CN101225328A - 一种利用富氧空气生产半水煤气的装置及方法 - Google Patents

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李玉林
宣桂才
倪凤武
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Abstract

本发明公开了一种利用富氧空气生产半水煤气的装置，其特征在于该造气炉输入端与空气混合罐的输出端连接，空气混合罐的一个输入端与普通空气管道连接，空气混合罐的另一输入端与富氧发生器的输出端连接，富氧发生器的输入端与鼓风机连接。本发明通过提高输入气体的含氧浓度，可提高造气炉内气化分解温度，提高蒸汽分解效率，节省原料煤和蒸汽消耗，提高半水煤气产量，增加合成氨原料气的产量。并且本发明的装置，不改变原有造气系统，节省一次性投资。本发明的装置和方法特别适用于目前化肥工业造气炉的改造。

Description

一种利用富氧空气生产半水煤气的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种生产半水煤气的装置及方法，特别涉及一种利用富氧空气生产半水煤气的装置及方法，以便提高化肥工业固定床层造气炉气化效率。
背景技术：
目前全国现有小氮肥厂大多数是采用固体无烟煤块在固定床层造气炉中间隙式气化合成氨原料气。制气过程中，在制气阶段和回收阶段时，都是采用普通含氧量≤21％的空气加入煤气炉进行造气，在上下行制气过程中加氮空气和回收过程(CO+H/N2)按3～3.3的比例混合而成，其产气量是与入炉空气中的氧含量有密切的关系。空气经过吹风、上行制气、下行制气、净化和回收五个过程间歇气化生成半水煤气，气体成份中包括氢、氮、一氧化碳、二氧化碳和少量的硫化氢及惰性气体。该气体需要进行脱除，加压变换和精制成氢氮混合气，才能进行合成氨。氨的生成需要1.5个氢分子和0.5个氮分子在高温高压和触媒催化作用下合成，其中氢气水在蒸汽在造气炉内高温碳层中分解而成，氮气水在制气时加入空气和回收过程而得到的。在制半水煤气过程中蒸汽分解吸热时，都是采用空气中79％的氮气和21％的氧气加入。空气加入量是根据氨合成氢氮比的需要，空气中的氮气进入水煤气中形成半水煤气，空气中的氧气与原料煤氧化反应，释放出大量的热量，弥补水蒸汽分解成半水煤气时吸热反应带走的热量。目前在制造过程中普遍存在原料煤及蒸汽的消耗较大，合成氨原料气产量较低的缺点。
发明内容：
本发明的一个目的是提供一种利用富氧空气生产半水煤气的装置，采用该装置可以增加半水煤气的产量，降低了原料煤及蒸汽的消耗，增加合成氨原料气的产量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种利用富氧空气生产半水煤气的装置，包括造气炉，其特征在于该造气炉输入端与空气混合罐的输出端连接，空气混合罐的一个输入端与普通空气管道连接，空气混合罐的另一输入端与富氧发生器的输出端连接，富氧发生器的输入端与鼓风机连接。
本发明的另一目的是提供一种利用富氧空气生产半水煤气的方法，采用该方法可以增加半水煤气的产量，降低了原料煤及蒸汽的消耗，增加合成氨原料气的产量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、由富氧发生器生成富氧空气；B、该所述富氧空气与普通空气混合，产生含氧浓度为24～28％的入炉气体，将该入炉气体输入到造气炉；C、由造气炉生产半水煤气。
本发明通过提高输入气体的含氧浓度，可提高造气炉内气化分解温度，提高蒸汽分解效率，节省原料煤和蒸汽消耗，提高半水煤气产量，增加合成氨原料气的产量。并且本发明的装置，不改变原有造气系统，节省一次性投资。本发明的装置和方法特别适用于目前化肥工业造气炉的改造。
附图说明：
图1为本发明一个实施例的示意图
图2为该实施例中富氧发生器的示意图
图3为该实施例中空气混合罐的示意图
具体实施方式：
下面对本发明做进一步的描述。
从图中可以看出，本发明的利用富氧空气生产半水煤气的装置包括以下部件：空气鼓风机2，空气鼓风机2与富氧发生器3的输入端连接，富氧发生器3的输出端与真空泵4的输入端连接，真空泵4的输出端与气水分离罐5的输入端连接，气水分离罐5的输出端通过富氧空气鼓风机6与空气混合罐7的一个输入端连接，空气混合罐7的另一输入端与普通空气管道8连接，空气混合罐7的输出端通过富氧空气总管9与造气炉10连接。普通空气管道8还可与造气鼓风机1连接，用来将普通空气鼓入空气混合罐7和造气炉10内。
本发明的利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、由富氧发生器3生成富氧空气；B、由空气混合罐7该所述富氧空气与普通空气混合，产生含氧浓度为24～28％的入炉气体，将该入炉气体输入到造气炉10；C、由造气炉10生产半水煤气。
图2为该实施例中富氧发生器的示意图，其中该富氧发生器3包括壳体11，壳体11内设有内膜组件12，壳体11上端设有出气顶盖16，出气顶盖16四周设有顶排气孔13，壳体11下部设有与内膜组件12连接的空气均配箱14，空气均配箱14与空气鼓风机2连接，空气均配箱14还通过真空头15与真空泵4连接。
使用空气均配箱14可使进入各内膜组件的空气均布，并且在空气均配箱14侧面设有手孔17，方便检修。出气顶盖16四周设有可开闭的顶排气孔13，在运行时，顶排气孔13开，用于排气，而停止运行时，顶排气孔13闭合，防止灰尘进入该富氧发生器。
比较目前三种空气分离方法，在50～4000NM3/h产气量的规模情况下，膜法比深冷空分法，VPSA变压吸附法有经济性好(每NM3富氧空气能耗0.12KW/h)，一次投资最省，上马快，占地小，操作灵便，安全性高，投资回收期短等优点。
图3示出了空气混合罐的结构图。该空气混合罐7包括罐体18，罐体18设有富氧空气入口19和普通空气入口20，罐体18的下部设有多孔隔板22，富氧空气入口19和普通空气入口20分别通过管道连接至多孔隔板22下方，该罐体18顶部设有出气口21。该空气混合罐7用于将富氧空气和普通空气进行混合，由富氧发生器3产生的富氧空气和普通空气通过管道进入空气混合罐7，在罐体18下部扩散射吸混合，再经多孔隔板22混合，然后上升到罐体18上部，由罐体18顶端的出气口21排出，形成入炉气体。通过调节两种气体进入混合罐的流量就可以达到需要的浓度。罐体18底部装有疏水阀23，定期将罐内积液排出。通过调节两种气体进入混合罐的流量就可以控制入炉气体的氧浓度。因此可以在富氧空气入口和普通空气入口处分别设置流量控制阀，以控制流量。使用该空气混合罐的优点在于在同一富氧发生器的情况下，可以根据不同煤种的需要，将富氧发生器产生的同样浓度的富氧空气与普通空气按不同比例进行混合，以产生不同含氧浓度的入炉气体。
根据该实施例，整个工艺过程为：普通空气经过空气滤清器1净化，除去10um以上的灰尘以后，通过空气鼓风机2向富氧发生器3鼓入含氧量为21％的普通空气，富氧发生器3由卷式膜组成，根据普通空气透过高分子分离膜的速率不同，在压力差的驱动下，产生含氧浓度为27％～30％的富氧空气，该富氧发生器3为负压操作方式，通过真空泵4连接该富氧发生器3抽出含氧浓度为27％～30％的富氧空气。该富氧空气经过气水分离罐5进行气水分离后，再由富氧空气鼓风机6送入空气混合罐7内，由空气混合罐将该富氧空气与普通空气混合成理想的含氧状态的入炉气体，然后送入造气炉。一般来说，该入炉气体理想的含氧状态为含氧浓度24％～28％。接着在步骤C中，造气炉10的结构以及由造气炉10生产半水煤气的方法与现有技术相同，在此不再赘述。
本发明的特点在于：
1、优化入炉空气中的氧含量，配置相应生产能力的制氧装置，不改变原有造气系统，节省一次性投资。
2、吹风过程。吹风入炉空气中每增加一个百分点的氧含量，吹风时间可降低0.91％，增加了制气时间，吨氨节省原料煤0.018t，蒸汽0.0056t，增加半水煤气产量120.5m3(标)。
3、制气过程。蒸汽入炉气化时，加氮空气中每增加一个百分点的氧含量，加氮空气增加27.3m3(标)。根据氢氮比的要求，必定延长加氮空气入炉时间，吨氨加氮空气中增加了11.66m3(标)/tNH3，氧气制气过程中碳层增加了182039Kj/tNH3(43526Kcal/ti)的热量，使蒸汽在温度较高的炉内进行分解反应，提高气化效率，节省蒸汽消耗量，还可进一步减少吹风时间。
4、可根据入炉煤种的变化，采用炉况监测优化系统检测：气化层温度、气化层厚度，灰渣层厚度，碳层高，结疤、风洞等，自动调节入炉空气中的氧含量，优化吹风时间和吹风量、上下吹风加氮富氧空气和蒸汽量配比，优化操作时间，更好稳定炉况。
经过试验发现，制淂煤气的产量与入炉空气中的氧含量有很大的直接关系。本发明采用提高入炉空气中氧含量，进一步弥补了部分蒸汽分解吸热反应的热量，使蒸汽长时间在高温条件下进行分解，可提高蒸汽分解率，增加半水煤气产量，降低原料煤及蒸汽消耗。虽然在该说明书中提供了本发明的一个实施例，但是应当理解，通过采用其它类型的富氧发生器可产生含氧浓度更高的富氧空气，与普通空气混合产生含氧浓度为24％～45％的入炉气体，从而进一步增加半水煤气产量，降低原料煤及蒸汽消耗。
下面对氧含量与理论空气用量的关系进行说明。
①碳的完全燃烧
C+O2＝CO2+Q
12kgC+22.4m3(标)O2＝22.4m3(标)CO2
即1kgC+1.866m3(标)O2＝1.866m3(标)CO2
需要理论空气量1.866/0.21＝8.89m3(标)空气
②氢的完全燃烧
2H2+O2＝2H2O+Q
4H2+22.4m3(标)O2＝44.8m3(标)H2O
即1kgH2+(22.4/4)m3(标)O2＝(44.8/4)m3(标)H2O
需要理论空气量22.4/4/0.21＝26.7m3(标)空气
③硫的完全燃烧
S+O2＝SO2+Q
32kgS+22.4m3(标)O2＝22.4m3(标)SO2
即1kgS+(22.4/32)m3(标)O2＝(22.4/32)m3(标)SO2
需要理论空气量22.4/32/0.21＝3.33m3(标)空气
假如1kg燃料已含有少量O2即相当于22.4/32＝0.7m3(标)/kg，则1kg燃料完全燃烧所需要的理论空气量为8.89+26.67+3.33-3.33＝35.56m3(标)空气。由于空气中氧含量多少可以决定理论空气用量，如果，入炉空气中氧含量增加到22％，则1kg燃料完全燃烧理论空气量为：(22.4/12+22.4/4+22.4/32-22.4/32)/0.22＝33.94m3(标)空气，从以上分析可以看出，入炉空气中氧含量每增加1％，则1kg燃料完全燃烧理论空气量可降低4％左右。

Claims (9)

1.一种利用富氧空气生产半水煤气的装置，包括造气炉，其特征在于该造气炉输入端与空气混合罐的输出端连接，空气混合罐的一个输入端与普通空气管道连接，空气混合罐的另一输入端与富氧发生器的输出端连接，富氧发生器的输入端与鼓风机连接。
2.如权利要求1所述的利用富氧空气生产半水煤气的装置，其特征在于富氧发生器的输入端与空气鼓风机连接，空气鼓风机与空气滤清器连接，富氧发生器的输出端与真空泵的输入端连接，真空泵的输出端与气水分离罐的输入端连接，气水分离罐的输出端通过富氧空气鼓风机与空气混合罐的一个输入端连接，空气混合罐的另一输入端与普通空气管道连接，空气混合罐的输出端通过富氧空气总管与造气炉连接。
3.如权利要求2所述的利用富氧空气生产半水煤气的装置，其特征在于富氧发生器包括壳体，壳体内设有内膜组件，壳体上端设有出气顶盖，出气顶盖四周设有顶排气孔，壳体下部设有与内膜组件连接的空气均配箱，空气均配箱与空气鼓风机连接，空气均配箱还通过真空头与真空泵连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的利用富氧空气生产半水煤气的装置，其特征在于该空气混合罐包括罐体，罐体设有富氧空气入口和普通空气入口，罐体的下部设有多孔隔板，富氧空气入口和普通空气入口分别通过管道连接至多孔隔板下方，该罐体顶部设有出气口。
5.利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、由富氧发生器生成富氧空气；B、由空气混合罐该所述富氧空气与普通空气混合，产生含氧浓度为24～28％的入炉气体，将该入炉气体输入到造气炉；C、由造气炉生产半水煤气。
6.如权利要求5所述的利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于步骤A产生的富氧空气的含氧浓度为27％～30％。
7.如权利要求6所述的利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于步骤A包括：普通空气经过空气滤清器净化，除去10um以上的灰尘以后，通过空气鼓风机向富氧发生器鼓入含氧量为21％的普通空气，在富氧发生器中产生含氧浓度为27％～30％的富氧空气中，然后经过气水分离罐进行气水分离。
8.如权利要求7所述的利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于富氧发生器包括壳体，壳体内设有内膜组件，壳体上端设有出气顶盖，出气顶盖四周设有顶排气孔，壳体下部设有与内膜组件连接的空气均配箱，空气均配箱与空气鼓风机连接，空气均配箱还通过真空头与真空泵连接。
9.如权利要求7所述的利用富氧空气生产半水煤气的方法，其特征在于该空气混合罐包括罐体，罐体设有富氧空气入口和普通空气入口，罐体的下部设有多孔隔板，富氧空气入口和普通空气入口分别通过管道连接至多孔隔板下方，该罐体顶部设有出气口。
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