年4月19日淺析KBR的煤制合成氨新工藝模板資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。KBR的煤制合成氨新工藝摘要KBR傳愉床氣化爐(也稱之為TRIG)是一種先進的煤氣化技術(shù),可提供干凈、無顆拉的合成氣。TRIG是一種緊湊的加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器,無內(nèi)部或移動部件。其運行和機械設(shè)計源自KBR的流化催化裂化(FCC)技術(shù),該技術(shù)已有60多年的成功商業(yè)運營經(jīng)驗。描述了煤制合成氛的KBR新工藝,其中TRIG作為KBR合成氛裝里流程中的一部分,向一個典型的1500t/d的合成氨回路提供氮氣。論述了基于TRIG特性的工藝整合和優(yōu)化要素,以實現(xiàn)穩(wěn)定高效的煤制合成氛工廠設(shè)計。關(guān)鍵詞:KBR傳輸床,氣化爐,煤氣化,新工藝0前言煤氣化是指在高溫、高壓、蒸汽以及有限的氧氣存在的情況下,將煤炭分解氣化的過程。經(jīng)過限制氧氣的量,可避免煤的完全燃燒,使煤炭分解成更有價值的合成氣(主要成分是一氧化碳和氫氣)。在合成氨生產(chǎn)工藝中,煤要盡量多地轉(zhuǎn)化為氫氣;煤氣化產(chǎn)生的粗合成氣與蒸汽發(fā)生催化變換反應(yīng),將其中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳,同時產(chǎn)生更多的氫氣用于氨合成。煤氣化的實際化學原理相當復雜,當前其基本依據(jù)是煤炭的非催化部分氧化反應(yīng),一般在高溫耐火襯里容器內(nèi)進行。在煤氣化過程中會產(chǎn)生多種副產(chǎn)品,煤中的硫大多轉(zhuǎn)化為硫化氫和氧硫化碳,氮轉(zhuǎn)化為氨和氰化氫。煤的燃燒程度取決于輸送至氣化爐的氧氣量。氣化爐一般在絕熱狀態(tài)下工作,放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱必須與吸熱反應(yīng)消耗的熱以及原料升溫至反應(yīng)溫度所需熱量保持平衡。反應(yīng)溫度一般經(jīng)過向氣化爐內(nèi)添加水或蒸汽來進行控制。1KBR傳輸床氣化爐KBR傳輸床氣化爐(也稱之為TRIG'')是一種先進的循環(huán)流化床反應(yīng)器,沒有內(nèi)部或移動部件,可在空氣和氧氣兩種模式下工作。TRIG的機械設(shè)計和操作是基于KBR的流化催化裂化(FCC)技術(shù),已有60多年的成功商業(yè)運行經(jīng)驗。與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床相比,TRIG的固體循環(huán)速率和氣體流速要快很多,提升管密度要大很多,因此具有較高的生產(chǎn)能力和碳轉(zhuǎn)化率、混合均勻、傳熱和傳質(zhì)速率較快等特點。20世紀90年代中期,KBR在美國阿拉巴馬州威爾遜維爾投運了工程規(guī)模為50t/d的示范裝置,已成功氣化多種煤(包括煙煤、次煙煤和褐煤)。TRIG的獨特優(yōu)勢是其能在空氣和氧氣兩種模式下工作:空氣模式適用于IGCC發(fā)電;氧氣模式提供合成氣,用于多種化學品和燃料的生產(chǎn)。當前正在設(shè)計美國密西西比州的600MWIGCC電廠,采用褐煤氣化,設(shè)計2臺TRIG在空氣工況下并行工作,單爐日處理煤量3750t。TRIG分為造渣式和無渣式2種。造渣式TRIG采用高溫氣化,高溫下煤灰產(chǎn)生的熔渣沿著氣化爐內(nèi)壁向下流人單獨的爐腔,用循環(huán)水急冷和固化,固體廢料定期清除和處理。無渣式TRIG在中溫下工作,因此適用于煤灰和水含量較高的低階煤;TRIG的中溫操作可減少耗氧率,從而降低空分裝置(ASU)的相關(guān)成本和用電量;另外,對低階煤,TRIG可提供高碳轉(zhuǎn)化率,同時確保不會產(chǎn)生焦油。與其它商業(yè)氣化爐相比,TRIG具有多方面的優(yōu)點。如圖I所示,KBR傳輸床氣化爐(TRIG)由混合區(qū)、提升管、旋風分離器、返料機構(gòu)、立管和J管組成。蒸汽和氧氣(或空氣)分別經(jīng)過2根管線進料,并在混合區(qū)與立管返回的循環(huán)固體混合。在混合區(qū)內(nèi),循環(huán)固體中未轉(zhuǎn)化的碳被進一步燃燒,產(chǎn)生的熱量用于氣化反應(yīng)。新鮮煤由混合區(qū)上方進料,避免在混合區(qū)內(nèi)與氧提前燃燒。煤氣化反應(yīng)主要在新鮮煤進料注人點上方的提升管內(nèi)進行,產(chǎn)生的合成氣與固體共同沿提升管上升,經(jīng)過I個橫向彎頭或彎管進人第I級旋風分離器,經(jīng)過重力和(或)離心力清除混合物內(nèi)大部分的顆粒。氣體和剩余固體隨后進人第2級旋風分離器,可清除大部分固體顆粒。合成氣由第2級旋風分離器頂部排出裝置,進人余熱回收鍋爐。旋風分離器收集的固體經(jīng)過返料機構(gòu)、立管和J管循環(huán)進人氣化爐的混合區(qū)。為了避免煤灰積聚,TRIG提供了粗煤灰連續(xù)排放系統(tǒng)。與傳統(tǒng)流化床氣化爐不同,TRIG采用類似于FCC裝置的高循環(huán)比,其循環(huán)倍率(固體循環(huán)流量/投煤量)達到50一100。這使整個氣化爐近乎在恒溫下操作,而且具有極大的熱容量,由此氣化反應(yīng)可均勻而充分地進行,因此TRIG操作也非常穩(wěn)定。圖IKBR傳輸床氣化爐(TRIG)結(jié)構(gòu)簡圖2KBR煤制合成氨工藝在KBR煤制合成氨工藝中,專有的TRIG技術(shù)被整合到傳統(tǒng)的KBR合成氨回路。KBR煤制合成氨的工藝流程如圖2所示。圖2KBR煤制合成氨工藝流程框圖當生產(chǎn)合成氨時,氣化爐采用純氧作氣化劑,以降低下游處理裝置的負荷。以合成氨裝置生產(chǎn)能力1500t/d為例,其合成圈與KBR幾年前設(shè)計的1500t/d以天然氣為原料的合成氨裝置相同,該裝置位于中國海南省并于投產(chǎn)。同時,1500t/d的生產(chǎn)能力也與密西西比IGCC發(fā)電廠項目所用的TRIG的規(guī)模相同。TRIG適用于多種原料煤,特別是低階煤。假定TRIG使用美國波德河盆地(PRB)煤(是美國最常見的采礦煤,屬次煙煤),與其它煙煤或無煙煤相比,PRB煤是低階煤,其熱值和硫含量都比較低。PRB煤(人廠)低熱值(LHV)約為19000kJ/kg,,PRB煤(人廠)的典型成分分析見表1。表1PRB煤(入廠)的典型成分分析成分質(zhì)量分數(shù)/%C51074O11.52H3.41N0.71S0.26CL0.01F0.01水分27.21灰分5.132.1合成氣制取2.1.1預處理和進料原料煤破碎至所需粒度后,進料至煤炭干燥機。由于TRIG比其它氣化爐接收的煤炭顆粒大,因此破碎煤的能耗較低。煤粉經(jīng)干燥后進人氣化爐煤儲箱,以循環(huán)合成氣作為傳輸流體,經(jīng)過鎖斗進人加壓TRIG裝置。煤粉的進料點要稍高于氣化爐混合區(qū),便于進人氣化爐后形成流化態(tài)。用PRB煤為原料時,按干燥無灰基(MAF)計算,噸氨煤耗約為1.45t。2.1.2空分裝置KBR的煤制合成氨工藝采用氧氣作為氧化劑。氧氣由空分裝置(ASU)提供,氣化選用的氧氣純度約為體積分數(shù)98%。該氧氣純度能夠有效地平衡空分裝置與下游加工設(shè)備的負荷和成本,同時兼顧整個工廠的生產(chǎn)能力。氧氣內(nèi)的主要雜質(zhì)是氫氣和氮氣,在約4100kPa和室溫下進人氣化爐?？辗盅b置同時向下游合成氨系統(tǒng)提供2400kPa、室溫的純氮氣(體積分數(shù)>99.999%)。由于TRIG耗氧量低,空分裝置的負荷和用電量也較其它氣化爐低。對1500t/d的合成氨裝置,需氧量約為1800t/d,用氮量約為1300t/d,空分裝置耗電量為35一40MW.2.1.3煤氣化半干煤粉、氧氣和蒸汽進人TRIG的混合區(qū)附近,并在混合區(qū)內(nèi)與循環(huán)固體接觸。煤氣化反應(yīng)發(fā)生在高速氣流經(jīng)過的流化床內(nèi)。經(jīng)過控制氧氣的流量,能夠有效地控制煤在氣化爐內(nèi)的燃燒。蒸汽作為反應(yīng)物和調(diào)節(jié)劑,將反應(yīng)溫度控制在980℃左右。生成的合成氣隨同剩余的未氣化固體沿著提升管進人分離器,合成氣內(nèi)較大的固體顆粒在第1旋風分離器內(nèi)脫除,剩余的較小固體顆粒經(jīng)第2旋風分離器分離脫除后返回立管,并與先前脫除的大顆?；旌?循環(huán)返回氣化爐混合區(qū)。在立管底部連續(xù)排出少量粗煤灰,以避免氣化爐內(nèi)積聚固體。基本不含固體顆粒的合成氣由第2旋風分離器頂部離開氣化爐進人合成氣主冷卻器,其溫度約為980℃,壓力為3585kPa。下游流程的少許冷卻合成氣返回氣化爐,用于輸送煤粉并用作氣化爐內(nèi)的流化氣。離開氣化爐的合成氣的成分取決于所用煤種。用氧氣作氣化劑時,PRB煤出口合成氣的典型成分見表20表2TRIG用PRB煤和氧氣生產(chǎn)合成氣的典型成分成分體積分數(shù)(干基)CO/%45.0-50.0H2/%30.0-35.0CO2/%13.0一18.0CH4/%1.0一5.0NH3/%0.1一1.0N2/%0.1一0.5Ar/%0.1-0.5H2S/x10-6500一1000HCN/x10-650一300COS/x10-610一100HF/x10-610一50HCI/x10-610一502.1.4余熱回收出TRIG的合成氣溫度約980%,與傳統(tǒng)的二段爐出口溫度相當。氣體經(jīng)過專門設(shè)計的高壓蒸汽余熱鍋爐和高壓蒸汽過熱器,高等級的熱量被過熱高壓蒸汽回收。根據(jù)整個工廠的蒸汽系統(tǒng)使用情況,余熱鍋爐和高壓蒸汽過熱器之間的負荷分配可進行優(yōu)化。最終合成氣被冷卻至約370℃。2.1.5顆粒物控制余熱回收后,合成氣流經(jīng)I個KBR專有顆粒物控制裝置(PCD),用于脫除合成氣內(nèi)剩余的顆粒物(如細煤灰)。脫除細顆粒物是氣化爐系統(tǒng)的重要組成部分,因為合成氣內(nèi)的細顆粒可能會污染或腐蝕下游設(shè)備,導致設(shè)備性能降低甚至發(fā)生故障。專有顆粒物控制裝置(PCD)結(jié)構(gòu)如圖3所示。PCD采用硬質(zhì)柵欄式濾芯,可基本消除合成氣流內(nèi)全部細微顆粒物。當過濾器積聚的顆粒達到飽和時,可用循環(huán)合成氣進行吹掃清除。每個濾芯下游安裝了1個保護裝置,用以保障在濾芯出現(xiàn)故障時下游設(shè)備免受顆粒物損壞。脫除的顆粒物(細煤灰)減壓至常壓后,經(jīng)過專有的連續(xù)煤灰移除系統(tǒng)送出裝置。專有顆粒物控制裝置(PCD)是TRIG開發(fā)的一個重要組成部分,可確保產(chǎn)生的合成氣不含任何顆粒物。由于采用干法脫粒,無需配置其它氣化工藝所必須的黑水處理系統(tǒng)。KBR已圍繞核心TRIG裝置開發(fā)出多項專有技術(shù),可最大程度回收熱量和冷凝水,這些新技術(shù)也可應(yīng)用于新型煤制合成氨的工藝方案中。2.1.6合成氣飽和TRIG用PRB煤生產(chǎn)的粗合成氣中含一氧化碳摩爾分數(shù)為40%一50%。為滿足合成氨工藝要求,一氧化碳需在變換反應(yīng)器內(nèi)與蒸汽進行催化變換反應(yīng),將大多數(shù)一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣。由于粗合成氣內(nèi)含硫,需要采用耐硫催化劑。氣化爐出口氣體中所含有的蒸汽量不能滿足變換反應(yīng)的要求,因此由合成氣飽和塔利用工藝冷凝水、合成氣潛熱和其它工段的中、低等級熱量,產(chǎn)生變換反應(yīng)所需要的額外蒸汽。同時,裝置通人一小部分新鮮脫鹽水以維持水平衡。飽和塔的底部連續(xù)排放部分污水,并送人工藝冷凝水汽提塔。圖3專有顆粒物控制裝置(PCD)結(jié)構(gòu)2.1.7酸性氣體變換飽和塔的頂部氣體與少量中壓蒸汽混合后,酸性氣人口的水氣摩爾比為1.0一1.3。經(jīng)過二段變換反應(yīng),合成氣中95%以上的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣。另外,合成氣內(nèi)的氧硫化碳基本完全水解為硫化氫。變換反應(yīng)產(chǎn)生的熱量用于預熱進料、上游合成氣飽和塔再沸器、飽和塔進料水、酸性氣脫除裝置再沸器以及鍋爐給水,變換氣最終經(jīng)過冷卻水冷卻。分離出的工藝冷凝水循環(huán)返回合成氣飽和塔。工藝冷凝水產(chǎn)生的閃蒸氣中含有大量氨、二氧化碳和硫化氫,返回氣化爐。變換單元出口合成氣中一氧化碳最終摩爾分數(shù)為2.0%一4.0%(干基)。2.2合成氣凈化2.2.1汞脫除不含冷凝水的合成氣流經(jīng)1個汞脫除保護床,經(jīng)過活性炭吸附合成氣中的汞,無汞合成氣隨后送至酸性氣脫除裝置。活性炭床要定期更換,吸附汞的活性炭需外送處理。2.2.2酸性氣脫除對PRB煤,變換單元出口氣中含二氧化碳35%-45%(摩爾分數(shù),干基)以及硫化氫(500-1000)x10-6(體積分數(shù)),這些酸性氣體大部分在酸性氣脫除裝置內(nèi)脫除。該裝置由第3方供應(yīng)商提供,吸收溶劑從合成氣中選擇性地脫除二氧化碳和硫化氫。原料氣首先流經(jīng)1座硫化氫吸收塔,隨后經(jīng)過1座二氧化碳吸收塔。稀溶劑進人二氧化碳吸收塔頂部,并隨后逆流流向硫化氫吸收塔。溶劑經(jīng)過幾個串連閃蒸罐回收吸附的二氧化碳,再經(jīng)脫硫后送至尿素裝置。硫化氫由溶劑汽提塔頂部排出,經(jīng)過合適的硫磺回收裝置得到單質(zhì)硫。酸性氣脫除裝置的制冷負荷由合成氨冷凍壓縮機提供。合成氣離開酸性氣脫除裝置時,其二氧化碳含量為摩爾分數(shù)2.0%一5.0%(干基),硫化氫脫除至微量(X10-9)水平。2.2.3凈化假定采用變壓吸附裝置(PSA)凈化離開酸性氣體脫除裝置的合成氣,凈化后獲得純度>99.5%(摩爾分數(shù))的氫氣(其它雜質(zhì)為氮氣、甲烷和氫氣),氫氣回收率為85%一90%。合成氣中剩余成分隨同離開PSA裝置的殘留氫輸送至燃料管網(wǎng)。由于PSA凈化系統(tǒng)投資少、運營成本低,因此能耗優(yōu)于傳統(tǒng)的氮洗系統(tǒng),美國堪薩斯州的科菲維爾資源氮肥公司(CoffeyvilleResourcesNitrogenFertilizers)的合成氨裝置已經(jīng)成功使用了類似系統(tǒng)。但KBR的煤質(zhì)合成氨流程并不排斥其它方式的凈化系統(tǒng)。2.3氨合成2.3.1合成氣壓縮變壓吸附(PSA)裝置出口氫氣與空分裝置獲得的高純氮氣按照摩爾比3:1進行混合,混合后的合成氣在合成氣壓縮機內(nèi)壓縮至約15.5MPao合成氣壓縮機是1臺兩箱式壓縮機,裝有級間冷卻器。合成回路主分離罐頂?shù)难h(huán)氣與新鮮合成氣在壓縮機的末端氣缸進行混合,隨后進人合成反應(yīng)器。2.3.2氨合成KRB氨合成回路如圖4所示。圖4KBR氮合成回路在進人合成反應(yīng)器前,進料與產(chǎn)物進行換熱預熱。KBR的合成反應(yīng)器是1臺臥式反應(yīng)器,配有3個平衡床層和級間冷卻,其中第3級又分為2個串聯(lián)子床層,因此反應(yīng)器總計有4級。每個床層裝填粒度為1.5-3.0mm的改良型鐵催化劑。典型的KBR臥式合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5典型的KBR臥式合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)反應(yīng)器內(nèi)的氫氣與氮氣在鐵催化劑作用下反應(yīng)生成氨。出口氣經(jīng)過副產(chǎn)高壓蒸汽、預熱鍋爐給水、預熱合成反應(yīng)器進料以及冷卻水等方式冷卻。部分循環(huán)氣作為弛放氣排出,以防止合成回路內(nèi)積聚甲烷和19氣等惰性氣體。2.3.3氨冷凍合成反應(yīng)器的出口物料在KBR專有的組合氨冷器中急冷并析出產(chǎn)品氨。出口氣先與主分離罐頂?shù)难h(huán)合成氣換熱,然后分別經(jīng)過2個不同溫度的液氨氣化室進行冷凍。該換熱器為組合設(shè)計,將換熱和閃蒸結(jié)合為一個整體。由1組同心管穿過冷劑氨氣化室,氣化的氨蒸氣進人1臺二級離心式冷凍壓縮機,壓縮并水冷后進人冷凝罐。冷凝后的產(chǎn)品氨進人收集罐,由其底部抽取熱氨產(chǎn)品,再由熱氨產(chǎn)品泵輸送至尿素裝置。收集罐還向冷凍系統(tǒng)提供冷劑氨。整套冷凍系統(tǒng)還包括1臺冷氨貯存罐,用于貯存所有的冷劑氨。2.3.4氨回收合成回路的高壓弛放氣用作噴射器的驅(qū)動氣流,抽出氨收集罐內(nèi)的惰性氣體和氨排放罐內(nèi)的閃蒸氣,然后進人氨洗滌塔?；厥盏募儼边M人冷氨冷凝罐,洗滌塔頂部氣體返回變壓吸附(PSA)裝置回收氫氣。2.4公用工程2.4.1蒸汽系統(tǒng)合成氨裝置采用12170kPa的高壓過熱蒸汽、4650kPa中壓蒸汽和415kPa的低壓蒸汽,其中高壓蒸汽經(jīng)過回收氣化爐出口氣和合成反應(yīng)器出口氣的熱量生成。根據(jù)具體項目的不同,高壓蒸汽能夠用于透平驅(qū)動不同的動設(shè)備,如合成氣壓縮機、氨制冷壓縮機、空分裝置的空氣壓縮機,不足的蒸汽經(jīng)過裝置外的輔助鍋爐產(chǎn)生。由透平降壓產(chǎn)生的中壓蒸汽用作氣化爐和變換單元的工藝蒸汽,同時能夠輸出至尿素裝置以驅(qū)動二氧化碳壓縮機。低壓蒸汽用于鍋爐水除氣和驅(qū)動蒸汽表面冷凝器的噴射器。2.4.2冷卻水系統(tǒng)合成氨裝置由界區(qū)外冷卻塔提供冷卻水,循環(huán)冷卻水返回冷卻塔。根據(jù)現(xiàn)場位置和新鮮水的來源情況,海水或空氣也可用作冷卻介質(zhì)。3KBR煤制合成氨工藝的優(yōu)點(1)TRIG適用于多種煤,特別適用于數(shù)量巨大、價格低廉的低階煤;可處理多種粒徑分布的煤原料,過多的煤料細粒不會對裝置產(chǎn)生影響。(2)在中溫下操作,無內(nèi)部或移動部件,提高了氣化爐的可靠性。(3)高度緊湊的設(shè)計與溫和的操作條件,節(jié)省了設(shè)備空間,降低了投資費用;耗氧量低,降低了空分裝置的負荷和費用;無渣式氣化器,無需額外的熔渣處理和清除設(shè)備;專有的組合式氨冷器結(jié)構(gòu)緊湊,換熱器和閃蒸罐無需分別設(shè)置,這不但降低了投資費用而且能夠節(jié)約占地空間;合成氣凈化采用變壓吸附(PSA)裝置,與傳統(tǒng)的氮洗裝置相比,其投資成本更低。(4)TRIG采用中溫操作,加上其干煤粉噴射系統(tǒng),在保持高碳轉(zhuǎn)化率的同時,還降低了耗氧量和空分裝置能耗;用低階煤即可獲得很高的碳轉(zhuǎn)化率(一般不低于97%);輸出的合成氣無需水冷(約為980℃),蒸汽系統(tǒng)能夠高效回收工藝余熱,產(chǎn)生大量過熱高壓蒸汽,使得工藝更加節(jié)能;合成氣飽和塔利用其它裝置中的低等級熱量,從循環(huán)冷凝水中產(chǎn)生大量的蒸汽,