氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料,合成氨的生产过程也是造成环境污染的源头之一。据统计,目前我国氮肥行业仍有近2000万吨/年的常压间歇固定床煤气化工艺生产装置能力,约占总生产能力的40%,其生产过程产生大量 “三废”污染物。2021年,“碳达峰、碳中和”被写入政府工作报告,并强调“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”,碳中和转型的道路正在开启,合成氨行业的环保改造也成为相关企业的关注焦点。

中合气化总经理于旷世在2021中国氮肥、甲醇技术大会上作主题报告

在7月21日开幕的2021中国氮肥、甲醇技术大会上,中科合肥煤气化技术有限公司(以下简称“中合气化”)针对合成氨行业的煤气化技术环保改造问题提出了系列化综合处置方案,包括循环流化床煤气化(CGAS)制合成气、气化细渣资源化利用、固定床间冷改造等技术,从煤制气源头工艺到困扰气流床用户的气化细渣处置,再到传统固定床气化的环保改造,形成了无害化处理的闭环。

这套综合解决方案是如何实施的?中合气化总经理于旷世在大会上做了详细解读。

循环流化床煤气化(CGAS)技术从源头解决问题

煤炭的清洁高效利用是解决碳排放的源头。目前,在合成氨行业中,煤气化技术分三大类:固定床、流化床和气流床。固定床气化是合成氨领域的“元老”技术,但该技术只能使用高成本块煤,且污染严重;气流床则由于初始投资大、建设周期长    、运行成本高等因素也并不适用于中小合成氨企业。相较以上两种技术,CGAS技术具有煤种适应性强、运行成本低、建设周期短、环保指标好、与中小合成氨企业规模匹配度高、改造期间无需停产等优势,因此也成为此类企业的最优选择。

中合气化总经理于旷世

在国家“863”计划的支持下,中科院工程热物理研究所成功开发了循环流化床煤气化(CGAS)技术。为更好地推动该技术产业化,2016年,工程热物理研究所与安徽巢湖经济开发区合作成立中合气化。

于旷世表示:“循环流化床气化系统在耦合细渣处理后的转化效率和性能指标不低于气流床,但工程项目投资仅为气流床的50%,为中小合成氨企业提供了造气工段的革新路径。”

新疆宜化煤气化装置工程现场

CGAS技术具有煤种适应性强、能耗及成本低、总体能效高、技术可靠性高、负荷调节灵活、三废排放低的核心优势。2020年,中合气化完成了新疆宜化煤气化装置工程项目,该项目是国内首套以高碱煤为原料制合成气的循环流化床气化系统。改造前,新疆宜化的合成氨造气单元存在废水、焦油排放问题,且煤耗、氧耗、蒸汽耗大。CGAS技术解决了高碱煤强沾污、易结焦、灰熔点波动大、成浆性差,无法使用固定床熔渣、气流床水煤浆、气流床粉煤等气化工艺的问题,使得吨氨成本降低两百余元,同时为新疆储量巨大的高碱煤高效清洁利用提供了技术与装备支持。同年,采用CGAS技术建设的贵州宏盛化工气头改造项目也成功应用于合成氨生产,仅一台气化炉就替换了十台固定床气化炉,并利用了当地低活性、传统技术不易气化的无烟煤,制气更加高效、清洁、低廉,该装置是国内首套以无烟煤为原料的循环流化床气化炉,它的成功投运入选了中国科学院“2020年度科技成果转移转化亮点工作”。

目前, CGAS技术实现了在煤制清洁工业燃气和煤制合成氨原料气领域的快速产业化应用,在氧化铝、金属镁、铸造等行业30余个用户完成70余台(套)工业产品级应用。

CGAS技术实现了不同煤种的高效清洁利用。作为一种粉煤气化技术,循环流化床在煤气化的过程中与气流床一样会产生部分细渣。针对细渣的处理,中合气化也有一套“特色高招”。

气化细渣资源化处理为企业增加上亿收益

近年来,随着气流床、循环流化床技术的普及,气化细渣的处置成为困扰企业的一大难题。目前,对于细渣的处理主要以填埋或制砖等低价值利用为主,于旷世举例:“一个采用气流床气化的中型企业一天约产生700 吨细渣,一年累计 20 多万吨,但填埋场库容有限,严重时将制约企业生产。”

因此,寻求减量化、无害化的细渣处理方式成为行业共同关注的问题。针对此难题,中科院工程热物理研究所开发了预热熔融气化技术及残炭燃烧技术。气化细渣基本不含挥发分、反应活性差、不易燃烧或气化,难以用常规技术处理。对于有合成气需求的用户,可利用预热熔融气化技术将细渣气化为合成气,该气化技术突破了细渣粒径细、挥发分低、着火温度高、综合利用难度大等技术难题,同时,这项技术可协同处理含重金属的危废物质,将重金属固定在无害的玻璃体中。对于有蒸汽需求的用户,则利用循环流化床燃烧技术,以其燃烧后产生的热量生产超高温超高压蒸汽,通过系统集成实现煤的清洁高效梯级利用。两种技术不仅能完成细渣的减量化、无害化处理,还实现了资源化利用。

2020年,中合气化与山东荣信集团有限公司签订了290t/d的细渣熔融气化项目,以预热熔融气化技术处理细渣。项目投运后,可协同处理厂区危废,不仅节省处置费用,产出的合成气还将用来合成乙醇,预计每年为企业增加数亿元收益。

细渣的资源化利用技术可拓展至更多领域,协同处置其他碳基工业固废,例如煤泥、粉煤灰渣等,不仅拓宽了碳基固废的利用途径,还能降低终端产品的生产成本。

间冷改造技术为固定床延长在役期限

随着国家环保政策逐年收紧,固定床技术将逐步退出历史舞台。然而对于部分承受能力有限的中小合成氨企业来说,固定床彻底退出代价过高,仍需时间。

那么,面对紧迫的环保问题,这部分中小企业该怎么办呢?严重污染工段的改造成为一条可行的路径,相关政策对此也做出了明确要求。《工业炉窑大气污染综合治理方案》和《重点行业挥发性有机物综合治理方案(征求意见稿)》中指出“氮肥等行业采用固定床间歇式煤气化炉的,加快推进煤气冷却由直接水洗改为间接冷却。”

“直接水洗”和“间接冷却”有何区别?于旷世解释,在气化的净化和降温过程中,直接水洗的方式导致焦油、酚氰等有害物质与水直接接触,产生化工废水,难以处理。间接冷却通过间接换热器,避免污染物与水的接触,干湿分离,分别处理,实现了后续处理难度的降低和环保效益的提升。

山西晋丰固定床气化间接冷却升级改造项目现场参观

值得关注的是,该套间接冷却与干式除尘工艺正是已在循环流化床煤气化装置中应用多年的净化及冷却系统,中合气化以此为基础,创新性研发出一套适用于间歇式固定床改造的间接冷却技术,将广泛验证的水冷旋风预除尘、干式除尘和间接冷却技术紧密结合,构成煤气除尘净化、间接冷却一体化工艺,在回收煤气粉尘的同时解决了直接冷却循环水的高污问题,分离出的粉尘以气力输灰方式输送至厂区灰仓,冷凝液中的氨氮成分则通过蒸氨系统实现氨水回用。

山西晋丰固定床气化间接冷却升级改造项目现场参观

该技术已在晋能控股集团下的天源、金象、晋丰三家企业的固定床间接冷却升级改造项目中得到实施。在晋丰项目现场,干尘通过密闭仓泵输到灰仓,再通过汽车散装机装车,虽然输送的是干尘,整个过程却看不到一粒灰尘,且完全自动化,经处理的冷凝液也恢复了透明。

间冷改造前后水质区别

晋能控股装备制造集团区域公司总经理助理陈志云表示,天源公司的间冷系统自2021年1月投运来,间冷布袋出口含尘量检测指标<10mg/Nm³,为煤化工企业解决了普遍存在的一个环保治理难题。晋煤天源也因此被评为唯一一家“晋城市环保B级企业”,获得污染天气不停产的资格。

晋能控股装备制造集团区域公司总经理助理陈志云在大会作间冷改造报告

从循环流化床煤气化(CGAS)技术到固定床的间冷改造技术,中合气化为中小合成氨企业提供了低成本、高效能的两种环保改造方案,同时,针对气流床和流化床产生的细渣,中合气化也提出了减量化、无害化、资源化的解决方案,形成合成氨造气过程的环保闭环。以上方案也可应用于煤制甲醇、煤制氢等行业。

未来,中合气化与工程热物理研究所将坚持“双轮驱动”战略,紧跟行业需求,持续技术革新,在“双碳”战略下,提升煤炭能源利用率,促进源头减排,节能提效,以高品质合成气助力煤化工下游产品向精细化、高附加值方向发展。