＊余友元 余林峰

（四川金石新能源集團有限公司 四川 614504）

引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示：我國現(xiàn)已探明的總資源量中，水能占比為9.5%，天然氣占比為0.3%，石油占比為2.8%，煤炭占比達到87.4%?？梢娒禾吭谖覈黝I(lǐng)域的生產(chǎn)發(fā)展更加依賴煤炭。由于受限于我國能源結(jié)構(gòu)，合成氨生產(chǎn)也非常依賴煤炭，其中以無煙塊煤為主，然而隨著煤炭開采技術(shù)的迅速發(fā)展，相較于粉狀煤，塊狀煤的產(chǎn)量日益減少，這就增加了合成氨生產(chǎn)的成本，也造成了更加嚴重的環(huán)境污染問題[1]。基于這一背景，要求合成氨行業(yè)積極探索煤氣化這一新型潔凈煤技術(shù)的應用和推廣，以此來降低煤炭資源的消耗，減少環(huán)境污染，促進合成氨行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.煤氣化技術(shù)的基本原理

針對煤氣化技術(shù)的產(chǎn)生機制，主要是通過采取合理技術(shù)手段，科學把控氣流穿過固體顆粒的速度，以改變壓力降，促使氣體從下至上穿過固體顆粒，這時氣流也會流過固體顆粒的間隙，而固定顆粒層位置無任何變化，也就是固體顆粒床，在這一過程中，若氣流速度出現(xiàn)變化，則會讓氣體穿過均勻顆粒床層，從而引發(fā)壓力降的變化，在這一過程中，固體流化床層的氣流速度約為1～3范圍內(nèi)，這時的氣流速度的提高，促使氣體通過均勻顆粒床層的壓力降產(chǎn)生上升的變化趨勢。

圖1 煤氣化技術(shù)的基本原理

當氣流速度不斷增加后，氣流速度上升到3.2cm/s時，在氣流組織的作用下，顆粒層組織會變得更加松動，床層也會有所增高。隨著氣流速度進一步增加，會讓顆粒層組織懸浮于氣流中，此時氣流速度處于臨界值，從而確保固體顆粒層和氣流組織之間處于動態(tài)平衡狀態(tài)，這一過程中，當空床流速的進一步增加，會讓氣流穿過均勻顆粒床層形成的壓力降越來越穩(wěn)定，氣流范圍在5～50cm/s，將會讓床層出現(xiàn)清晰的分界面。

隨著氣流速度的不斷提高，尤其是流速達到50cm/s后，將會讓流化床的界面越來越模糊，固體顆粒也逐漸開始與床層相分離，并在氣流中分散懸浮，這就形成了氣流床。但是，當氣流速度大于氣流極限速度且越來越大時，就會在很大程度上降低氣體通過均勻顆粒床層的壓力降。

2.煤氣化技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的運用

(1)固定床氣化技術(shù)

基于不同固定空氣處理方式，可將固定床氣化技術(shù)劃分成以下三種類型：

一是，常壓固定態(tài)連續(xù)氣化技術(shù)。該技術(shù)的應用原理為：利用UGI爐來建立“富氧-蒸汽”持續(xù)性上吹的處理模式，其能夠有效取代空間間歇氣化制取合成氨過程中所需的原料氣，從而在很大程度上降低能源的消耗[2]。該固定床氣化技術(shù)最早在20世紀60年代得到應用，能夠利用富氧連續(xù)氣化制備水煤氣，還能夠聯(lián)合化肥廠煤氣爐，順利完成生產(chǎn)試驗，并證明了該技術(shù)具備良好的可操作性與可控性，該方案的空氣間歇氣化過程可對整個制氣操作產(chǎn)生積極影響，能夠在很大程度上減少廢氣的排放，實現(xiàn)環(huán)境的有效保護[3]。

二是，提升型固定床間歇氣化技術(shù)。主要是選擇以塊狀無煙煤為基本原料，選擇水蒸氣和空氣等氣化劑，基于常溫常壓環(huán)境下，科學控制燃燒氣和原料氣；該煤氣化技術(shù)具備比較突出的環(huán)保效益與經(jīng)濟效益。主要應用優(yōu)勢包括：①隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，提升型固定床間歇氣化技術(shù)的操作過程得到進一步優(yōu)化升級，機械上煤聯(lián)合不停爐自動加煤出灰模式已取代以往的停爐加煤直到系統(tǒng)出灰模式，從而提高資源的利用效率，節(jié)省了能源的應用；②現(xiàn)有的設(shè)備在體型和出氣口的應用方面均實現(xiàn)了多元化的發(fā)展；③水壓自動機已代替了以往技術(shù)方案中的“四通考克”，其中DCS油壓自動控制系統(tǒng)聯(lián)合爐礦尋優(yōu)控制方案，能夠更加規(guī)范、有效的管理相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備；④傳統(tǒng)爐鍋塔模式不再滿足現(xiàn)代合成氨生產(chǎn)的需求，高效余熱鍋爐逐漸得到廣泛利用，在此基礎(chǔ)上，人們研發(fā)出更加科學、可行的工藝流程，顯著提高了工藝設(shè)備運行的規(guī)范性，并在極大程度上降低系統(tǒng)運行帶來的阻力，獲得更高的余熱回收率，減少污水處理量和冷卻水量，從而降低環(huán)境的負荷[4]；⑤該技術(shù)能夠顯著提高蒸汽分解率和氣化強度，并提高了爐渣的利用率，進一步規(guī)范循環(huán)流化床鍋爐的應用，從而實現(xiàn)原料煤的高效利用，實現(xiàn)對熱量的回收高效利用，形成多元資源利用體系；⑥通過聯(lián)合煤氣冷卻與洗滌分流技術(shù)，打造冷卻水循環(huán)利用閉路結(jié)構(gòu)，以達到減少污水排放量的目的。

三是，碎煤固定床加壓氣化。該技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀30年代，如今已發(fā)展到第四代，實現(xiàn)了魯奇爐內(nèi)鏡5m的設(shè)定，其中一個魯奇爐產(chǎn)氣量就能夠達到7000Nm3/h。碎煤固定床加壓氣化技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)褐煤氣化方案，并有效處理合成氨原料氣[5]。目前在城市煤氣并聯(lián)生產(chǎn)甲醇項目中，很多氣化廠開始嘗試使用碎煤固定床加壓氣化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上增加廢鍋流程，以此來獲得更加理想的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。

(2)流化床氣化技術(shù)

在流化床氣化技術(shù)應用過程中，需要確保生產(chǎn)環(huán)境的溫度維持在800～1100℃，壓力控制為常壓～2.5MPa，要求煤原料具備高灰熔點與高活性，煤塊粒徑為1～5mm。該技術(shù)的特點是：存在明顯的床層界限，煤粒懸浮在氣流中進行相對運動，爐內(nèi)有著較大的氣體流速等。在這種技術(shù)應用下，能夠于流化床內(nèi)完成煤裂解、氣化的全過程生產(chǎn)，降低生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣量，從而促進氨合成生產(chǎn)效率。該技術(shù)可細分成以下兩種類型：

一是，灰融聚流化床氣化技術(shù)，其最早出現(xiàn)在20世紀80年代，由我國科學院山西煤化所研發(fā)，其氣化爐氣化壓力包括常壓和加壓，將氧氣或是空氣作為氣化劑。結(jié)合射流原理，將灰團聚分離裝置安裝到流化床底部，打造出床內(nèi)局部高溫區(qū)；先是讓灰渣團聚成球，再利用重力的差異，來實現(xiàn)灰團的分離，從而實現(xiàn)對煤炭資源的高效利用。該技術(shù)方案具有投資成本低、原料適應性廣的優(yōu)勢，適用于發(fā)電燃料氣、工業(yè)爐窯燃料氣與化工合成氣等原料的生產(chǎn)。其中可用原料包括焦炭粉、無煙煤粉煤、煙煤粉煤及高硫煤粉煤等，具有較高的碳轉(zhuǎn)化率（＞90%），但要求粉煤粒徑必須小于6mm。該技術(shù)的不足之處在于：單爐生產(chǎn)能力有待提高，必須常壓操作等。

二是，恩德粉煤氣化技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展在恩德粉煤氣化技術(shù)中所應用的設(shè)備現(xiàn)已逐漸實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并針對傳統(tǒng)技術(shù)體系中存在的問題，采取了有效的優(yōu)化處理措施，主要體現(xiàn)為：①噴咀布風模式逐漸取代了氣化爐的爐箅，促使設(shè)備使用效率得到顯著提升，避免了爐箅結(jié)渣問題引發(fā)的負面影響，可以在標準應用體系內(nèi)確保氣化溫度的有效性和科學性，最終顯著提升氣化爐運轉(zhuǎn)效率[6]；②對于氣化爐的中上部位置，根據(jù)具體的應用需求，增加了進粉風噴咀，還將干式旋風除塵裝置安裝到了出口位置，這樣做有利于防止煤氣夾雜細煤粒對周圍環(huán)境的不良影響；同時，根據(jù)其具體的應用狀態(tài)，有效利用回收處理技術(shù)，讓煤氣能夠返回氣化爐內(nèi)再次燃燒，從而有效提升了工序的環(huán)保效益；③通過將旋風除塵器安裝到廢熱爐的位置，同時借助合理的除塵工序，讓煤氣能夠順利進入廢熱鍋爐，從而有效保護低爐管，減輕爐管結(jié)構(gòu)的積灰情況，然后進一步優(yōu)化這一工藝流程，可大大提高整個結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，從而提升元件的應用效率，延長設(shè)備的使用年限。

(3)氣流床氣化技術(shù)

一是，水煤漿加壓氣化處理技術(shù)。該技術(shù)是應用最為廣泛的氣流床氣化技術(shù)，以濕法進料處理模式為基礎(chǔ)，聯(lián)合加壓氣化工藝流程的應用，來顯著提高處理的實際效率。我國于1970年左右就開始引進水煤漿加壓氣化處理技術(shù)，并充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢和作用，制造出了水煤漿加壓氣化制合成氣生產(chǎn)示范裝置，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出了與該設(shè)備相匹配的激冷工藝流程，打造了尺寸為φ2800mm的氣化爐，利用“一開一備”的工藝流程，氣壓數(shù)值達到2.7MPa。

近年來，我國科學技術(shù)水平顯著提升，水煤漿加壓氣化處理技術(shù)方案與氣化裝置均得到了很大程度的創(chuàng)新，特別是多噴嘴在置式水煤漿氣化技術(shù)中的應用，能夠獲得更大化的經(jīng)濟效益和環(huán)保價值。具體操作流程：①采用破碎篩分方法對原料煤進行處理；②干燥處理；③通過斗式提升機設(shè)備將原料煤運送到儲煤斗中，聯(lián)合應用螺旋給煤機；④將原料煤運送到氣化爐，同時開展氧氣填充、蒸汽過熱器處理蒸汽等工藝操作；⑤進入冷卻器，應用第一旋和第二旋風分離器完成相應的處理，特別是排灰操作；⑥去廢鍋后，傳送至煤氣洗滌塔，利用氣柜完成收集工作。

二是，GSP干粉煤氣化技術(shù)。該技術(shù)主要是借助加壓處理方式，來確保整體工藝流程的有效性和規(guī)范性。在20世紀80年代初，國外某工廠就提出了GSP技術(shù)方案，并應用到具體實踐中，完成了商業(yè)化裝置的升級處理，粉煤處理能力為30t/h，總體參數(shù)為200MW。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，GSP工藝得到進一步革新和優(yōu)化，煤焦油逐漸取代了氣化原料，可以為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目提供必要的支持，且通過對相關(guān)技術(shù)應用流程的整合，建構(gòu)了更加多元的技術(shù)體系。

3.煤氣化技術(shù)的發(fā)展

在未來，隨著時代的發(fā)展與科技的進步，將會推動著煤氣化技術(shù)朝著加壓氣化、高溫氣化及純氧氣化等方向發(fā)展。其中加壓氣化主要指通過氣化壓力的不斷提高，將會顯著提高投煤量的比，從而進一步擴大氣化爐的生產(chǎn)能力，通過運用高壓氣化制合成氣，能夠有效降低氣體凈化的投入成本，減少產(chǎn)品能耗。高溫氣化主要指通過采用高溫氣化操作，能夠全面顯示出參與反應的各種物質(zhì)的高溫化學活性，在極大程度上提高碳轉(zhuǎn)化率；與此同時，在高溫條件下，能夠更加充分地轉(zhuǎn)化煤中的焦油、氮、氰化物等揮發(fā)成本，從而獲得較為純凈的產(chǎn)品煤氣，也比較容易處理煤氣洗滌污水，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[7]。

粉煤氣化主要指通過增大煤的表面積，獲得更高的氣化能力，尤其是選擇價格昂貴的優(yōu)質(zhì)煤，最好采用煤粉氣化，可以獲得更好的經(jīng)濟效益。液態(tài)排渣主要是通過高溫熔融方式，將灰渣排出氣化爐，具有無毒無害的特點，因為是液態(tài)排渣，所以必須確保氣化爐的安全可靠操作，注意操作溫度應控制在灰的流動溫度以上，當原料煤的灰熔點更高時，就需要選擇更高的氣化操作溫度，以此來減少氣化氧氣的消耗量，確保運行的經(jīng)濟性；針對高灰熔點煤，可選擇添加助溶劑的方式，來減小灰的黏度和灰熔點，以此來確保氣化的順利進行[8]。

結(jié)合如今煤炭氣化技術(shù)的特征，未來對煤氣化技術(shù)的要求大致如下：①更高的冷煤氣效率，即能夠?qū)⒚褐写罅康哪芰哭D(zhuǎn)換成有用氣體的能力；②更廣的煤種適應性，在生產(chǎn)工藝上盡量適應泥煤、無煙煤、渣燃煤等各種天然固體原料；③更好的煤炭轉(zhuǎn)換率，在實際上，固體燃料中的所有可燃有機成分均能夠充分轉(zhuǎn)換成氣體；④更好的煤氣品質(zhì)，生產(chǎn)出的氣體應含有大量的一氧化碳與氫等有用成分，不會產(chǎn)生無用成分（焦油、酚等）；⑤良好的操作性能，即氣化爐具備更大的操作彈性和更長的連續(xù)運行周期；⑥良好的環(huán)境性能，在實際應用中不會產(chǎn)生影響生態(tài)環(huán)境的有毒有害成分；⑦更大的生產(chǎn)能力，可以滿足企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)需求；⑧實現(xiàn)自動化控制，即能夠與先進的信息技術(shù)相融合，達到智能化、自動化控制的目的，有效減少人力成本的投入；⑨與其他煤氣利用技術(shù)具備更優(yōu)的兼容性，如：化工合成工藝技術(shù)等。

4.結(jié)語

綜上所述，合成氨是我國目前最為關(guān)鍵的化工產(chǎn)品之一，主要用作工業(yè)原料和氮肥，在我國經(jīng)濟發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用?？v觀我國合成氨生產(chǎn)的現(xiàn)狀，該行業(yè)每年的能源消耗量和碳排放量都非常大，已不能適應我國提倡的節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求，也不利于合成氨行業(yè)的健康長遠發(fā)展。為此，相關(guān)企業(yè)必須高度重視煤氣化技術(shù)的有效應用，結(jié)合自身具體需求，選擇最為適應的煤氣化技術(shù)方案，以此來降低煤炭的消耗量，節(jié)省生產(chǎn)成本。