恩德粉煤气化工艺

恩德粉煤气化工艺在我们国家是2003年以后才应用到合成氨工业的。其优越性在于煤种是褐煤或长焰煤，东北和内蒙古这两种煤煤源非常丰富；该工艺操作简单，运行稳定。但也存在一些不足之处。下面进行一些探讨。

1. 原料煤的性质对恩德粉煤气化工艺的影响

1.1原料煤的粒度

原料粒度小，有效反应比表面积大，气化剂扩散快，从而使反应速度加快。气化剂消耗量少，未反应而沉降于炉底的煤量少，炉下阻力低。

但原料粒度过小，会使上煤系统粉尘污染严重，对恩德炉制气工艺不利，造成煤气中尘含量增加，带出物增多。

因此，恩德炉要求上煤粒度为0.5～10mm，大于10mm的要严格限制，确保炉内的流化质量；小于0.5mm的也要限制，以减少飞散量。

1.2原料煤的水分

原料中水分高有以下弊端。

（1）煤在气化炉内不能立刻着火，会使炉灰和粉尘含碳量增加。

（2）煤中的水汽化消耗的热量多，产生的蒸汽多，会降低炉内沸腾层的温度。

（3）为保证煤气质量，通过气化炉下喷嘴的蒸汽就要相对减少，将导致气化剂与煤的比例降低，喷嘴不能达到规定的线速度，从而导致流化不好，出现结焦现象。

（4）容易出现贮煤槽的粉煤向下流动不畅的现象，从而引起气化炉由于供煤不足出现超温现象。

因此，较低的水分是恩德炉正常运行的前提条件。要求入炉水分控制在8%以下，入炉煤水分绝不允许超过12%。

1.3原料煤灰分

灰分含量高有以下弊端。

（1）煤气收率低，煤气中有效气含量低。

（2）煤气中有机物的气化过程恶化，将形成一层化学薄膜，阻碍气化炉内气体的相互扩散。

（3）炉下排灰量增加，炉灰将带走一部分热量，从而导致消耗上升。

因此，原料煤的灰分是恩德粉煤气化工艺原料煤耗的主要影响因素之一，原料灰分越低，原料煤耗越低。一般要求原料煤的灰分在28%以下。

1.4原料煤的挥发份

挥发份高时，煤气中的甲烷含量会增加，这对合成氨工艺很不利，煤气中甲烷高，吨氨耗煤气量将上升。另外，游离的碳将会增多，导致煤气中煤焦生成量增加,会造成管道和设备结垢。

因此，原料煤的挥发分是恩德粉煤气化工艺在氮肥行业应用考虑的主要指标。原料挥发分越低，吨氨耗煤气量越低。一般要求原料煤挥发分在25%以下。

1.5原料煤的灰熔点

在恩德炉的工艺操作中，灰熔点是很重要的因素，工艺操作温度必须在灰熔点以下，因此原料的灰熔点越高越好，一般要求T₂大于1250℃。

1.6其他要求

（1）原料煤的反应活性越高越好。一般要求温度950℃时α＞85%；温度1000℃时α＞90%

（2）原料煤的粘结性  如果粉煤的粘结性较大，就会凝结而阻碍沸腾，又阻碍排灰，因此恩德炉适合用粘结性小的煤。平常用粘结指数（Y）评价煤的粘结程度。恩德炉所允许的Y值不超过3 mm。

（3）原料煤密度在1.1～1.4t/m³较合适。

2. 工艺指标的要求及优化

2.1压力

由于恩德粉煤气化工艺的操作压力为15kPa左右，相当于常压，而且压力变化较小，所以压力对恩德粉煤气化工艺影响很小。

2.2温度

操作温度直接影响气化反应，是恩德粉煤气化工艺的主要控制指标。气化炉的操作温度要低于灰熔点，实际操作中尽量提高操作温度（一般要求操作的最高温度要低于灰熔点200℃）。

（1）气化炉的温度越高，气化强度越大，煤气组成也越好。

因为产生煤气的两个主要化学反应：

C＋H₂O＝CO＋H₂－Q

C－CO₂＝2CO－Q

都是吸热反应。温度高有利于有效气（CO＋H₂）的生成。

（2）气化炉的温度高，可以抑制甲烷的生成。甲烷高对合成氨生产非常不利，会使合成氨系统弛放气增多，消耗上升。甲烷的生成反应主要为

C＋H₂＝CH₄＋Q

这是放热放应，因此温度升高甲烷的生成量减少。

（3）根据煤种的不同，最佳反应温度有差别。从目前实践来看，中部995±5℃，下部和上部960±5℃为最佳。图1为温度与气化反应的关系。

图1在1个大气压下温度对恩德粉煤气化反应的影响

2.3气化剂

（1）气化剂组成的影响

气化剂由富氧空气和蒸汽组成，蒸汽和富氧空气的比简称汽/气。由于原料煤的含水量不同，汽/气比值也有区别，但都在0.5～1.0之间。

① 气化剂中氧含量增加，煤燃烧反应加快，煤气生产能力增加，煤气的发热量和质量都会提高。如富氧空气中的氧含量由30%增加到60%，煤气的发热量将由5000 kJ/m³增加到8000 kJ/m³。可见，富氧空气氧含量的多少，是煤气热值大小的主要影响因素。

② 在工艺操作中，当汽/气小时，即富氧空气多时，气化炉火焰发亮，煤气中H₂量明显减少。

③ 当汽/气增大，即蒸汽多时，气化炉火焰发暗，煤气中CO₂量明显增多。气化炉上喷嘴将有挂渣现象。

（2）气化剂线速度的影响

① 恩德炉气化剂线速度的大小直接决定气化炉内的流化状态。达到流化状态时最低风量下气化剂的速度，称最小线速度u_min。工艺操作中气化剂的线速度决不允许低于最小线速度，如果低于u_min，将会出现由于流化不好而结疤的现象；但线速度也不能过高，过高会使煤气的带出物增多，粉尘含量增大。线速度一般在1～2u_min之间。

气化剂线速度计算公式：

u_min=4Q/πd²

式中：Q——最低气化剂量；

d——下喷嘴直径。

② 气化炉喷嘴的安装对线速度也有影响。气化炉喷嘴的安装既要保持线速度，还要缩短反应带宽度。因此喷嘴应水平向上倾斜大约15°角安装，这样能使喷入的气化剂旋转，流化更好。

2.4氧煤比

在恩德粉煤气化中氧与煤的两个主要反应为：

C＋O₂＝CO₂＋Q

2C＋O₂＝2CO＋Q

从这两个化学方程式可知，氧煤比对气化过程存在两方面的影响：一方面，氧煤比的增加使反应放出的热量增加，从而提高反应温度，有利于二氧化碳的还原及水蒸气分解反应的进行；另一方面，燃烧反应又直接生成了二氧化碳，增加了煤气的无用成分。因此最佳氧煤比，对降低成本有重要意义。在合成氨工业应用，由于原料煤的发热量不同，氧煤比也有差异，但大多控制在0.4～0.5之间。

3. 存在的问题及解决建议

3.1恩德粉煤工艺制取的煤气甲烷含量高

虽然通过购买低挥发分的原料和提高气化炉温度可以降低甲烷的生成量，但是和其他煤气化工艺相比，甲烷相对较高。我国运行的恩德炉煤气中甲烷一般在2.5%～3.5%之间。由于甲烷含量较高，造成合成氨弛放气量增加，热值较高的甲烷放空损失能量，而且对环境有污染。因此煤气中甲烷的二次利用是恩德粉煤气化工艺探讨的一个问题。目前吉林长山化肥集团和宁安化工有限公司将合成氨的弛放气用作锅炉的燃气取得成功，是甲烷二次利用的一个新途径。锅炉的燃料用合成氨弛放气是处理恩德粉煤气化工艺煤气甲烷含量高的一个途径；同时节约了燃煤，锅炉烟气粉尘含量减小，可取得良好的经济效益和环保效益。

3.2污水制理困难，煤气中粉尘含量高

目前我们国家运行的恩德炉都存在一个同样的问题，就是污水治理困难。一个产气量为40km³/h的恩德炉每天通过水力下灰排到水中的细灰大约60t，大量的污水造成外排水悬浮物经常超标，环境污染严重。为解决这一问题采用了很多方法，比如建设大的污水池，建设预沉降池，但是效果不显著。通过考察煤炭系统洗煤技术，宁安化工有限公司和通辽梅花合成氨厂尝试在氮肥厂中引进压滤机来治理恩德除尘污水中的污泥，效果相对较好。其工艺流程为:污水沉淀池底部的煤泥浆经自吸泥浆泵打入泥浆缓冲罐，再经渣浆泵打入压滤机进行压滤。一边压制出泥饼，一边滤出清水，送入污水岗位，经凉水塔凉晒后，由清水泵送往恩德除尘系统使用。

压滤机治理恩德除尘污水中的污泥虽然取得了成功，但只是被动的处理，没有从本质上解决问题。恩德制气污水治理困难的主要原因煤气中粉尘含量大，带出物多，造成污水负荷过重，这是工艺上的原因，也是我们探索和研究的方向。