专利名称：：一种增氧间歇式煤气制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种煤气制备方法，尤其是涉及一种节煤减排的固定床层间歇式煤气制备方法，本方法利用增加入炉空气中氧含量促进煤炭燃烧，提高蒸汽与炽热碳层分解时的热量。
背景技术：
：在生产水煤气和半水煤气工艺过程中，如何利用好氧是很关键的技术。目前我国煤炭燃烧过程，绝大多数是采用自然空气中21%的氧气助燃。在固定床层气化炉中，基本都是间歇式氧化固定床层中的煤炭，提高炉温供给蒸汽分解所需的热量，产生CO和H2，生成水煤气或半水煤气，作为气体燃料和工业生产原料气。特别是生产化肥的原料气(半水煤气)，是利用吹风过程提高炉温后，用蒸汽和空气同时进入高温碳层气化，生成具有一定氮气含量的半水煤气。制气时加入的空气，除了制得氮原料气外，其中的氧气同时氧化煤炭使之升温，弥补了部分蒸汽分解吸收的热量。由于半水煤气中的氮含量受到生产合成氨原料气成分的制约，加入空气的量受到限制，满足不了蒸汽分解吸收的热量。因此必需再次吹风氧化造气炉中的煤炭，恢复原来的炉温，这样反复过程称之间歇式煤气制备工艺。这种古老陈旧的生产过程，氧化燃烧速度低，升温速度慢，减少了蒸汽分解量，原料煤及蒸汽消耗高、产气量低，而且排放的吹风气中C02和硫化物高，造成大气污染严重。传统水煤气和半水煤气制备方法中吹风阶段采用自然空气，时间长、空气用量大、电耗高；上行制气阶段采用自然空气+蒸汽，蒸汽分解率低；下行制气阶段蒸汽分解率更低、C02生成量多；吹净阶段采用自然空气，升温速度较慢。因此原料煤消耗高，蒸汽消耗量高，原料煤质量要求高，环境污染大，是C02及硫化物污染大户。上述这种落后的煤气制备工艺，能耗高、尾气排放污染高的缺点，目前已严重影响我国煤化工特别是化肥行业的发展。国家发改委已明确表示要淘汰这种占全国化肥行业煤气制备工艺70%以上的古老制气方法，但又缺乏可靠的替代制气装置。因此，迫切需要在原有制气装置的基础上进行节能改造，只有采用空气中增氧的办法，提高煤炭氧化速度，增加蒸汽与炽热碳层分解时的热量实现节省能源，降低环境污染，经生产实践证实，从根本上改变古老工艺的面貌，可大幅度节省煤炭资源，减少环境污42009染，可挽救许多不景气的企业，这就是本发明的核心思想。
发明内容本发明的目的是在于提供了一种节煤减排的固定床层间歇式煤气制备方法，充分利用大自然空气中取之不尽的氧气，在吹风、上下行制气、吹净和吹风各阶段，增加入炉空气中氧含量促进煤炭燃烧，吹风时可縮短吹风时间，增加制气时间，减少吹风气生成量，降低原料煤的消耗。制气时可及时弥补蒸汽分解消耗的热量，将氧与煤炭氧化反应产生的热量，把氧气用在刀刃上，直接补充蒸汽与炽热碳层分解时消耗的热量。充分发挥原料煤和蒸汽的消耗，本发明具有节能减排、使用广泛、可靠性高、实现容易(已投入运行)、投资省、见效快的优点。为实现本发明，采用如下技术措施原有传统工艺采用固体无烟块煤在固定层造气炉生产合成氨原料气，是以空气和蒸汽作为气化剂，进行固相燃烧、气化、气相燃烧、气相反应，反应系统中还包括热裂解反应，得到空气煤气与半水煤气。本发明采用的技术方案是在不改变原有生产装置和间竭式五个制气过程基础上，除了二次上行赶净炉底空间煤气外，其它四个制气过程均采用补充氧气的方法，增加氧化燃烧的热量，吹风时可减少吹风的时间，制气时可直接弥补蒸汽在吸热分解时消耗的热量，提高蒸汽与炽热碳层分解效率，充分发挥有效碳和蒸汽的利用，增加制气时间，降低原料煤和蒸汽的消耗，提高半水煤气产量，减少C02和硫化物(H2S和S02)的排放。.实现本发明的步骤如下本发明的步骤实际是吹风加热升温和制气降温两个步骤，行成一个制造煤气(水煤气或半水煤气)循环。.1、"吹风"阶段，即吹风升温吹风阶段的目的，就是利用自然空气中的氧气，吹入造气炉内与炽热碳层氧化反应，放出大量热量贮存在炉膛内，供制气阶段分解蒸汽。氧化过程主要方程式2C+O2(3.76N2)=2CO(+3.76N2)+56600千卡/公斤分子........................(1)2CO+3.76N2+02+3.76N2=2C02+7.52N2+133540千卡/公斤分子(2)本发明根据吹风气中的成分，控制吹风阶段空气中添加不同浓度的氧气量，可减少吹风阶段的时间，从而增加制气时间，达到增产节能减排的目的。吹风阶段本发明与原生产的效果对比如下例如原生产采用的原料煤含碳量在73%时，一个循环时间按通用150秒，吹风百分比为22%，吹风时间为33秒，需要2229.04m3(标)/tNH3的自然空气量，即需5要消耗自然空气中的428.1mS(标)/tNH3的氧气与炉内气化层碳氧化燃烧，消耗376.2kg/tNH3的原料煤，产生热量贮存在炉膛内，满足制气过程吸收的热量。是一种间接补充热量的陈旧古老的生产方法。本发明在此基础上，根据实际生产过程的需要在自然空气中，增加1%7%及更高氧不同浓度，在满足吹风需要的428.1m^标)/tNH3含氧气量不改变的基础上，根据使用的不同的煤质，采用自动控制增加入炉空气中的氧含量，促使与煤炭氧化反应，缩短吹风时间，减少入炉空气量，来满足吹风需要的428.1rr^(标)/tNH3含氧气量。在一个循环过程中吹风时增加1%7%……的氧气，在吹风时间需要33秒中可节省1.910.44秒的时间供制气(吹风循环百分比由22%可降至15%)，减少133.73733.23n^标ytNN3吹风气产生量，大幅度降低了吹风过程产生的空气煤气排放，减少了排放气中消耗碳产生的CO、C02和带出的热量，可节省原料煤21.8120kg/tNN3，不仅节省了原料煤和减少环境污染，吹风节省的时间可供给制气过程，增加生产合成氨原料气的产量(不同的氧浓度吹风的效果列如表l一l中)。达到节能减排的目的。在每个循环(2.5分钟)吹风采用21%(原生产空气中氧含量)28%……不同含氧浓度空气进行吹风效果对比列如下表表l一l在自然空气中添加1%7%不同浓度氧气量的效1艮对比表吹风空气中氧表度21%22%23%24%250/026%27%28%单位吹风百分比2220,719.618.517.516.615.815.0%一个循环吹风时间3331.129.3727.7826.3224.9723.7222.56秒吹风气产生量2317.032183.32062.01950.41847.71753.01665.31583.8m3(标)/tNN3增加热量125638254541386839522663662155805473952778Kj/簡3增加温度3.3517.942.8277.51121.42174.11235,21'C/tNN3消耗原料煤量379.2357.4337.4319.2302.4286.9272.5259.2kg/tNN3节省原料煤21.8241.7460.0076.8092.30106.66120.00kg/tNN3增加制气百分比1.2772.4213.4814.4565.3556.1886.962%增加制气时间l.柳3.635.M6.688.0339.28310.443秒表l一l吹风空气中氧表度21%是原生产数据2、"制气"阶段，即蒸汽和空气上行气化生成半水煤气制造合成氨原料气是按(CO+H2)/Nf3要求控制生产的。因此，必需要按上行、下行、二次上行、吹净四个3i程完成，除了二次上行赶净炉底煤气外，在上行、下行各阶段都需要空气加入制取氮气，形成半水煤气。因此本发明在原制气各阶段过程中，采用按(CO+H力/N2-3要求加入部分自然空气，与碳层按氧化过程主要方程式产生CO、C02和N2，并放出大量的热量，即得到合成氨原料气又提供蒸汽分解吸收的热蒸汽分解主要反应方程式-C+H20=CO+H2-29.3kcal/gmol.....................(1)6C+2H20=C02+2H2-19.2kcal/gmol..................(2)本发明在原生产的基础上，根据半水煤气中CO、H2及C02的成分，采用自动控制加氮空气中不同浓度的氧气，可提高有效气体成分，增加半水煤气产量，充分发挥有效碳和蒸汽的利用率。例如原生产一吨合成氨消耗3300m3(标)需要加氮空气用量为607.59m^标)/tNH3，吨氨加入的空气中4801113(标)的氮气作为合成氨原料气，其中127.59m3(fe)/tNH3的氧气与碳层氧化燃烧提高炉温，即得到原料氮气又能促使蒸汽分解。这种生产方法历经几十年。还存在原料煤和蒸汽消耗高，提不高生产效率。本发明在原生产的基础上，保持吨氨需要(CO+H2yNf3)的原料气中的氮气不变的基础上，在加氮空气中增加1%7%……不同浓度的氧气，根据蒸汽分解主要反应方程式，不仅可进一步提高炉温，增加蒸汽分解率，还可减少C02增加CO的含量，提高有效半水煤气产量。制气阶段本发明与原生产的效果对比如下本发明在原生产的基础上，在吹风、上行、下行、吹净四个制气阶段(都需要空气加氮)中，在加氮空气中增加1%7%(入炉空气中氧浓度为22%28%，版面限制还可提高氧气浓度)不同浓度的氧气，经生产实践证实碳层增加热量125641~1420309kj/tNH3;碳层增加温度3.35-466.4°C;增加蒸汽分解量60.3~482.2kg/tNH3;节省原料煤量45.6~372.8kg/tNH3;节省蒸汽量50.9416.4kg/tNH3;减少C02排放量1275992~14656142m3(标)/a;减少好b化物排i文量23265~l卯3S3m30*)/a。在每个循环上行、下行、吹净各阶段，现将21%28%不同含氧浓度空气进行制气效果对比列如下表表2—1在上行、下行、吹净阶段添加1%7%不同浓度氧气量效果对比表制氮空气中氧表度21%22%23%24%25%26%27%28%单位制气百分比8889.277卯.491.592.593.494,295.0制气时间3331.129.3727.7826.3224.9723.7222.56秒增加热量125641254541386839522663662155805473952784Kj/,3增加温度3.3517.942.8277.51121.42174.11235.21°C/tNN3增加半水煤气量115.4233.8355.3480.1608.2739.8875.1m3(标)/tNN3消耗原料煤量12301184.41141.11099.81060.31022.7986.7952.2kg/tNN3消耗蒸汽量13741323.11274.71228.51184.51166.71102.21096.2kg/tNN3节省原料煤量45.688.9130.2169.7207.3243.3—277.8kg/tNN3节省蒸汽量50.999.3145.5189.5231.6271.8310.3kg/,3表l一2制氮空气中氧表度21%是原生产数据工艺流程说明制氧装置提供的氧气，进入氧气缓冲罐稳定压力在l.OKPa左右。氧气经自动调节阀控制，进入混合罐和来自原空气鼓风机的空气混合后，根据出口处的氧气分析仪自动保持所需的含氧浓度，进入入炉空气总管。为了更进一步优化稳定床层气化温度,根据吹风气中C0或C02及半水煤气中C02、C0、H2等主要气体成分，增设微量纯氧气补充调节，进一步稳定床层温度，实现减少吹风时间，增加蒸汽分解率，有效地发挥有效碳和蒸汽的利用，达到节能减排的目的。(流程见附图I)应用本发明的设备.包括空气分离制氧装置、入炉增氧气体混合装置、入炉增氧空气浓度设定系统，即根据煤气成分(包括半水煤气中H,+C0与N2气的比例、002含量；"吹风"时生成的空气煤气中的CO的含量)自动调整氧浓度设定的系统、实现各制气阶段的优化。与现有技术相比本发明具有以下明显的优点(1)大幅度降低吹风升温时间，增加制气时间；(2)增加蒸汽分解时碳层的热量，提高蒸汽分解率；(3)大幅度降低吹风生成的空气煤气排放，减少温室气和硫化物对大气的污染。(4)技改过程中基本不影响正常生产，减少停车改造的损失。(5)制气过程入炉空气中每增加一个百分点的氧含量，制气过程中碳层增加了55349kj/tNH3(13220kcal/tNH3)的热量，使蒸汽在较高炉温中进行分解反应，提高气化效率，节省蒸汽消耗量。减少吹风时间。(6)适应劣质煤生产半水煤气，有利使用人工型煤生产，大幅度降低合成氨生产成本。(7)根据入炉煤种的变化，采用自动调节入炉空气中的氧含量优化稳定炉温，使蒸汽长期稳定在高温条件下分解的生产过程中。(8)根据入炉空气中氧含量不同，仅调节循环比时间，生产管理及操作人员容易掌握。(9)吹风增氧和上下吹制气增氧，可以分步实施。(10)煤气成分与传统工艺的煤气成分接近，下游流程不需改造。Gl)投资省、系统简单、占地面积小、可靠性高、容易实现、成本低廉。本发明与现有生产技术比较-例表如下序号比较项目传统工艺本发明工艺1吹风阶段采用自然空气时间长、气量大、电耗高采用增氧空气时间短、气量少、电耗低2上行制气阶段采用自然空气+蒸汽蒸汽分解率低采用增氧空气+蒸汽蒸汽分解率高3下行制气阶段采用蒸汽蒸汽分解率低、C02生成量多釆用增氧空气+蒸汽蒸汽分解率高、C02生成量少4吹净阶段采用自然空气空气中氧含量=21%采用增氧空气空气中氧含量>21%5原料煤消耗高氧浓度增加1%,节省煤>40kg/tNH36蒸汽消耗量向空气中氧浓度增加1%，节省煤>45kg/tNH37原料煤质量鬲适应4交低煤质，节省成本8环境污染co2及石克化物污染大户空气中氧浓度增加1%,C02>17m3(标)/tNH3、硫化物>0.3m3(标)/tNH3本发明在产业中实际应用效果百前全国氨醇总产量6800万吨，其中70%采用固定床层间歇式气化生产的氨醇，如果全部采用空气中增氧浓度在22%28%时可从下表看出节能减排效果:例表如下22%23%24%25%26%27%28%单位节省原料煤量0.04560.08890,13020.16970.20730.24330.2778吨、^/叱氨217423619.8807.8-10151157.81322万吨煤/年年节省蒸汽量0.05090.09930.14550.18950.23160.27180.3103p屯汽/p屯氨242473692卯2110312941477万化汽/年C02减排呈17.0634.3051.8869.9288.55107.9128.18in3(标)/p屯氨16032148565482810091198万吨/年硫化初减排量0.3110.6070.8891.1581.4151.6611.8961113(标)/吨氨148128卯4232551267357卯7卯25万m3(标y年综上所述，为了适应我国煤化工企业的条件，我们能利用原有的UGI型固定床层9造气炉和原用的间歇制气方法，添加氧气以增加碳的氧化反应强度，使得碳层的温度迅速提高。从而接近富氧连续气化的节能、增产效果，技改实施时无需对原有生产装置作大的改造，即能大大降低一次性改造投资，这种技改方法肯定会得到广大化肥企业的欢迎，从而能得到迅速的推广，使得整个煤化工行业和社会得到巨大的效益。本发明的推广将大大提升我国煤化工特别是化肥行业的生存能力，使占70%生产能力以上的这些采用古老的煤气制备工艺的企业卸掉沉重的高能耗、高污染排放的包袱，以接近国内外先进的煤气制备能耗和排放的指标进行生产。具体实施例方式一种增氧间歇式煤气制备方法，其步骤实际是吹风加热升温和制气降温两个步骤，行成一个制造煤气(水煤气或半水煤气)循环。1、"吹风"阶段，即吹风升温，通过控制空气中添加不同浓度的氧气量，减少吹风阶段的时间，其中，吹风空气中氧表度分别为21%或22%或23%或24°/。或25%或26%或27%或28%......等；吹风百分比对应分别22%或20.7%或19.6%或18.5%或17.5%或16.6%或15.8%或15.0%等；一个循环吹风时间对应分别为33秒或31.1秒或29.37秒或27,78秒或26.32秒或24.97秒或23.72秒或22.56秒等。吹风阶段的目的，就是利用自然空气中的氧气，吹入造气炉内与炽热碳层氧化反应，放出大量热量贮存在炉膛内，供制气阶段分解蒸汽。氧化过程主要方程式2C+02(3.76N2)=2CO(+3.76N2)+56600千卡/公斤分子2CO+3.76N2+02+3.76N2=2C02+7.52N2+133540千卡/公斤分子本发明根据吹风气中的成分，控制吹风阶段空气中添加不同浓度的氧气量，可减少吹风阶段的时间，从而增加制气时间，达到增产节能减排的目的。例如原生产采用的原料煤含碳量在73%时，一个循环时间按通用150秒，吹风比为22%，吹风时间为33秒，需要2229.04rr^(标)/tNH3的自然空气量，即需要消耗自然空气中的428.1ir^(标)/tNH3的氧气与炉内气化层碳氧化燃烧，产生热量贮存在炉膛内，满足制气过程吸收的热量。本发明在此基础上在自然空气中添加不同浓度的氧气，每个循环吹风采用不同含氧浓度空气进行吹风效果列如下表表l一l添加不同浓度氧气量的效果表吹风空气中氧表度21%22%23%24%25%26%27%28%单位吹风百分比2220.719.618.517.516.615.815.0%一个循环吹风时间3331.129.3727.7826.3224.9723.7222.56秒吹风气产生量2317,032183.32062.01950.41847.71753.01665.31583.8m3(标)/tNN310<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>3、工艺流程说明制氧装置提供的氧气，进入氧气缓冲罐稳定压力在l.OKPa左右。氧气经自动调节阀控制，进入混合罐和来自原空气鼓风机的空气混合后，根据出口处的氧气分析仪自动保持所需的含氧浓度，进入入炉空气总管。为了更进一步优化稳定床层气化温度，根据吹风气中C0或C02及半水煤气中C02、C0、H2等主要气体成分，增设微量纯氧气补充调节，进一步稳定床层温度，实现减少吹风时间，增加蒸汽分解率，更有效地发挥有效碳和蒸汽的利用，达到节能减排的目的。应用本发明的设备包括空气分离制氧装置、入炉增氧气体混合装置、入炉增氧空气浓度设定系统，即根据煤气成分(包括半水煤气中H2+C0与N2气的比例、C02含量；"吹风"时生成的空气煤气中的CO的含量)自动调整氧浓度设定的系统、实现各制气阶段的优化。权利要求1、一种增氧间竭式气化煤气和半水煤气制备方法，包括吹风阶段、上行制气阶段、下行制气阶段、二次上行制气阶段、吹净阶段五个步骤，其特征在于吹风阶段，即吹风升温，通过控制入炉空气中添加不同浓度的氧气量，减少吹风阶段的时间；其中，吹风空气中氧表度分别为21％时，吹风百分比相对应下降为22％，一个循环吹风时间相对应为33.0秒；吹风空气中氧表度增加为22％时，吹风百分比相对应下降为20.7％，一个循环吹风时间相对应为31.1秒；吹风空气中氧表度增加为23％时，吹风百分比相对应下降为19.6％，一个循环吹风时间相对应为29.37秒；吹风空气中氧表度增加为24％时，吹风百分比相对应下降为18.5％，一个循环吹风时间相对应为27.78秒；吹风空气中氧表度增加为25％时，吹风百分比相对应下降为17.5％，一个循环吹风时间相对应为26.32秒；吹风空气中氧表度增加为26％时，吹风百分比相对应下降为16.6％，一个循环吹风时间相对应为24.97秒；吹风空气中氧表度增加为27％时，吹风百分比相对应下降为15.8％，一个循环吹风时间相对应为23.72秒；吹风空气中氧表度增加为28％时，吹风百分比相对应下降为15.0％，一个循环吹风时间相对应为22.56秒；制气阶段，即蒸汽和空气在炽热碳层气化过程，制气阶段包括上行、下行、二次上行和吹净四个过程，在上行、下行、吹净过程中通过自动控制入炉空气中添加不同浓度吹氧气量进行加氮制气；其中，制氮空气中氧表度为21％，制气百分比相对应增加为78％，制气时间相对应为33.0秒；制氮空气中氧表度增加为22％，制气百分比相对应增加为79.9％，制气时间相对应为31.1秒；制氮空气中氧表度增加为23％，制气百分比相对应增加为81.5％，制气时间相对应为29.37秒；制氮空气中氧表度增加为24％，制气百分比相对应增加为82.5％，制气时间相对应为27.78秒；制氮空气中氧表度增加为25％，制气百分比相对应增加为83.4％，制气时间相对应为26.32秒；制氮空气中氧表度增加为26％，制气百分比相对应增加为83.4％，制气时间相对应为24.97秒；制氮空气中氧表度增加为27％，制气百分比相对应增加为84.2％，制气时间相对应为23.72秒；制氮空气中氧表度增加为28％，制气百分比相对应增加为85.0％，制气时间相对应为22.56秒。全文摘要本发明公开了一种在固定床层造气炉中，增氧间竭式煤气(水煤气、半水煤气)制备工艺，是利用我国工业化空气分离制氧技术提供氧气，在制气循环的“吹风”、“上行”、“下行”、“吹净”各阶段按产生的气体成分，自动调节空气中增氧浓度，使炉温稳定在较高的平均温度下较小的循环波动，充分发挥制气过程的热效率，增加造气炉的制气强度，提高造气炉产气量、降低原料煤的消耗、减少吹风气排放量，实现节能减排的目的。文档编号C10J3/16GK101497819SQ20091006102公开日2009年8月5日申请日期2009年3月6日优先权日2009年3月6日发明者姚飞龙,张凤葵申请人:武汉奥泰自动化工程有限责任公司