常压固定床气化装置技术升级的方向和形势.pdf
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1、化工设计通讯第 卷第期 年 月 常压固定床气化装置技术升级的方向和形势 田守国 ( 江西昌昱实业有限公司,江西 南昌 ) 收稿日期: 作者简介:田守国 ( ) ,男,山东沂源人,高级工程师,全国煤气化技术委员会委员,从事造气操作、管 理等 余年。 摘 要:提升固定床煤气炉技术层次和应用价值的途径:一是采用连续气化工艺,提高单位产能,提 高原料转化利用率,优化煤气质量,开发多元化气化剂生产专用工艺气体;二是提高气化装置的自动化水 平,提高生产运行的稳定性、经济性、安全性和环保性。 关键词:间歇气化;富氧连续气化;纯氧连续气化;纯氧加压连续气化 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: ( ) (
2、, , , ) : : , , , ; , , : ; ; ; 国家已经停止审批新上固定床间歇气化生产 装置,固定床气化装置的应用方式已经步入新的 转折阶段。如何科学选择新的气化工艺,是决定 应用单位能否可持续发展的关键问题。 常压固定床气化装置技术升级的必要性 煤化工生产中,造气的技术装备水平是企业 安全、节能、环保等最主要的决定因素。 当今,煤化工行业正处在产能过剩时期,面 临产品市场疲软,资源环境约束力加大,国家产 业政策不断升级,优惠政策逐步减少,生产成本 不断升高的局面。 如何实现可持续发展?必然的规律是顺应市 场需求,再次进行产业结构大调整、生产单位大 规模重组,优化产品结构,平衡
3、产需。装备水平 低、生产效益差的企业必将被淘汰,结局必然是 煤化工生产单位和从业工人随之相应精减。 当今,煤化工生产面临的困难很多。例如, 原料结构调整局限性越来越大。目前,山西无烟 块煤与无烟粉煤差价越来越小,甚至让人感觉到 型煤气化的成本优势已经不明显了。如果这样的 话,采用型煤气化的意义只是避开了无烟块煤价 高货缺的困扰,而从经济效益上讲,并没有明显 超过采用无烟块煤多少。 当然,除了依赖山西无烟煤的地区以外,当 地有无烟煤矿产资源的地区,原料煤价格相比山 西无烟煤价格低一些,块煤与粉煤的差价相对要 大一些。但是,应该注意到,煤化工投资重心已 经快速地向这些产煤地区转移,致使一些产煤地
4、区的原料优势逐步消退。 “ 十一五”初期煤化工行业内曾经提出的改 变原料结构,推广型煤气化,确实给应用单位带 来了一定的经济效益。然而,在当今的大环境 下,仅靠调整原料结构已经不会产生足以救活一 第期 田守国:常压固定床气化装置技术升级的方向和形势 个生产企业的经济效益了。 因此,必须通过开辟新的途径寻求新的效益 增长点。显然,对造气来讲,最佳途径就是加快 气化装置的技术升级速度,着眼于更新改造现有 的常压固定床气化装置,提高装备水平,采用新 的气化工艺,将传统的常压固定床间歇气化工艺 改进成新一代连续气化工艺。用先进的工艺技术 使传统的气化装置焕发活力,从而提高造气工序 的技术装备水平和工艺
5、技术水平,进一步提高造 气生产效率,提高单位产能,提高原料的转化利 用率,从而降低生产成本,获取更多的经济效 益。 众所周知,气化装置的技术水平和气化工艺 的技术水平,以及生产运行的稳定性和经济性, 是直接影响生产成本和经济效益的主要因素。所 以,煤气化技术的发展方式和方向,已成为煤化 工行业所有生产单位十分重视的问题。 固定床煤气炉的起源和初期的完善阶段 世界上第一台常压固定床煤气炉,于 年在德国开始工业化生产,并且很快被当时工业 化发展快速的国家引进使用。后来,美国联合气 体公司正式命名为 气化炉。这是一种常压 固定床煤气化设备, 年引进到我国大连化 学厂( 煤气炉 ) ,随着我国工业化生
6、产 的发展被逐步推广,在我国通称固定床煤气炉。 固定床煤气炉采用间歇运行方式,要求气化 原料是有一定粒度范围的块状原料。原设计生产 合成氨原料气的装置气化原料是粒度范围 的焦炭。 年开发推广小氮肥生产装 置时,开发了小型化气化煤及配套设施( 煤气炉 ) ,气化原料设计为石灰碳化煤球。 上世纪 年代末,小氮肥行业开始改石灰 碳化煤球为无烟块煤,后来中氮肥行业开始改焦 炭为无烟块煤,起初原料煤粒度仍然执行 标准。 随着造气操作技术进步和造气设备逐步完 善,为了充分消化利用煤炭资源,入炉煤粒度范 围改为 。并且规范为粒度分级:大 块 ,中块 ,小块 ,小粒 。 固定床煤气炉投资少,建设周期短,运行成
7、 本低,装备完全国产化,而且设备造价透明度 高。特别是工业体制改革以后,虽然煤气技术装 备不断发展进步,但是装备行业一直微利运作, 把绝大部分利润让给了广大用户。所以说,煤气 装备行业为我国煤化工行业的发展作出了重要贡 献。 常压固定床气化工艺多元化,应用领 域广泛 有一个概念尚存模糊认识,应该明确一下, 以往提到常压固定床煤气炉必然想到间歇气化, 认为固定床指的就是间歇气化。 其实不然,常压指的是炉内气化压力,固定 床指的是炉内固体物料自然堆积的分布形式。固 定床煤气炉的主要特点,是可以灵活转换气化 剂,可以间歇气化,也可以连续气化。 运行方式 ( )间歇双向循环制气。 ( )单向连续制气。
8、 ( )双向转换连续制气。 气化工艺、气化剂组合形式 ( )空气蒸汽间歇气化生产半水煤气。 ( )空气蒸汽间歇气化生产水煤气( 氮气 左右) 。 ( )富氧蒸汽连续气化单向或双向转换生 产半水煤气。 ( )纯氧蒸汽连续气化生产水煤气( 氮气 ) 。 ( )纯氧二氧化碳连续气化生产高一氧化 碳煤气。 ( )空气蒸汽连续单向气化生产混合煤气 ( 工业燃气) 。 ( )单一气化剂生产空气煤气( 低热值工业 燃气) 。 我国以煤炭为原料的合成氨厂,绝大多数是 基于 固定床间歇气化煤气炉发展起来的。 而且,目前煤化工行业 左右的产能仍然是 采用该气化工艺。 原设计气化原料是焦炭,在上世纪 年代 初大力发
9、展小氮肥时较为普遍地采用了石灰碳化 煤球,到上世纪 年代中期小氮肥行业大范围 应用无烟块煤。当今原料路线已经扩展为多元 化:焦炭、无烟块煤、非标的小籽煤、型煤( 煤 球、煤棒) 、半焦( 也称兰炭、汽焦) 等,打破了 化工设计通讯第 卷 完全依赖无烟块煤和优质焦炭的原料结构,而且 同样可以像其他气化工艺一样能消化粉煤,只是 存在粉状气化与成型后再气化的区别而已。 固定床煤气炉是可调性最强、用途最广泛的 多用途煤气炉,在我国的长期应用中经过了很多 的工艺革新改造和装备平衡完善。目前,常压固 定床煤气炉,广泛应用于化工、冶金、机械、建 材、城市燃气等行业,总数量 余台,其 中 左右用于煤化工生产,
10、成为我国多个行 业应用最广泛的煤气化装置。 随着新兴煤基化工产品的不断开发,对煤气 成分还会出现特殊的要求,必将促使新的气化剂 组合形式不断被发掘使用,固定床煤气炉的气化 剂种类还将进一步丰富,该类气化炉的功能还会 增加。基于一种煤气炉上开发出如此多样化的气 化工艺,使固定床煤气炉的应用价值进一步提 高,生命力越发强劲,这一点是其他气化方式所 不能及的。 富氧连续气化的起源和当今应用状况 我国富氧连续气化的起源 富氧连续气化技术在我国已经有 多年历 史。从理论上讲,入炉空气中的氧气含量高于普 通空气时,就叫作富氧气化,富氧气化具有显著 提高气化效率和高温气化的特点。当初,由于存 在传统制氧技术
11、成本较高,加之原料煤市场价格 较低、货源宽松,质量好的原料容易买进等有利 条件,所以新技术应用的积极性不高,富氧连续 气化的推广应用受到一定限制。 随着 制 氧 工 艺 的 技 术 进 步,深 冷 空 分 和 分离技术的制氧成本都大幅度降低。富氧 气化技术近 年来逐渐推广,工业领域主要应 用行业:合成氨生产装置、工业煤气、城市燃 料、有色金属冶炼、玻璃窑炉的玻璃熔化、化铁 炉和铸造炉、内燃机的增氧燃烧等。因为富氧连 续气化工艺并不是向炉内直接加入 以上 的高浓度纯氧,所以可以采用 制氧工艺。 富氧连续气化的技术优势 富氧连续气化工艺因为具有气化强度大、原 料煤适应性广、无吹风气排放、原料煤转化
12、利用 率高等优势,完全符合当今国家的产业政策,属 于允许发展的煤气化工艺。该气化工艺取消了间 歇气化十几个频繁切换的工艺阀门,延长了有效 制气时间,大幅提高了煤气炉的单炉生产能力, 并且可消化利用 间歇气化不适用的小 籽煤,从而提高了煤炭的利用率。 间歇气化为了提高气化温度,必须增加吹风 量,增加放热提高温度,然而同时比氧气多出 倍以上的氮气也通过炭层,以氮气为载体的 显热损失在所难免。从这方面分析,富氧连续气 化的优势就体现出来了:即提高气化剂中的氧浓 度,使放热和吸热反应达到平衡,实现连续制 气,通过气化剂中多进氧气提高炉温,减少了氮 气为载体的显热损失,这本身就是节煤降耗的有 效途径之一
13、。 对间歇气化来讲,吹风阶段的热损失实际上 是氮气为载体的显热损失和吹风气中一氧化碳 氢的潜热损失。富氧连续气化相比间歇气化,放 热过程减少了 左右的氮气入炉量( 空气中氮 气 左右,富氧空气中 左右) ,氮气作为 载体的显热损失大量减少,这方面当然也相当于 提高原料转化利用率。 另一方面是灰渣残碳量降低,富氧连续气化 灰渣残碳量低于间歇气化,一般在 , 同样起到节煤降耗的作用。 相比间歇气化吹风过程,富氧连续气化流速 仅为,气体带出物大量减少,炭层吹 翻、风洞现象杜绝,因此工艺稳定性强,当然也 是降低煤耗的途径之一。 气化强度高是富氧连续气化技术优势之一, 因为原料条件等因素的影响,气化强度
14、一般在 ( ) ,相比间歇气化,高出 ( ) 。因此,更适合于大型合 成氨生产装置配套使用,当然也可以与不同产能 的合成氨装置灵活配套。 富氧连续气化应用情况 富氧连续气化工艺在各单位的应用状况如同 间歇气化一样,并不是平衡发展的。总体来讲, 应用水平高的单位占大多数,应用情况好的单位 气化强度、灰渣残碳、劣质原料消化利用等方面 确实存在间歇气化所不能比拟的优势,但是同时 也发现还存在些有待于分步骤深入挖掘的潜力。 以往,富氧连续气化技术改造和技术进步的 速度相比间歇气化慢了一些,问题在于富氧连续 气化不象间歇气化那样伴随小氮肥的发展遍地开 花,而且小氮肥始终在激烈的市场竞争中靠拼搏 第期 田
15、守国:常压固定床气化装置技术升级的方向和形势 求生存,循规蹈矩技术革新步伐慢一点的单位就 被淘汰出局。因此,探索新的操作方法和从尝试 小改小革发展到大力度的技术改造,促使小氮肥 行业造气水平逐步提高。另外,小氮肥行业全国 一盘棋大搞技术交流的风气极大地促使小氮肥行 业的技术进步,后来逐渐形成了中氮厂学习小氮 肥造气技术的状况,不但学习造气技术,还把小 氮肥行业使用的 “ 小炉子”搬进中氮厂。 富氧连续气化起初的应用单位仅仅局限在几 家中氮厂,计划经济年代中氮厂没有成本压力, 不用考虑技术革新降低生产成本。因此,较长一 段时期内富氧连续气化仅是维持使用,没有大的 革新进步。进入 世纪后随着制氧成
16、本降低, 富氧连续气化工艺才得到逐步推广,随着应用单 位逐步增加,技术进步速度也随之加快。 以往制约富氧连续气化效益发挥的因素分析 富氧连续气化生产应用多年,为什么没有发 挥出应有的水平呢?主要问题之一是,起初只是 采用了富氧连续气化工艺,而没有开发配置富氧 连续气化的专用装备,只是在间歇气化设备配置 条件下加入一定数量的氧气,达到了连续气化而 已,应该说设备缺陷在一定程度上制约了富氧连 续气化的技术进步。 众所周知,间歇气化生产过程存在一个最大 的矛盾,就是吹风与制气两个过程对炉内条件有 截然不同的要求,吹风过程需要有低温度薄炭层 才能降低二氧化碳还原率,从而减少原料损失。 而制气阶段不仅要
17、求有高炉温,而且需要厚火层 提供更多的热量促进蒸汽分解率提高,同时增加 二氧化碳与火层接触时间,促进还原率提高。这 是一个极难解决的矛盾,吹风气与火层接触时间 越短,二氧化碳还原生成一氧化碳的量越少,降 低温度、降低炭层、控制薄火层尽管可以抑制二 氧化碳的还原,但与吹风的目的有矛盾。 正如制吹风气进行系统安全置换,控制低于 正常生产时的炉温和低于正常生产时的炭层高度 才能制出一氧化碳氢小于的合格吹风气。 目前间歇气化技术装备条件下,正常生产时吹风 气中一氧化碳氢含量大多数都在 左右。 这是与这些年来间歇气化装置一直过度追求增加 煤气炉高度、提高炭层高度和默守低压头风机有 直接关系的。 间歇气化
18、的吹风强度大于 ( ) , 气化层内空气的流速大于 ,才能保证吹 风气中有效气体含量在正常范围内。但是,在较 高炭层高度、较小原料粒度或者使用低压头风机 的条件下是难以实现的。 实际生产中为了缩短吹风气在炭层与火层接 触时间,宜采用提高风速或适当降低燃料层高度 的方法来减少吹风气中的一氧化碳含量。在采用 间歇气化确定工艺指标时,只能选择适中,不能 只顾一头,否则将适得其反,这就是间歇气化煤 气炉高径比不能无原则地过大,床层高度不能不 科学控制过高的原因所在,这一矛盾一直制约着 间歇气化的单炉生产能力和运行效益。 而富氧连续气化,氧化放热、蒸汽分解、二 氧化碳还原是同时进行,根本不存在避免二氧化
19、 碳还原量增加的矛盾,反而要求提高气化强度的 同时必须创造强有利于二氧化碳还原的条件。炭 层提高和火层增厚都是提高蓄热能力,提高气化 温度,促使蒸汽分解和二氧化碳还原反应增加的 必须条件,这正是富氧连续气化降低半水煤气中 二氧化碳含量和降低出气温度的主要手段。 然而,在间歇气化装置上采用富氧连续气 化, 由于受煤气炉高径比和水夹套高度的制约, 只 能达到与间歇气化相同的床层高度, 甚至有的单 位为了防止挂壁, 控制的床层高度低于间歇气化, 炉箅 层以上有效床层只有 , 根本没有相应的蓄热能力和火层伸展空间。如果 灰渣层稍微厚一些,火层就会上移到炭层表面, 炉上出口温度居高不下,因而限制了气化强
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