干煤粉气化工艺煤粉输送载气的选择

2021-12-31 09:15
化肥设计 2021年6期
关键词:合成氨煤气化合成气

(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

近几十年来,第二代煤气化技术飞速发展,尤其是干粉煤气化技术在中国取得长足发展,1984年GSP首台商业设备(200 MW)气化炉使用褐煤,粉煤处理能力30t/h,1993年SHELL在荷兰Buggenum建成投产的投煤量2 000t/d的大型干煤粉气化装置运行,开启了干煤粉气化技术新的篇章,随着这些干粉煤气化技术在中国的推广,国内外陆续开发了近十种干煤粉气化技术(见表1)。

上述干煤粉气化技术均有运用的生产装置,大多数已成功工业化。而干煤粉气化工艺的一个重要特点,是干煤粉进气化炉需要载气输送,目前,工业化运用成熟的是采用加压N2或者CO2作为载气输送,其具有连续性好、气化炉操作稳定的特点。本文重点分析、探讨不同载气的选择。

表1 国内外干煤粉气化技术对比

1 不同载气输送的煤气化装置差异

干煤粉气化工艺的干煤粉需要采用惰性气体进行输送,原GSP煤气化工艺和SHELL煤气化工艺开发采用的是N2输送煤粉,且合成气用于发电,N2在粗合成气中含量约8%(φ),若将此合成气用于生产甲醇或CO,N2为惰性组分,对于后续粗合成气处理不利,因此,中国五环工程有限公司(以下简称中国五环)先后在贵州天福项目和神华宁煤项目中,分别在SHELL气化炉工艺和神宁炉气化工艺中采用CO2进行煤粉输送的开发和工程化设计,两个项目开车运行后均取得良好效益。

以下重点介绍投煤量2 000t/d、产12.5万Nm3/h(CO+H2)神宁炉采用N2和CO2输送煤气化工艺的差异。

1.1 煤气化装置中关键设备差异

采用N2和CO2输送煤粉,其煤气化装置配置的设备有显著差异,考虑到N2和CO2的来源差异,在煤气化装置开车阶段,N2输送煤粉还需要保留,同时,因CO2特性的差异增加部分设备,其详细差异见表2。

表2 煤气化关键设备差异对比

1.2 煤气化装置工艺性能指标的差异

由于N2在煤气化过程中为惰性组分,而CO2在煤气化过程中为活性组分,两种不同载气输送煤粉,对煤气化装置工艺性能指标产生一定差异,其主要差异对比(典型数据)见表3。

2 煤气化装置采用不同载气输送煤粉生产不同产品的差异

两种不同载气输送煤粉的气化装置所产粗合成气的差别、输送煤粉载气的来源差别,导致相配套工艺的配置和消耗差别较大,以下以投煤量2 000t/a、产12.5万Nm3/h(CO+H2)神宁炉,采用N2输送和CO2输送煤气化分别生产合成氨和甲醇(典型工艺)为例,对比说明其配置差异和原料及公用工程消耗差异。

表3 煤气化装置工艺性能指标差异对比

(1)采用N2输送煤粉和CO2输送煤粉生产合成氨,其原料及公用工程消耗对比见表4。

从表中看出,干煤粉气化采用N2输送煤粉生产合成氨的经济性要优于CO2输送煤粉。

(2)采用N2输送煤粉和CO2输送煤粉生产甲醇的原料及公用工程消耗对比见表5。

表4 N2和CO2输送煤粉生产合成氨的原料及公用工程消耗对比

表5 N2和CO2输送煤粉生产甲醇的原料及公用工程消耗对比

从上表看出,干煤粉气化采用CO2输送煤粉生产甲醇的经济性要优于N2输送煤粉。

3 干煤粉气化装置载气输送煤粉的分析

3.1 N2作为载气输送煤粉

用N2作为载气输送煤粉,空分装置可以提供不同等级N2,相对空分装置流程配置简单,高中压N2可以采用液氮泵来供给,如果煤气化装置为合成氨生产合成气,氮气用量较大,空分需采用氮气循环流程,用于输送煤粉的载气N2就可以成为合成氨的一部分原料 N2的来源,合成气中N2不够,在液氮洗时进行配氮补充。因此,输煤N2作为产品的原料气,整个工艺装置流程相对较为简洁。

如果煤气化装置为甲醇生产合成气,N2作为载气输送煤粉,煤气化所产粗合成气中N2含量将达到8%,去甲醇合成的新鲜合成气中占比达9%,惰性气含量太高,大大影响甲醇合成的效率,尤其是甲醇合成和循环气压缩机能耗大幅增加,甲醇合成单元的有效气损失,导致投资增加。

另外,煤气化装置生产相同有效气(CO+H2)量,在用N2作为载气输送煤粉时,总气量比CO2输煤大3.7%,相对投资和能耗要稍高些。

3.2 CO2作为载气输送煤粉

煤气化装置考虑用CO2作为载气输送煤粉时,N2作为载气输送煤粉的系统仍然要保留,只是这套系统作为开车使用,配置可以按临时性来设计。空分装置可以考虑按临时性设计思路提供氮气,全厂用氮量会大幅减少,空分可以采用空气循环流程,能耗大幅减少。

如果煤气化装置为合成氨生产合成气,CO2作为载气输送煤粉时,相较于N2作为载气输送煤粉,CO2压缩功要高于空分增加的能耗,后续CO变换因CO和CO2浓度高,需要消耗的外加蒸汽多,CO2浓度高也会导致低温甲醇洗冷量消耗也高,但是液氮洗的H2损失少。

4 结语

中国五环近三十年来完成了大量的干煤粉气化装置,在干煤粉输送载气的选择上,需要根据后续产品来综合考虑。

(1)干粉煤气化工艺生产合成氨,从投资、消耗以及生产操作的角度看,选择N2作为载气是经济、可靠的选择。

(2)干粉煤气化工艺生产甲醇或其他CO/H2等下游产品,选择CO2作为载气是较为经济的选择,同时要充分考虑开车期间N2载气系统的设置和N2/CO2切换的问题。

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