間隙制氣「造氣串淨化」新工藝的製作方法

2024-01-27 05:52:15

專利名稱：間隙制氣「造氣串淨化」新工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬間隙制氣合成氨生產的一種新工藝。我國絕大份分中小氮肥廠及部分大氮肥廠製造原料氣，都採用固定層間歇氣化法。它的優點是不用氧氣作用氣化劑，只用空氣即可。因此，無需增加空分裝置，造氣設備簡單，投資少，而且積累了卅多年的生產經驗，在煤的氣化技術上取得了很大的成就，因此常壓間隙制氣方法一直沿襲至今。國外從1913年氮肥工業問世以來就曾盛行過這種生產方法，至1920年逐步採用新技術設備，基本上淘汰了這種方法。至於非間隙制氣的方法，美國A、V斯拉克、G、R詹姆斯合著的「合成氨」一書說由於投資和操作費用高昂只建設了少數的工廠。
我國以煤制氣各大、中、小氮肥廠曾達1500家之多，其中的1千多家數十年來一直採用常壓間隙制氣的老流程，這個工藝的最大缺陷是流程長、工藝重複，其明顯的表現如造氣及變換的冷熱病，多次重複脫硫，以滿足尿素生產對硫化氫的嚴格要求，另外脫硫與脫碳的分開進行……造成淨化系統工藝多次重複以及能耗系統的重複浪費。
解放以來，尤其是小氮肥普及後的近20多年來，雖然經過不斷的小改小革及每年各省、市撥款數千萬元用於節能改造，但仍然未觸動工藝本身的根本變革，從而使上述問題得不到根本解決，仍在能源嚴重浪費的前提下去進行節能工作，哪怕是全國最先進的能耗最低的氮肥廠也存在這個問題，針對上述問題的二個方面，一是流程長，二是能耗大的重大缺陷。本發明提出了一種新的合理淨化新工藝，即間隙制氣造氣串淨化的新工藝。這種新工藝能使淨化流程中脫硫、脫碳中低變換合併縮短，能耗重複浪費不再出現加之工藝流程縮短，能耗也就自然大幅度下降了。
由於這種新工藝涉及到H2S、CO、CO2流程的更改，首先需要能耐硫的催化劑。
由於國外20年代以後逐步淘汰了間隙制氣法的生產，而耐硫變換催化劑在國外遲至60年代末出現，因此，國外沒有先變換後脫硫的間隙制氣的流程，就國內而言，由於耐硫變換催化劑在80年代後才研製成功，因此國家至今也未產生造氣串淨化的新工藝。
由於我國人口增長速度快，而糧食的耗地面積並無大增長的勢頭。因此人民的吃飯問題關鍵在於提高糧食的單位面積產量，而提高糧食產量的關鍵之一在於增加和提高化肥的產量，質量和品種，作為至關重要的氮肥-合成氨耗能大戶，在當前能源短缺，浪費嚴重的情況下，如何大幅度節能就更為突出了。為此發明了此項新工藝。
針對上述生產過程存在的問題，在基本不改變現有造氣設備的原則上，本發明提供了在氣淨化的新工藝過程如下吸收混合配氣送耐硫低變爐，如果溫度太低，點燃不了耐硫催化劑，加之不要達到低變指標，或因壓力太小無法通過設備，則空氣煤氣亦可不經過噴射混合器，直接送洗滌塔或氣櫃配合氣亦可。如果有「三氣」鍋爐之煙氣氧含量控制在O2＜1%時，亦可進電除塵器，以提高電除塵器入口水煤氣的熱量，從而提高低變的點燃溫度，但必須保證氧含量安全可靠的情況下才能實施。
與本系統配套的多功能電除塵器，必須具備以下幾方面特性1、防爆性雖然對進入電除塵器的氣體，嚴格控制了氧含量，但每種機構都有一定的響應時間，在響應時間內進入電除塵器的氧，有可能引起爆炸，(被電除除塵器的火花引爆)這就要求電除塵器能在爆炸的瞬間，迅速關閉進氣口與出口通道，而且將燃氣迅速挑放於大氣，以減少因爆炸給生產帶來的損害和對設備的破壞。
因此電除塵器必須具備壓控截流閥，與安全閥，控制壓力為工作壓力的1.5倍。
2、防溼性由於工作介質溼度較大，當介質溼度低於露點時，高壓絕源子發生短路現象，故在絕源子周圍應有能自動控溫的電加熱裝置，以保證電除塵器的正常工作。
3、電除塵的外形及極板，均應製成圓柱形，且有足夠的安裝剛性與強度，防爆安全閥應位於其軸向。
4、具備共它必要的機構，如蒸氣預熱，置換裝置、清灰振打裝置等。
從混合器出來的半水、煤氣溫度t宜＞200℃左右進入耐硫變來自造氣爐的上吹、下吹，二次上吹的水煤氣進入物理淨化系統，首先經機械式或者旋風式除塵器除掉粗及中級塵粒，然後進入電除塵器進行細微級粒子的除塵，進入此系統的氣體的特點是溼含量大約20～40%，壓力較高而且較穩定，要求提高入爐蒸力壓力，使水煤氣壓力的1.5米至3米水柱或超過這個壓力。另外，由於在制水煤氣過程中不加空氣，在實施中當自動機使安全檔板閥打開，空氣進入系統，物理淨化系統的閥門即關閉，當通過純碎的水蒸氣時，控制閥門打開，空氣鼓風機所帶的空氣無法進入淨化1，除了以前工藝階段殘存的氧含量外，再無新氧添加到此系統，因此，進入淨化的水煤氣是安全的水煤氣;並且與造氣爐況好壞無關的低氧安全煤氣、進入淨化系統的水煤氣溫度應最好為250℃至200℃左右，這是因為進低溫變換爐的需要及淨化系統，電除塵器的散熱，致使溫度有明顯下降的趨勢所要求，為了使水蒸氣不致於冷凝影響到電除塵器的工作，因此進淨化的溫度至少高於露點20℃～50℃，這種溫度的得到的來源有2，一是靠上行煤氣在廢熱鍋爐前後調節水謀氣的量達到規定溫度的，至於下行水煤氣在多爐生產中依靠其它爐生產的上行水煤氣來加熱，如果是單爐生產時則依靠變換氣及三氣鍋爐的煙氣的熱交換予熱來達到，因此這種新工藝既用於單爐制氣，又適用於多爐制氣。
至於配氮所需之空氣、煤氣可以是吹風氣及回收氣或者是三汽鍋爐的煙氣、其氧含量應能控制在1%以下，經過洗氣箱後一路經噴射換爐，此時汽/氣比為0.35～0.8左右，從理論上說汽/碳比遠能滿足於這一要求，由於自熱反應變爐可以升溫到450-500℃左右進行變換放熱反應，能同時滿足於中變及低變;要求在200℃-450℃有高活性;低汽/氣比能耐一定氰化物;酚化物;氯化物;又能吸收硫化物的耐硫的變換催化劑國內外已有很多類型及品種，可供選購，加之有的產品同體積裝填之費用已接近鐵路系之費用，這也是能夠廣為開發這一新工藝的物質基礎之一，如果有三氣鍋爐，其煙氣溫度很高，可以用在提高低變及電除塵器的入口溫度之用。如果來不及實施，則可選利用變換後的少量反應熱及調整水煤氣的熱量來解決耐硫變換反應溫度的要求。
中變及低變後的熱量除了極少量的熱量用來升高電除塵器及進變換爐的溫度外，絕大部分可供輸出至全廠，考慮前面的升壓程度及後面的阻力的不同情況，經過換熱後變換氣的流程有如下型式(1)大、中型氮肥廠，採用同時或依次常壓脫硫脫碳的物理及化學吸收的方法，脫除後之氣體進洗氣塔水封后，送入氣櫃，這時壓縮機打的將是接近原料氣的水平，這是最合理的流程，詳見附圖
2-1。
其優點電耗小，省去了蘿茨鼓風機的電耗壓縮機由打半水煤氣改為打原料氣，也降低了電耗，增加變換後低溫餘熱的充分利用如可用在胺法淨化及其它方法的吸收及解吸的反應中，只出來氣體進洗氣塔只略高於常溫。
例如環丁碸-乙醇胺法既可用在脫CO2及H2S上如H2S含量過大，可先串一氨水脫硫塔亦可達到上述目的。
(2)如果阻力大，無法實現同時脫硫脫碳的要求，可採用洗氣塔改造成脫硫塔，送氣櫃後，徑低壓機送碳化後再送壓縮機，見附圖2-2。
(3)如果洗氣塔前難於實現脫硫脫碳，可採用洗氣塔後加壓的辦法加壓脫硫脫碳，然後進壓縮機，不穩定則先進氣櫃，再進壓縮機，見附圖2-3。
注(1)以上各項中洗氣塔的作用各不相同，但用作氣櫃前防煤氣倒流的水封作用，除氰化物的作用都是相同的。
(2)提高水煤氣壓力的方法是提高入爐蒸氣的壓力，其壓降比約為10∶1，即氣壓力為1Kg/Cm2，水煤氣壓力的1米水柱，如果水煤氣壓力提高到2米以上，則必須對選氣爐及其附屬設備進行小的修改，以適應密封要求。
(3)水、煤氣中的氰化物及酚化物量很小，均不可能對催化劑的活性有大影響，如果一定除掉，採取定期加熱的方法即可解決之。為了避免帶到合成系統，擬在淨化由水溶液排去。
本發明本現有技術相比，優點如下1)節約熱量巨大。
本發明本身節約的熱量為218.5萬KK/TИH，
造気(按噸氨耗原料煤1212Kg，蒸氣2022Kg佑算的)。
A造氣餘熱回收外供139.2萬KK/噸氨a蒸氣氣化潛熱合計73.6萬KK/噸氨上行煤氣31.2萬KK/噸氨下行煤氣42.4萬KK/噸氨b煤氣顯熱合計65.6萬KK/噸氨上行煤氣51.6萬KK/噸氨下行煤氣14萬KK/噸氨B取消變換外加蒸氣500Kg/噸氨折32.6萬KK/噸氨C變換反應熱可以外供中、低廢合計42.7萬KK/噸氨D由於中變變低變精練減少60%蒸氣消耗，折24萬KK/噸氨見圖3 QAQBQCQD(2)本發明附帶帶來的熱量回收142.5萬KK/TИH3A吹風氣徑「三氣」鍋爐燃燒後作為半水煤氣的氮氣來源與本發明配套使用時，顯熱為43萬KK/噸氨，潛熱40萬KK/噸氨B由於採用幹法除塵，使吹風氣及上下吹，吹出物及渣的熱量集中回收折熱量99.5萬KK/噸氨其中吹風氣吹出物及渣84.7萬KK/噸氨上下吹吹出物及渣14.8萬KK/噸氨合計以上各項每噸氨節約熱量為881.7萬大卡，由於某些淨化系統需要低溫熱源及水蒸氣，因此熱能回收很高，如果最低按2/3回收估算，回收熱量為噸氨204萬大卡，折合成標煤時，考慮煤燃燒的熱效率為70%，折合成標煤約噸氨0.30噸。如果以全國為目標，以中小氮肥廠為對象，以合成氨年產量為1千萬噸計，年節標煤300噸以上，價值超過億元以上。
(3)工藝流程合理先進，徹底解決了流程長、能耗重複、浪費的缺點，比現行老工藝及64年的新三項流程優越得多，表現在如下幾個主要方面見圖3，各種流程對比。
例如因為變換在脫硫前，故變換後的有機硫絕大部分變成了無機硫，生產尿素廠的多次脫硫可改變為變換後一次脫硫，脫硫脫碳分開進行的淨化系統可以合併進行了，或緊接著進行了造氣未分解的水蒸氣得以利用了。
由於流程的大幅度縮短合併，能量重複浪費的現象解決了，因此開闢了新的節能前景。
(4)新工藝實現後氮肥廠兩煤消耗將變為一煤消耗，綜合(1)的能量回收，由於變換外供熱量的取消，銅洗外供熱量的減少，造氣增加了新工藝回收的熱量，加上「三氣」鍋爐回收的熱量，因此間隙制氣合成氨生產二煤消耗變一煤消耗在技術上已經是切實可行的了。如果是造氣、蒸氣自給的工廠，採用這一流程後，將首先實現上述目標。
(5)為新的能源開發提供了技術保證見圖2、圖3(a)為有機硫含量高的白煤提供了市場。由於現工藝脫硫在變換前，變換後有機硫又產生了無機硫，嚴格的影響了合成氨生產及尿素的進行。由於新工藝中新催化劑比現Fe-Cr系催化劑有機硫轉化能力強，脫硫放變換後，因此只要在變換後一次脫硫，即可解決原料煤中有機硫含量高，影響合成氨及尿素生產的難題。新工藝投產後，有機硫含量高的白煤，應用於造氣的後顧之憂的問題也解決了。
(b)採用以煙煤為原料的焦化煤球造氣時，由於電除塵不僅能除塵而且能除焦。作為加氮成分的吹風氣，如果經過「三氣」鍋爐燃燒時焦油也已經燒掉，可以配成合適的氫氧比了。如果吹風氣中氧含量能控制＜1%，則吹風氣亦可，送往電除塵器，因此焦化煤球制煤氣成分時的除焦問題也是可以解決的。
(6)本發明是在充分利用現有造氣設備，如造氣爐的前提下的工藝改革創造以上價值的。
(7)將三氣鍋爐、造氣、合成、變換的餘熱綜合利用配合背壓式汽輪發電機發電還可降低電耗，可望合成氨噸氨能耗達8×106KK左右的最先進水平。
權利要求
1.本工藝屬於合成氨生產的新工藝，對象是以煤間隙制氣的工廠，其主要工藝過程系利用現有固定床主要設備不變，取消原有變換及脫硫崗位即捋其簡化合併的新工藝過程如圖一所示，造氣的生產分為2部分，一部分為水煤氣，一部分為空氣煤氣，水煤氣生產中不能同時加氮，以免氧帶入物理淨化系統，此種水煤氣首先經過物理淨化系統除去塵焦……等夾帶的雜質方法是粗及中級雜質為乾式除塵器，細及微級雜質由電除塵器除掉，在此系統原則上介質不允許含氧，即使加上管道殘存的氧也不得大於0.7～1%，空氣煤氣作為配氮的成分來源有三，一是吹風氣，二是回收氣，三是三氣鍋爐的煙道氣，視其氧含量高低可在物理淨化前後加入也可在氣櫃前加入。經過物理淨化後的氣體然後進入化學物理淨化工序以脫除CO、H2S、CO2等成分，即首先是耐硫毒等非鐵鉻系變換催化劑，然後才是脫硫脫碳工序的進行條件允許時，可直接進壓縮機，不允許時仍進氣櫃。
2.根據權利(1)所述的方法是煤氣的取出分為水煤氣及空氣煤氣兩部分，主要依靠
壓及電子等自動機的開關動作，及增加少量閥門來實現。
3.根據權利(1)所述的方法配套所用的催化劑是非鐵路系催化劑，須具有低溫及中溫活性好，如200℃左右能自熱進行，而且汽/氣比低至0.35～0.8時，活性較高，抗毒能力強，能長期適應煤氣中硫化氫、氯化物、氰化物、酚化物的影響，保持較高的活性。
4.根據權利(1)所述的方法，既實用於多爐造氣生產，又適用單爐造氣生產的情況，安全上與爐況好壞無關。
5.根據權利(1)所述的幹法物理淨化法、淨化塵焦需分兩步，一步除去粗及中級塵粒(約5至10μm以上的)二步才採用溼式電除塵器除去微細級塵焦，本工藝要既能除塵，又能除焦，既能防爆又能耐溫，(150℃～300℃)又能在高溼度下工作，此電除塵器必須具備以下條件(1)、外型及極板必須做成園柱形，且有足夠的安裝剛性。(2)、必須配備有足夠截面積的自重式或定壓式安全閥與截流閥，在一旦產生爆炸時，能自動迅速截止煤氣進吸出口通道，同時打開排氣安全閥，將燃氣迅速排放於大氣中。(3)、電除塵器的絕緣子，必須裝有電加熱裝置，並能自動控溫，以保證在高溼度、低介質溫度下的正常工作。(4)、安全排氣閥必須開在園柱形極板的軸向。(5)、必須裝有高效的振打清灰裝置。(6)、必須裝有蒸汽預熱置換裝置。
6.根據權利要求(1)克服阻力的辦法如下(1)、提高壓力以約10∶1左右的蒸氣入爐前後壓力根據阻力調整入爐蒸氣壓力，並完善相應的可洩漏部分，使其不洩漏。空氣煤氣與水煤氣的配氣可採用噴射吸引法配氣。(2)、採用低阻力設備如電除塵器，臥式變換爐，低阻力脫硫脫碳裝置……。(3)、不同等級壓力在不同設備加入，如水及空氣煤氣從不同途徑進入不同設備。
7.根據權利要求(1)物理的淨化所需熱量來源如下(1)、發熱鍋爐前後氣量的調節。(2)、多爐生產不同制氣過程的相互稱補。(3)、三氣鍋爐煙氣與少量變換氣的換熱。
8.根據權利要求(1)本工藝實施的流程如圖2水煤氣經物理淨化後，根據壓力情況，可以分別在淨化前後及氣櫃前與空氣煤氣混合配氣，其流程有如下三種物理淨化→耐硫低中變→大熱交換→(1)→脫硫脫碳系統如胺法及其它法→洗氣塔→氣櫃(2)→洗氣塔→氣櫃→低壓機→脫硫脫碳→壓縮機(3)→洗氣塔→低壓機→脫硫脫碳→壓縮機
9.根據權利要求(1)氰化物及酚化物的影響，除了採用耐氰及酚的催化劑外，還可採用加熱置換法及水汽吸收法處理。
全文摘要
本發明屬於氮肥生產的新工藝。
文檔編號C10J3/02GK1034571SQ87106240
公開日1989年8月9日 申請日期1987年9月8日 優先權日1987年9月8日
發明者張中一, 羅孟暘 申請人:羅孟暘, 張中一