新型煤气化与常压固定床煤气化工艺生产合成氨的能耗与污染物对比分析

王翔

（山西天泽煤化工集团股份公司 晋城 048000）

前言

2018年以来，从国务院的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（国发〔2018〕22号），到生态环境部等12部门联合下发《京津冀及周边地区 2018-2019 年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》，国家发改委《产业结构调整指导目录（2019年本）》简称《目录》公开征求意见，以及山西省、山东省、河南省等各地政府出台政策，要求加快淘汰一批化肥行业固定床间歇式煤气化炉。淘汰原因是常压固定床气化的能耗高、污染物排放量大。但是，本人收集整理新型煤气化与常压固定床煤气化工艺从生产合成氨的能耗与污染物排放量的情况如下：

1.   常压固定床气化与新型煤气化的能耗对比

从生产企业吨氨消耗和综合能耗、国标GB21344-2015《合成氨单位产品能源消耗限额》、2016年—2018年合成氨行业能效领跑者的综合能耗三个方面进行对比。

1.1两种气化的吨氨消耗和综合能耗上对比

收集整理了国内河南心连心、山西天泽、河南骏化等十二家常压固定床生产企业，和山东华鲁恒升、江苏灵谷、陕西渭化等三家水煤浆气化，安徽中能、河北沧州正元航天炉干粉煤气化等七家新型煤气化技术2016-2018年合成氨原料煤、燃料煤、电力消耗和综合能耗三年平均值，详见表1.1、表1.2。

表1.1 常压固定床气化技术吨氨消耗与综合能耗

企业名称	原料（Kgce）	燃料（Kgce）	电（Kwh）	综合能（Kgce）
河南心连心（固定床）	949	－	1064	1079
山西天泽（固定床）	970	－	1222	1120
河南骏化（固定床）	964	16	1207	1128
安徽金禾（固定床）	971	－	1283	1129
安徽华尔泰（固定床）	990	－	1302	1150
山东联盟（固定床）	1078	－	1090	1212
山西闻喜（固定床）	1008	38	1305	1206
河南卫辉（固定床）	1015	72	923	1200
湖北宜化（固定床）	1087	12	1415	1273
浙江晋巨（固定床）	1113	－	1087	1247
江苏恒盛（固定床）	1063	24	1209	1236
山东明水（固定床）	1094	7	1249	1255
十二厂平均	1025	28	1196	1186

表1.2  加压气流床气化技术吨氨消耗与综合能耗

企业名称	原料（Kgce）	燃料（Kgce）	电（Kwh）	综合能（Kgce）
山东华鲁恒升（水煤浆）	1172	189	182	1383
江苏灵谷（水煤浆）	1085	302	314	1426
陕西渭化（水煤浆）	1064	286	409	1400
安徽红四方（水煤浆）	1176	307	308	1521
安徽中能（航天炉）	1115	242	316	1396
云南天安（壳牌炉）	1057	462	485	1579
河北沧州正元（航天炉）	1138	416	372	1600
七个厂平均	1115	315	341	1472

（数据来源：中氮肥工业协会主办《中国氮肥信息》）

从表1.1与1.2中不难看出，新型煤气化与常压固定床气化相比，原料煤消耗高90Kg，燃料煤高287Kg，综合能耗高286Kg。

1.2 GB21344-2015《合成氨单位产品能源消耗限额》

自2016年10月1日起实施的国标GB21344-2015《合成氨单位产品能源消耗限额》规定了吨合成氨综合能耗现有企业限定值、新建企业准入值和先进值三种标准，从表1.3中可以看出，以优质无烟块煤为原料的常压固定床气化，比粉煤（包括无烟粉煤、烟煤）为原料的新型煤气化技术的企业限定值、新建企业准入值和先进值分别低180kgce/t、300kgce/t和350kgce/t。

表1.3合成氨生产企业单位产品综合能耗对比表

原  料  类  型	单位产品综合能耗/（kgce/t）
	现有企业限值	新建企业准入值	先进值
优质无烟块煤	≤1500	≤1350	≤1150
非优质无烟块煤、型煤	≤1700	≤1550	≤1320
粉煤（包括无烟粉煤、烟煤）	≤1680	≤1650	≤1500
天然气	≤1250	≤1100	≤1050

1.4  2016年—2018年合成氨行业能效领跑者的综合能耗

表1.4合成氨行业能效领跑者的综合能耗

原料类型	企业名称	2016年	2017年	2018年
		综合能耗（kgce）	综合耗（kgce）	综合耗（kgce）
无烟 块煤	河南心连心	1079	1076.1	1073
	山西天泽	1094	1103.6	1097
	安徽昊源	1096	1103.7	1105
	平均值	1090	1094	1092
烟煤（包括褐煤）	河南心连心	1225	1221	1216
	灵谷化工	1337	－	－
	陕西渭河重工	1345	－	-
	江苏华昌	－	1254	1239
	山东华鲁恒升	－	1345	1303
	安徽昊源	－	－	-
	平均值	1302	1273	1253

从表1.4不难看出，2016—2018年合成氨行业能效领跑者企业前三名固定床气化炉的吨氨综合能耗平均值1092千克标准煤，新型煤气化炉为1276千克标准煤，两种煤气化吨氨综合能耗相差约184千克标准煤。

2.煤气化工艺生产合成氨大气污染物分析内容

新型煤气化装置的大气污染物主要来自原料煤输送、磨煤干燥、常压煤粉仓、和煤锁斗等颗粒物排放，以及为之配套气化锅炉的烟气排放的污染物。常压固定床煤气化生产合成氨装置，煤气化配套夹套汽包、上、下行煤气余热回收和三废炉或吹风气回收余热回收装置，其蒸气“自给有余”，大气污染物主要来自为之配套的三废炉或吹风气回收装置烟气排放的污染物，原料煤输送为精洗块煤，以颗粒物排放为特征的大气污染物很小，可忽略。

2.1 新型煤气化合成氨大气污染物排放数据来源

某公司拟采用成熟的大型粉煤加压气化替代现有常压固定床间歇式气化炉，采用国内两种成熟的干粉气化工艺方案。通过对两个公司报告中气化装置及配套锅炉污染物排放量，可了解年产80万吨合成氨的环保状况。

2.2 方案一的80万吨/年合成氨大气污染物排放

采用两台日投煤量2000吨的干粉气化气化炉，气化炉的有效气（CO+H₂）产量为244000 Nm³/h，相当于80万吨合成氨当量用气。只考虑了本项目气化的供热，锅炉选用一台蒸发量360t/h 蒸汽压力9.8MPa，温度540℃的循环流化床锅炉，燃料煤为晋城无烟煤，年消耗量33.2万吨。正常蒸汽消耗平衡表2.1。

           表2.1 蒸汽消耗平衡表        单位：t/h

煤气化	空分装置	官网损失	合计
20.9	299.0	1.5	321.7

大气污染物主要来自原燃料煤储运装置的筒仓和破碎楼排放气、动力站煤仓、原煤料仓过滤器放空气、磨煤及干燥工艺尾气、常压煤粉仓放空气、锁斗排放气中的有组织颗粒物排放。锅炉烟气执行《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB14/T 1703-2018）中表1的排放限值，为SO₂ 35mg/m³、NO_X 50mg/m³、烟尘5mg/m³ 。废气污染物分类排放详见表2.2。

表2.2 某公司方案一干粉气化炉废气污染物排放汇总表

装置名称	序号	污染源名称	污染物排放量（t/a）
			烟尘	粉尘	NOx	SO2
原燃料煤储运	1	筒仓仓顶过滤器排放气		0.432
	2	破碎楼排放气		1.037
	3	煤仓过滤器放空气		0.36
煤气化	4	原料煤仓过滤器放空气		0.72
	5	磨煤及干燥工艺尾气		4.392	10.944
	6	常压煤粉仓放空气		0.792
	7	锁斗排放气		2.376
动力站	8	锅炉烟气（正常工况）	20.88		202.968	139.464
总计			20.88	10.109	213.912	139.464
吨合成氨Kg		按照年产80万吨合成氨计算	0.039		0.267	0.174

2.3 方案二的80万吨/年合成氨大气污染物排放

采用两台日投煤量2000吨的干粉气化气化炉，气化炉的有效气（CO+H₂）产量为244000 Nm³/h，相当于80万吨合成氨当量用气。锅炉考虑气化自身蒸汽的消耗，新建的 3 台140 t/h 蒸汽压力9.8MPa，温度540℃，燃料煤为无烟煤循环流化床锅炉。年消耗晋城无烟沫煤25.72万吨。正常蒸汽消耗平衡表2.3。               

表2.3 蒸汽消耗平衡表         单位：t/h

煤气化	空分装置	官网损失	合计
25.4	281.6	2.4	309.4

锅炉烟气执行特别排放限值，为SO₂ 35mg/m³、NO_X 50mg/m³、烟尘10mg/m³ 。废气污染物分类排放详见表2.4。

表2.4某公司方案二干粉气化炉废气污染物分类排放表

序号	排放装置	废气名称	污染物排放量（t/a）
			烟尘	SO2	NOx	NH3
1	磨煤及干燥	煤仓排气	0.158
		惰性气体	0.864
2	煤加压及进煤	CO2+N2排放	1.152
3	渣及灰水处理	除氧器放空				0.0137
4	空分	污氮气
5	供热	锅炉烟气	22.608	79.128	113.040
总计			24.782	79.108	113.040	0.0137
80万吨/年合成氨折算吨氨污染物排量Kg			0.031	0.099	0.141

2.4常压固定床煤气化合成氨大气污染物排放数据来源

位于晋城市北留--周村工业园区的山西天泽煤化工集团股份公司煤气化厂，是2008年由市区易地搬迁新建的大型煤化工企业。具有年合成氨110万吨/年、甲醇30万吨/年、尿素180万吨年的生产能力。现有常压固定床气化炉60台，其中：东厂区32台，采用空气间歇气化，配套4套吹风气余热回收和一套12MW背压发电机组，于2008年10月建成投产。2018年按照环保要求，四套吹风气余热回收装置进行环保升级改造，烟气排放执行GB 13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》表3.大气污染物特别排放限值：颗粒物30mg/m³ ，二氧化硫200mg/m³，氮氧化物200mg/m³标准。

西厂区28台，采用增氧气化，配套二套60t/h三废炉余热回收装置，于2016年6月建成投产，并配套烟气排放环保设施。2018年8月开始，颗粒物排放按要求单独设立颗粒物浓度在线监测仪，接受环保系统在线监测。废气污染物分类排放详见表2.5、2.6。

表2.5 2018年8-12月份煤气化厂大气污染物排放量统计表

项目	单位	东厂区		西厂区		全厂
		排放总量	吨氨排放量	排放总量	吨氨排放量	排放总量	吨氨排放量
废气量	m3	569723168	3020.12	7307798578	3210.26	1300503025	3124.10
烟尘	Kg	4735.09	0.03	3714.43	0.02	8449.52	0.02
SO2	Kg	4994.79	0.03	26904.87	0.12	31899.66	0.08
NOX	Kg	49693.93	0.26	80354.18	0.35	130048.11	0.31

注：2018年8-12月份煤气化厂氨醇产量为416281.18吨，其中东厂区氨醇产量为188642.31吨，西厂区氨醇产量为227638.87吨。

表2.6  2019年1-3月份煤气化厂大气污染物排放量统计表

项目	单位	东厂区		西厂区		全厂
		排放总量	吨氨排放量	排放总量	吨氨排放量	排放总量	吨氨排放量
废气量	m3	440885714	3191.66	442790344	2948.53	883676059	3064.31
烟尘	kg	3056.37	0.02	1585.45	0.01	4641.82	0.02
SO2	kg	3364.24	0.02	11706.25	0.08	15070.49	0.05
NOX	kg	30530.08	0.22	27349.51	0.18	57879.59	0.2

 注：2019年1-3月份煤气化厂氨醇产量为288377.03吨，其中东厂区：138136.8吨，西厂区：150173.1吨。

2.5  两种干粉气化和固定床煤气化生产合成氨的大气污染物分析

通过将两种干粉新型煤气化装置和常压固定床煤气化装置生产合成氨大气污染物折算成吨氨排放量对比分析汇总表2.7。

表2.7煤气化工艺生产合成氨大气污染物对比分析

污染物 名  称	单位	气化工艺类型
		方案一	方案二	常压固定床(煤气化厂)
				2018年8-12月	2019年1-3月份
烟尘	kg/tNH3	0.039	0.031	0.02	0.02
SO2	kg/tNH3	0.174	0.099	0.08	0.05
NOX	kg/tNH3	0.267	0.141	0.31	0.2
污染物总量	kg/tNH3	0.48	0.271	0.41	0.27

从表2.7中对比可见，合成氨采用常压固定床煤气技术的大气污染物排放低于两种干粉新型煤气化技术。

3.合成氨水污染物排放对比

根据中国氮肥工业协会最新完成的第二次全国污染源普查《氮肥制造行业产污系数手册》整理，水煤浆、干煤粉、碎煤加压等三种新型煤气化工艺，和常压固定床气化合成氨生产规模≥18万吨为原料的废水的产污系数对比如下表5.1。

表3.1 煤为原料氮肥制造行业废水产污系数对比

污染物 名  称	单位	气化工艺类型
		水煤浆气化工艺	干煤粉气化工艺	碎煤加压气化工艺	常压固定床气化工艺（≥18万吨）
废水量	m3/tNH3	3.15	3.15	6.0	3.5
氨氮	kg/tNH3	0.5	0.4	0.11	0.2
总氮	kg/tNH3	0.62	0.44	0.62	0.33
总磷	kg/tNH3	0.003	0.0018	0.0032	0.005
COD	kg/tNH3	1.56	1.3	4.85	1.89
石油类	kg/tNH3			0.0046	0.026
氰化物	kg/tNH3			0.0002	0.0014
挥发酚	kg/tNH3				0.00082
总量	kg/tNH3	5.82	5.70	9.74	6.28

从对比表3.1中可以看出，常压固定床气化的废水排放量3.5m³/tNH₃，比水煤浆、干粉气化的3.15m³/tNH₃多0.35m³/tNH₃，比碎煤加压气化的6.0m³/tNH₃，少2.5m³/tNH₃。污染物总量6.28kg/tNH₃，比水煤浆5.82kg/tNH₃多0.46kg/tNH，比干粉气化5.7kg/tNH₃多0.580kg/tNH₃，比鲁奇炉气化9.74kg/tNH₃少3.46kg/tNH₃。

近期中国氮肥工业协会《合成氨行业准入条件》修订稿（讨论稿）二、（三）提出：现有固定层间歇式煤气化企业，加快推进煤气化炉煤气冷却由直接水洗改为间接冷却的要求。如果按照此要求完成环保升级改造后，常压固定床气化的废水排放量、污染物总量一定会与水煤浆、干粉煤气化工艺接近，远低于鲁奇炉煤气化工艺。

4.两种干粉新型煤气化和固定床煤气化生产合成氨的固废分析

根据两种干粉新型煤气化技术方案中废固排放汇总表，《氮肥制造行业产污系数手册》，三种气化炉的固废排放情况如表4.1。

表4.1 GSP、航天炉气化炉、常压固定床气化吨合成氨固废排放

固废来源	方案一	方案二	固定床炉
气化粗渣t/年	162720	267840	0.23t/tNH3
气化细灰t/年	220320	200880
锅炉炉渣t/年	5688	17280
锅炉粉煤灰t/年	51552	39600
固废合计t/年	440280	525600
按80万吨/年折算	0.55t/tNH3	0.66t/tNH3	0.23t/tNH3

从表4.1中对比可见，合成氨采用常压固定床煤气技术的固废污染物排放远低于两种干粉新型煤气化技术。

5.结语

通过收集整理有关数据库综合对比后，得出的结论是：采用常压固定床间歇气化生产合成氨的能耗低于各种新型煤气化技术；大气污染物排放与两种干粉新型煤气化技术相近；水污染物排放略高于水煤浆和干粉煤气化，远低于碎煤加压煤气化工艺；气化炉渣、煤灰、锅炉炉渣、粉煤灰等固废排放量，固定床排放最小。

欢迎投稿（论文、企业新闻、专家风采、新技术、新产品、招聘招生等）