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1、化肥生产节能降耗项目1采用无烟煤气化合成氨原料气的理论空气量 首先我们来讨论一下无烟煤气化合成氨原料气理论空气的用量，说 明提高气中氧含量，可降低吹风空气量，节省吹风时间，增加加氮制气 时的炉温，提高蒸汽分解率。空气在炉内与原料煤中碳、氢、硫、氧的燃烧过程时，可根据碳、 氢、硫、三种可燃烧元素的化学反应式计算： . 碳的完全燃烧反应式：C + 0 =CO +Q22lKgmolC+lKgmolO =lKgmolCO2212KgC + 22.4 m3（标）O2 = 22.4hb（标）CO?即：1KgC + 1.866 m3（标）。2 = 1.866 m3（标）CO?需要空气量：1.866/0.21
2、 = 8.89 m3（标）空气 . 氢的完全燃烧反应式： 2H+ O = 2HO+ Q2 2 24H + 22.4 m3（标）O =44.8 m3（标）HO即：1KgH2 +22.4/4 m3（标）。2 = 44.8/4 m3（标）气。需要空气量：22.4/4/0.21 = 26.7 m3（标）空气 . 硫的完全燃烧反应式： S+ O = SO + Q2232KgS + 22.4 m3（标）。2 = 22.4 m3（标）SO?即：1KgS + 22.4/32 m3（标）。2 = 22.4/32 m3（标）SO?需要空气量：22.4/32/0.21 = 3.33 m3（标）空气 .1Kg燃料中已
3、含有少部分02即：相当于 22.4/32 = 0.7 m3（标）/Kg折合空气量：0.7/0.21 = 3.33 m3（标）/Kg所以1Kg燃料完全燃烧所需要的理论空气量为：8.89 + 26.67 + 3.33 - 3.33 = 35.56 m3 （标）/Kg 空气中氧含量多少可决定理论空气用量。如果入炉空气中氧含量增 加至22%, 1Kg燃料完全燃烧理论空气量为：（22.4/12 + 22.4/4 + 22.4/32 - 22.4/32 ） /22/100 = 33.94 m3 （标）/Kg从以上理论空气量计算可以看出，入炉空气中氧含量每增加 1%，1Kg 燃料完全燃烧理论空气用量可降 4
4、%左右。2.富氧间歇气化目的目前现有的小氮肥厂，大多数是采用固体无烟块煤（包括人工型煤）， 在固定床层造气炉中间隙式气化合成氨原料气。这种古老的生产方法历 经几十年了，具有很丰富的管理和操作经验。在固定层间歇气化固体燃 料过程中，为了获得到理想的合成氨原料气质量和气化效率，必须掌握 入炉物料（空气、蒸汽、原料煤）的质量，创造炉内高温和高气化剂流 速；使燃料层各处同一截面的流速和温度分布均匀，尽量提高炉内蓄热 能力，才能实现理想的气化效率。本技术在尽量节省一次性工程投资的基础上, 增加制富氧装置，在固 定床层间隙气化固体燃料过程中，将入炉空气中 21%的氧含量，提高理想 的含量状态，将会减少吹风
5、时间，实现延长制气时间，增加加氮空中氧 气含量，提高蒸汽在炉内气化分解温度，高效率蒸汽气化。增加合成氨 原料气产量，节省原料煤的消耗，降低合成氨成本。3技术方案特点（1）.根据各厂造气生产装置能力及原料煤的质量，优化入炉空气中的 氧含量，配制相应生产能力的制氧装置，不改变原有造气系统生产装置 节省一次性投资。. 施工过程中不影响正常生产，减少停车改造的损失。. 吹风过程：吹风入炉空气中每增加一个百分点的氧含量，吹风时间可降低0.91%,增加了制气时间，吨氨节省原料煤0.018t、蒸汽0.0056t，增加 半水煤气产量120.5 m3 （标）. 制气过程：蒸汽入炉气化时,加氮空气中每增加一个百分
6、点的氧含量,加氮空 气增加27.3m3 （标）根据氢氮比的要求，必定延长加氮空气入炉时间， 吨氨加氮空气中增加了 11.66m3（标）/tNH氧气，制气，过程中碳层增加了3 182039Kj/tNH（43526Kcal/tNH） 的热量，使蒸汽在较高炉温中进行分解 33反应，提高气化效率，节省蒸汽消耗量。还可进一步减少吹风时间。. 富氧空气间隙气化，可降低入炉煤质量，更有利使用人工型煤生产，大幅度降低合成氨生产成。(6).根据入炉煤种的变化，采用炉况监测优化系统，自动调节入炉空 气中的氧含量优化稳定炉温，使蒸汽长期稳定在高效分解生产过程中。. 根据入炉空气中氧含量不同，仅调节循环比时间，生产管
7、理及操 作人员容易掌握。4富氧气化分析采用固体无烟块煤在固定床层造气炉生产合成氨原料气，是以空气 和蒸汽作为气化剂，在固定床层造气炉内进行固相燃烧、气化、气相燃 烧、气相反应和反应系统中还包括热裂解反应。得到空气煤气与水煤气 在上下行制气过程中加氮空气和回收过程按一定比例混合而成，其产量 是与入炉空气中氧含量有密切关系的。空气煤气是以空气气化剂在灼热碳层中氧化和还原转化为可燃性的 空气煤气，放出大量热量贮蓄在炉膛内，维持蒸汽作为气化剂在灼热碳 层中吸收大量热量进行分解反应生成水煤气。如果两个气化过程，同时 在炉层进行，炉内热量达到平衡，就能实现连续气化生产合成氨原料气 了。由于空气中的氧含量仅
8、只占21%，需要大量空气中的氧燃烧原料煤， 才能实现稳定平衡热量。这样就不能满足合成氨原料气中H /N严格要求。22 因此，必需大量补充空气中的氧气来维持造气炉中的热量平衡，满足合 成氨原料气中 H /N 的要求。22目前国内个别厂家试点，采用了 4555%富氧空气在固定床层造气炉 中生产合成氨原料气取得成功。实现了富氧连续气化生产，提高一倍产 气能力，大幅度降低了合成氨成本。但是，出现了以下一些推广的难题 困扰着此项新技术的推广：(1).富氧连续气化，需要制氧装置(深冷空分法、VPSA变压吸附法、 膜分离法)生产能力较大，一次性投资太多。. 制得的合成氨原料气成分 CO 气含量太高，给后工段
9、脱除 CO 增 22 加了负荷，增加了压缩工段许多动力消耗。. 原有造气装置需要投资停产进行改造，不仅影响正常生产，还 需要大量投资。这些难题主要是投资费用太大，给许多难以维持生存厂家一定的困 难，没有实力接受富氧连续气化新技术，很难实现推广。5富氧间歇式气化方案本技改方案是在各厂经济困难条件下，充分利用现有生产装置，不 进行系统改造，仅增加小型制氧装置和空气及富氧空气混合器，在常规 间歇式气化的基础上，采用炉况监测优化系统，自动调节入炉空气(吹 风入炉空气及蒸汽入炉分解加氮空气)中氧含量，自动调节控制循环时 间百分比，进行富氧间歇式气化。根据各厂具体生产条件，使用原料煤 的质量和经济实力，确
10、定制氧装置的生产能力，尽量节省一次性工程投 资，实现优化造气炉气化效率。5.1制氧装置为了实现富氧间歇式气化，首先要考虑选择生产富氧装置的生产及使 用性能，投资费用低的制氧装置，才能适应普遍推广的可能。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、VPSA变压吸附法、 膜分离法，各种制氧技术特点如下：.深冷空分特点：必须装置规模大型化，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变压吸附特点：制氧纯度在90 - 93 %, 5000m3/h制氧规模 装置，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40
11、 - 50 %,装置规模10003500m3/h 尚处于开发阶段。装置规模 1000m3/h，制氧浓度在3540%装置是能 满足本技术需要,但价格及使用寿命不很理想。三种空气分离制氧用于工业生产比较如下：项目深冷空分法VPSA变压吸附法膜分离法设备经济规模10000m3/h10年 10年装置建设投资装置规模越小，单位 投资越高，规模越大 6000m3/h单位投 资越低，优于UPSA 法产气量在150 3500m3/h规模范围 内单位投资低于深 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
12、易，操 作灵活，开停车简便 方便，可无人操作， 维修简单，设备投资 较小，安装工程费用 较低。主机简单，运转设备 小，但膜部件制火困 难，操作灵活简便， 可无人操作，开停车 方便，维修简单，设 备投资较少，安装工 程费用较低。因本技术生产需要富氧空气量较少，按年产合成氨能力在40000 60000tNH规模厂家，仅仅只需要600900m3 （标）/h纯氧生产能力，折3成吨氨增加氧量116 m3 （标）。根据以上三种制氧装置特点比较，尽量节 省投资，使用方便采用能耗较低VPSA变压吸附或膜分离技术最理想。5.2自动控制临测 根据各厂使用不同的原料煤，采用炉况监测优化系统监测：气化层温 度；气化层
13、厚度；灰渣层厚度；碳层高度；结疤、风洞等，自动调 节入炉空气中的氧含量，优化吹风时间和吹风量、上下吹加氮富氧空气 和蒸汽量配比，优化循环比操作时间，稳定炉况。5.3富氧空气配制 工艺流程调节空气鼓风机出口空气量，将加压空气和富氧空气在增 加混合缓冲罐里混合均匀，进入富氧空气总管，分别供给各台造气炉气 化。5.4安全措施 为了生产安全，将入炉空气阀门和下行煤气阀、上行煤气阀更换成 双切断闸板间冲蒸汽阀，当各阀切断关死紧闭时，有压蒸汽自动冲入， 正压堵截富氧空气与煤气相互窜通和煤气倒入检修系统，保证气体质量， 防止生产事故发生。6. 工程投资分析按年产合成氨 40000 60000tNH 生产规模
14、，配纯氧生产能力在 6003900m3/h 装置，现按需要纯氧生产能力的三种制氧装置基建投资估价比较如下：项目深冷空分(万元)VPSA (万元)膜分离(万元)装置900220280基建5554530系统改造费1652020合计1620285330经三种制氧装置基建投资估价比较，本方案采用VPSA变压吸附法制 得富氧空气比较合理，工程一次投资较省，氧含量浓度高，使用寿命长 是本技术最理想装置。7. 富氧间隙式气化效果以制氧装置时处理 3608m3/h 空气量为例，经物料平衡计算结果如下：7.1.已知条件(1).每个循环时间2.17(2).制气过程循环数12(3).原料加入量1.2(4).制气阶段百分比分配吹风上吹下吹二次上吹回收1.0000.220.2800.400. 070.03(5).入炉空气温度压力大气压标压流量标煤热量302.94E+049.80E+041.01E+052.20E+0429307.6.吹风气成分N2COCO2H2O2CH4H S21.000.7630.05
