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1、固定床造气炉技术改造及新型煤气化技术在我公司的应用 王中刚 秦喜科 山西丰喜肥业（集团）股份有限公司临猗分公司 摘要：在目前我国天然气、油、无烟煤价格较高的情况下，合成氨原料路线改造势在必行。丰喜集团临猗公司在优化固定床造气工艺的同时，积极探索、实践新型煤气化技术，特别是加压循环流化床气化技术的建设实施将有力提升我国煤气化技术水平，对实现合成氨原料煤本地化具有重大意义。 1.氮肥企业原料煤本地化势在必行 我国有丰富的煤炭资源，煤炭是我国的主要能源之一。在煤炭利用技术中，煤气化是煤炭能源转化的基础技术，也是煤化工发展中最重要、最关键的工艺过程之一。国内中小氮肥企业提供了氮肥供
2、应总量的75％以上，对于氮肥行业，尤其中、小氮肥厂来说，煤气化技术对其生存和发展关系尤为密切。 目前全国80%的中小化肥企业采用固定床气化炉制气，原料是山西晋城、阳城的无烟块煤和焦炭，不仅效率低、污染大，而且煤炭运输困难，价格很高。采用Shell、Texaco等先进的气化技术是扩大原料煤种、降低环境污染的重要方法，但是这些煤气化的专利技术基本都掌握在国外大公司的手中，引进这些技术必须支付昂贵的专利费。这不但需要大量的外汇，而且给企业造成了巨大的经济负担。如何根据我国国情解决中小氮肥企业煤气化技术的规模升级，实现原料煤本地化已迫在眉睫。 2.固定床造气炉现状及改造情况 山西丰喜集团创立于1
3、998年6月，是一个集化肥、化工、化工机械制造于一体的国家大型一类企业，是山西省最大的氮肥生产企业之一。临猗分公司是丰喜集团的核心企业，经过多年的发展，目前已形成年产合成氨40万吨、尿素60万吨、甲醇15万吨、复混肥5万吨、液体CO2 0.5万吨、编织袋1000万套的装置规模。 临猗分公司现有三个合成氨厂，总共25台固定床间歇式气化炉，其中φ2600系列18台，φ2400系列7台。造气原料以阳城、阳泉无烟块煤和粒度煤为主，年消耗无烟煤50余万吨，其中含沫量（<8mm）约20%，每年约10万吨，因粒度太小而无法在固定床气化炉上使用，目前外售。 近几年来，我厂投入大量资金进行技术改造，先后完成
4、了皮带机输煤、自动加焦、寻优微机、DCS寻优系统、造气炉扩径等改造，对降低消耗、改善操作环境起到了重要作用。2003年来，我公司规范煤炭采购渠道，对入炉煤精挑细选，严格贯彻“精料、连运、降耗”六字方针，白煤消耗呈不断下降趋势。2005年临猗公司生产合成氨41万余吨，白煤单耗为1238kg/tNH3。 2.1寻优微机改造 固定床造气炉的稳定性是决定煤耗高低的根本，但决定炉况稳定性的外界因素多而不稳，炉内的燃烧及气化状况极其复杂，单纯依靠传统的程序控制达不到满意的效果，往往是操作工靠经验来维持或处理非正常炉况。如何通过现代化的仪控手段和模糊控制理论实现炉况的自调节、自适应是造气人多年的梦想。
5、 从1999年始，我公司经考察决定使用湖南仪峰优化控制技术有限公司开发的造气寻优微机。2001年在12万t/a合成氨造气系统上首先使用了LYJ型DCS控制系统，随后二三分厂也利用大修改造机会实现了产品升级换代。该系统不仅实现了普通DCS具有的数据显示、存储、查询等功能，其独特之处是嵌入了一个炉况专家在线问诊软件（炉况寻优控制专家系统），可在各企业造气生产不稳定的或工艺调试期，通过人机对话，在线指导和辅助造气的工艺调试，大大减少生产的波动期和工艺调试周期。 一分厂共9台φ2650炉，自2001年11月份建成投产以来，无论是烧焦炭、小籽煤还是中大块，单炉发气量都超过9000Nm3/h（测试数据为
6、10037 Nm3/h），单炉日产合成氨超过60吨，年产合成氨能力超过两万吨。在系统未配置氢回收装置情况下，烧三级焦（水分20％左右）吨氨实物耗1550Kg左右，烧小籽（固定炭68-70％，煤矸石含量10％左右）吨氨实物耗1250Kg左右，烧中大块煤，吨氨实物煤耗达1100Kg左右，炉况能做到长周期稳定。2005年一分厂共生产合成氨17.1万吨，白煤消耗1190Kg/tNH3。 多年来的实践证明，长沙仪峰的开发思路是正确的，产品性能越来越稳定、越完善，它不仅仅给操作和管理人员带来了方便，更重要的是为我公司的节能降耗工作做出了贡献。 2.2联合过热器流程改造 我公司二、三分厂造气分别始建于
7、1992年、1996年，造气炉全部采用一炉一器（废锅）一塔（洗气塔）工艺，制气系统阻力大，下行煤气显热不回收，一方面入炉蒸汽品质低，经常带水，造成炉况波动较大，直接影响正常供气，另一方面下行煤气直接进入洗气塔，由于循环水量有限，空塔喷淋，造成洗气塔出口温度居高不下，特别是夏季高温季节影响更甚，直接影响后工段罗茨风机及合成压缩机的打气量，使产量得不到提高。另外，随着装置生产能力的逐步扩大，原有蒸汽系统容量偏低的弊病逐渐显现，也直接影响造气炉的稳定运行。 为进一步稳定工艺，公司决定对现流程进行技术改造，即把目前各炉的废锅、洗气塔及烟囱去掉，增加一组联合过热器及一个洗气塔，烟囱由地面改至除尘器上方
8、降低阻力。同时对蒸汽系统进行相应的扩容改造。三分厂改造于2004年4月1日开工，经5月24日、6月25日两次停车碰口后正式投运。两年的运行实践表明，此次改造取得了显著的节能降耗效果。2005年10月份我们又对二分厂实施了改造，效果明显。 2.2.1实施方案 老系统的改造既要兼顾与现有设备的衔接与拆除，又要尽量减小对正常生产的影响。经多次讨论，决定按以下步骤进行改造： 1、联合过热器、洗气塔、各炉煤总水封就位，煤气总管及烟囱管就位； 2、配洗气塔加水管、过热蒸汽进出口管、入炉蒸汽总管到位； 3、煤气总阀、烟囱阀配套油管到位； 4、停车（第一次停车）置换完毕后，把联合过热器、洗气塔并
9、入现有系统，各炉煤总水封加水至溢流； 5、开车后逐台倒炉进行改造，单炉煤总阀碰口，拆除该炉过热器、烟囱，改造完毕的造气炉并入新系统（新老系统并联运行），直至各炉全部改造完毕； 6、再次停车（第二次停车），甩掉各炉小洗气塔，开车后拆除原有洗气塔。 实践证明改造方案合理，虽然增加了施工难度，但极大的减少了系统停车时间，避免了长时间停车造成的经济损失。 2.2.2改造效果（以三厂为例） 通过改造，系统阻力与煤气温度明显降低，造气系统自产蒸汽明显增大，实现了蒸汽自给，同时入炉蒸汽温度明显提高，且压力波动很小，吹风时间较改造前降低1-2秒（同煤质），由改造前的8台炉全开降低到目前的7台半炉。单
10、炉制气煤气系统阻力由改造前的100mmHg降至60mmHg，洗气塔出口煤气温度由改造前的55℃降至降至40℃左右。各炉夹套自产蒸汽与联合过热器软水加热段所产蒸汽经蒸汽过热器过热后，温度由改造前的130℃增加至190℃左右，带水现象基本杜绝。 此次改造后，单炉发气量提高了800-1000Nm3/h，平均产气量达到8000Nm3/h，供气状况明显改善，达到了节能降耗的目的。以下是2004年投运后部分月份的白煤单耗： 年月份 7月 8月 9月 10月 11月 白煤单耗 (Kg/tNH3) 1277 1263 1240 1238 1225 2005年三分厂生产合成氨
11、15.7万吨,平均煤耗1243Kg/tNH3。 3.新型煤气化技术的应用 多年来，我公司一直跟踪最新煤气化技术的发展及应用情况。结合当地资源状况和本厂实际，制定了“多种气化技术并举，实现原料煤本地化”的发展规划。 2003年4月，我公司引进江苏理工大学王同章教授的专利技术—间歇式流化床粉煤气化炉技术，迈出了使用新型煤气化技术的第一步。该气化炉以2-8mm的粉煤为原料，以空气和水蒸汽为气化剂，通过吹风、制气两个阶段交替运行进行制气，年可消化无烟沫煤3万吨，增产合成氨1.5万吨。后因块末煤的差价缩小等原因暂缓建设。 2004年7月，我公司向国家发改委申报了“合成氨原料路线改造项目”，使用国
12、内自主开发的加压流化床粉煤气化技术生产合成氨，在国内首批获得了国债专项资金支持。 3.1气化压力的确定 我国自行开发的灰熔聚流化床气化工业示范装置2002年成功示范后，多家企业相继使用该技术进行了改造。实践证明该技术具有煤种适应性强、气体成分较好、碳转化率较高、装置经济性较好等特点，但常压装置存在生产强度低、能力规模小、相对投资高、压缩功耗大等不利因素，对现阶段我国氮肥企业众多的0.8MPa变换而言，对1.0MPa气化炉进行工业化示范更具推广意义。 1.0Mpa粉煤气化不仅原料煤的来源范围宽，单炉生产能力大，而且可去掉罗茨机，降低氮氢气压缩机负荷，电能消耗降低40％，节能降耗显著。仅节电
13、一项，就比常压装置节电2／3。在当前我国“煤电油运”日趋紧张的形势下在高能耗的氮肥企业实施该项目具有很大的现实意义。 3.2加压循环流化床粉煤气化技术水平及开发现状 陕西秦能天脊科技有限公司通过自主开发，借鉴国内外加压气化装置的成功经验，目前已就加压（1.0Mpa）气化工艺中的加煤、排渣、高温除尘、深度除尘等关键工业化技术取得较为理想的解决方案。1.0Mpa气化工艺设计包已于2004年5月28日在西安通过了专家论证。该成果的最大特点是技术水平高、投资成本低，投资仅为引进购买国外同类煤气化技术的50％，且设备完全国产化。 论证会专家组对1.0MPa加压气化炉的鉴定意见认为：该工艺设计包是根
14、据国内外煤气化技术发展现状，结合中国国情而开发的具有国际先进水平、可与国外先进煤气化技术相竞争的新一代煤气化技术。 3.3 加压工业示范装置的关键技术 为适应0-6 mm不均匀煤粒的连续加料要求，本装置采用锁斗加螺旋给煤机加煤方式，其关键是加压螺旋给煤机的密封问题。排渣和排灰的关键是高温状态下设备的强度和密封问题。粉尘控制包括粗除尘和深度除尘两大块，其关键是解决加压条件下除尘器进出口接管形式、热膨胀、除尘效率等。 3.4 1.0MPa循环流化床粉煤气化示范工程概况 1.0MPa循环流化床粉煤气化示范工程是国家发改委批准实施的国家级重大示范项目。工艺设计包由陕西秦能天脊科技有限公司提供，
15、甘肃省石油化工设计院承担工程设计。全套装置由煤处理、给煤、气化、除尘、废热回收、煤气洗涤冷却等系统组成，以当地河津烟煤为原料，纯氧气化生产合成氨原料气，生产能力为10万t/a合成氨。全套装置使用DCS系统控制，设备全部实现国产化。 项目总投资7000万元，2005年10月正式破土动工，预计2006年10月建成投产。项目投产后，合成氨单位制造成本降低400元/吨，每年可节约生产成本4000万元。以下为新老造气运行成本对比情况： （1）现有合成氨系统固定床消耗及合成氨成本 项 目 消耗 单位 单价 小计（元） 备注 白 煤 1.3 T/tNH3 700 910
16、 电 耗 54 KWh/tNH3 0.23 12.42 含二改一 蒸汽消耗 T/tNH3 自产自给 回收粉煤 0.032 T/tNH3 150 －4.8 脱 盐 水 2.5 T/tNH3 5 12.5 含二改一 循 环 水 70 T/tNH3 0.10 7 合 计 936.94 （2）加压流化床粉煤气化消耗及合成氨成本 项 目 消耗 单位 单价 小计（元） 备注 原料煤 1.50 T/tNH3 260 390 电 耗 18 KWh/tNH3 0.
17、23 4.14 氧 气 711 Nm3/ tNH3 0.25 177.75 中压蒸汽 -0.966 T/tNH3 65 －62.79 自用有余 回收粉煤 0.05 T/tNH3 150 －7.5 脱 盐 水 2.2 T/tNH3 5 11 循 环 水 36 T/tNH3 0.10 3.6 合 计 516.20 4．结语 总之，在目前我国天然气、油、无烟煤价格较高的情况下，优化固定床造气工艺投资少、见效快，但根本出路还在于原料煤本地化。选择流化床气化技术改造现有固定床工艺，不论从原料来源、经济效益、环保效益和投资来讲，都具有明显的优势，为中小氮肥企业原料路线改造提供了一种良好的选择。1.0MPa循环流化床粉煤气化示范工程的建设将有力提升我国煤气化技术水平，对实现合成氨原料煤本地化具有重大意义，为我公司的下一步发展打下坚实的基础。 4
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