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增氧间歇式气化生产合成氨原料气

2014-8-13 13:41:23      点击:

摘要本专利技术论文主要通过在制气阶段增氧,来保证热量的充分利用,极大限度的增加气化反应蒸汽分解率,从而增加造气炉的发气量;同时在造气炉热量平衡的基础上又相应的缩短了吹风时间,减少吹风气的排放,即节能又减排。此外本论文列举出三种增氧装置的特点,同时还对某企业的成功应用该项技术进行了效益分析,希望广大造气同仁对增氧气化技术有更进一步的认识。

 增氧间歇式气化生产合成氨原料气

湖北省·  武汉世纪凤飞节能环保技术工程有限公司

一、   概述

间歇式气化生产合成氨原料气,是一种放热和吸热循环平衡的过程,利用空气和蒸汽作为气化剂,在固定床层造气炉内进行固相燃烧与气化、气相燃烧、气相反应,反应系统中还包括热裂解反应,是一种间接式恢复制气过程消耗热量的工艺过程。其质和量受到入炉空气中氧含量的限制,不容易发挥生产装置的效率,能耗高,产气量低,污染严重。针对间歇式气化生产合成氨原料气长期存在的问题,我们开发了专利技术“增氧间歇式气化生产合成氨原料气”和“增氧气化专用控制装置”。

该技术是在原生产装置基础上,在间歇式气化生产合成氨原料气五个循环过程中,为了优化吹风、上行、下行、吹净各阶段入炉空气中氧气含量,根据在线分析半水煤气的成分的变化,以及固定床层造气炉型的不同,自动控制各个气化阶段循环比和各阶段入炉空气中的含氧浓度,充分发挥吹风和制气氧化反应的效率,尽量弥补吹风时积蓄在炉子中而在制气时蒸汽分解生成半水煤气需要消耗的热量,即在制气过程中增加氧以增加热量,从而把炉温稳定在较高水平,以充分发挥有效碳和蒸汽的利用效率。经多个企业长期生产实践证实,实现了优化半水煤气质量和增加半水煤气的产量、减少吹风和制气过程中不必要的有效碳和蒸汽的损失,大幅度降低原料煤和蒸汽的消耗,减少了 CO2和硫化物的排放。

二、   增氧间歇式气化技术方案特点

增氧间歇式气化技术是在原有造气生产装置基础上,配置相应生产能力的制氧装置和工艺、仪表装置,充分发挥吹风、制气加氮、吹净有效碳的氧化作用,优化床层气化条件。其具有以下特点:

1) 煤炭在增氧空气的作用下得到充分的燃烧,提高了煤炭和蒸汽利用率。

2) 原料煤在高浓度氧的助燃下,提高了炉温,使蒸汽与炽热的炭层分解反应时产生的有效气体中一氧化碳和氢的含量增加,相应的二氧化碳含量减少,提高了半水煤气的质和量。

3) 增氧空气吹风可缩短吹风加热时间,减少吹风气生成量,大幅度减少 CO2温室气和硫化物有害气体的排放,节省原料煤消耗,增加了制气时间,因而增加了煤气产量。

4) 在增氧的作用下有了好的燃烧条件,对于一些劣质煤也能得到燃烧利用,更有利使用人工型煤生产,扩大了原料煤的利用范围,可大幅度降低产品成本,给企业创造了巨大的经济效益。

5) 增氧气化技术对原有造气工段进行改造,不需停产,不改动原有工艺流程,不影响正常生产,其投资省,时间短,见效快。

6) 配备了专用的增氧气化控制器,可不必改变原有的操作规程,根据所生产的半水煤气成分和炉温等参数自动调节入炉空气中的氧含量,并可在条件成熟的造气车间自动调节循环比时间,优化稳定炉温,稳定炉况,充分发挥有效碳、蒸汽的利用率和造气炉的生产能力。生产管理及操作人员容易掌握。

7) 本技改推荐 VPSA PSA 变压吸附制氧装置,能耗低,占地面积小,生产稳定,一次性投资比较节省,不需增加生产管理人员。

三、   本专有技术与现有生产技术比较

本技改经实践证实:改造简单、生产稳妥可靠、见效很快、容易实现。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 1:传统工艺与专利工艺大致比较

项目

传统工艺

专利工艺

吹风阶段

采用空气,时间长、气量大、电耗高

采用增氧空气,时间短、气量少、电耗低

上行制气阶段

采用空气+蒸汽,蒸汽分解率低

采用增氧空气+蒸汽,蒸汽分解率高

下行制气阶段

采用蒸汽,蒸汽分解率低、CO2量多

采用增氧空气+蒸汽,蒸汽分解率高、CO2量少

原料煤消耗

氧浓度增加 1%,节煤>60.87kg/tNH3

蒸汽消耗量

氧浓度增加 1%,节蒸汽>41kg/tNH3

原料煤质量

适应较低煤质,节省成本

环境污染

CO2及硫化物污染大户

氧浓度增加1%,实现减排 CO250.98Nm3/tNH3硫化物>0.85Nm3/tNH3

四、   制氧装置的选择

目前我国工业化空气分离制氧技术有三种方法:深冷空分法、PSA VPSA 变压吸附法、膜分离法,各种制氧技术特点如下:

1) 深冷空分特点:装置规模必须大型化,制氧规模达到4000078000m3/h,才能显示单位能耗低,装置投资费用低。

2) VPSA PSA 变压吸附特点:制氧纯度在 90%93%,<5000m3/h制氧规模装置,具有较深冷空分投资和生产成本低的特有优势。

3) 膜分离法特点:制氧浓度达到28%30%,装置规模10003500m3/h尚处于开发阶段。装置规模<2500m3/h,制氧浓度在28%30%装置是能满足本技术需要的。

4) 根据以上三种制氧装置特点比较,变压吸附制取富氧空气,一次性投资省,能耗较低,使用方便,占地面积少,使用寿命较长,操作及维护费用低等特点,本技改推荐 VPSA 变压吸附法制氧装置。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 2:三种空气分离制氧技术用于工业生产的比较

项目

深冷空分法

VPSA 变压吸附法

膜分离法

设备经济规模

10000m3/h

5000m3/h

101000m3/h

氧气纯度

高纯:99.3%

中纯:90%93%

低纯:28%30%

制氧压力

加压

常压~真空

负压

制氧能耗    kWh/m3

0.650.55(16km3/h

0.370.5

0.12

产品氧回收率

90%

45%60%

 

产品可调性

较难

较易

较易

设备启动出产品时间

数小时

数分钟

数分钟

装置占地面积

较大

要一定安全距离

较小

装置寿命

永久性

分离填料>10

5

装置建设投资

规模越小,单位投资越

高,规模>6000m3/h 单位投资越低,优于 VPSA

产气量在1503500m3/h内单位投资低于深冷空方法

10002000m3/h  规模内单位投资低于 VPSA 法、深冷空分法

设备特点

主机重量大,结构复杂制作困难,操作维护复杂,需熟练工操作,供货周期长,设备投资大,安装费用较高

主机重量轻 ,动力设备少,制造容易,操作灵活,开停车简便 ,可无人操作,维修简单,设备投资较小,安装费用较低

主机简单运转设备小,操作简便,可无人操作,开停车方便,维修简单,设备投资较少,安装费用较低,但膜部件制作困难

五、   专用的控制系统

增氧气化的特点是增氧的作用比较明显、对炉温的影响较快较大,因此需要谨慎地实时控制增氧的浓度。而造气炉的操作是间歇式的而且原有的监测点比较少,因此常规的手段难于实现精确的控制。为了实现增氧气化的工艺要求,必须配备必要的专用控制系统。目前有两种增氧气化的专用控制系统。Ⅰ型:配备专用的嵌入式控制器和氧浓度调节系统,实施基本的氧浓度调节和超温保护;Ⅱ型:实施造气车间的自动化改造,可做到考核到单炉,实现单炉的优化,使增氧的效果比较完善的得到保证。具体可以做到统计单炉的发气量和煤耗、统计单炉的蒸汽用量、通过增氧浓度调节、蒸汽用量调节、炉篦转速调节、制气循环阶段时间百分比调整等手段使炉况、蒸汽分解率、发气量和半水煤气质量尽量优化和稳定。

六、   某企业生产原始数据

根据厂方提供的表 3 原始生产数据,采用增氧制气技术,分别进行增氧吹风和制气过程效果分析。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 3:某企业原始生产数据

项目

指标

项目

指标

自然条件

标准大气压

1.0×105Pa

操作条件

单炉耗原料煤量

66.7t/d

当地大气压

1.01×105Pa

空气入炉压力

28000Pa

年平均气温

15

空气鼓风机流量

36000m3/h

循环时间分配

150s

上吹

40

半水煤气

气体成分

%

H2

38.5

下吹

59

CO

33

吹风

40

CO2

7.8

二上吹

8

O2

0.3

吹净

3

N2

18

原料煤

成分

%

C

74.94

CH4

2.4

H+O

3.13

吹风气

气体成分

%

H2

0.8

N

0.85

CO

5.0

S

0.02

CO2

17.5

A

15.76

O2

0.3

W

5.3

N2

76

实物煤发热量

6358kcal/kg

CH4

0.4

吨氨原料气消耗量

3300Nm3

吹风气温度

250

炉渣量

240kg/t

造气炉一天有效运行时间

24h

炉渣含碳量

48kg/t

造气炉一年有效运行时间

330d

单炉合成氨产

53t/d

 

一台风机供几台炉

 

5 台φ2650 4 台φ2800

煤炭入炉价格

1250 /t


七、   增氧气化效果分析

7.1、 增氧吹风的效果

原间歇式气化吹风过程,仅是利用自然空气中21%含氧量弥补制气过程蒸汽分解消耗的热量。吹风时间长短,空气流量多少,无非是利用入炉空气中的氧气含量,氧化燃料产生热量平衡制气过程消耗和热量的损失。此过程一直存在吹风气带出大量的显热和潜热,原料煤消耗量较大。如果采用增氧空气吹风,可缩短吹风时间,减少吹风气带出的显热和潜热损失。

增氧空气吹风是本技改较重要的一步,根据企业耗氧能力,固定床层造气炉物料均匀分布的结构改造的具备条件,能实施增氧空气吹风,是比较理想的一步。但需要慎重考虑几点:

1)   吹风过程消耗增氧空气量较大,是加氮空气用量的近 34 倍,如果吹风空气中提高 1%(由原来的21%提高至 22%)的氧含量,需要补充 30Nm3/h左右的纯氧气量,氧气消耗量太大,增加了产品成本。

2)   目前固定床层造气炉物料虽能基本均匀分布,但肯定存在局部偏流现象,一旦增氧空气氧含量过高,会造成局部偏流过氧烧结炭层,进而严重影响生产。

3)   增氧空气吹风既可减少吹风时间,增加制气时间,又可减少吹风气的生成量,节省(COCO2CH4生成量及带出物和热量)原料煤的损失。如果能解决较大制氧能力和造气炉局部偏流现象,可逐步提高入炉空气中氧气含量,同样可以大幅度实现节能减排的目的。

根据某合成氨生产企业原始生产数据,吹风过程采用 25%增氧空气,经生产实践证实其效果见表5

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 4:四炉采用 25%含氧浓度空气吹风的消耗量

项目

指标

氧消耗量

吹风气氧浓度

26%

制氧装置供气量

130.4Nm3/t

自然空气量

2227.3Nm3/t

混合后增氧空气量

1798.8Nm3/t

吹风空气减少量

428.5Nm3/t

混合吹风消耗氧气量

467.7Nm3/t

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 5:四炉采用 25%含氧浓度空气吹风的效果

项目

技改前

技改后

效果

吹风百分比    %

18.0

13.48

4.5

吹风时间    s

22.32

16.720

5.6

吹风空气量  Nm3/tNH3

3296.4

2662.28

634.1

吹风气生成量 Nm3/tNH3

3426.52

2404.25

1022.27

吹风潜热损失热量Nm3/tNH3

409.3

287.22

122.13

吹风显热损失煤量Nm3/tNH3

96.29

67.56

28.73

原料煤损失量

505.64Nm3/tNH3

354.78Nm3/tNH3

150.85Nm3/tNH3

24642.92t /a

17290.93t /a

7352.00t /a

CO2排放量

548.24Nm3/tNH3

384.68Nm3/tNH3

163.56Nm3/tNH3

硫化物排放量

10.28Nm3/tNH3

7.21Nm3/tNH3

3.07Nm3/tNH3

从表 4、表 5 可看出吹风时间、原料煤耗、CO2排放量及硫化物排放量各项指标都在大幅度下降。经计算,采用含氧 25%的增氧空气吹风,不仅减少 5.4%的吹风时间,节省原料煤量:123.46kg/tNH3,减少 CO2 排放量:18848.8t/a,硫化物排放量:164498.4Nm3/a,还可降低鼓风机的动力负荷。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 6:半水煤气成分变化表

半水煤气成分    %

半水煤气产量    Nm3/t

组分

原生产

技改后

效果

原生产

技改后

效果

N2

18.00

18.00

0.00

594.00

703.70

109.70

CH4

2.40

2.40

0.00

79.20

93.83

14.63

O2

0.30

0.26

-0.04

9.9

10.20

0.30

CO2

7.80

5.82

-1.98

257.4

227.51

-29.89

CO

33.00

35.02

2.02

1089.00

1369.1

280.07

H2

38.50

38.50

0.00

1270.5

1505.14

234.64

合计

100

100

0.00

3300

3909

609.45

7.2、 增氧空气加氮制气的效果

7.2.1、 半水煤气成分的变化

如果采用1000Nm3/h含氧浓度为90%VPSA变压吸附制氧装置,与造气鼓风机来的自然空气按吨氨需要氮气量混合,可使加氮增氧空气中氧含量达到31%,加氮空气中所增氧气含量达到111.52Nm3/tNH3,增加了蒸汽分解时消耗的热量,充分发挥了有效碳和蒸汽分解的效率,增加半水煤气中COH2,有效气量大幅度增加。其半水煤气成分经物料及热量平衡计算结果变化如表 6

本专利技术的目的:就是希望充分发挥有效碳的作用,提高蒸汽分解的效率,增加H2CO有效气体的产量,节省原料煤和蒸汽的消耗,减少原料煤消耗所产生CO2和硫化物气体的排放。

7.2.2、 节能减排的效果

采用 1000Nm3/hVPSA变压吸附制氧装置,制氧浓度 90%93%,供氧压力 0.05MPa。四台造气炉如果选用 1000Nm3/h 制氧装置,使加氮增氧空气中含氧浓度达到 28.7%时,物料及热量平衡计算效果如表 7

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 7:制气时仅用 993.91Nm3/h 增氧空气加氮效果

项目

技改前

技改后

效果

制氧装置供氧浓度 %

 

90

90

入炉增氧空气浓度 %

21

28.9

7.9

制氧装置供氧量  Nm3/h

 

993.91

993.91

混合加氮增氧空气量Nm3/tNH3

729.11

810.1

81.01

其中:O2 含量

153.1

234.13

81.01

N2 含量

576.00

576.00

 

炭层增加反应热量kCal/tNH3

56600

204701.6

148101.6

增加半水煤气产量 Nm3/tNH3

3200

3606.48

406.48

增产合成氨量 tNH3/a

87450

98558

11108

增加合成氨折成原料煤节省量

1.259t/tNH3

1.117t/tNH3

0.142t/tNH

110099.6t/a

97690.4t/a

12409t/a

增产合成氨折成节省蒸汽量

2.500t/tNH3

2.218t/tNH3

0.282t/tNH

218625t/a

193984.1t/a

24640.9t/a

制气强度     Nm3/m2/h

1280.92

1526.67

245.75

气化过程总效率    %

79.38

89.462

10.08

减少 CO2 排放量   Nm3/tNH3

2901.03

2788.7

112.33

减少硫化物排放量  Nm3/tNH3

30.75

29.19

1.56

节省原料煤效益  万元/a

1551.15

节省蒸汽效益    万元/a

295.69

消耗氧气成本    万元/a

141.69

经济效益        万元/a

1705.15

投资回收时间  

5.6

7.2.3、 投资回收期

以上分析效果是根据该公司提供的原始生产数据,确定五台φ2650mmUGI型固定床层造气炉,采用 1000Nm3/h 含氧浓度为>90% VPSA 变压吸附制氧装置,进行增氧间歇式气化的经济效益。

技改工程总投资:800 万元;

原合成氨产量:87450t/a

原料煤为自然块煤:含碳量 74.94%

入炉煤价:1250 /t

蒸汽价格:120 /t

节省原料煤效益:1570.50 万元/a

节省蒸汽效益:299.38 万元/a

消耗氧气成本:143.69 万元/a

经济效益:1570.50+299.38-143.69=1726.2 万元/a

投资回收期:800/1726.2×12=5.56 个月。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 8:技改前后效果

项目

技改前

技改后

效果

吹风空气

及氧消耗量

吹风气氧浓度    %

21

30

9

制氧装置供气量

 

200.82Nm3/t

200.82Nm3/t

 

2518.3Nm3/h

 

自然空气量

2518.26Nm3/t

 

 

混合后增氧空气量

 

1762.78Nm3/t

 

自然空气减少量

 

956.30Nm3/t

 

混合吹风消耗氧气量

 

180.74Nm3/t

 

增氧空气

吹风的效果

吹风百分比    %

26.7

16.56

10.1

吹风时间    s

40.05

24.841

15.209

吹风空气量Nm3/tNH3

3170.5

2219.34

951.1

吹风气生成量Nm3/tNH3

3295.64

2044.13

1251.51

吹风潜热损失煤量Nm3/tNH3

539.5

334.63

204.88

吹风显热损失煤量Nm3/tNH3

70.07

43.46

26.61

节省原料煤量

609.57Nm3/tNH3

378.09Nm3/tNH3

231.48Nm3/tNH3

50076.25t /a

31059.95t /a

19016.30t /a

减少 CO2 排放量

576.74Nm3/tNH3

357.72Nm3/tNH3

219.01Nm3/tNH3

93065.83t/a

57724.37t/a

35341.45t/a

减少硫化物排放量

9.89Nm3/tNH3

6.13Nm3/tNH3

3.75Nm3/tNH3

812210.9Nm3/a

503776.4Nm3/a

308434.5Nm3/a

                    

7.3、 增氧空气吹风和制气的效果

如果一次性投入增氧空气吹风、上行、下行和吹净,需要增设含纯氧  90%浓度制氧装置生产能力为2500Nm3/h。吹风和吹净增氧空气含氧浓度<25%,需要供氧量 1500Nm3/h。上行、下行增氧空气含氧浓度>28.9% 。其综合经济效益如下:

技改工程总投资:2100万元;

节省原料煤总量:150.85+142= 292.85kg/tHN3(25609.7t /a)

节省蒸汽量:0.142×87450=12417.9t/a

减少 CO2排放量:18848.78+19296.04=38144.82tCO2/a

减少硫化物排放量:164498.4+171826.6=336325Nm3/a

消耗氧气成本:2500×0.48×0.35×24×330/10000=332.64万元/a

经济总效益:25609.7×1250/10000+299.38-332.64=3168万元/a

投资回收期:2100/3168×12=7.9 个月。

这项增氧间歇式气化生产合成氨原料气技术,已在浙江某年产 5 万吨合成氨厂和江苏某年产 50 万吨合成氨厂等五个企业,经长期生产实践证实:不仅取得非常理想的经济效果,还为全球作出减少温室气排放的巨大社会效果,为我国特有的 UGI 型固定床层造气炉开辟了新的前景。

为了更进一步提高增氧空气浓度,特别是增氧空气吹风,必需要解决目前 UGI 型固定床层炉的物料均匀分布问题,否则会造成局部偏流过氧造成结疤现象,恶化稳定生产。因此,我公司开发了造气炉进出物料均匀分布和稳定空层高度及炉内回收上行出口气体带出热量新型结构等四部分技术改造,有利提高增氧空气浓度,更进一步稳定和提高造气炉生产能力。

若能将吹风的增氧空气中含氧浓度达到 30%,吹风和吹净过程技改前后比较可从表 8 看出其效果。若能将制气的增氧空气中含氧浓度达到 35%,制气过程技改前后比较可从表 9 看出其效果。

表格  SEQ 表格 \* ARABIC 9:制气过程技改前后比较

项目

技改前

技改后

效果

制氧装置供氧浓度    %

 

90

90

入炉增氧空气浓度    %

21

35

14

制氧装置供氧量    Nm3/h

 

1926.65

1926.65

混合加氮增氧空气量    Nm3/tNH3

729.11

886.2

157.04

其中:O2 含量

153.1

310.15

157.04

N2 含量

576

576

 

炭层增加反应热量    kCal/tNH3 

56600

396806.2

340206.2

增加半水煤气产量    Nm3/tNH3

3200

3987.95

787.95

增产合成氨量    tNH3/a

87450

108983

21533.2

增产合成氨折成原料煤节省量

1.259t/tNH3

1.010t/tNH3

0.249t/tNH3

110099.6t/a

88345.8t/a

21753.7t/a

增产合成氨折成节省蒸汽量

2.500t/tNH3

2.006t/tNH3

0.494t/tNH3

218625t/a

175428.5t/a

43196.48t/a

制气强度    Nm3/m2/h

1280.92

1774.32

493.40

气化过程总效率    %

79.38

98.924

19.55

减少 CO2 排放量

3918.59Nm3/tNH3

3689.5Nm3/tNH3

229.09Nm3/tNH3

342680534Nm3/a

322646550Nm3/a

20033984Nm3/a

减少硫化物排放量

45.91Nm3/tNH3

42.69Nm3/tNH3

3.21Nm3/tNH3

5054165.7Nm3/a

4700201Nm3/a

353964.6Nm3/a

节省原料煤效益    万元/a

2719.22

节省蒸汽效益    万元/a

518.36

消耗氧气成本    万元/a

274.66

经济效益    万元/a

2962.91

投资回收时间   

3.2

如果一次性投入增氧空气吹风、上行、下行和吹净,五台φ2650mm 规格固定床层造气炉,需要增设含纯氧 90%浓度制氧装置生产能力为 4500Nm3/h。吹风和吹净增氧空气含氧浓度<30%,需要供氧量 3000Nm3/h。 上行、下行增氧空气含氧浓度>35%,需要供氧量 1500Nm3/h

综合经济效益如下:

技改工程总投资:2800 万元;

节省原料煤总量:231.48+249=480.5kg/tHN3(42019.7t /a)

节省蒸汽量:0.494×87450=43200t/a

减少 CO2 排放量:35341.45+39392.5=74694t/a

减少硫化物排放量:308434.5+353964.6=662399Nm3/a

消耗氧气成本:4500×0.48×0.35×24×330=598.8 万元/a

经济总效益:42019.7×1250/10000+518.36-598.8=5172万元/a

投资回收期:2800/5172×12=6.5个月。