王明友，陳 寧，王卓群

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

工業(yè)型煤氣化技術(shù)在合成氨工業(yè)中的應(yīng)用

王明友，陳 寧，王卓群

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

型煤技術(shù)作為煤炭加工領(lǐng)域的潔凈煤技術(shù)之一，在企業(yè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)方面效益顯著，近30年來在中國(guó)合成氨行業(yè)得到了大力推廣。本文論述了型煤氣化技術(shù)對(duì)于合成氨工業(yè)的意義，介紹了型煤氣化的常用方法，并對(duì)采用型煤與塊煤制氣的工藝條件不同進(jìn)行了探討。

型煤；氣化；合成氨

合成氨是最重要的化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量位居各種化工產(chǎn)品之首。自1913年世界上第一座日產(chǎn)30噸的合成氨裝置投產(chǎn)到如今日產(chǎn)千噸以上的合成氨裝置分布全球，合成氨工業(yè)對(duì)于能源的消耗也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在合成氨生產(chǎn)過程中消耗的能源占全球能源供應(yīng)總量的2%，排放的CO2占全球排放總量的1.6%。隨著能源危機(jī)以及環(huán)保問題的日益突出，合成氨工業(yè)中的節(jié)能減排問題也逐漸得到人們的關(guān)注。

目前世界上合成氨常用的原料有：焦炭、煤、天然氣、焦?fàn)t氣、石腦油和重油，由于“富煤少油缺氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我國(guó)90%以上的合成氨企業(yè)、70%以上的合成氨產(chǎn)能都是以煤為原料，而煤頭合成氨中主要以無煙塊煤作為原料，其市場(chǎng)價(jià)位居高不下。隨著煤炭開采機(jī)械化程度的提高，煤的破碎率也升高了，導(dǎo)致產(chǎn)量減少的塊煤價(jià)格攀升，而粉煤卻積壓滯銷，造成了煤炭資源的巨大浪費(fèi)，并嚴(yán)重污染著礦山周圍的環(huán)境。

合成氨生產(chǎn)中原料煤占合成氨企業(yè)生產(chǎn)成本的l/3左右，把粉煤加工成型煤作為生產(chǎn)半水煤氣的原料，可降低合成氨企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此型煤氣化技術(shù)的研究不僅對(duì)于企業(yè)經(jīng)濟(jì)狀況而且對(duì)于整個(gè)社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展都有深遠(yuǎn)的影響。

一、型煤技術(shù)簡(jiǎn)介

型煤是一種清潔、高效能的新型燃料，是以適當(dāng)?shù)墓に嚭驮O(shè)備（添加膠黏劑、固硫劑等經(jīng)過配制、混合等加工工藝），將粉煤加工成具有一定形狀、尺寸及理化性能（熱穩(wěn)定性、防水性等）的塊狀燃料。

按照用途不同，型煤可分為民用型煤、工業(yè)型煤，其中工業(yè)型煤占比例比較大，可以細(xì)分為氣化型煤和動(dòng)力型煤。上世紀(jì)60年代以來，為解決合成氨企業(yè)當(dāng)時(shí)面臨的無煙塊煤供應(yīng)不足的問題，人們先后研制出了石灰碳酸化煤、腐植酸鹽型煤、粘土型煤等粉煤成型技術(shù)，年總產(chǎn)量曾達(dá)100 Mt以上，為全國(guó)近60%的化肥企業(yè)提供了造氣原料。

利用廉價(jià)易得的粉煤生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的氣化型煤，不但可以緩解塊煤供應(yīng)不足，降低企業(yè)的原料成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以提高粉煤資源的利用率，減少燃煤污染物的排放，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效潔凈利用，具有很高的社會(huì)效益，為此國(guó)家把型煤產(chǎn)業(yè)列為節(jié)能、環(huán)保的重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。

二、型煤氣化技術(shù)的意義

最近幾年，型煤氣化技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無煙煤及部分煙煤等粉煤制作氣化型煤的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平，而且對(duì)型煤氣化工藝的研究也不斷深入，已經(jīng)能夠達(dá)到塊煤爐和型煤爐的煤種互換而產(chǎn)氣量、煤氣品質(zhì)基本一樣的水平。

通過粉煤成型技術(shù)制作氣化用型煤，再將型煤用作氣化反應(yīng)生產(chǎn)半水煤氣等的原料，可為化工、冶金等行業(yè)拓寬原料來源，降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。將型煤氣化技術(shù)應(yīng)用于合成氨工業(yè)有以下意義：

第一，型煤技術(shù)能夠解決我國(guó)煤炭資源粉化嚴(yán)重問題，提高煤炭資源的利用率，同時(shí)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，采用型煤氣化技術(shù)可使每噸合成氨的生產(chǎn)成本下降300元以上。

第二，制作型煤的煤種不再局限于無煙煤，擴(kuò)大了氣化用煤炭的范圍；通過幾種煤配比在一起，可以改變單一煤種的性能缺陷；成型過程中加入多種添加劑，可以增加熱穩(wěn)定性，提高灰熔點(diǎn)等，例如固硫劑可使氣化型煤燃燒后的煤氣中硫化物的含量顯著降低，有利于減少環(huán)境污染。

第三，型煤與塊煤相比，具有粒度均勻、孔隙率高、透氣性好和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。粒度均一使得爐體內(nèi)燃料層溫度分布均勻，避免了煤灰燒結(jié)現(xiàn)象；型煤的孔隙率可達(dá)14-27%，是塊煤的5-6倍，比表面積大有利于提高煤與氣化劑的反應(yīng)速率。

第四，采用型煤制氣時(shí)水蒸汽的用量可較塊煤節(jié)省約2-5%。這是由于型煤中水份含量比較高而固定碳含量比較低的原因。

三、型煤制氣方法

以型煤為原料制取合成氨原料氣——半水煤氣的方法通常有兩種：

1.間歇式制氣方法

該法屬于常壓固定床氣化工藝，煤氣生產(chǎn)過程采用間歇式操作周期地向氣化爐內(nèi)加入空氣和水蒸氣兩種氣化劑。首先進(jìn)行吹風(fēng)反應(yīng)將爐溫提高到一定溫度，然后停止送風(fēng)，送入水蒸氣進(jìn)行制氣反應(yīng)。吹風(fēng)和制氣反應(yīng)交替進(jìn)行，爐內(nèi)溫度也是先升高后降低，所得的半水煤氣質(zhì)量也呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)過程中由于考慮到熱量的充分利用和安全生產(chǎn)等原因，通常將一個(gè)生產(chǎn)工藝循環(huán)分成吹風(fēng)階段、一次上吹制氣階段、下吹制氣階段、二次上吹制氣階段、空氣吹凈階段等5個(gè)階段來完成。

2.富氧空氣連續(xù)氣化法

由于空氣中O2含量過低是不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)制取合格半水煤氣的根本原因，所以采用富氧空氣代替空氣作為氣化劑就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制氣。

型煤固定床富氧連續(xù)氣化工藝流程大致如下：用粉煤加工制作的型煤，從煤氣發(fā)生爐頂部料倉(cāng)以3-5 min的時(shí)間間隔由自動(dòng)加料機(jī)間歇加入氣化爐內(nèi)，氧和水蒸氣自下而上通過煤層，型煤則完成干燥、干餾、氣化還原、氧化燃燒和灰渣冷卻等變化。煤氣從氣化爐頂排出后，經(jīng)降溫除塵、余熱回收等工序，最終得到合格的半水煤氣。

四、型煤制氣工藝條件

型煤作為一種補(bǔ)充塊煤不足、合理利用煤炭資源的新的生產(chǎn)原料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、粒度均勻、熱穩(wěn)定性好、灰熔點(diǎn)高、孔隙率高、氣化阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但由于外加了添加劑，使其灰分含量增加，固定碳含量降低，因此當(dāng)型煤的質(zhì)量和爐型一定時(shí)，型煤制氣的好壞主要取決于煤氣發(fā)生爐內(nèi)氣化反應(yīng)工藝條件的選擇。

型煤制氣過程中的工藝條件一般包括溫度、吹風(fēng)速率、水蒸氣用量、燃料層高度等方面，由于型煤在理化特性上的優(yōu)勢(shì)更適用于采用無煙塊煤作燃料時(shí)的“三高一短”的工藝條件，即：高爐溫、高風(fēng)速、高炭層、短循環(huán)。除此之外，型煤制氣過程中對(duì)工藝條件要求一般包括以下幾個(gè)方面，但最優(yōu)工藝條件的確定最終需生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行長(zhǎng)期的造氣生產(chǎn)實(shí)踐來探索。

高溫有利于制氣，高爐溫時(shí)，氣化反應(yīng)速率快，水蒸氣分解率高，但高爐溫會(huì)造成熱損失增加。實(shí)際生產(chǎn)中高爐溫應(yīng)控制在保證爐內(nèi)不結(jié)疤的前提下低于燃料灰熔點(diǎn)50℃左右下操作。

由于型煤的孔隙率高，其透氣性好，但相應(yīng)的蓄熱能力較差，要保證高爐溫的生產(chǎn)條件必須保證高炭層、通入高風(fēng)量，所以以型煤為原料間歇制氣時(shí)吹風(fēng)階段的空氣流量要比以塊煤為原料時(shí)大，吹風(fēng)時(shí)間也要稍長(zhǎng)。

型煤氣化比塊煤氣化生產(chǎn)的原料氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)要高4-6%，尤其是以石灰碳化煤球?yàn)樵蠒r(shí)，煤氣中CO2含量可達(dá)為10-14%。要把CO2體積分?jǐn)?shù)降低以提高有效氣體（CO和H2）的含量就必須提高燃料層中還原層的厚度，因此就需要把煤氣發(fā)生爐爐體加高，燃料層進(jìn)一步加厚。

四、結(jié)論

型煤技術(shù)作為煤炭加工領(lǐng)域的潔凈煤技術(shù)之一，將其應(yīng)用于中國(guó)的煤頭合成氨企業(yè)作為原料氣的來源，有助于解決因塊煤不足帶來的合成氨企業(yè)成本增加以及減少粉煤資源的浪費(fèi)和減輕燃煤煙氣排放帶來的大氣污染問題，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著，近30年來在中國(guó)合成氨行業(yè)得到了大力推廣。

型煤由于在制備過程中加入了部分添加劑，其與塊煤在理化特性上略有不同，相應(yīng)的在氣化工藝操作條件上也有不同的要求。隨著今后型煤氣化技術(shù)研究的不斷深入，我國(guó)型煤制氣的技術(shù)水平也將不斷地提高，合成氨工業(yè)仍將為人類的生存與發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

［1］郝愛民，李新生，魏庭富等.氣化型煤在水煤氣發(fā)生爐中的燃燒試驗(yàn)［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2001（4）.

［2］李海華，徐志強(qiáng).我國(guó)型煤技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.煤炭加工與綜合利用，2008（3）.

［3］顏鑫. 型煤氣化工藝條件的優(yōu)化［J］.化工設(shè)計(jì)，2010（1）.

［4］崔國(guó)星，王文生，張啟衛(wèi).型煤移動(dòng)床富氧連續(xù)氣化系統(tǒng)的熱力學(xué)分析［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（7）.

［5］彭展英，顏鑫.合成氨生產(chǎn)中型煤氣化工藝條件的優(yōu)化［J］.潔凈煤技術(shù)，2009（4）.

Application of Industrial Briquette Gasification Technology in Synthesis Ammonia Industry

WANG Ming-you，CHEN Ning，WANG Zhuo-qun

（Xingtai Polytechnic College， Xingtai， Heibei 054035， China）

Briquette technology as one of the clean coal technology in the field of coal processing has remarkable economic benefit and environmental protection benefit， it has been vigorously promoted in Chinese synthetic ammonia industry in recent 30 years .This paper discusses the significance of industrial briquette gasification technology， introduces the method of briquette gasification， and the difference between the briquette and lump coal gasification process conditions are discussed.

industrial briquette； gasification； synthetic ammonia industry

TQ546；TQ113.242

A

1008—6129（2015）03—0089—03

（責(zé)任編輯 王傲冰）

2015—04—19

王明友（1986—），山東安丘人，邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境工程系，助教。