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1、KBR的煤制合成氨新工艺摘要KBR传愉床气化炉（也称之为TRIG）是一种先进的煤气化技术,可提供干净、 无颗拉的合成气。TRIG是一种紧凑的加压循环流化床反响器，无内部或移动部件。 其运行和机械设计源自KBR的流化催化裂化（FCC）技术，该技术已有60多年的成功 商业运营经验。描述了煤制合成氛的KBR新工艺，其中TRIG作为KBR合成氛装里流 程中的一局部，向一个典型的1500t/d的合成氨回路提供氮气。论述了基于TRIG 特性的工艺整合和优化要素，以实现稳定高效的煤制合成氛工厂设计。关键词:KBR传输床，气化炉，煤气化,新工艺 0前言煤气化是指在高温、高压、蒸汽以及有限的氧气存在的情况下，将
2、煤炭分解气 化的过程。通过限制氧气的量，可防止煤的完全燃烧，使煤炭分解成更有价值的合 成气（主要成分是一氧化碳和氢气）。在合成氨生产工艺中，煤要尽量多地转化为氢 气;煤气化产生的粗合成气与蒸汽发生催化变换反响，将其中的一氧化碳转化为二氧 化碳，同时产生更多的氢气用于氨合成。煤气化的实际化学原理相当复杂，目前其根本依据是煤炭的非催化局部氧化反 响，通常在高温耐火衬里容器内进行。在煤气化过程中会产生多种副产品，煤中的 硫大多转化为硫化氢和氧硫化碳，氮转化为氨和氰化氢。煤的燃烧程度取决于输送 至气化炉的氧气量。气化炉一般在绝热状态下工作，放热反响产生的热必须与吸热 反响消耗的热以及原料升温至反响温度
3、所需热量保持平衡。反响温度通常通过向气 化炉内添加水或蒸汽来进行控制。1 KBR传输床气化炉KBR传输床气化炉（也称之为TRIG）是一种先进的循环流化床反响器，没有内 部或移动部件，可在空气和氧气两种模式下工作oTRIG的机械设计和操作是基于KBR 的流化催化裂化（FCC）技术，已有60多年的成功商业运行经验。与传统的循环流化 床相比，TRIG的固体循环速率和气体流速要快很多，提升管密度要大很多，因此具 有较高的生产能力和碳转化率、混合均匀、传热和传质速率较快等特点。20世纪90年代中期，KBR在美国阿拉巴马州威尔逊维尔投运了工程规模为50 t/d的示范装置，已成功气化多种煤（包括烟煤、次烟煤
4、和褐煤）。TRIG的独特优势 是其能在空气和氧气两种模式下工作:空气模式适用于IGCC发电;氧气模式提供合 成气，用于多种化学品和燃料的生产。目前正在设计美国密西西比州的600MWIGCC 电厂，采用褐煤气化，设计2台TRIG在空气工况下并行工作，单炉日处理煤量3 750 t。TRIG分为造渣式和无渣式2种。造渣式TRIG采用高温气化，高温下煤灰产生 的熔渣沿着气化炉内壁向下流人单独的炉腔，用循环水急冷和固化，固体废料定期 去除和处理。无渣式 TRIG 在中温下工作，因此适用于煤灰和水含量较高的低阶 煤;TRIG的中温操作可减少耗氧率，从而降低空分装置（ASU）的相关本钱和用电量； 另外，对低
5、阶煤，TRIG可提供高碳转化率，同时确保不会产生焦油。与其它商业气化炉相比，TRIG具有多方面的优点。如图I所示，KBR传输床气化炉（TRIG）由混合区、提升管、旋风别离器、返料 机构、立管和J管组成。蒸汽和氧气（或空气）分别通过2根管线进料，并在混合区 与立管返回的循环固体混合。在混合区内，循环固体中未转化的碳被进一步燃烧， 产生的热量用于气化反响。新鲜煤由混合区上方进料，防止在混合区内与氧提前燃 烧。煤气化反响主要在新鲜煤进料注人点上方的提升管内进行，产生的合成气与固 体共同沿提升管上升，通过I个横向弯头或弯管进人第I级旋风别离器，通过重力 和（或）离心力去除混合物内大局部的颗粒。气体和剩
6、余固体随后进人第2级旋风别 离器，可去除大局部固体颗粒。合成气由第2级旋风别离器顶部排出装置，进人余 热回收锅炉。旋风别离器收集的固体通过返料机构、立管和J管循环进人气化炉的 混合区。为了防止煤灰积聚，TRIG提供了粗煤灰连续排放系统。与传统流化床气化炉不同，TRIG采用类似于FCC装置的高循环比，其循环倍率 （固体循环流量/投煤量）到达50 100。这使整个气化炉近乎在恒温下操作，并且 具有极大的热容量，由此气化反响可均匀而充分地进行，因此TRIG操作也非常稳定。图I KBR传输床气化炉（TRIG）结构简图2 KBR煤制合成氨工艺在KBR煤制合成氨工艺中，专有的TRIG技术被整合到传统的KB
7、R合成氨回路。 KBR煤制合成氨的工艺流程如图2所示。图2 KBR煤制合成氨工艺流程框图当生产合成氨时，气化炉采用纯氧作气化剂，以降低下游处理装置的负荷。以合成氨装置生产能力1 500 t/d为例，其合成圈与KBR几年前设计的1 500 t/d 以天然气为原料的合成氨装置相同，该装置位于中国海南省并于2003年投产。同时, 1500 t/d的生产能力也与密西西比IGCC发电厂工程所用的TRIG的规模相同。TRIG适用于多种原料煤，尤其是低阶煤。假定TRIG使用美国波德河盆地（PRB） 煤（是美国最常见的采矿煤，属次烟煤），与其它烟煤或无烟煤相比，PRB煤是低阶 煤，其热值和硫含量都比拟低。PR
8、B煤（人厂）低热值（LHV）约为19 000 kj/kg, PRB 煤（人厂）的典型成分分析见表1。表1 PRB煤（入厂）的典型成分分析成分质量分数/%C51074OHNSCLF水分灰分KBR的煤制合成氨工艺采用氧气作为氧化剂。氧气由空分装置（ASU）提供，气化 选用的氧气纯度约为体积分数98%。该氧气纯度可以有效地平衡空分装置与下游加 工设备的负荷和本钱，同时兼顾整个工厂的生产能力。氧气内的主要杂质是氢气和 氮气，在约4100 kPa和室温下进人气化炉。空分装置同时向下游合成氨系统提供2400 kPa、室温的纯氮气（体积分数99.999%）。由于TRIG耗氧量低，空分装置的负 荷和用电量也较
9、其它气化炉低。对1500 t/d的合成氨装置，需氧量约为1800 t/d, 用氮量约为1300 t/d，空分装置耗电量为35 一 40 MW.半干煤粉、氧气和蒸汽进人TRIG的混合区附近，并在混合区内与循环固体接触。 煤气化反响发生在高速气流通过的流化床内。通过控制氧气的流量，可以有效地控 制煤在气化炉内的燃烧。蒸汽作为反响物和调节剂，将反响温度控制在980C左右。 生成的合成气随同剩余的未气化固体沿着提升管进人别离器，合成气内较大的固体 颗粒在第1旋风别离器内脱除，剩余的较小固体颗粒经第2旋风别离器别离脱除后 返回立管，并与先前脱除的大颗粒混合，循环返回气化炉混合区。在立管底部连续 排出少量
10、粗煤灰，以防止气化炉内积聚固体。根本不含固体颗粒的合成气由第2旋风别离器顶部离开气化炉进人合成气主冷 却器，其温度约为980C，压力为3585 kPa。下游流程的少许冷却合成气返回气化 炉，用于输送煤粉并用作气化炉内的流化气。离开气化炉的合成气的成分取决于所 用煤种。用氧气作气化剂时，PRB煤出口合成气的典型成分见表20表2 TRIG用PRB煤和氧气生产合成气的典型成分成分体积分数（干基）CO/%H/%CCO /%cCH/%NH /%3N/%2Ar/%HS/ xl062500 1000hCn/ x10-650 300COS/ x10-610 100HF/ x10-610-一 50HCI/ x1
11、0-610-一 50出TRIG的合成气温度约980%，与传统的二段炉出口温度相当。气体通过专门设 计的高压蒸汽余热锅炉和高压蒸汽过热器，高等级的热量被过热高压蒸汽回收。根 据整个工厂的蒸汽系统使用情况，余热锅炉和高压蒸汽过热器之间的负荷分配可进 行优化。最终合成气被冷却至约370C。余热回收后，合成气流经I个KBR专有颗粒物控制装置（PCD ），用于脱除合成 气内剩余的颗粒物（如细煤灰）。脱除细颗粒物是气化炉系统的重要组成局部，因为 合成气内的细颗粒可能会污染或腐蚀下游设备，导致设备性能降低甚至发生故障。专有颗粒物控制装置(PCD)结构如图3所示。PCD采用硬质栅栏式滤芯，可根本 消除合成气流
12、内全部细微颗粒物。当过滤器积聚的颗粒到达饱和时，可用循环合成 气进行吹扫去除。每个滤芯下游安装了 1个保护装置，用以保障在滤芯出现故障时 下游设备免受颗粒物损坏。脱除的颗粒物(细煤灰)减压至常压后，通过专有的连续 煤灰移除系统送出装置。专有颗粒物控制装置(PCD)是TRIG开发的一个重要组成局部，可确保产生的合 成气不含任何颗粒物。由于采用干法脱粒，无需配置其它气化工艺所必需的黑水处 理系统。KBR已围绕核心TRIG装置开发出多项专有技术，可最大程度回收热量和冷 凝水，这些新技术也可应用于新型煤制合成氨的工艺方案中。TRIG用PRB煤生产的粗合成气中含一氧化碳摩尔分数为40% 50%。为满足合
13、 成氨工艺要求，一氧化碳需在变换反响器内与蒸汽进行催化变换反响，将大多数一 氧化碳转化为二氧化碳和氢气。由于粗合成气内含硫，需要采用耐硫催化剂。气化 炉出口气体中所含有的蒸汽量不能满足变换反响的要求，因此由合成气饱和塔利用 工艺冷凝水、合成气潜热和其它工段的中、低等级热量，产生变换反响所需要的额 外蒸汽。同时，装置通人一小局部新鲜脱盐水以维持水平衡。饱和塔的底部连续排 放局部污水，并送人工艺冷凝水汽提塔。洁律空nt图3专有颗粒物控制装置(PCD)结构饱和塔的顶部气体与少量中压蒸汽混合后，酸性气人口的水气摩尔比为1.0 一 1.3。经过二段变换反响，合成气中95%以上的一氧化碳转化成二氧化碳和氢
14、气。另 外，合成气内的氧硫化碳根本完全水解为硫化氢。变换反响产生的热量用于预热进 料、上游合成气饱和塔再沸器、饱和塔进料水、酸性气脱除装置再沸器以及锅炉给 水，变换气最终通过冷却水冷却。别离出的工艺冷凝水循环返回合成气饱和塔。工 艺冷凝水产生的闪蒸气中含有大量氨、二氧化碳和硫化氢，返回气化炉。变换单元 出口合成气中一氧化碳最终摩尔分数为2.0% 4.0%(干基)。不含冷凝水的合成气流经1个汞脱除保护床，通过活性炭吸附合成气中的汞， 无汞合成气随后送至酸性气脱除装置。活性炭床要定期更换，吸附汞的活性炭需外 送处理。对PRB煤，变换单元出口气中含二氧化碳35%-45%(摩尔分数，干基)以及硫化 氢
15、(500-1 000) x 10 -6(体积分数)，这些酸性气体大局部在酸性气脱除装置内脱除。 该装置由第3方供给商提供，吸收溶剂从合成气中选择性地脱除二氧化碳和硫化氢。 原料气首先流经1座硫化氢吸收塔，随后经过1座二氧化碳吸收塔。稀溶剂进人二 氧化碳吸收塔顶部，并随后逆流流向硫化氢吸收塔。溶剂通过几个串连闪蒸罐回收 吸附的二氧化碳，再经脱硫后送至尿素装置。硫化氢由溶剂汽提塔顶部排出，通过 适宜的硫磺回收装置得到单质硫。酸性气脱除装置的制冷负荷由合成氨冷冻压缩机提供。合成气离开酸性气脱除 装置时，其二氧化碳含量为摩尔分数2.0% 5.0%(干基)，硫化氢脱除至微量(X 10 -9) 水平。假定采用变压吸附装置(PSA)净化离开酸性气体脱除装置的合成气，净化后获得 纯度99.5%(摩尔分数)的氢气(其它杂质为氮气、甲烷和氢气)，氢气回收率为85% 一 90%。合成气中剩余成分随同离开PSA装置的残留氢输送至燃料管网。由于PSA净化系统投资少、运营本钱低，因此能耗优于传统的氮洗系统，美国 堪萨斯州的科菲维尔资源氮肥公司(Coffeyville Resources Nitrogen Fertilizers) 的合成氨装置已经成功使用了类似系统。但KBR的煤质合成氨流程并不排斥其它方 式的净化系统。变压吸附(PSA)装置出口氢气与空分装置获得
