Reforming Medium-sized Fertilizer Plant
Using TEXACO Coal-water slurry
Pressurized Gasification Process

Zeng Qingchun　Han Wen
(National Research and Engineering Center for
Coal-water Slurry Gasification
and Coal Chemical Industry 277527)

　　Abstract　It is in our urgent need of developing modern coal chemical industry, clean coal power generation and reforming medium-sized coal-based fertilizer plant with advanced coal conversion technology. This article only discusses the plan of reforming the medium-sized fertilizer plant TEXACO coal gasification process in stead of fixed bed gasifier.
　　Key words　TEXACO, coal-water slurry, pressurized gasification, medium-sized fertilizer plant, reform

1　TEXACO水煤漿氣化工藝的特點(diǎn)
　　自美國(guó)TEXACO(德士古)公司開發(fā)出加壓水煤漿氣化工藝技術(shù)(TCGP)制取合成氣以來，該工藝已在合成氨、甲醇、含氧化合物、潔凈煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)等方面得到成功的應(yīng)用。該技術(shù)也是當(dāng)前世界上發(fā)展較快的第二代煤氣化技術(shù)，TEXACO水煤漿氣化工藝是將一定粒度的煤粒及少量添加劑與水在磨機(jī)中磨成可以用泵輸送的非牛頓形流體，與氧氣或富氧在加壓及高溫狀態(tài)下發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)制得高溫合成氣，高溫合成氣經(jīng)輻射鍋爐與對(duì)流鍋爐間接換熱回收熱量(廢鍋流程)，或直接在水中冷卻(激冷流程)。廢鍋流程的氣體經(jīng)進(jìn)一步冷卻除塵后，通過燃?xì)廨啓C(jī)與其副產(chǎn)的高壓蒸汽實(shí)現(xiàn)潔凈的煤氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)；激冷流程的氣體用作制造一碳化學(xué)品、合成氨。由于是在加壓及連續(xù)操作下進(jìn)行，從而簡(jiǎn)化了工藝，又因其三廢排放少屬環(huán)境友好型工藝。其主要特點(diǎn)如下：
　　(1)氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備氣化爐屬于加壓氣流床濕法加料液態(tài)排渣設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無機(jī)械傳動(dòng)裝置。
　　(2)開停車方便，加減負(fù)荷較快。
　　(3)煤種適應(yīng)較廣�？梢岳�用粉煤、煙煤、次煙煤、石油焦、煤加氫液化殘?jiān)�等�?BR>　　(4)合成氣質(zhì)量好。CO+H₂≥80%且H₂與CO量之比約為0.77，可以對(duì)CO全部或部分進(jìn)行變換以調(diào)整其比例用來作合成氨、甲醇等，且后系統(tǒng)氣體的凈化處理方便。
　　(5)合成氣價(jià)格低。在相同條件下，天然氣、渣油、煤制合成氣，合成氣的綜合價(jià)格以煤制氣最低。
　　(6)碳轉(zhuǎn)化率高。該工藝的碳轉(zhuǎn)化率在97%～98%之間。
　　(7)單爐產(chǎn)氣能力大。由于德士古水煤漿氣化爐操作壓力較高(一般為4.0MPa～6.7MPa)，又無機(jī)械傳動(dòng)裝置，在運(yùn)輸條件許可下設(shè)備大型化較為容易，目前氣化煤量為2 000t/d^.臺(tái)的氣化爐已在運(yùn)行。
　　(8)三廢排放有害物質(zhì)少。

2　TEXACO水煤漿氣化工藝原理
　　TEXACO水煤漿氣化屬氣流床氣化工藝技術(shù)，即水煤漿與氣化劑——純氧在氣化爐內(nèi)特殊噴嘴中混合，高速進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室，遇灼熱的耐火磚瞬間燃燒，直接發(fā)生火焰反應(yīng)。微小的煤粒與氣化劑在火焰中作并流流動(dòng)，煤粒在火焰中來不及相互熔結(jié)而急劇發(fā)生部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)在數(shù)秒內(nèi)完成。在上述反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，因此產(chǎn)生的煤氣在離開氣化爐之前，碳幾乎全部參與了反應(yīng)。在高溫下所有干餾產(chǎn)物都迅速分解轉(zhuǎn)變?yōu)榫�相水煤氣的組分，因而生成的煤氣中只含有極少量的CH₄。
　　氣流床氣化的特點(diǎn)是每個(gè)煤粒均被氣流隔開，每個(gè)顆粒能單獨(dú)膨脹、軟化、燃燒盡及形成熔渣，而與鄰近的顆粒毫不相干。燃料顆粒不易在塑性階段凝聚，從而燃料的粘結(jié)性對(duì)氣化過程不會(huì)產(chǎn)生大的影響。
　　TEXACO水煤漿氣化爐所得煤氣中含有CO、H₂、CO₂和H₂O四種主要組分，它們存在如下平衡關(guān)系：
　　CO+H₂O=CO₂+H₂
　　在氣化爐的高溫條件下，上述反應(yīng)很快達(dá)到平衡，因此氣化爐出口的煤氣組成相當(dāng)于該溫度下CO水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的平衡組成。

3　TEXACO水煤漿氣化工藝流程
　　TEXACO水煤漿氣化工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中有兩種流程：即廢熱鍋爐流程和激冷流程。根據(jù)合成氣的用途可選用其中任一流程。
3.1　廢鍋流程簡(jiǎn)介
　　＜10mm的煤經(jīng)計(jì)量進(jìn)入濕式煤磨機(jī)，與定量加入的水、添加劑、助熔劑(煤的灰熔點(diǎn)T₃＞
1 350℃時(shí)則需加助熔劑，以降低灰熔點(diǎn))磨成含固量為60%～70%的水煤漿，其粒度分布為全部通過8目，99%通過14目，通過325目的占35%～55%(其數(shù)字與煤種有關(guān))。水煤漿經(jīng)柱塞隔膜泵送入氣化爐頂部燒嘴，與制氧車間來的氧氣(含氧量大于99%)在燒嘴出口混合霧化進(jìn)入約1 400℃的氣化爐內(nèi)，煤漿中的碳和水在高溫下迅速發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫合成氣進(jìn)入輻射鍋爐和對(duì)流鍋爐降溫初步除塵后，煤氣進(jìn)入文丘里除塵器和煤氣洗滌塔，進(jìn)一步除塵送至氣體凈化車間。隨高溫氣流流動(dòng)的熔渣，在輻射鍋爐內(nèi)與輻射管內(nèi)鍋爐水進(jìn)行熱輻射傳遞后，進(jìn)入輻射鍋爐底部被灰水冷卻成粒狀玻璃體，定期經(jīng)鎖斗排放到渣池內(nèi)外運(yùn)。氣化爐內(nèi)黑水定量排出，黑水中細(xì)炭灰經(jīng)沉降、過濾返回磨機(jī)(廢鍋流程多用在發(fā)電上)。
3.2　激冷流程簡(jiǎn)介
　　激冷流程前半部分與廢鍋流程相同。不同之處是，氣化爐產(chǎn)生的高溫合成氣經(jīng)下降管與來自激冷環(huán)，沿下降管管壁流動(dòng)的灰水，在下降管內(nèi)和下降管與上升管間環(huán)隙形成的二相流進(jìn)行輻射和對(duì)流、傳熱與初除塵。被水激冷的含飽和水蒸氣的合成氣，經(jīng)文丘里除塵器和煤氣洗滌塔進(jìn)一步除塵后，送至氣體凈化車間。熔渣和黑水處理同廢鍋流程。

4　TEXACO水煤漿氣化工藝的關(guān)鍵技術(shù)
4.1　煤漿制備
　　TEXACO公司經(jīng)多年研究，在水煤漿中加入添加劑以降低煤漿的粘度，使其易于輸送和使煤漿中水在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不析出。根據(jù)煤種的類別及工業(yè)分析、元素分析，確定水煤漿的各種粒度分布比例來提高煤漿的含固量，達(dá)到不易析水又能輸送的最佳含固量值。一般情況，在同等條件下的褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤制漿濃度依次增大，也即煤化程度深的煤吸水性能和親水性能較差，適宜形成以煤粒為主的固液混合體系，易得高濃度煤漿，但煤粒易于從煤漿中沉降出來。煤化程度深的煤活性差，煤漿中通過325目的量就應(yīng)越大。目前TEXACO公司在洛杉磯的“蒙特彼洛實(shí)驗(yàn)室”，我國(guó)的“水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心”本部和“水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心水煤漿氣化開發(fā)研究部”(西北化工研究院)，均能根據(jù)煤的工業(yè)分析、元素分析、煤的可磨指數(shù)等化學(xué)和物理數(shù)據(jù)，推薦最經(jīng)濟(jì)的添加劑、最佳煤漿濃度、預(yù)測(cè)氧煤含量之比、合成氣成分等。并在中試裝置上進(jìn)行一周左右的試燒，最后為德士古公司編制工藝軟件包提供可靠的數(shù)據(jù)。更為重要的是在試燒中得到今后生產(chǎn)系統(tǒng)所依據(jù)的灰水中鈣、鐵、鋁、硅等化合物含量，選取最佳的穩(wěn)定劑及絮凝劑，以確保正常生產(chǎn)的進(jìn)行。
4.2　煤漿輸送
　　由于煤漿粘度大(1 000mPa^.s～3 000mPa^.s)且含有大量固體顆粒，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備部件磨損很快，因此煤漿的輸送多選用隔膜柱塞泵。
4.3　燒嘴技術(shù)
　　TEXACO公司多年研究開發(fā)了三流道燒嘴，開發(fā)了耐溫、耐磨的制造燒嘴材料以及燒嘴結(jié)構(gòu)。目前燒嘴的材料仍在不斷改進(jìn)中。
4.4　耐火磚技術(shù)
　　TEXACO水煤漿氣化爐燃燒反應(yīng)室內(nèi)襯耐火磚，其不但需要耐高溫而且要求能抵抗煤灰熔渣(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)的浸蝕。目前水煤漿氣化爐用向火面耐火磚，采用以氧化鉻為主添加少量氧化鎂或氧化鋯的耐火材料。耐火磚的砌筑設(shè)計(jì)，既保證高溫氣體不能串到爐壁引起氣化爐壁超溫，又要便于能局部更換。
4.5　激冷室降溫除塵技術(shù)
　　由于氣化爐是在較高壓力下操作，為使高溫的合成氣迅速冷卻下來，在氣化爐燃燒反應(yīng)室下部設(shè)氣化爐的激冷室，其中有將灰水均勻分布沿下降管內(nèi)壁均勻流下的激冷環(huán)。下降管和上升管組成的二相流上升環(huán)隙及擋液板等設(shè)計(jì)，目的是要在最短時(shí)間、最小分離空間達(dá)到高溫氣體冷卻飽和及初除塵。
4.6　排渣技術(shù)
　　粒狀玻璃體的煤渣自激冷室底部排出至鎖斗內(nèi)儲(chǔ)存，選用灰渣極不易進(jìn)入閥座與閥芯間的耐溫、耐磨、快速開關(guān)的球閥。排渣系統(tǒng)采用一套邏輯控制系統(tǒng)操作。

5　改造以煤為原料的中型化肥廠技術(shù)方案介紹
　　我國(guó)眾多的以煤為原料的中型化肥廠，經(jīng)過多年的改造，合成氨能力已突破10萬t/a，已具備采用TEXACO水煤漿氣化工藝的條件。根據(jù)魯南化肥廠第二氮肥廠(合成氨設(shè)計(jì)能力為8萬t/a，氣化爐一開一備)開車的經(jīng)驗(yàn)，備用爐不需要長(zhǎng)時(shí)間熱備用；如無備用爐，單臺(tái)爐年可運(yùn)行280 d以上。為減少改造投資及改造期間企業(yè)停產(chǎn)的損失，改造工程設(shè)計(jì)最終規(guī)�？蔀�18萬t/a合成氨(兩臺(tái)氣化爐)。第一期工程先建設(shè)一套TEXACO氣化爐(與常壓UGI氣化爐互為備用)及一套空氣分離裝置，并增設(shè)年產(chǎn)2.2萬t甲醇的聯(lián)醇裝置，以減少銅洗裝置的改造。在一期工程將完成建設(shè)安裝時(shí)，舊系統(tǒng)首先改造備用壓縮機(jī)的低壓段為雙高壓壓縮機(jī)，凈化車間改造成新舊氣化均能通過。在一期工程投產(chǎn)后，用一年半時(shí)間進(jìn)行第二期改造工程建設(shè)(再建一臺(tái)德士古氣化爐、一套空氣分離裝置及氣體凈化、合成氨和尿素車間)，待第二期工程投產(chǎn)后，可以停下舊造氣裝置，實(shí)現(xiàn)全部新工藝生產(chǎn)。
　　有以下條件的中型化肥廠采用TEXACO水煤漿氣化工藝技術(shù)最為有利：
　　(1)合成氨能力已達(dá)8萬t/a以上；
　　(2)采用了耐硫變換，有NHD脫除硫化氫、二氧化碳裝置，或碳酸丙烯酯脫二氧化碳裝置。變換裝置及脫碳裝置的最佳操作壓力為2.7MPa。
5.1　工廠建設(shè)規(guī)模
　　開工天數(shù)：310d
　　年合成氨產(chǎn)量：18萬t/a(一期：9萬t/a；二期全部建成后達(dá)18萬t/a)
　　年聯(lián)產(chǎn)甲醇：22 000t/a
　　日產(chǎn)合成氨：第一期工程：290t/d　(12.083t/h)
第二期工程：580t/d　(24.167t/h)
　　日產(chǎn)甲醇：　　　　　　　　70t/d　(2.917t/h)
　　TEXACO氣化壓力：3.0MPa～4.0MPa，推薦壓力為4.0MPa
　　TEXACO氣化用煤：除褐煤外任何煤種均可，從經(jīng)濟(jì)效益考慮，灰熔點(diǎn)最好低于1 350℃。
　　TEXACO氣化用氧氣　氧氣純度96.0%～99.6%(視后系統(tǒng)需要定)。
　　一期工程建設(shè)時(shí)間為2年，二期工程建設(shè)時(shí)間為1.5年。
5.2　工程改造工藝流程(圖1)

圖1　改造工藝方框流程圖

　　注：1)有底紋的為需局部進(jìn)行改造裝置；有下劃線斜體黑字的為原有不改造裝置；無下劃線無底紋的為新建裝置。