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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应器，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
< br>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
程中的一部分，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，将煤炭分解气
化的过程。通过限制氧气的量，可避免煤的完全燃烧，使煤炭分解成更有价值的合
< br>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应，
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
基本依据是煤炭的非催化部分氧化反
应，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，放热反应产生
的热必须与吸热
反应消耗的热以及原料升温至反应温度所需热量保持平衡。反应温度通常
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应器，没有内
部或移动部件，
可在空气和氧气两种模式下工作。
TRIG
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<
/p>
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<
/p>
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
:
< br>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
600
MW
IGCC
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
< br>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
清除和处理。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)
的相关成本和
用电量
;
另外，对低阶煤，
TRIG<
/p>
可提供高碳转化率，同时确保不会产生焦油。
1
与其它商业气化炉相比，
TRIG
具有多方面的优点。
如图
I<
/p>
所示，
KBR
传输床气化炉
(TRIG)
由混合区、提升管、旋风分离器、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应。新鲜煤由混
合区上方进料，避免在混合区内与氧提前燃
烧。煤气化反应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
级旋风分
离器，通过重力
和
(
或
)
离心力清除混合物内大部分的颗粒。气体和剩余固体随后进人第
2
级旋风分
离器，可清除大部分固体颗粒。合成气由
第
2
级旋风分离器顶部排出装置，进人余
热回收锅炉。旋风分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。为了避免煤灰积聚，
TRIG
提供了粗煤灰连续排放系统。
<
/p>
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
)
达到
50
一
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，
由此气化反应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
KBR
合成氨回路。
KBR
煤制合成氨的工艺流程如图
2
所示。
2
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 <
/p>
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
< br>的生产能力也与密西西比
IGCC
发电厂项目所用的
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
热值和硫含量都比较低。
PRB
煤
(<
/p>
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
/%
C
51074
O
11.52
H
3.41
N
0.71
S
0.26
CL
0.01
F
0.01
水分
27.21
灰分
5.13
2.1
合成气制取
2.1.1
预处理和进料
原料煤破碎至所需粒度后，
进
料至煤炭干燥机。
由于
TRIG
比其它
气化炉接收的
煤炭颗粒大，因此破碎煤的能耗较低。煤粉经干燥后进人气化炉煤储箱，以
循环合
成气作为传输流体，
通过锁斗进人加压
< br>TRIG
装置。
煤粉的进料点要稍高于气化炉混
合区，便于进人气化炉后形成流化态。用
PRB
煤为原料时，按干燥无灰基
(MAF )
计
算，吨氨煤耗约为
1.45t
。
2.1.2
空分装置
3
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
工设备的负荷和成本，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
k
Pa
、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.
2.1.3
煤气化
半干煤粉、
氧气和蒸汽进人<
/p>
TRIG
的混合区附近，
并在混合区内与
循环固体接触。
煤气化反应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。
蒸汽作为反应物和调节剂，<
/p>
将反应温度控制在
980
℃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分离器，合成气内较大的固体
颗粒在第
1
旋风分离器内脱除，剩余的较小固体颗粒
经第
2
旋风分离器分离脱除后
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
排出少量粗煤灰
，以避免气化炉内积聚固体。
基本不含固体颗粒的合成气由第
2
旋风分离器顶部离开气化炉进人合成气主冷
< br>却器，其温度约为
980
℃，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 TR
IG
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/%
45.0-50.0
H
2
/%
30.0-35.0
CO
2
/%
13.0
一
18.0
CH
4
/%
1.0
一
5.0
NH
3
/%
0.1
一
1.0
N
2
/%
0.1
一
0.5
Ar/%
0.1-0.5
H
2
S/
x10-
6
500
一
1000
HCN/ x10-
6
50
一
300
COS/ x10-
6
10
一
100
6
HF/ x10-
10
一
50
HCI/ x10-
6
10
一
50
2.1.4
余热回收
出
TRIG
的合成气温度约
9
80%
，
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
370
℃。
4
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