专利名称:两段炉煤气化制合成氨原料气工艺的制作方法
本发明属于固定床循环法煤气化工艺的改进。
目前使用的固定床循环法煤气化工艺主要有两种形式，一种是以U.G.I.固定层煤气发生炉为代表的间歇气化法，另一种是以I.G.I.为代表的两段炉循环气化法。传统的U.G.I.煤气发生炉间歇制气工艺，只能使用焦炭和无烟煤为原料，如果使用非无烟煤则存在着甲烷含量高，焦油等干馏产物及含油酚水乳化严重难以处理等问题，而不宜作合成氨原料气。为了充分利用烟煤、次烟煤及褐煤，第二次世界大战前意大利I.G.I.公司发展了两段式气化炉。在[“I.G.I.两段炉烟煤气化制氨”《小氮肥设计技术》No.6，P.20～27(1984)]文献中，斯·维拉(S.Villa)，奥·汉森(O.Hansen)，皮·彼德森(B.Pedersen)介绍了意大利I.G.I.公司为选择最佳固定床煤气化和煤气处理工艺，曾做过对比研究，指出了循环法仅在焦炭或无烟煤气化时才能加以考虑。因此，使用两段炉非无烟煤循环法气化工艺目前还只是用来生产城市煤气。在[《Town gas from coal(cyclic process)，Section(c)》Coal，gasi-fication seminar，People′s Republic of China(Beijing，Shenyang，Shanghai)May 1984]文献中，斯·维拉(S.Villa)，奥·汉森(O.Hansen)，皮·彼德森(B.Pedersen)介绍了I.G.I.两段炉循环法煤气化制城市煤气的工艺过程，其制气过程按吹风、蒸汽吹净、上吹制气、下吹制气和二次蒸汽上吹五个阶段循环进行，用液压(或气压)自动控制机构进行控制，每个循环持续3～5分钟。生产的水煤气，经进一步处理，如增加热值及CO转换等制成合于要求的城市煤气。
如果想用上述的工艺生产合成氨原料气，则需将生产的水煤气进一步处理，如设置空分装置以进行配氮等工艺。但这就使生产的投资和成本大大提高，并使工艺复杂化，因而是不经济的。
为了克服现有技术的不足，本发明对两段炉循环法煤气化工艺加以改进，应用煤，特别是非无烟煤为原料，采用两段炉循环气化工艺可以直接生产合成氨原料气，为合成氨生产开创一条就地取材、充分利用本地区廉价的非无烟煤原料，使合成氨生产成本大幅度降低、经济效益显著提高的工艺改造途径。
一种以煤为原料两段炉循环法煤气化工艺，其特征在于每个循环过程包括有吹风、上吹制气，下吹制气、二次上吹及空气吹净五个阶段，在下吹制气阶段配入空气，并在上吹制气阶段进行分气操作及控制上段气出口温度，直接生产合成氨原料气。
为了使用煤，特别是非无烟煤为原料，采用两段炉循环法气化工艺直接生产合成氨原料气，本工艺在下吹制气阶段配入适量的空气(其空气气量由合成氨生产系统的物料平衡确定)，并且在上吹制气阶段加入分气操作，使上吹制气阶段所产生的混合煤气(即上段气)与下吹制气阶段所产生的半水煤气完全分离，且上吹制气阶段所产生的水煤气与干馏气在炉内部分地分离，然后将上吹制气阶段所产生的自干馏段通气道引出的净煤气(即下段气)与下吹制气阶段所产生的多氮煤气在合成氨原料气气柜混合作为合成氨原料气(即半水煤气)。由于这部分煤气是由气化段的中温半焦气化产生，所以煤气中甲烷含量降至1.5%以下，焦油含量降至0.2克/标准米3以下。同时，由于在气化过程中只有部分煤气通过干馏段的煤层，故干馏气量少，可以采用间接冷却分离煤气中的冷凝水和焦油，避免了含油酚水的乳化，使酚水易于处理。所以本发明克服了上述原来存在的问题，实现了采用非无烟煤为原料两段炉循环法气化工艺直接生产合成氨原料气的目的。
为了进行分气操作，在两段炉的上段气和下段气的出口处设置了温度调节器控制二只电动(或气动)调节阀，通过对上吹制气进行分气操作，控制直接通过干馏段煤层的煤气量，实现控制上段气出口温度在100～150℃，其最佳温度范围因煤种不同而异，一般在115～125℃，以确保煤的完全干馏，生产合格的合成氨原料气。
在本发明的工艺中，在下吹制气阶段配入下吹蒸气中的空气量，取决于合成氨原料气生产系统的物料平衡，在循环过程中，由下吹制气及空气吹净二个阶段带入合成氨原料气系统中的氮气量要满足合成氨原料气中(CO+H2)/N2＝3.1～3.2的要求。
两段炉非无烟煤循环法气化工艺过程中，煤的干馏与气化过程在炉内同时进行，气化操作正常与否，关键在于煤的干馏程度是否完全。在两段炉循环法气化工艺中，煤的干馏主要有两种形式一种是直接干馏(也称内热干馏)，一种是间接干馏(也称外热干馏)。作为煤的干馏介质(也称热载源)，如果是以吹风气直接干馏煤层，则从两段炉上段出口引出的干馏煤气作为动力煤气;如果是以上吹煤气直接干馏煤层，则从上段气出口引出的干馏煤气作为城市煤气;煤经过干馏后成为半焦，进入气化段进行气化，所产生的煤气作为合成氨原料气。这三种煤气气量的比例可以按需要进行调节，即可以全部生产合成氨原料气;也可以生产合成氨原料气联产动力煤气;或生产合成氨原料气，联产城市煤气及动力煤气(也可不联产动力煤气);或全部生产城市煤气。如果以生产合成氨原料气为主，联产动力煤气或全部生产合成氨原料气时，则吹风气全部作为干馏煤的内热干馏热载源，其工艺流程如下附图是本发明的工艺流程图其中1.自动加煤机 10.洗气塔2.干馏段 11.竖管冷却器3.气化段 12.第一电除焦油器4.回转炉篦 13.间接冷却器5.灰斗 14.第二电除焦油器6.旋风除尘器 A1、A2温度调节阀7.废热锅炉 B1动力煤气阀8.烟囱 B2城市煤气阀9.洗气箱 C合成氨原料气阀块煤(特别是非无烟块煤)20-40毫米，膨胀指数≤2，固定碳含量≥30%由自动加煤机(1)从炉顶间歇加入两段炉(冷壁炉或热壁炉)上部的干馏段(2)。煤在干馏段(2)内被气化段(3)来的吹风气缓慢加热，煤在加热过程中生成干馏煤气、热解水、焦油和中温半焦。热解的中温半焦从干馏段(2)下降至气化段(3)约经6-8小时，温度从常温升至700-800℃，煤的含水量越高，所需的干馏(加热)时间也越长。
本发明工艺操作中，每个循环分吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹和空气吹净五个阶段，每个循环的时间延续2.5～4分钟。
(1)吹风阶段来自鼓风机的空气从炉底进入气化段(3)内，进行燃烧反应，提高炉温。吹风气离开气化段(3)后约800℃进入干馏段(2)的煤层，进行煤的干馏。干馏煤气、热解水与焦油蒸汽随吹风气从上段气出口经阀A1引出，热值约为600大卡/标准米3，温度约120℃，经竖管冷却器(11)，用碳化工段清洗塔来的稀氨水饱和降温，以利于电除焦油器的操作。出竖管冷却器(11)气体温度约80～100℃，进入第一电除焦油器(12)，将重质焦油除下，然后进间接冷却器(13)，将气体温度降至60℃左右，大部分热解水冷凝排入污水池，气体进入第二电除焦油器(14)将轻质焦油和少部分煤气中的水份清除，出第二电除焦油器(14)的煤气可以作为动力煤气，经阀B1去动力煤气气柜。
(2)上吹制气阶段蒸汽从两段炉底部进入气化层，进行蒸汽分解反应生成CO、H2、CO2等气体，离开气化段(3)，煤气进入干馏段(2)的通气道，进行煤的外热干馏，经下段气出口上的阀A2引出，温度约600℃，经旋风除尘器(6)除尘后，在废热锅炉(7)回收煤气显热，产生3公斤/厘米2的低压蒸汽，出废热锅炉(7)后，煤气温度约180℃，经洗气箱(9)、洗气塔(10)进一步除尘降温至40℃左右经阀C去合成氨原料气气柜。煤在外热干馏时，分解的干馏煤气、热解水及焦油蒸汽自两段炉上段气出口经阀A1引出，经竖管冷却器(11)、第一电除焦油器(12)、间接冷却器(13)、第二电除焦油器(14)冷却、净化经阀B4去动力煤气气柜，冷凝的煤气水排入污水池，焦油排入焦油贮槽。为了控制动力煤气的热值，满足内燃机的要求(一般在1200大卡/标准米3左右)，可以将上吹煤气分出一部分进行直接干馏，随干馏煤气去动力气柜。
(3)下吹制气阶段蒸汽与配入的适量空气(其气量由合成氨生产系统的物料平衡确定)自干馏段(2)的通气道进入气化段(3)，蒸汽、空气与炽热的碳层进行燃烧与蒸汽分解反应，生成CO、H2、N2、CO2等多氮煤气，自炉底部引出，温度约200℃，经洗气箱(9)、洗气塔(10)除尘降温后去合成氨原料气气柜。
(4)二次上吹阶段下吹制气结束后，需将炉底空间的下吹煤气排净，为空气吹净做好准备。进行二次蒸汽上吹，煤气流程同上吹制气。
(5)空气吹净阶段此部分吹风气加以回收，作为合成氨原料气中氮的来源之一，煤气流向也同上吹制气。
在吹风、上吹制气阶段中，上段气及下段气二路气量的分配取决于干馏段的热平衡，通过干馏段的气量越大，则上段气出口温度越高。当上段气出口温度低于本工艺因煤种而异的最佳控制温度，例如低于120℃时，煤的干馏热量不足，温度调节器自动动作，开大上段气出口调节阀A1，关小下段气出口调节阀A2，加大直接干馏的煤气气量，以提高干馏层温度;当上段气出口温度高于本工艺指定的控制温度，例如高于120℃时，温度调节器动作，关小上段气出口调节阀A1，开大下段气出口调节阀A2。在吹风阶段，如果上段气温度高于本工艺根据煤种而异的控制温度，例如150℃，则程控机自动打开烟囱阀，将一部分吹风气直接经干馏段(2)的通气道和下段气出口引出经烟囱放空。用这种控制方式可以达到煤的干馏最佳化操作。
本发明如果全部生产合成氨原料气，则操作同上，但其动力煤气部分放空。
本发明也可以在生产合成氨原料气的同时联产城市煤气及动力煤气，即当以上吹煤气作为煤的内热干馏热源将煤完全干馏时，出干馏段的煤气作为城市煤气。它与以生产合成氨原料气联产动力煤气的工艺相比，区别仅在于(1)吹风阶段以制合成氨原料气为主的工艺，吹风气全部通过干馏段(2)的煤层，吹风气出炉后经冷却、净化去动力煤气气柜;而在联产城市煤气时，吹风气经气化层后大部分从干馏段(2)的通气道经旋风除尘器(6)、废热锅炉(7)、然后经烟囱(8)放空，仅有少量吹风气通过干馏段(2)的煤层作为内热干馏热源从上段气出口引出，经冷却、净化后去动力煤气气柜。此部分吹风气气量的多少也取决于上段气出口的温度。
在吹风阶段，如果上段煤气温度低于本工艺因煤种而异的控制温度，例如低于100℃，则程控机自动关闭烟囱阀，吹风气直接进入干馏煤层，提高干馏层的温度。
(2)上吹制气阶段当生产合成氨原料气联产动力煤气时，水煤气出气化层大部分经干馏段(2)的通气道和下段气出口经除尘、回收显热后去合成氨原料气气柜，仅有少量煤气通过干馏段(2)的煤层(此部分煤气气量的多少也取决于上段煤气出口的温度)，与干馏气混合，从上段气出口引出，经冷却、除焦油后去动力煤气气柜;而在联产城市煤气时，由于上吹煤气是作为煤的主要内热干馏热载源，所以通过干馏段煤层的煤气量较大，干馏气经上段气出口引出经冷却、净化后经阀B2去城市煤气气柜。
如果工艺上对联产的动力煤气的热值要求较高，可按需要控制部分城市煤气(即上段气)进入动力煤气气柜。
当生产合成氨原料气联产城市煤气，不联产动力煤气时，则动力煤气部分放空。
当全部生产城市煤气时，与全部生产合成氨原料气工艺流程的不同仅在于下吹制气中不配入空气，同时空气吹净采用蒸汽吹净。
以上各种制气工艺，可以根据需要进行选择。在每种制气工艺中，三种煤气的气量比例、组份及热值可以按需要通过分气操作和调节循环过程中各制气阶段的时间分配等方法进行调节，使用程控机(或电子计算机)控制循环过程。本工艺生产的城市煤气，其中CO含量在30%左右，热值在3000～3200大卡/标准米3左右。如果要求较低的CO含量，可通过CO变换或CO甲烷化等手段达到要求。如需要较高的热值也可以通过增热的办法介决。
本发明工艺中所产生的各种煤气，可以使用色谱仪自动采样分析，也可以使用其它方法进行分析。
由于本发明可使用各种劣质煤，如贫煤、气煤、长烟煤及褐煤直接生产合成氨原料气、动力煤气和城市煤气，同时本工艺操作简单，易于掌握，所以应用范围广泛，可用于合成氨厂制备合成氨原料气;或在制备合成氨原料气的同时附产动力煤气进行发电或生产中、低压蒸汽，为本厂及社会提供动力需要;也可以在生产合成氨原料气的同时联产城市煤气及动力煤气(或不联产动力煤气);或只生产城市煤气供中、小城市的民用需要等。
本发明的工艺克服了现有固定层循环气化工艺直接生产合成氨原料气对原料煤要求高的缺点，使合成氨生产可以就地取材，综合利用廉价的贫煤、气煤、长烟煤及褐煤等非无烟煤，成本可将低80-100元/吨氨，因而企业的经济效益可显著提高。
由于本发明可以联产城市煤气，所以它又是建设城市煤气气源站的一条经济合理的途径。对于年产1.5万吨的小合成氨厂，联产的城市煤气可供14万人口的民用需要，其投资及运行费用比单独建煤气站低约50%，煤气出厂成本＜0.1元/标准米3，煤气的热值在3000-3200大卡/标准米3。
又因本发明还可联产动力煤气，如果采用可靠的燃气轮机和废热锅炉相结合，可使合成氨系统的低位热能充分利用，减少合成氨系统对外供电的依赖，有利于蒸气的自身平衡。
此外，现有的小合成氨厂改造为本发明的制气工艺，除城市煤气及动力煤气部分需新上装置外，合成氨生产部分变动也比较小，实施本发明的方案改造容易进行。
实施例1两段炉循环法煤气化生产合成氨原料气联产动力煤气工艺炉结构冷壁式两段炉，炉径φ2260毫米，总高12000毫米，其中干馏段高6100毫米煤种及粒度朔里煤(烟煤)，20-40毫米上段煤气温度控制120℃循环过程延续时间3分钟循环过程时间分配吹风25%上吹制气30%下吹制气35%二次上吹6%空气吹净4%使用液压程控机控制循环过程，循环过程中各阶段各有关阀门的控制情况见表1-1本工艺生产的各种煤气及其组分、热值和气量比例见表1-2表1-1吹风 上吹 下吹 二次上吹 吹净 停车吹风阀 开 关 关 关 开 关蒸汽总阀 关 开 开 开 关 关上吹蒸汽阀 关 开 关 开 关 关下吹蒸汽阀 关 关 开 关 关 关下吹空气阀 关 关 开 关 关 关城市煤气阀 关 关 关 关 关 关动力煤气阀 开 开 关 开 开 关下段煤气阀 关 开 关 开 开 关下吹煤气阀 关 关 开 关 关 关烟囱阀 关 关 关 关 关 开表1-2合成氨原料气(%) 动力煤气(%)H240.80 2.00CO 27.20 8.00CO28.90 17.00N221.60 70.00CH41.10 2.00CnHm 1.00H2S 微量(约1.5克/标准米3)O20.40热值(千卡/标准米3) 546气量比(标准米3/时·台) 2800 2200实施例2两段炉循环法煤气化生产合成氨原料气联产城市煤气工艺炉结构冷壁式两段炉，炉径φ2260毫米，总高12000毫米，其中干馏段6100毫米煤种及粒度朔里煤(烟煤)，20～40毫米上段煤气温度控制120℃循环过程延续时间3.5分钟循环过程时间分配吹风22%上吹制气30%下吹制气38%二次上吹6%空气吹净4%使用电子计算机控制循环过程，循环过程中各阶段各有关阀门的控制情况见表2-1本工艺生产的各种煤气及其组分、热值和气量比例见表2-2，其中的动力煤气部分放空。
表2-1吹风 上吹 下吹 二次上吹 吹净 停车吹风阀 开 关 关 关 开 关蒸汽总阀 关 开 开 开 关 关上吹蒸汽阀 关 开 关 开 关 关下吹蒸汽阀 关 关 开 关 关 关下吹空气阀 关 关 开 关 关 关城市煤气阀 关 开 关 开 开 关动力煤气阀 开 关 关 关 关 关下段煤气阀 关 开 关 开 开 关下吹煤气阀 关 关 开 关 关 关烟囱阀 开 关 关 关 关 开表2-2合成氨原料气(%) 城市煤气(%) 动力煤气(%)H240.80 49.62 2.00CO 27.20 34.13 8.00CO28.90 8.68 17.00N221.60 72.00CH41.10 6.45 1.00C2H60.61C3H80.49CnHmH2S 微量(约1.5克/标准米3) 0.30(克/标准米3)O20.40热值(千卡/标准米3) 3057 320气量比(标准米3/时·台)1650 880 2000
权利要求
1.一种以煤为原料两段炉循环法煤气化工艺，其特征在于每个循环过程包括有吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹及空气吹净五个阶段，在下吹制气阶段配入空气，并在上吹制气阶段进行分气操作及控制上段气出口温度，直接生产合成氨原料气。
2.按权利要求
1所述的工艺，其特征是于其分气操作是通过调节设置在两段炉上段气和下段气出口上的两只调节阀，并控制上段气出口温度为100-150℃下进行的，最佳温度范围是115-125℃。
3.按权利要求
1所述的工艺，其特征在于下吹制气阶段配入的空气气量是根据合成氨原料气生产系统的物料平衡确定的。
4.按权利要求
1、2、3所述的工艺，其特征是可以同时联产城市煤气及动力煤气，三种煤气的气量比例、组分和热值可以根据需要进行调节。
专利摘要
本发明是两段炉循环法煤气化工艺的改进。为克服现有两段炉循环法煤气化不能直接生产合成氨原料气及固定层间歇气化炉对固体燃料要求高的缺点，本发明将两段炉制气过程分为吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹和空气吹净五个阶段循环进行，在下吹制气中配入适量空气，并对上吹制气过程进行分气操作及控制上段气出口温度直接生产合成氨原料气，同时可以联产城市煤气及动力煤气。三种煤气的气量比例、组分和热值可根据需要进行调节。
文档编号C10J3/04GK86105803SQ86105803
公开日1988年6月1日 申请日期1986年7月24日
发明者孔祥琳, 沈树荣, 阎承信, 戎兴汉 申请人:化工部科学技术研究总院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan