变压吸附制氧+富氧连续气化组合及其前景
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我国中小氮肥企业大部分以煤炭作为生产原料,这是新中国成立后长期受西方封锁的战略现实和我国的资源禀赋相结合而产生的具有中国特色的生产技术,全世界90%以上以煤炭为原料的合成氨,尿素生产装置在中国.长期以来,我们一直认为以煤炭为原料是中国合成氨尿素产业落后于国际水平的重要标志,所以20世纪80年代末,90年代初全国掀起了一次煤改油的浪潮,事后证明此次技改完全失败,造成极大损失.通过深入分析可以得出结论:中国的合成氨尿素产业要具备国际市场的竞争力,主要还是应走以煤炭为原料的路子,因为我国煤炭资源丰富,劳动力价格相对低廉,从本质上讲以煤炭为原料的合成氨,尿素的生产是劳动密集型产业而中国到目前为止只有劳动密集型行业才具备国际竞争力,而资金密集型和技术密集型产业则是今后的
发展方向.
1 我国合成氨尿素产业存在的问题和不足
(1)原料供应问题
煤炭,石油和天然气是合成氨生产所需的3种基本原料,由于石油价格的高涨,以石油为原料的合成氨,尿素装置已完全失去市场竞争力;以天然气为原料的合成氨,尿素装置,在天然气价格低于018元/m3时才具有较强的竞争力,而6 中氮肥第2期我国天然气资源贫乏,开发利用不足,大部分的生产量集中在四川,新疆和陕甘宁地区,随着全国天然气管网的建设,东部地区对天然气的需求量高速增长,天然气的价格将逐步提高,目前西气东输到上海的价格为112元/m3,从长远来看以天然气为原料的合成氨装置也将失去市场竞争能力;我国煤炭资源丰富,煤炭的市场价格长期低于国际市场(欧洲硬煤的价格是中国的1倍以上),以煤炭为原料的合成氨装置是我国合成氨工业的基础,目前已占合成氨生产总量的65%以上,今后市场份额还将进一步扩大.我国用于合成氨生产的块煤主要产自山西晋城,阳泉及贵州等地,年耗用量高达40000kt以上,随着合成氨工业的高速发展,原料供应不足的问题日益突出,原料价格大幅度上涨,造成合成氨成本升高,推动了尿素价格的上涨.
(2)合成氨技术落后,限制了合成氨能耗的进一步下降近几十年来,我国合成氨生产技术有了长足进步,但是基本上仍然是在20世纪50—60年代基础上进行的不断改进,其改进潜力已不大,至今尚未出现大的革命性突破.
(3)市场空间有限
目前我国合成氨尿素工业的生产规模已占世界的30%以上,尿素产品开始大规模出口.由于合成氨工业作为战略产业,世界各国不可能完全退出,但尿素产品价值低,物流成本高,国际市场尿素贸易额在最高峰时也没超过5000kt/a.国内耕地单位面积的氮肥施用量已超过世界平均水平,虽然我国实际耕地面积可能比统计的高40%左右,但毫无疑问施肥的边际效益已经开始递减,尿素市场的增长空间已经不是很大.合成氨工业作为重要的战略产业,和平时期在军事上的用量不大,目前我国1a新增的尿素产量就达4000kt之巨,因此氮肥企业面临着寻找新的需求增长点的问题.多年以来,化肥企业不断努力寻找肥化结合的路子,但一直未取得明显成效,主要是没有找到象合成氨这样大宗的产品.虽然甲醇是较有希望的一个品种,但传统间歇气化的合成氨装置采用联醇工艺生产甲醇,甲醇产量受有效气成分的制约,醇氨比无法调得过高(醇氨比过高,造气炉的发气能力将急剧下降),无法大规模地生产甲醇.
2 变压吸附技术的发展对合成氨工业的革命性意义 变压吸附技术是国外20世纪60—70年代发展起来的一种新型的气体分离技术,其最大特点是能耗低,最先应用于石化及合成氨工业的尾气提氢,目前已逐步扩展到脱碳及空气的分离.
其应用领域有以下几个方面.
第2期尤 彪:型煤+变压吸附制氧+富氧连续气化组合及其前景 7
(1)使用变压吸附富氧技术实现块煤,型煤连续气化.富氧连续气化是合成氨的一项成熟技术,但由于原来空分制氧装置造价高,每立方米纯氧耗电016kW h以上,加上空装置的规模小(每小时能生产万立方米以上的空分装置20世纪90年代才实现工业化生产),同时前几年煤炭价格低,富氧连续造气在经济上难以过关.目前国内仅有淮化集团,黑化集团,平顶山飞行
化工集团,长山化肥集团等企业采用这项技术.随着煤炭特别是无烟块煤价格的大幅度上涨,加上变压吸附富氧装置的造价和电耗已大幅下降,富氧连续气化技术上已完全成熟,经济上也已具备推广价值.
由于采用连续富氧气化工艺造气炉产气能力可以提高1～115倍,使合成氨的后续系统具备改造扩大生产规模的前提条件,如能推广应用,将迎来我国合成氨工业一次大的发展,在较短的时间,以较少的投入增产合成氨20000kt左右.采用连续富氧造气由于可通过调整富氧浓度使合成氨副产甲醇的醇氨比随意调节,因此仅需不大的投入就可使合成氨工业具备副产甲醇20000～30000kt/a的能力,对于缓解我国石油的短缺具有重要的战略意义.
(2)使用变压吸附技术对合成氨工业气体净化工序进行改造,使合成氨成本大幅下降.脱硫,脱碳,精炼,尾气提氢,氨分离等气体净化工序是合成氨生产过程的重要工序,目前所采用的技术能耗高,效率低,采用变压吸附技术对这些工序进行改造具有革命性的意义.
(3)使用变压吸附技术脱除尿素生产原料
二氧化碳中的少量氢气,可使尿素生产的安全性得到根本保证,避免河北迁安和山东平阴两尿素生产厂尿素合成塔爆炸的事故再次发生(由于生产尿素的二氧化碳混入少量氢气等可燃气体,水溶液全循环法尿素装置的尿塔和中压部分经常发生小的爆炸,造成塔毁人亡的有平阴和迁安两家),同时降低尿素生产能耗.3 UGI间歇气化工艺的升级换代311 UGI间歇气化的现状和升级换代目前国内合成氨工业以块煤为原料的UGI间歇气化工艺占70%以上,采用天然气或者水煤浆为原料的不到30%.自2003年以来,全国出现能源紧张,煤炭供应困难的局面,块煤价格不断攀升,与粉煤价格的差距日益加大,价差达到500元/t以上,导致尿素生产成本的上涨.连续富氧造气对入炉块煤质量的要求较低,利用型煤造气的条件已经具备,这样就使原来不具有使用意义的7～15mm小粒煤得以使用,大大扩宽了合成氨原料来源.如果广泛采用连续富氧气化技术对块煤间歇气化炉进行技术改造,年可节约用于合成氨生产的块煤10000kt以上,大大缓解合成氨块煤供应紧张的状况.312 粉煤制型煤代替块煤并配套连续富氧气化工艺的优势采用粉煤制型煤代替块煤并配套连续富氧气化工艺是我国以块煤为原料的合成氨生产企业首选的改造方案,可以为推动我国合成氨工业的技术进步和原料结构调整做出巨大的贡献.具体优势体现在以下几点.
(1)采用连续富氧气化工艺取消了间歇气化的吹风阶段,减少了吹风气对环境的污染,环保效益显著.
(2)目前国内造气用的优质块煤严重短缺,计划外晋城块煤吨煤价格在900元以上,而粉煤价格仅为400～450元.采用粉煤制型煤代替块煤并配套连续富氧气化工艺,能够摆脱严重依赖块煤造气的困难局面,拓宽原料煤来源并可能拉动块煤价格向粉煤回落,缓解我国合成氨原料块煤供应困难的问题.
(3)采用连续富氧气化工艺能使造气能力提高100%～150%,解决了合成氨生产规模扩大的系统瓶颈问题.
(4)采用粉煤制型煤代替块煤并配套连续富氧气化工艺为我国合成氨的气化技术提供了一个全新,可行的比选方案.通过进一步落实新工艺的各项经济技术指标,与现有几种引进的气化技术相比较,有可能创建一种立足于国内现有原料,具有自主知识产权,环保,经济的合成氨新8 中氮肥第2期气化技术,并且不需要对后工序进行大的改造,是现阶段我国合成氨工业切实可行的改造方案.
(5)采用连续富氧气化工艺,通过提高富氧空气的氧浓度,可随意调节醇氨比,通过少量的技改投入,就可在2～3a使目前国内上百家以煤为原料的合成氨企业联醇产能大幅提高,增产20000～30000kt/a的联醇,甲醇成本极具竞争力.
(6)型煤生产和甲醇扩产是劳动密集型的项目,有利于扩大就业规模,且技术含量不高,便于下岗工人再就业.若以煤为原料的合成氨企业都采用粉煤制型煤并配套连续富氧气化改造联产甲醇,全国可新增5～6万个就业机会,具有极为现实的社会意义.采用粉煤制型煤代替块煤并配套连续富氧气化改造,可以充分发挥我国原煤资源丰富,劳动力便宜的优势,降低合成氨,尿素的生产成本,提高生产能力,走出一条具有中国特色的合成氨工业的技术改造之路,使中国的合成氨,尿素具有较强的国际竞争力.
313 连续富氧气化工艺流程
从空分装置(或变压吸附装置)送来的氧气(或84%的富氧空气),在富氧鼓风机入口与空气混合配制成40%～60%的富氧空气,经富氧鼓风机加压后进入混合器再与蒸汽进行充分混合,然后送往煤气发生炉底部,连续上吹制取煤气,制得煤气从造气发生炉上部出来,进入燃烧室,再经废热锅炉,洗气箱,煤气洗涤塔而后送至后工段.间歇固定层煤气炉装置进行富氧连续气化改造基本上不需要对现有造气系统进行改造,但要注意4个方面的问题:一是煤气炉加焦(或无烟煤)要采用自动加焦机;二是富氧空气鼓风机出口要设安全水封;三是富氧连续制气时燃烧室主要作除尘器使用,除尘措施要加强;四是若与间歇制气系统同时运行,两者的蒸汽总管必须分开,以保证稳定安全生产.
314 间歇造气与连续富氧气化优缺点的比较
(1)间歇法造气炭层温度上下变化大,气体流向周期变化,因此对燃料粒度,热稳定性,灰熔点要求高.而连续富氧气化由于料层温度及介质流向,流量恒定,因而对燃料要求较低,能适应小粒燃料及煤质较差的型煤和低挥发分,机械强度差的无烟块煤,间歇法则不能.
(2)间歇法为了保持料层反应温度,必须进行空气吹风燃烧提温,吹风气放空带走部分热量,造成燃料多余的损失,而且料层温度上下交变造成气化效率低.连续富氧气化由于富氧气进行氧化反应的发热量可以维持气化反应的热平衡,因此床温平稳,热损失少,保证了高气化效率的条件(用焦炭时碳的转化率从50%～60%提高到95%以上),从而节省燃料,使得合成氨生产成本和能耗都有明显降低.
(3)间歇法制气过程是按6个步骤循环进行的,其中空气吹风阶段是料层升温阶段,吹风气放空.这个阶段占了整个循环周期的1/3,致使设备利用率降低,生产能力下降,一般仅为连续富氧气化的50%左右.
(4)间歇法6步循环程控阀,程控机,工艺流程管线复杂,设备,阀门事故率高,维修管理工作量大,操作困难,气体成分不易调节.连续富氧气化的工艺流程则大大简化,程控阀数量大为减少,操作稳定,简单,维修工作量小,气体成分稳定且易于调节.
(5)间歇法的吹风阶段将燃料燃烧吹风排入大气,使燃料中40%的硫化物及大量CO2及部分CO,粉尘直接排至大气,对大气造成严重污染.而连续富氧气化取消了吹风阶段,因而杜绝了大气污染.
(6)间歇法为阶段性操作,主风管,风机,程控阀,放空等对操作环境造成的噪音污染较大.连续富氧气化装置的环境噪音却低得多.
(7)连续富氧气化制得的半水煤气的CO2浓度比间歇气化高6%～8%.在非联醇流程中,由于(H2+CO)/N2大于单纯生产合成氨时对氢氮比的要求,所以后工序要进行补氮,且脱碳负荷也有提高;对于联醇流程,由于甲醇的合成需要消耗大量的(H2+CO),在合适的醇氨比下不需要进行补氮,对后工序的影响是变换负荷降低,脱碳负荷保持不变,高压机的台时总氨产量保持不变.另外,采用变压吸附富氧装置的连续富氧气化制得的半水煤气Ar含量略高,对后工序也有一定的影响,配置有提氢装置的厂家这一问题不是很突出.所以,富氧连续气化特别适宜联醇流程,既满足联醇生产对(H2+CO)的要求,又避免CO2含量高对后工序的影响.综上,无论技术,操作,维修,环保等各方面,连续富氧气化均优于间歇法.
315 连续富氧气化与间歇气化的煤耗对比(1)间歇气化时,吹风阶段所消耗的煤约占总煤耗的40%,其中40%以热量的形式蓄在炭层中用于下阶段制气,另外60%进入吹风气中被浪费;连续富氧气化取消吹风阶段,可节约被吹风气带走的热量,煤耗将下降24%.
(2)间歇气化的炉渣含碳量为20%～25%;连续富氧气化的炉渣含碳量为5%～10%
(3)连续富氧气化的蒸汽分解率高于间歇气化,蒸汽消耗可降低1/3至1/2,这部分蒸汽从200℃到600℃的热焓差值也将影响煤耗.
(4)间歇气化造气炉的热损失按7%计,由于连续富氧气化炉的造气能力提高100%～150%,单位气量的热损失将降低50%～66%,煤耗下降315%～415%.
(5)间歇气化吹风气流量为30000～40000m3/h,连续富氧气化制气气流(富氧空气和蒸汽)总量仅为10000～12000m3/h,同等条件下飞灰量下降1%～2%,煤耗相应下降1%～2%.
(6)连续富氧气化取消了所有的气动阀门,减少了系统的泄漏点.
(7)连续富氧气化比间歇气化的出气温度高,会增加一定的煤耗,但可通过加高炭层来解决.
316 连续富氧气化技术的历史以及无法推广的原因富氧气化生产合成氨原料气的方法试验于1963年,当时化工部在太原召开的全国氮肥工业技改会议上确定太原202厂以阳泉煤为原料进行富氧气化试验(1964年9月21日—11月7日).试验以后许多兄弟厂家都只把富氧气化作为一种辅助手段应用于工业化生产.而淮化集团由于造气能力与合成氨生产能力的不匹配,为了平衡生产降低消耗,始终坚持富氧气化的工业生产,并且把富氧气化技术与自动加焦(煤)机,DCS技术相结合,经过20多年来的不断探索,成功地进行了间歇-富氧两用炉,熔渣炉连续富氧气化炉,自动加焦(煤)连续富氧气化,自动加焦(煤)DCS控制连续富氧气化等先进技术的工业化生产和试验,并取得成功.在原料的使用上,从焦炭富氧气化发展到白煤富氧气化,进而又推广到小仔焦和小块白煤富氧气化,实现了增产降耗,增收节支.20世纪90年代,黑化集团,长山化肥集团和平顶山飞行化工集团也开始采用连续富氧造气.连续富氧气化技术完全成熟且安全可靠,其装置已经连续运行了几十年.该技术未能在全国同行业全面推广,主要原因有以下几条.
(1)连续富氧气化需要大型的配套空分装置.而20世纪末之前,我国尚不能制造10000m3/h的空分装置,引进费用又太高,因而限制了连续富氧气化技术的运用.
(2)20世纪末以前,变压吸附制氧技术尚未成熟,传统空分装置均采用冷冻法生产工艺,氧气制造成本高达015元/m3.以1t合成氨需耗氧500m3计,吨氨的氧气成本已达200元以上.在吨块煤价格高于500元的情况下,经济上难以通过.
(3)当年采用连续富氧气化的厂家大部分均有焦化厂,以焦炭为原料进行连续富氧气化时,由于焦炭的热值低,消耗偏高.间歇法制气时,焦炭的消耗比块煤低10%,而采用连续富氧气化,焦炭的消耗比块煤高5%～10%.加上这几家厂的富氧炉采用高氧浓度操作,形成的优质气补充其他间歇炉的气质,煤耗的核算不准确,未能充分体现连续富氧造气煤耗的下降.
4 型煤技术现状20世纪60年代后,我国中小氮肥企业迅猛发展,合成氨原料煤的供求矛盾日益突出.为了解决原料煤的供应问题,福建省永春合成氨厂在国内率先开发成功了以石灰为粘结剂通过碳化固化的碳化煤球,用于合成氨生产.在90年代以前,碳化煤球几乎是唯一能在实际生产中应用的合成氨气化型煤技术.但由于碳化煤球要加入25%左右的石灰,降低了煤球的含碳量(一般只能达到50%～55%),加之碳化时间过长也带来了一些问题.如:生产设备庞大,石灰,蒸汽的消耗较高;环境污染严重,飞灰量大,管道结钙,影响设备使用周期,工人劳动和设备检修强度大等.同时,以碳化煤球为原料制得的半水煤气中CO2含量高达12%～13%,对后续系统的出力也有一定的影响.
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