粉煤加压气化工艺采用CO2和N2输煤的对比及选择

尹俊杰，赵瑞萍

（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州 730010）

粉煤加压气化工艺采用CO2和N2输煤的对比及选择

尹俊杰，赵瑞萍

（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州 730010）

对粉煤加压气化中分别采用CO2输煤和N2输煤的两种工艺进行了分析比较，结果表明：采用CO2输煤比采用N2输煤的操作费用会降低约4%，投资高3%。并由此总结出了煤化工装置不同产品应选用不同的输煤工艺及适合的流程配置的规律。

粉煤加压气化；CO2输煤；N2输煤；对比

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

粉煤气化工艺是目前世界上最先进的煤气化工艺之一，其工艺流程是先将原煤磨碎并干燥，再用高压气体进行加压，然后利用粉煤给料罐与气化炉的压差将其输送到气化炉与氧气/蒸汽进行气化反应，反应后生成的粗合成气（主要成分为CO和H2）经洗涤后送往下游配套厂，经进一步处理后加工成甲醇或合成氨产品。

目前，国内广泛采用的粉煤加压气化工艺有国外的Shell、GSP等，还有国内的航天炉（HT-L）等，粉煤输送既有采用N2输煤的，也有采用CO2输煤的，两者各自的优缺点，以及对于特定的产品如何选用输煤工艺将是本文探讨的内容。

1　不同输煤工艺对气化反应过程的影响

气化反应过程主要是碳与氧和碳与蒸汽的反应。为了理解实际气化的过程，用基本的气化方程式阐述，在方程式中以纯碳代表煤，反应式为：

实际上，第一个部分氧化反应可进一步分成2步来理解，反应式为：

这种细化表明，气化反应得以进行的能量是内部生成的（Q3＞Q4），此外还表明第2步反应应作为平衡来对待。

从上述反应机理可以看出，CO2是参与气化反应的，该反应是吸热反应，可以降低气化反应的剧烈程度，因此，采用CO2输煤对气化反应是有好处的。

2　不同输煤工艺对有效气组成的影响

从上面气化反应方程式可以推断出，CO2对气化反应过程有一定影响，采用CO2输煤的煤气化比采用N2输煤的煤气化有效气（H2+CO）组成要高，即当制取相同量有效气时，采用CO2输煤的煤气化要比采用N2输煤的煤气化的氧耗和煤耗低。从河南某煤化工有限公司采用CO2代替N2输煤［2］的结果来看，这一推断也得到了证实，CO2替代N2输煤后有效气（H2+CO）含量基本上能增加约10%。我公司为山东2个建设地点相邻的化工企业设计的年产30万t煤制合成氨装置，都采用了HT-L粉煤加压气化工艺，分别为N2输煤和CO2输煤，气化初步计算结果表明，采用CO2输煤比采用N2输煤的气化装置出口有效气（H2+CO）（干基）含量提高了3%。

3　不同输煤工艺对前后装置的影响

3.1对空分装置的影响

采用N2输煤时，空分装置的空压机处理气量需增加，并需增加液氮泵将中压液氮压缩至高压液氮，而且需要增加氮压机提供气化装置所需要的密封氮气。采用CO2输煤时，虽然可以减少空压机的处理气量，并减少了液氮泵，但需增加输煤二氧化碳压缩机组，而且该机组在开车初期还要压缩低压氮气，低温甲醇洗产出CO2后仍要切换过来，对机组要求比较高。

3.2对后续装置的影响

对于煤制甲醇装置来说，与采用N2输煤比较，采用CO2输煤的粗煤气经过变换和低温甲醇洗净化后，净化气中N2含量低，对甲醇合成的影响是弛放气量明显减少，甲醇产量增加，合成效率提高［2］。因此，煤制甲醇装置建议采用CO2输煤。

对于煤制合成氨装置来说，采用CO2输煤的粗煤气经过变换和低温甲醇洗净化后，净化气中N2约0.52%；采用N2输煤的粗煤气经过变换和低温甲醇洗净化后，净化气中N2约7.5%。不同的N2含量对后续气体精制工艺有一定影响，采用N2输煤的粉煤加压气化后的气体精制单元可以采用液氮洗工艺，但多采用甲烷化工艺，若N2含量大于9%，则建议只采用甲烷化工艺，而不要采用液氮洗工艺［3］；采用CO2输煤的粉煤加压气化后的气体精制单元可以采用液氮洗工艺，也可采用甲烷化工艺。

4　不同输煤工艺的操作费用比较

采用N2输煤时，因输煤需要的氮气量比较大，空分装置的负荷也相应提高，为满足输煤压力的要求，还需要设置2台低温液氮泵；采用CO2输煤时，空分装置的负荷小，但需单独设置二氧化碳压缩机组及厂房。采用N2与采用CO2输煤的具体消耗和操作费用对比见表1（以30万t/a合成氨为例，含空分装置）。

表1　采用N2和采用CO2输煤的消耗和操作费用对比

从上表比较可看出，采用CO2输煤比采用N2输煤操作费用降低约4%。

5　不同输煤工艺的投资比较

采用N2输煤与采用CO2输煤的投资比较见表2（以30万t/a合成氨为例，含空分装置）。

表2　采用N2输煤与采用CO2输煤的投资对比

从上表比较可看出，采用CO2输煤比采用N2输煤投资要高约3%。

6　结语

通过对粉煤加压气化工艺中采用N2输煤和CO2输煤的综合比较，可以总结出以下几点：①采用CO2输煤降低了气化反应温度，增加了有效气含量，对煤化工装置有一定好处；②煤制甲醇装置建议采用CO2输煤，煤制合成氨装置若采用N2输煤，建议气体精制单元采用甲烷化工艺，若采用CO2输煤，则气体精制单元采用液氮洗或甲烷化工艺都可以；③采用CO2输煤投资要略高于N2输煤，但能耗和操作费用略低。

［1］姜圣阶，等.合成氨工学［M］.石油化工工业出版社，1978.

［2］戴乐亭.Shell气化炉以CO2代替N2作为粉煤输送气的研究［J］.煤化工，2011（1）：35-36，50.

［3］高峰，尹俊杰.探讨液氮洗原料气中氮气含量的高限值［J］.大氮肥，2012，34（3）：181-184，206.

修改稿日期：2016-06-20

Com parison and Selection of CO2and N2as Pulverized Coal Carrier Gases in Coal Gasification Process

YIN Jun-jie，ZHAO Rui-ping
（Changzheng Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou Branch，Lanzhou Gansu 730010 China）

Analysis and comparison of the CO2and N2as pulverized coal carrier gases in coal gasification processusher the results that compared with the latter，applying the former one can decrease the operating cost by 4%and increase the investment by 3%.A rule is summed up therefrom that different pulverized coal carrier gases and applicable processes shall be selected for different products of coal chemical units.

coal gasification process；CO2as coal carrier gas；N2as coal carrier gas；comparison

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.007

TQ 546

B

1004-8901（2016）04-0022-02

尹俊杰（1977年-），男，山西浮山人，1999年毕业于华东理工大学化学工程系，高级工程师，现主要从事化工工艺设计等工作。