【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴(kuò)建增產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國七十至九十年代先后重復(fù)引進(jìn) 30 多套大化肥裝置 ,耗費(fèi)巨額資金 ,在提高了化肥生產(chǎn)技術(shù)水平的同時 ,也受到國外的制約。今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)和消化吸收引進(jìn)的工藝技術(shù) ,自力更生 ,立足國內(nèi) ,走出一條具有中國特色的社會主義民族工業(yè)的發(fā)展道路。過去引進(jìn)建設(shè)一套大型化肥裝置 ,耗資數(shù)十億元。當(dāng)今走老廠改造擴(kuò)建的道路 ,可使投資節(jié)省 1/2— 2/3。節(jié)省的巨額資金 ,用作農(nóng)田水利建設(shè)和農(nóng)產(chǎn)品深加工 ,將在加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展 ,提高農(nóng)民生活水平 ,縮小城鄉(xiāng)差距起著重要用。 發(fā)展史 作為占我國能源資源 70％的煤炭，能否加快推進(jìn)煤炭氣化產(chǎn)業(yè)，在減少環(huán)境污染的前提下釋放更大的能效出來，這無疑對 十一五 發(fā)展規(guī)劃的起步具有重要的戰(zhàn)略意義。 目前，在國內(nèi)火力發(fā)電是重頭。據(jù)國家發(fā)改委副主任張國寶披露，截至去年，在國內(nèi)總裝機(jī)容量中，煤電占 ％，水電占 ％，核電占％。至于可再生資源發(fā)電，其所占的比重微乎其微。 一份數(shù)據(jù)表明，煤炭火力發(fā)電站的能源利用率一般為 48％至 50％，使用煤炭氣化發(fā)電技術(shù)可把能源利用率提高大約幾個百分點到十幾個百分點不等。而煤炭氣化過程中產(chǎn)生的氮氧化物和硫化物等有害氣體也將比直接燃燒煤炭減少 20％以上。 我國煤炭氣化的正式起步始于上個世紀(jì) 80 年代。當(dāng)時，在徐州、唐山、山東等 10 余個礦區(qū)先后進(jìn)行試驗。從 2021 年起，山東新汶礦務(wù)局煤炭氣化步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)中熱值煤氣，供民用及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。此前唐山劉莊煤礦煤氣主要用于工業(yè)鍋爐燃燒。 一般說來，煤炭氣化分為地上與地下氣化兩種。前者以煤炭作為原料，以氧或氫作氣化介質(zhì)，控制氧化程度，使煤炭轉(zhuǎn)化成為一氧化碳、氫和甲烷等可燃性氣體。后者的原理與前者基本一致，區(qū)別僅在于是在未經(jīng)開采的煤層中進(jìn) 行。 由于地下氣化集建井、采煤、地面氣化三大工藝為一體，通過對煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w，可作為燃料、化工原料、城市煤氣或用于提取氫氣與建設(shè)坑口電廠發(fā)電，具有安全性好、投資少、效益高、污染少等特點，目前深受世界各國重視。 從目前進(jìn)展看，我國地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗階段，不盡如人意。專家分析指出：產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程停滯，技術(shù)難題尚未破，政策措施不到位，這三大問題是導(dǎo)致上述結(jié)果的直接原因。 煤炭地下氣化的目的在于應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。近幾年來，國內(nèi)不少企業(yè)，這其中不乏煤炭的大型企業(yè)，紛紛看好煤炭地下氣化技 術(shù)，但煤炭價格的不斷飚升，效益唾手可獲，因此 繼續(xù)挖煤 ，不愿意冒太大的風(fēng)險，投資止步不前。 據(jù)調(diào)查， 煤炭地下氣化在實現(xiàn)商業(yè)化前必須攻克五大難點，這就是氣化爐型與結(jié)構(gòu)、單爐產(chǎn)量服務(wù)年限與成本、提高煤氣質(zhì)量與數(shù)量、地下氣化爐密閉與安全、地下氣化爐氣化工藝測控。 對地下氣化的研究，一般需要建立煤炭氣化試驗研究基地。選擇 1～ 2 個有代表性的煤種（煙煤、無煙煤等）、煤層（厚度、傾角等）和用戶（民用燃料、發(fā)電、化工原料）作為試驗基地，開展多項技術(shù)攻關(guān)與研究。但缺乏支持力度，尚為空白。 相關(guān)資料顯示，在國際上 ，煤炭地下氣化技術(shù)，俄羅斯、美國、德國和日本處于領(lǐng)跑者的地位。 據(jù)悉，美國的煤炭氣化技術(shù)現(xiàn)擁有移動床氣化裝置、流體床氣化裝置、夾帶氣化裝置三大類。而煤炭的綜合氣化裝置具有第二代氣化技術(shù)的特點，能確保發(fā)電廠機(jī)組發(fā)電能力達(dá)到100 兆瓦至 300 兆瓦，可與現(xiàn)有的商業(yè)性發(fā)電廠競爭。 開發(fā)煤炭氣化復(fù)合發(fā)電技術(shù)是日本電力公司的主攻方向。這是指首先在氣化爐里用 1600℃ 到1800℃ 的高溫把煤炭氣化，使之推動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；然后，再利用廢氣廢熱制造水蒸氣，推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 據(jù)統(tǒng)計，我國排放的二氧化硫的 90％、氮氧 化物的 70％來自燃煤，這其中 50％左右來自火電廠，電廠每發(fā) 1000 瓦時火電向大氣中排放 公斤二氧化硫。在去年，其排放總量接近 1600 萬噸。按此速度，到 2025 年前后，我國二氧化硫排放量將超過美國，居全球第一。 為此，專家再次發(fā)出呼吁，煤炭深加工及煤炭氣化刻不容緩，它不僅是我國未來能源產(chǎn)業(yè)的重要出路，更是當(dāng)前減少大氣污染的重要途徑 第二章 合成氨煤炭氣化原理與生產(chǎn)方法的選擇及論證 煤炭氣化 原理 煤炭氣化 是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機(jī)質(zhì)與氣化劑（如蒸汽 /空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有 CO、 HCH4 等可燃?xì)怏w和 CO N2 等非可燃?xì)怏w的過程。 煤炭氣化 時，必須具備三個條件，即 氣化爐 、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。 氣化過程主要化學(xué)反應(yīng) （ 1） C+H2O CO+H2 （ 2） Na2CO3+H2S==NaHCO3+NaHS （ 3）利用水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下： ① 2H2(g) + CO(g) CH3OH(g)；Δ H＝－ kJ mol1 ② 2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g)；Δ H ＝ － kJ mol1 ③ CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)；Δ H ＝ － kJ mol1 總反應(yīng)： 3H2(g) + 3CO(g) CH3OCH3(g) + CO2(g)的Δ H ＝ kJ mol1 ；一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高 CO 的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是減少 CO2的濃度；分離出二甲醚。 氣化過程的物理化學(xué)基礎(chǔ) 煤炭在煤氣發(fā)生爐內(nèi)氣化的過程有兩類型的反應(yīng)，即非均相反應(yīng)和均相反應(yīng)。前者是氣化劑與煤炭或者煤焦的反應(yīng)，后者是氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互作用或氣化劑的反應(yīng)。煤炭的氣化過程是一個熱化學(xué)過程，影響其化學(xué)過程的因素有很多，除了氣 化介質(zhì)、燃料接觸方式影響外，其工業(yè)條件的影響也必須考慮?？偟膩碚f煤炭在煤氣發(fā)生爐的反應(yīng)主要表現(xiàn)為煤炭與水蒸汽的反應(yīng)、煤炭與一氧化碳的反應(yīng)、煤炭與二氧化碳的反應(yīng)、煤炭與氫氣的反應(yīng)等幾個主要反應(yīng)。 合成氨造氣所需原料、來源及生產(chǎn)方法的選擇與論證 主要原料 及 來源 (1) 合成塔進(jìn)口氣體組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當(dāng)氫氫比為3時，對于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動力學(xué)角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成 反應(yīng)氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。 惰性氣體 (CH Ar)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)因而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體的存在，無論從化學(xué)平衡還是動力學(xué)上考慮均屬有弊。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)致原料氣消耗量增加。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。由于原料氣制備與凈化 方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。 當(dāng)其它條件一定時，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。對于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關(guān)。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。操作壓力 300atm 時，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時，為 ～ ％。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫化物。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產(chǎn)危害卻很大。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設(shè)備管道。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中總硫含量為 (重量 )以下。 為防止 CO 和 CO2對催化劑的毒害，規(guī)定 CO 和 CO2總含量不得多余 20ppm[5]。 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。 氮?dú)鈦碓从诳諝?，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。 氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料 ，它取決于用什么方法制取。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制。現(xiàn)在工業(yè)上普遍采用以焦炭、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。 生產(chǎn)方法的介紹 ： 煤氣化法按不同的分類有多種，分?jǐn)⑷缦拢? （ 1）制取低熱值煤氣方法，煤氣熱值低于8347kJ/m3；（ 2）制取中熱值煤氣方法，煤氣熱值 16747~334948347kJ/m3；（ 3）制取高熱值煤氣方法，煤氣熱值高于 334948347kJ/m3。 ，氣化過程的供熱方 式有（ 1）部分氣化方法；（ 2）間接供熱；（ 3）由平行進(jìn)行的反應(yīng)器直接供熱；（ 4）熱載體 供熱。 ，氣化方法有（ 1）移動床（固定床）；（ 2）流化床；（ 3）氣流床。 固定床氣化法 煤的固定床氣化是以塊煤為原料。煤由氣化爐頂部間歇加入，氣化劑由爐底送入，氣化劑與煤逆流接觸，氣化過程進(jìn)行得很完全，灰渣中殘?zhí)忌?，產(chǎn)物氣體的顯熱中的相當(dāng)部分供給煤氣化前的干燥和干餾，煤氣出口溫度低，而且灰渣的顯熱又預(yù)熱了入爐的氣化劑，因此氣化劑效率高。這是一種理想的完全氣化方式。 （ 1）固定床常壓 氣化 此方法比較簡單，但對煤的類型有一定要求，即要求用塊煤，低灰熔點的煤難以使用常壓方法用空氣或空氣 水蒸汽作為氣化劑，制得低熱值煤氣。 （ 2）固定床加壓氣化 固定床加壓氣化最成熟的爐型是魯奇爐。 它 和常壓移動床一樣，也是自熱式逆流反應(yīng)床。所不同的是采用氧氣 水蒸汽或空氣 水蒸汽為氣化劑，在 和 900~1100℃ 的 溫 度條件下連續(xù)氣化方法。 流化 床氣化 流化床氣化又稱沸騰床氣化，它是以小顆粒煤為原料，將氣化劑（蒸汽和富氧或氧氣）送入爐內(nèi)，是煤顆粒的爐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反 應(yīng)。它是一種介于逆流操作和順流操作這兩種情況之間的操作。 （ 1）溫克勒法 溫克勒法是最早開發(fā)的流化方法，在常壓下，把煤粒度為 08mm的褐煤、弱粘結(jié)性煙煤或焦碳經(jīng)給煤機(jī)加入到氣化爐內(nèi)。在爐底部通入空氣或氧氣作介質(zhì)，沒與經(jīng)過預(yù)熱的氣化劑發(fā)生反應(yīng)。 （ 2）高溫溫克勒法 將含水分 85~12%的褐煤輸入到充壓至 的密閉料鎖系統(tǒng)后，經(jīng)給煤機(jī)加入氣化爐內(nèi)。白云石、石灰石或石灰經(jīng)給料機(jī)輸入爐內(nèi)。沒與白云石類添加物在爐內(nèi)與經(jīng)過預(yù)熱的氣化劑（氧氣 /蒸汽或空氣 /蒸汽）發(fā)生氣化反應(yīng)。粗煤氣由氣化爐上方逸出進(jìn)入第一旋風(fēng) 分離器，在此分離出的較粗顆粒、灰粒循環(huán)返回氣化爐。粗煤氣再進(jìn)入第二旋風(fēng)分離器，在此分離出的細(xì)顆粒通過密閉的灰鎖系統(tǒng)將灰渣排出，除去煤塵。煤氣經(jīng)廢熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣以回收余熱，然后經(jīng)水洗塔進(jìn)一步冷卻和除 （ 3）灰團(tuán)聚氣化法 它是在流化床中導(dǎo)入氧化性高速氣流，使煤灰在軟化而未熔融的狀態(tài)下在錐形床層中相互熔聚而粘結(jié)成含碳量低的球狀灰渣，有選擇性地排出爐內(nèi)。它與固態(tài)排渣相比，降低了灰渣的碳損失。 氣流床氣化 所謂氣流床氣化就是在煤氣化過程中直接用氫或富含 H2的氣體作為氣化劑，生成富含 CH4的煤氣化方 法，其總反應(yīng)方程式可表示為：煤＋ H2→ CH4＋焦 （ 1） K— T法 此法是最早工業(yè)化的氣流床氣化方法，它采用干法進(jìn)料技術(shù)，因在常壓下操作，存在問題較多。它是 1948 年德國海因里希 柯柏斯和托切克博士提出的一種氣流床氣化粉煤的方法。 （ 2）德士 古 氣化 法 它是一種濕法（水煤漿）進(jìn)料的加壓氣化工藝。氣化爐是由美國德平古石油公司所屬德平古開發(fā)公司開發(fā)的氣流床氣化爐。 生產(chǎn)方案的選擇及論證 水煤漿氣化法技術(shù) 該技術(shù)具有氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、煤種適應(yīng)較廣、水煤漿進(jìn)料以控制安全、單爐生產(chǎn)能力大環(huán)保性能好 、操作彈性大及氣化過程碳轉(zhuǎn)化率較高等特點。 移動床氣化法技術(shù) 移動床氣化法分為壓和常壓兩種，該技術(shù)對煤的類型有一定要求，要用塊煤，底灰熔點的煤難以使用。 流化床氣化法技術(shù) 該技術(shù)有生產(chǎn)強(qiáng)度較固定床大，可直接使用小顆粒碎煤為原料、對煤種的適應(yīng)性強(qiáng)等特點。 氣流床氣化法技術(shù) 該技術(shù)有煤種適應(yīng)范圍較寬、合成氣質(zhì)量好、煤氣中含有效成分 （ CO＋ H2）高達(dá) 85%— 88%、單爐生產(chǎn)能力強(qiáng)等特點。 總之 與固定床氣化相比其它氣化方法 包括水煤氣加壓氣化法、移動床氣化法、硫化床氣化法、氣 流床氣化法 的優(yōu)點是：（ 1）氣化能力大；（ 2）氣化用煤廣；（ 3）生產(chǎn)靈活性強(qiáng)，開停車容易；（ 4）碳轉(zhuǎn)化率高；（ 5）環(huán)境污染小。但是如果采用這些方法不但其主體設(shè)備及相關(guān)必要設(shè)備的投資就將大大增加而且能耗也將大大增大。這對我國氨需求量大而技術(shù)又相對落后而且資金短缺 、煤資源豐富 這一基本國情是不相符的。所以，雖然固定床其工藝較其它氣化工藝有其不足之處且工藝較為落后。但其氣化工藝較之其它工藝更成熟。根據(jù)我國基本 國情 及當(dāng)?shù)厍闆r本設(shè)計采用常壓固定床間歇?dú)饣ā? 第三章 合成氨 常壓固定床間歇?dú)饣? 半水煤氣定義 半水煤氣是以水蒸氣為主加入適量的空氣為氣化劑與赤熱的炭反應(yīng)，所生成的煤氣稱為半水煤氣，它是合成氨的原料氣，其成分中 CO2+H2一般在 68%左右。用于合成氨的半水煤氣要求氫氮比為 3： 1。 固定床氣化法的特點 固定床氣化法其煤氣發(fā)生爐的排渣和加料不是連續(xù)的，而是間斷的排渣和加料，其致密的煤層在氣化過