氧 含量，采取的措施是提高煤气炉出口温度 550C,这一措施又造成 了原料煤消耗增高。(3) 煤气中二氧化碳含量高。富氧连续气化生成的煤气中二氧化 碳体积分数高达高达13%16%，最高可达到19.7%。由于CO2浓 度过高，不但导致变换蒸汽消耗增大，给脱炭工序增加了负荷，而且影响到合成工序中压缩机运行效率，一般可降低10%左右，必然造成电耗和压缩机维修费用增加。此损失是无法估算的。表2各种气化方法的半水煤气成分 (V %)气化方法煤种CO2O2COH2N2CH4H2S固定层空气间歇气化法块煤570.4313436

10、4118211.012 g/m3煤棒12130.4233237401722230.81.0碳化煤球12130.42728383919221326粘结剂煤球8100.425293740182012.525富氧空气连续气化 法块煤或焦炭1319.70.33445283610141212煤球160.230.339140.5(4) 煤气中一氧化碳含量高。富氧气化半水煤气中CO含量为:38%44%。由于CO含量的增加，必然会影响变换工序中变换炉的负荷增 加，它不但会使触媒使用寿命降低，而且使变换炉的蒸汽消耗增加。据有关资料介绍，吨氨半水煤气中 CO含量每增加1%,变换炉多消 耗蒸汽约1Kg左右。按黑龙江

11、化肥厂富氧炉，设计年产合成氨 18万 t计算，全年仅因CO含量高，变换炉多支出蒸汽费用 40万元以上。(5) 煤气中甲烷含量高。富氧连续气化生成的煤气中甲烷体积分数2%,只能通过增加合成放空气量来解决这一问题。这就造成了合成 工段电耗增加。(6) 气体中含有苯、荼等有机物。富氧连续气化生成的煤气中苯和荼等有机物含量虽然较低，但其危害巨大，而且它的危害在生产初期基 本体现不出来，随着长时间累积，其危害将逐步体现出来。其主要表 现有以下几点： 影响脱硫、变脱工段的再生系统，不易生成硫泡沫； 影响脱碳系统，会造成二氧化碳气中苯、荼超标，影响到尿素 装置。 长时间会影响到合成工段催化剂的寿命。 目前中

12、小氮肥企业针 对苯、荼等有机物还没有太好的净化工艺。 虽然也有研究单位提出可 以将天然气净化中的脱苯脱荼工艺用于处理水煤气， 但尚处于研究阶 段，还没有用于实际生产的工程实例。六、目前国内富氧连续气化炉运行情况6.1福建三明化工有限公司于2007年采用型煤煤球进行富 氧连续气化，运行情况还算正常。开34台3000mn 3200mm炉, 所产半水煤气与老系统并网。单炉小时发气量为：9000m3,吨氨煤耗为 1.5t6.2淮南化肥厂开3台3000mm炉，也是用煤球富氧气化。吨 氨煤耗为1.8t,单炉小时发气量为：70008000m3。6.3湖北双环公司开2台3300mm炉，用煤棒富氧气化。单炉 小

13、时发气量为：12000m3。6.4云南解放军化肥厂，因效益问题于 2008年富氧气化炉全部 停运。6.5河南平顶山化肥厂开3台3000mm富氧气化炉，运行情况 一般，不太理想。6.6黑龙江化肥厂和长山化肥厂，一共有13台3000mm富氧炉 于2003年全部停运。6.7开封化肥厂于2008年12月，新上4台0 2743.2毫米，采用 小块煤富氧气化，所产半水煤气与原空气间歇气化炉的半水煤气并网 送入后工序，运行情况并不理想。七、我公司采用富氧连续气化的可行性7.1氧气量我公司空分车间设计产氧气量 4000Nm3/h,外供净化车间 2500-2800 Nm3/h（双机满量），即可供造气使用的为12

14、00-1500 Nm3/h 富氧造气需要的氧气设计指标为吨氨 500-550 Nm3,我公司单炉现发 气量8000 Nm3/h，产氨量为2.42吨，则需氧量为1212 Nm3/h。若改 为富氧连续气化，发气量增大，产氨量同时增大，则空分剩余氧气不 能满足一台造气炉的需要。只能采用不完全富氧气化，即把氧气混合 到空气中，氧气浓由21%提高到23-24%之间即可。7.2设备配套7.2.1为使燃料层布风均匀，必须使用富氧气化专用炉算。富氧连续气化要求炉算的高度比间歇空气气化的炉算要低些。但是，多边扇型炉算虽然高度低，可是炉下带出物多，也不适用。最好还是ZL型铸钢炉算比较适宜。7.2.2选用ZL型白动

15、加煤机，它可以使炭层高度保持恒定。通用 型白动加煤机是每个循环间歇向炉内加煤的， 加煤量和炭层高度难以 控制。ZL加煤机是连续向炉内加煤的，炉内消耗多少煤，随时补充 多少，所以炭层高度可以按预先设定的炭层高度恒定。7.2.3由于是富氧连续气化，所以必需选择不停炉下灰装置。7.2.4造气炉改造，保持合适的高径比。富氧连续气化技术是完全上吹，气化剂由下向上恒定在一个压力朝一个方向运动，若炉子本体的高度不够，炉内燃料层较薄，蓄热能力差，易造成炉上温度高， 煤气带走了大量的显热，不利于原料的消耗和煤气的降温，又会因炭 层波动而造成结疤挂壁，严重时需停炉熄火打疤，影响系统安全生产。 河南平顶山飞行化工的

16、煤气炉为 3000高5800mm,夹套宽500mm, 高2800mm,因使用效果不好，在一次停车检修时炉体和夹套同时加 高了 500mm。7.2.5控制系统改造。在现有间歇循环制气、特殊操作和开、停 车的基础上增设富氧气化状态设定键，并能在富氧气化操作状态和空 气间歇气化操作状态之间白由切换。7.2.6配套设施建设。增加富氧-蒸汽混合器、废锅等。八、结语富氧连续气化技术与间歇式气化相比，理论上的优点在实际使用 中并不突出，存在的问题一直没有得到很好的解决。 目前各厂的富氧 气化炉的半水煤气，都是与老系统间歇空气炉并网送入后系统的， 所 以很难区别富氧连续气化的真正效率，文中所介绍的发气量和煤耗

17、都 是估算的。历史上只有黑龙江化肥厂和长山化肥厂，是独立系统应用富氧连续气化技术的，可见独立系统运行的效果很不好， 所以两厂均 停用富氧连续气化技术了。对于我厂来说，由于氧气量并不是很大， 基本只能满足一台炉的需要，而且现在国内正在使用的富氧炉大部分 为3000及以上直径的造气炉（使用效果并不好），尚未发现有2650 的炉子改富氧气化的，存在风险较大。除此之外，改为富氧气化之后， 现有的吹风气回收装置尚未发挥效益就成为闲置。因此建议不改富氧气化，但可以考虑采用富氧空气间歇气化技术，该技术是由武汉凤飞煤化工有限公司，研制的一种新技术。在原有的空气间歇气化的条 件下，加入适量的富氧空气。此技术已在

18、浙江省清华化工有限公司应 用。据介绍有些效果，其半水煤气中 CO2在9.0%以下， CO+H2 =75.8%。我公司可考虑将空分剩余的氧气送至造气车间， 适当提高氧气浓度，以改善气体成分。详细的改造方案见附件。附件空分富裕氧气送往造气方案空分富裕氧气送往造气方案一、基础数据空分装置氧气出压缩机压力：2.0MPa,温度75 C （夏天温度可达 95 C）空分能力 4000Nm3/h。净化车间氧气入转化工段压力：控制大于空气压力 0.1MPa,空 气压力控制大于转化炉压力 0.1MPa。转化压力1.8-2.0MPa。转化需 氧量 2 机满量 25002800Nm3/h。二、管径计算考虑到焦炉气的波

19、动所以送往造气的氧气量按最大2000 Nm3/h（一般可保持1500 Nm3/h）温度按95C，压力2.0MPa考虑。一期工程氧气设计流量3400 Nm3/h压力2.5MPa,送净化车间管径 DN150,可以计算出流速。3400 (273 95)、,273 25183.326V 273 252.88m/s(150 )263.59218.81不锈钢管氧气流速按3.5m/s计算2000 (273 95)D =18.81273 *20=116.724mm 圆整到 125mm。3.5所以不锈钢管道选用？133X5 （每米重量15.942Kg）碳钢管道氧气流速按2.5m/s计算D =18.81'2000 (273 95)273 202.5= 138.12mm 圆整到 150mm。所以碳钢管道选用？159X6 （每米重量22.638Kg）三、材质选择根据氧气站设计规