半水煤气质量对后系统的影响分类

半水煤气质量对后系统的影响分类：操作规程！2007-11-1311:20作者/来源：李永恒(全国氮肥技改咨询部上海200062)日期：2007-4-13--------------------------------------------------------------------------------0前言燃料气化后所生成的半水煤气的组分，与合成氨所需要的组分有很大的差异。按一定比例混合的氢氮混合气，可以制得与合成气组分更为接近的气体。理想的半水煤气应该符合如下的要求：(1)(CO+H2)体积分数为68％～70％；(2)无尘埃和油雾；(3)氢氮混合气中其它组分含量最低；(4)对变换催化剂有毒害的杂质(氧及硫化物等)的含量最少；(5)温度较低。燃料气化后所生成的气体中还含有CO2，CH4，H2O，H2S，O2及少量氩气和尘埃。这些气体中也可能有炭黑的颗粒和氮氧化合物及有机硫化物。要达到理想的合成气的要求，必须要进行精制。半水煤气中的成分中各种气体的组分含量和温度高低、含尘量多少等，对变换、脱硫、合成等工序的正常运行和消耗，有着不同程度的影响。各种气化炉所生产的半水煤气成分质量好坏，除了气化方法的差别之外，还与气化炉的温度和燃料品种有关。因此，气化炉制造出合格的、理想的半水煤气是降低合成氨综合能耗的有效措施。1半水煤气的除尘原料气的精制是从除尘开始，因为原料气中的灰尘将会影响后工序的工艺过程中所用的煤气鼓风机和压缩机的运行周期，含尘量过高，灰尘附着在叶轮上的时间就快，叶轮上的灰尘增加到一定的时候，就会减少打气量，电机负荷增加，运行周期缩短，增加设备维修费用。另外，高含尘煤气进入变换炉后，灰尘覆盖在催化剂表面，使催化剂效率下降。从煤气炉出来的半水煤气，首先要经过高效旋风除尘器，将大颗粒的灰尘除掉，然后进入联合废锅，煤气经过废锅时，也会有部分灰尘在废锅内部除掉。如果采用阻力较大的废锅，灰尘就会积得多。但是，从废锅使用周期来考虑，不希望有太多的灰尘在废锅内积存，否则不但会影响废锅的传热效率，降低蒸汽产率，而且会因废锅灰尘过多，增加阻力(热管废锅翅片最易积灰)，降低煤气炉的气化强度，因为废锅主要作用是回收煤气的显热，而不是除尘。因此，在设计废锅时要求气体流通面积要大于废锅进气管的面积，这样才有利于降低阻力。废锅阻力低，煤气经过废锅的流速就快，积灰就少。煤气从废锅出来进入洗涤塔。洗涤塔的作用就是使煤气冷却、除尘。除尘效率好坏主要决定于洗涤塔的结构、种类和容积大小。中氮肥企业大多数采用填料塔(木格或鲍尔环)，其除尘、冷却效果好，但是阻力大。小氮肥企业的洗涤塔种类多样，有填料塔、筛板塔、挡板塔等，但是为了降低阻力，许多企业使用空塔喷淋。近年内又开发出一些新塔型，如：喷雾塔、角钢塔、DJM型无返混板式塔等。这些塔均具有传质效果好，冷却、除尘效率高等优点。洗涤塔除尘效率通过测定了解，在塔型固定时的情况下，可以根据测定数据来调节冷却水的用量。煤气从洗涤塔出来，经煤气总管送入气柜，微粒灰尘在煤气总管和气柜中也有部分沉降在管内和气柜水封槽的水中。不同的气化剂和不同的气化燃料，煤气中的含尘量不同。上述除尘过程是采用固定层间歇气化法。如果是各类粉煤气化法，则除尘方法不同除尘效果也不一样。不论采用何种气化方法，其系统除尘效果好坏都要通过煤气中含尘量的测定才能知道。一般要求出气柜的煤气中的含尘量控制在10～30mg／m3。为了进一步达到除尘的效果，有的企业在气柜出口增设洗涤塔或静电除尘装置，其效果较好。2半水煤气组分的影响半水煤气中各种气体组分，对后系统有很大的影响，所以在煤气精制过程中，要对一些有害气体逐一消除或降低含量。2.1CH4含量的影响半水煤气中的CH4含量虽然不是很高，但是对合成工序的工艺生产有很大的影响，所以希望半水煤气中CH4含量越低越好，理想的半水煤气中的CH4体积分数要求1％。2.1.1CH4偏高的原因(1)气化方法的因素不同的气化方法，其CH4体积分数高低都不一样(见表1)。固定层间歇气化法CH4体积分数一般在1％～2％，因个别的因素有时达到3％左右。而鲁奇炉气化法CH4体积分数最高可达到8.7％，灰粘聚气化法CH4体积分数最高可达到4.87％。(2)燃料性质的因素气化方法相同，但是因为燃料性质的不同，其煤气中的CH4含量也有较大的差别。燃料中的挥发分含量高低，对生成的煤气中CH4含量有很大的关系。燃料中的挥发分是指在一定温度下干馏时析出的气体和焦油等可挥发的部分。它与煤在地下的煤化程度有关，煤化程度越低，挥发分越高(质量分数少的在1％～3％，质量分数多的可达50％以上)。一般来讲，挥发分高的煤，它的粘结性较强，挥发分低的煤，粘结性较差。用于制取合成氨原料气的燃料，其挥发分不宜太高，一般要求小于6％(质量分数)。挥发分高的煤所制得的煤气中CH4等碳氢化合物高，它对合成氨来讲是有害气体，它不仅增加动力和燃料的消耗，而且还降低了煤气炉的气化强度。挥发分较高的燃料，其机械强度、热稳定性一般都比较差，固定层间歇式气化法不宜采用。褐煤的挥发分质量分数较高，最高可达到50％～60％，鲁奇炉气化法中CH4含量高的原因就是采用褐煤为气化燃料。另外，固定层间歇气化法中采用煤棒制气时，其CH4含量比用块煤高，主要原因是煤棒在加工过程中，所用的粘结剂腐植酸钠是用褐煤为原料的。另外，烟煤的挥发分也很高，不同地区的烟煤其挥发分质量分数不一样，一般在15％～40％。(3)气化炉温度的因素除了上述因素会影响煤气中CH4偏高外，气化炉内的温度也会有一定影响。一般而言，煤在气化时，温度与CH4含量成反比。温度越高，则煤气中的CH4含量就越低，反之则相反。2.1.2CH4含量对合成氨工艺的影响煤气中的CH4含量偏高，对氨的合成工艺有一定的影响。随着合成反应的进行，合成气中惰性气体的浓度逐渐提高，因而使反应物的分压降低，并减慢了合成反应速度，必然也使合成率降低。因此，迫使一部分循环气放空，在放空时也造成少量压缩后的精炼气的损失。所以CH4含量偏高，直接影响到企业的经济效益。例如：天津某厂原来油制气时，煤气中CH4体积分数为0.32％，改用灰熔聚气化法后，煤气中的CH4体积分数上升为3.07％。经计算，改造前入合成高压机前甲烷体积分数为0.47％，改造后入合成高压机前甲烷体积分数为3.32％，改造前合成塔后放空量为875m3／h(标态)，改造后的合成系统CH4体积分数按15.4％计算，合成塔后放空量为6179m3／h(标态)。由此可见，为了维持合成塔的工艺操作条件，放空量比改造前增加5304m3／h(标态)，有效气体量为4487.2m3／h(标态)，如不回收，则气氨将比改造前损失1.703t／h。那么在气化能力与改造前相同时，合成氨的产量将会下降1.703t／h。2.2O2含量的影响半水煤气中的O2高低，因气化方法不同而有所差异，正常情况应控制在0.2％～0.3％(体积分数)。半水煤气中的O2是一种有害气体，它不仅威胁着安全生产，而且增加变换工序的能耗。O2在变换炉催化剂中与H2和CO起燃烧反应。其反应方程式如下：2H2+O2=2H2O+485kJ2CO+O2=2CO2+567kJ它是变换炉中CO反应热的6～7倍，当半水煤气中O2体积分数每增加0.1％时，催化剂层温度可升高6～8℃，若把这部分热量移出，则吨氨多耗蒸汽238kg。例如：1家合成氨规模为50kt／a的企业，半水煤气中O2体积分数从0.3％上升为0.4％时，变换炉年多耗蒸汽11900t，按蒸汽价格90元／t计算(有的企业蒸汽价格在100元／t以上)，则多耗资107万元。同时多耗有效气体(CO+H2)体积分数0.2％，则全年少生产氨100t左右，价值20万元，另外，吨氨多耗标准煤3.43kg，折70％含碳入炉煤为4.8kg，全年多耗煤240t，价值近20万元，总损失高达147万元。还有因O2含量过高对脱硫工序影响的损失还无法计算。2.3硫含量的影响半水煤气中硫含量的高低，主要取决于燃料的性质和气化方法，燃料性质的差别和气化方法的不同，生成半水煤气中硫含量差别很大(无机硫含量见表1，有机硫质量浓度0.5～0.8g／m3，标态)。大多数优质无烟块煤含硫质量分数低于1.0％，劣质煤的含硫质量分数有的高达3％～5％。半水煤气中的硫，主要以H2S的形态存在，只有极少量呈有机化合物的形态。硫化物对合成氨生产的主要危害有：(1)毒害催化剂。由于催化剂中的活性组分都能与H2S反应生成金属硫化物，使催化剂的活性下降、强度降低，严重地影响催化剂使用寿命。(2)腐蚀设备。含量H2S的气体在有水分存在的条件下，H2S溶于水生成硫氢酸，能与金属设备、管道生成相应的金属硫化物而腐蚀，严重时连不锈钢设备的焊缝也造成应力区腐蚀。(3)污染溶液。在铜洗过程中，H2S可与铜液中某些成分起反应，不但增加了铜液消耗，而且破坏了铜液的正常组分，降低了铜液吸收CO的能力。在脱CO2的工艺过程中，H2S被溶液吸收同时生成硫氢酸盐，能使溶液的表面张力下降，造成脱碳系统的拦液、带液，严重影响正常生产。(4)污染环境。H2S是剧毒物质，人体吸入一定量的H2S就会中毒死亡，以往因放空或设备泄漏造成的中毒事故时有发生，所以国家规定大气中H2S体积浓度不允许超过0.01ml／L。(5)降低产品质量。在尿素的生产中，因CO2气体中的H2S含量较高时，不但腐蚀尿素合成塔衬里，而且生产出来的尿素呈黑色、红色。严重影响到产品质量。另外，煤气中的有机硫在高温变换催化剂的作用下可转化成H2S，有机硫在脱碳溶液中也可发生水解反应而生成H2S。同时一些有机硫对催化剂也可直接造成毒害。因此，无论是无机硫还是有机硫都必须在生产过程中尽力脱除干净。2.4CO含量的影响半水煤气中CO体积分数：在常规固定层间歇气化法为30％左右，而富氧空气连续气化法和德士古粉煤浆气化法中均在45％左右，壳牌粉煤气化法，其高达63％以上(见表1)。由于CO含量增加，在变换工序中，会影响变换炉的负荷增加。它不仅会使催化剂使用寿命缩短，而且使变换炉蒸汽消耗量增加。据有关资料介绍，吨氨半水煤气中CO体积分数每增加1％，变换炉多消耗蒸汽约1kg。1家200kt／a合成氨的企业，半水煤气中CO体积分数从30％提高到45％，全年因此仅增加蒸汽支出费用就大于30万元。2.5CO2含量的影响半水煤气中CO2含量高低，对合成氨综合能耗有一定的影响，固定层间歇气化法，以块煤为燃料，制出的半水煤气成分中CO2含量一般都在5％—7％(体积分数，下同)。而其它气化方法和不同的燃料，制出的半水煤气中CO2含量都偏高，有的高达25％左右(见表1)。CO2过高直接影响到合成工序中压缩机的运行效率，一般可降低运行率10％～18％，显然要增加压缩机的电耗和维修费用，同时也增加了脱碳工序的负荷。2.6(CO+H2)的含量影响在正常的情况下，一般(CO+H2)：68％～70％(体积分数，下同)为佳，原化工部下达的指标为68％，有些气化方法中(CO+H2)的含量要大于70％。如德士古和壳牌气化法制出的煤气中(CO+H2)分别为80％和90％。如果用在燃气上是很好的气源，其发热值高。然而对生产合成氨，有效气体成分过量了，不仅增加各工序的负荷，而且H2：N2不等于3：1，必须在合成工序中另外配氮，需增加配氮工艺的相关费用支出。3半水煤气温度的影响半水煤气的温度过高，会影响后工序煤气鼓风机和压缩机的打气量，增加电耗和设备维修费用，同时还降低了设备运行效率。所以有些企业为了降低煤气温度，在煤气进入气柜前增设多台洗涤塔。这种做法适得其反，因为出洗涤塔煤气温度的高低主要取决于洗涤塔的冷却效果，而洗涤塔冷却效果又取决于洗涤塔的结构和冷却方法的选择。笔者在某企业看到，该企业为了降低煤气温度，在煤气进入气柜前，采用3台洗涤塔串联使用，致使洗涤塔的阻力很大，在第1台洗涤塔煤气入口测定，入塔气体的阻力高达6～8kPa(正常阻力应该在3～4kPa)。效果并不好，进塔煤气温度为144℃，出塔煤气温度53℃(4月份)。因此，笔者指出洗涤塔的阻力是影响该企业煤气