Reforming Medium-sized Fertilizer Plant
Using TEXACO Coal-water slurry
Pressurized Gasification Process

Zeng Qingchun　Han Wen
(National Research and Engineering Center for
Coal-water Slurry Gasification
and Coal Chemical Industry 277527)

　　Abstract　It is in our urgent need of developing modern coal chemical industry, clean coal power generation and reforming medium-sized coal-based fertilizer plant with advanced coal conversion technology. This article only discusses the plan of reforming the medium-sized fertilizer plant TEXACO coal gasification process in stead of fixed bed gasifier.
　　Key words　TEXACO, coal-water slurry, pressurized gasification, medium-sized fertilizer plant, reform

1　TEXACO水煤漿氣化工藝的特點
　　自美國TEXACO(德士古)公司開發出加壓水煤漿氣化工藝技術(TCGP)制取合成氣以來，該工藝已在合成氨、甲醇、含氧化合物、潔凈煤氣化聯合循環發電(IGCC)等方面得到成功的應用。該技術也是當前世界上發展較快的第二代煤氣化技術，TEXACO水煤漿氣化工藝是將一定粒度的煤粒及少量添加劑與水在磨機中磨成可以用泵輸送的非牛頓形流體，與氧氣或富氧在加壓及高溫狀態下發生不完全燃燒反應制得高溫合成氣，高溫合成氣經輻射鍋爐與對流鍋爐間接換熱回收熱量(廢鍋流程)，或直接在水中冷卻(激冷流程)。廢鍋流程的氣體經進一步冷卻除塵后，通過燃氣輪機與其副產的高壓蒸汽實現潔凈的煤氣化聯合發電技術；激冷流程的氣體用作制造一碳化學品、合成氨。由于是在加壓及連續操作下進行，從而簡化了工藝，又因其三廢排放少屬環境友好型工藝。其主要特點如下：
　　(1)氣化爐結構簡單。該技術關鍵設備氣化爐屬于加壓氣流床濕法加料液態排渣設備，結構簡單，無機械傳動裝置。
　　(2)開停車方便，加減負荷較快。
　　(3)煤種適應較廣。可以利用粉煤、煙煤、次煙煤、石油焦、煤加氫液化殘渣等。
　　(4)合成氣質量好。CO+H₂≥80%且H₂與CO量之比約為0.77，可以對CO全部或部分進行變換以調整其比例用來作合成氨、甲醇等，且后系統氣體的凈化處理方便。
　　(5)合成氣價格低。在相同條件下，天然氣、渣油、煤制合成氣，合成氣的綜合價格以煤制氣最低。
　　(6)碳轉化率高。該工藝的碳轉化率在97%～98%之間。
　　(7)單爐產氣能力大。由于德士古水煤漿氣化爐操作壓力較高(一般為4.0MPa～6.7MPa)，又無機械傳動裝置，在運輸條件許可下設備大型化較為容易，目前氣化煤量為2 000t/d^.臺的氣化爐已在運行。
　　(8)三廢排放有害物質少。

2　TEXACO水煤漿氣化工藝原理
　　TEXACO水煤漿氣化屬氣流床氣化工藝技術，即水煤漿與氣化劑——純氧在氣化爐內特殊噴嘴中混合，高速進入氣化爐反應室，遇灼熱的耐火磚瞬間燃燒，直接發生火焰反應。微小的煤粒與氣化劑在火焰中作并流流動，煤粒在火焰中來不及相互熔結而急劇發生部分氧化反應，反應在數秒內完成。在上述反應時間內，放熱反應和吸熱反應幾乎是同時進行的，因此產生的煤氣在離開氣化爐之前，碳幾乎全部參與了反應。在高溫下所有干餾產物都迅速分解轉變為均相水煤氣的組分，因而生成的煤氣中只含有極少量的CH₄。
　　氣流床氣化的特點是每個煤粒均被氣流隔開，每個顆粒能單獨膨脹、軟化、燃燒盡及形成熔渣，而與鄰近的顆粒毫不相干。燃料顆粒不易在塑性階段凝聚，從而燃料的粘結性對氣化過程不會產生大的影響。
　　TEXACO水煤漿氣化爐所得煤氣中含有CO、H₂、CO₂和H₂O四種主要組分，它們存在如下平衡關系：
　　CO+H₂O=CO₂+H₂
　　在氣化爐的高溫條件下，上述反應很快達到平衡，因此氣化爐出口的煤氣組成相當于該溫度下CO水蒸氣轉化反應的平衡組成。

3　TEXACO水煤漿氣化工藝流程
　　TEXACO水煤漿氣化工藝在工業化生產中有兩種流程：即廢熱鍋爐流程和激冷流程。根據合成氣的用途可選用其中任一流程。
3.1　廢鍋流程簡介
　　＜10mm的煤經計量進入濕式煤磨機，與定量加入的水、添加劑、助熔劑(煤的灰熔點T₃＞
1 350℃時則需加助熔劑，以降低灰熔點)磨成含固量為60%～70%的水煤漿，其粒度分布為全部通過8目，99%通過14目，通過325目的占35%～55%(其數字與煤種有關)。水煤漿經柱塞隔膜泵送入氣化爐頂部燒嘴，與制氧車間來的氧氣(含氧量大于99%)在燒嘴出口混合霧化進入約1 400℃的氣化爐內，煤漿中的碳和水在高溫下迅速發生反應，產生的高溫合成氣進入輻射鍋爐和對流鍋爐降溫初步除塵后，煤氣進入文丘里除塵器和煤氣洗滌塔，進一步除塵送至氣體凈化車間。隨高溫氣流流動的熔渣，在輻射鍋爐內與輻射管內鍋爐水進行熱輻射傳遞后，進入輻射鍋爐底部被灰水冷卻成粒狀玻璃體，定期經鎖斗排放到渣池內外運。氣化爐內黑水定量排出，黑水中細炭灰經沉降、過濾返回磨機(廢鍋流程多用在發電上)。
3.2　激冷流程簡介
　　激冷流程前半部分與廢鍋流程相同。不同之處是，氣化爐產生的高溫合成氣經下降管與來自激冷環，沿下降管管壁流動的灰水，在下降管內和下降管與上升管間環隙形成的二相流進行輻射和對流、傳熱與初除塵。被水激冷的含飽和水蒸氣的合成氣，經文丘里除塵器和煤氣洗滌塔進一步除塵后，送至氣體凈化車間。熔渣和黑水處理同廢鍋流程。

4　TEXACO水煤漿氣化工藝的關鍵技術
4.1　煤漿制備
　　TEXACO公司經多年研究，在水煤漿中加入添加劑以降低煤漿的粘度，使其易于輸送和使煤漿中水在較長時間內不析出。根據煤種的類別及工業分析、元素分析，確定水煤漿的各種粒度分布比例來提高煤漿的含固量，達到不易析水又能輸送的最佳含固量值。一般情況，在同等條件下的褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤制漿濃度依次增大，也即煤化程度深的煤吸水性能和親水性能較差，適宜形成以煤粒為主的固液混合體系，易得高濃度煤漿，但煤粒易于從煤漿中沉降出來。煤化程度深的煤活性差，煤漿中通過325目的量就應越大。目前TEXACO公司在洛杉磯的“蒙特彼洛實驗室”，我國的“水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心”本部和“水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心水煤漿氣化開發研究部”(西北化工研究院)，均能根據煤的工業分析、元素分析、煤的可磨指數等化學和物理數據，推薦最經濟的添加劑、最佳煤漿濃度、預測氧煤含量之比、合成氣成分等。并在中試裝置上進行一周左右的試燒，最后為德士古公司編制工藝軟件包提供可靠的數據。更為重要的是在試燒中得到今后生產系統所依據的灰水中鈣、鐵、鋁、硅等化合物含量，選取最佳的穩定劑及絮凝劑，以確保正常生產的進行。
4.2　煤漿輸送
　　由于煤漿粘度大(1 000mPa^.s～3 000mPa^.s)且含有大量固體顆粒，對運轉設備部件磨損很快，因此煤漿的輸送多選用隔膜柱塞泵。
4.3　燒嘴技術
　　TEXACO公司多年研究開發了三流道燒嘴，開發了耐溫、耐磨的制造燒嘴材料以及燒嘴結構。目前燒嘴的材料仍在不斷改進中。
4.4　耐火磚技術
　　TEXACO水煤漿氣化爐燃燒反應室內襯耐火磚，其不但需要耐高溫而且要求能抵抗煤灰熔渣(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)的浸蝕。目前水煤漿氣化爐用向火面耐火磚，采用以氧化鉻為主添加少量氧化鎂或氧化鋯的耐火材料。耐火磚的砌筑設計，既保證高溫氣體不能串到爐壁引起氣化爐壁超溫，又要便于能局部更換。
4.5　激冷室降溫除塵技術
　　由于氣化爐是在較高壓力下操作，為使高溫的合成氣迅速冷卻下來，在氣化爐燃燒反應室下部設氣化爐的激冷室，其中有將灰水均勻分布沿下降管內壁均勻流下的激冷環。下降管和上升管組成的二相流上升環隙及擋液板等設計，目的是要在最短時間、最小分離空間達到高溫氣體冷卻飽和及初除塵。
4.6　排渣技術
　　粒狀玻璃體的煤渣自激冷室底部排出至鎖斗內儲存，選用灰渣極不易進入閥座與閥芯間的耐溫、耐磨、快速開關的球閥。排渣系統采用一套邏輯控制系統操作。

5　改造以煤為原料的中型化肥廠技術方案介紹
　　我國眾多的以煤為原料的中型化肥廠，經過多年的改造，合成氨能力已突破10萬t/a，已具備采用TEXACO水煤漿氣化工藝的條件。根據魯南化肥廠第二氮肥廠(合成氨設計能力為8萬t/a，氣化爐一開一備)開車的經驗，備用爐不需要長時間熱備用；如無備用爐，單臺爐年可運行280 d以上。為減少改造投資及改造期間企業停產的損失，改造工程設計最終規模可為18萬t/a合成氨(兩臺氣化爐)。第一期工程先建設一套TEXACO氣化爐(與常壓UGI氣化爐互為備用)及一套空氣分離裝置，并增設年產2.2萬t甲醇的聯醇裝置，以減少銅洗裝置的改造。在一期工程將完成建設安裝時，舊系統首先改造備用壓縮機的低壓段為雙高壓壓縮機，凈化車間改造成新舊氣化均能通過。在一期工程投產后，用一年半時間進行第二期改造工程建設(再建一臺德士古氣化爐、一套空氣分離裝置及氣體凈化、合成氨和尿素車間)，待第二期工程投產后，可以停下舊造氣裝置，實現全部新工藝生產。
　　有以下條件的中型化肥廠采用TEXACO水煤漿氣化工藝技術最為有利：
　　(1)合成氨能力已達8萬t/a以上；
　　(2)采用了耐硫變換，有NHD脫除硫化氫、二氧化碳裝置，或碳酸丙烯酯脫二氧化碳裝置。變換裝置及脫碳裝置的最佳操作壓力為2.7MPa。
5.1　工廠建設規模
　　開工天數：310d
　　年合成氨產量：18萬t/a(一期：9萬t/a；二期全部建成后達18萬t/a)
　　年聯產甲醇：22 000t/a
　　日產合成氨：第一期工程：290t/d　(12.083t/h)
第二期工程：580t/d　(24.167t/h)
　　日產甲醇：　　　　　　　　70t/d　(2.917t/h)
　　TEXACO氣化壓力：3.0MPa～4.0MPa，推薦壓力為4.0MPa
　　TEXACO氣化用煤：除褐煤外任何煤種均可，從經濟效益考慮，灰熔點最好低于1 350℃。
　　TEXACO氣化用氧氣　氧氣純度96.0%～99.6%(視后系統需要定)。
　　一期工程建設時間為2年，二期工程建設時間為1.5年。
5.2　工程改造工藝流程(圖1)

圖1　改造工藝方框流程圖

　　注：1)有底紋的為需局部進行改造裝置；有下劃線斜體黑字的為原有不改造裝置；無下劃線無底紋的為新建裝置。