本發(fā)明提供了一種利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)化肥、中間體化工產(chǎn)品以及尾氣發(fā)電的工藝流程方法，屬于煤炭地下氣化的下游綜合利用工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭地下氣化（ISC）是一個借助氧化劑，通過地下煤層的燃燒和氣化反應(yīng)，把煤直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣的過程。產(chǎn)品氣通常被稱為合成氣，可以作為燃料生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、發(fā)電等下游工藝的原料。該工藝過程集合了建井完井、地下采煤和煤氣化工藝技術(shù)，具有安全性好、投資小、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。

煤炭氣化工藝是將煤炭通過一系列的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺獾倪^程。其中主要的反應(yīng)包括：

C+H₂0 → H₂+CO（水蒸氣氣化反應(yīng)）

CO+H₂0 ? H₂+CO₂（水煤氣變換反應(yīng)）

CO+3H₂? CH₄+H₂0 （甲烷化反應(yīng)）

C+2H₂ → CH₄（氫氣氣化反應(yīng)）

C+?O₂ → CO （部分氧化反應(yīng)）

C+O₂ → CO₂（完全氧化反應(yīng)）

C+CO₂ → 2CO（二氧化碳?xì)饣磻?yīng)）

一個用于氧化劑注入的鉆井稱為“注入井”，另外一個用于生產(chǎn)產(chǎn)品氣的鉆井稱為“產(chǎn)品井”。定向鉆井和垂直鉆井都可作為注入井或產(chǎn)品井。煤炭地下氣化（ISC）可能在注入井和產(chǎn)品井之間還需要使用到一個或多個的垂直井（例如：功能井和輔助井）。

當(dāng)煤層中有注入井、產(chǎn)品井和水平通道將二者連接起來時，此構(gòu)造被稱為一個煤炭地下氣化（ISC）單元或井對。ISC單元包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)和熱解區(qū)。其中，燃燒區(qū)在煤層中氧化劑注入點(diǎn)附近；氣化區(qū)以放射狀形態(tài)圍繞在燃燒區(qū)周圍或者在燃燒區(qū)下游，煤炭在氣化區(qū)被氣化、部分被氧化，從而生成產(chǎn)品氣；熱解區(qū)在氣化區(qū)下游，煤的熱解反應(yīng)一般在這里發(fā)生。高溫的產(chǎn)品氣從氣化區(qū)往下游流動，并最終從產(chǎn)品井井口輸送到地面。在煤燃燒或氣化的同時，煤層中的ISC燃空區(qū)會生長變大。

通過煤炭地下氣化生成的產(chǎn)品氣（粗合成氣）通常含有合成氣（CO、CO₂、H₂、CH₄及其他氣體的混合物）以及其他成分（固體顆粒、水、煤焦油、烴類蒸汽，其他微量組分包括H₂S、 NH₄、COS等）。其成分復(fù)雜程度取決于多個方面：煤炭地下氣化所使用的氧化劑（空氣或其他氧化劑，比如氧氣、富氧空氣或蒸汽混合物）、煤層中的內(nèi)在水或周邊地層滲入煤層中的水、煤質(zhì)、以及煤炭地下氣化工藝的操作參數(shù)，包括溫度，壓力等。

根據(jù)已有專利文獻(xiàn)，目前的煤炭地下氣化產(chǎn)品氣的綜合利用仍面臨著諸多難題，具體如下：

a)除合成氣直接用于發(fā)電外，缺乏大規(guī)模工業(yè)化項目的實(shí)施和運(yùn)營。

b)煤炭地下氣化生產(chǎn)的各類副產(chǎn)品，例如硫化氫/硫磺，工藝水，二氧化碳，煤焦油等沒有明確和成熟的工業(yè)化綜合利用方法或工藝來減少或去除這些副產(chǎn)品。

c)缺乏用于煤炭地下氣化工藝的下游合成氣生產(chǎn)化肥和化工產(chǎn)品的工藝流程方案。

d)煤炭地下氣化工藝中的空氣氣化、富氧氣化和純氧氣化三種不同工藝所生產(chǎn)的合成氣產(chǎn)品質(zhì)量區(qū)別較大，直接影響其下游化肥和化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和方法，不能一概而論。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)化肥及其中間體化工產(chǎn)品的方法。具體地，所述方法包括利用煤炭地下氣化工藝中的空氣氣化、富氧氣化和純氧氣化三種不同工藝的合成氣產(chǎn)品生產(chǎn)化肥及其中間體化工產(chǎn)品的工藝流程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和提高煤炭地下氣化產(chǎn)品氣綜合利用工藝的目的。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)化肥及中間體化工產(chǎn)品的方法，基于多個ISC地下氣化爐通過氣化產(chǎn)生的具備適當(dāng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的粗合成氣，氣化方式為空氣氣化或富氧氣化，所述方法包括如下步驟：

（1）粗合成氣預(yù)處理：粗合成氣經(jīng)冷卻、水洗和分離單元獲得溫度＜60℃的干合成氣以及煤焦油和工藝水；

（2）干合成氣脫硫：通過克勞斯法、化學(xué)吸附法或殼牌Sulfinol酸氣回收法對干合成氣進(jìn)行脫硫處理；之后采用ZnO顆?；蚩稍偕鶽nO和鈦酸鋅顆粒進(jìn)行精脫硫處理，脫除的硫回收；

（3）干合成氣變換和冷卻：脫硫后的干合成氣在預(yù)熱裝置中加熱至260℃，輸送至等溫水煤氣變換單元，利用蒸氣將所含的CO轉(zhuǎn)化為CO₂和H₂；

（4）干合成氣脫碳：步驟（3）處理后的干合成氣冷卻后，輸送至脫碳單元，將CO₂脫除并回收，用于合成尿素，所用脫碳工藝包括化學(xué)吸附法、物理吸附法、吸附床法、吸附再生法、低溫分離法或膜分離法；

（5）甲烷化與提純，經(jīng)過步驟（4）處理的合成氣僅含有CH₄，N₂、H₂和可能存在的CO和CO₂，在甲烷化單元，通過鎳基催化劑進(jìn)一步將可能殘余的CO和CO₂脫除，甲烷通過凈化提純單元移除，最終合成氣中只含有N₂和H₂；

（6）合成氨；步驟（5）處理后的合成氣通過合成氣壓縮機(jī)增壓后輸送至合成氨單元，在高壓下，H₂和N₂反應(yīng)生成氨氣，并通過洗滌塔從未反應(yīng)的氣體中分離冷卻后生成氨水；

（7）合成尿素：從步驟（6）氨水中提取出氨氣與步驟（4）回收的CO₂一起輸送至合成尿素單元，生產(chǎn)出最終產(chǎn)物尿素。

另外一種實(shí)現(xiàn)方案，利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)化肥及中間體化工產(chǎn)品的方法，其特征在于：基于多個ISC地下氣化爐通過氣化產(chǎn)生的具備適當(dāng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的粗合成氣，氣化方式為純氧氣化，該氣化方式通過空氣分離裝置向地下氣化爐注入氧氣進(jìn)行純氧氣化，所述空氣分離裝置同時生產(chǎn)氮?dú)?，通過增壓壓縮機(jī)直接輸送至合成氨單元，所述方法包括如下步驟：

（1）粗合成氣預(yù)處理：粗合成氣經(jīng)冷卻、水洗和分離單元獲得溫度＜60℃的干合成氣以及煤焦油和工藝水；

（2）干合成氣脫硫：通過克勞斯法、化學(xué)吸附法或殼牌Sulfinol酸氣回收法對干合成氣進(jìn)行脫硫處理；之后采用ZnO顆?；蚩稍偕鶽nO和鈦酸鋅顆粒進(jìn)行精脫硫處理，脫除的硫回收；

（3）干合成氣變換和冷卻：脫硫后的干合成氣在預(yù)熱裝置中加熱至260℃，輸送至等溫水煤氣變換單元，利用蒸氣將所含的CO轉(zhuǎn)化為CO₂和H₂；

（4）干合成氣脫碳：步驟（3）處理后的干合成氣冷卻后，輸送至脫碳單元，將CO₂脫除并回收，用于合成尿素，所用脫碳工藝包括化學(xué)吸附、物理吸附、吸附床、吸附再生法、低溫分離法或膜分析法；

（5）干合成氣變壓吸附：干合成氣通過變壓吸附單元將H₂有選擇性地、高效地分離，從而獲得純度>96%的氫氣；

（6）合成氨；步驟（5）獲得的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后輸送至合成氨單元，在高壓下，H₂和N₂反應(yīng)生成氨氣，并通過洗滌塔從未反應(yīng)的氣體中分離冷卻后生成氨水；

（7）合成尿素：從步驟（6）氨水中提取出氨氣與步驟（4）回收的CO₂一起輸送至合成尿素單元，生產(chǎn)出最終產(chǎn)物尿素；

步驟（6）中N₂:H₂摩爾比通過調(diào)整空氣分離裝置生成的氮?dú)饪刂浦?.33。

優(yōu)選的，所述方法還包括：

步驟（2a）回收的硫經(jīng)過反應(yīng)獲得硫酸；

步驟（7a）合成硫酸銨，將步驟（6）生產(chǎn)的氨氣與步驟（2a）得到的硫酸送入硫酸銨合成單元，合成產(chǎn)物硫酸銨。

優(yōu)選的，所述方法還包括：

步驟（2a）回收的硫經(jīng)過反應(yīng)獲得硫酸；

步驟（6a）合成硝酸，步驟（6）生成的氨氣，被氧化后經(jīng)吸收生成硝酸；

步驟（7a）合成硫酸銨，將步驟（6）生產(chǎn)的氨氣與步驟（2a）得到的硫酸送入硫酸銨合成單元，合成產(chǎn)物硫酸銨；

步驟（7b）合成硝酸銨，將步驟（6）生產(chǎn)的氨氣與步驟（6a）得到的硝酸送入硝酸銨合成單元，合成產(chǎn)物硝酸銨。

優(yōu)選的，所述方法還包括：

步驟7（c），合成磷酸，以磷酸鹽巖為原料 ，其含有的三磷酸鹽與步驟（2a）的濃硫酸反應(yīng)生成磷酸和硫酸鈣。

優(yōu)選的，所述方法還包括：

步驟7（d），合成NPK復(fù)合肥料，以磷酸鹽巖為原料 ，其含有的三磷酸鹽與步驟（6a）的硝酸反應(yīng)生成磷酸和硝酸鈣溶液，將磷酸、硫酸和硝酸銨與前述溶液混合，利用氨氣中和，中和完成后，加入硫酸銨、含鉀和鎂的化合物、磷酸銨、過磷酸鹽，最后將漿料輸送至造粒工藝，經(jīng)造粒、干燥、篩分、粉碎、冷卻和包衣，獲得NPK復(fù)合肥料。

優(yōu)選的，將步驟（7b）合成的硝酸銨與碳酸鈣混合，獲得硝酸銨鈣。

優(yōu)選的，將步驟（7b）合成的硝酸銨與適當(dāng)比例步驟（7）獲得的尿素混合，獲得脲-硝酸銨。

優(yōu)選的，步驟（1）的工藝水輸送至工藝水處理單元進(jìn)行處理，處理的工藝水循環(huán)再利用于ISC地下氣化爐、粗合成氣冷卻、水洗和分離單元和其他下游工藝。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的工藝技術(shù)流程解決了以下具體技術(shù)問題和挑戰(zhàn)，其中包括：為煤炭地下氣化產(chǎn)品氣提供了除了發(fā)電以外的合成氣下游綜合利用工藝流程，同時包括以尾氣發(fā)電作為化肥及其中間體化學(xué)品生產(chǎn)的附加方案；整個合成氣生產(chǎn)化肥及其中間體化學(xué)品的工藝流程，充分利用煤炭地下氣化工藝中的副產(chǎn)品（如硫，二氧化碳，工藝水，煤焦油等）。不僅減少了后期加工處理和排放的成本，還增加了項目產(chǎn)品銷售收入。

附圖說明

為了更清楚地描述本發(fā)明的工藝技術(shù)流程，具體實(shí)施方案中所需要使用的附圖描述如下。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方案，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖；

圖2是煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖；

圖3是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖；

圖4是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和硫酸銨的方塊工藝流程圖；

圖5是煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和硫酸銨的方塊工藝流程圖；

圖6是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和硫酸銨的方塊工藝流程圖；

圖7是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的方塊工藝流程圖；

圖8是煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的方塊工藝流程圖；

圖9是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的方塊工藝流程圖；

在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記指相同部件。具體地，各附圖中涉及的附圖標(biāo)記含義如下：

1、空氣壓縮機(jī)；2、空氣；3、ISC地下氣化爐；4、粗合成氣；5、粗合成氣冷卻、水洗和分離單元；6、干合成氣；7、煤焦油；8、工藝水；9、工藝水處理單元；10、處理的工藝水；11、工藝廢料；12、干合成氣脫硫單元；13、回收的硫磺；14、干合成氣變換和冷卻單元；15、干合成氣脫碳單元；16、脫除的二氧化碳（用于下游尿素生產(chǎn)）；17、甲烷化與提純單元（用于脫除干合成氣中的甲烷）；18、富甲烷尾氣（用于銷售或發(fā)電）；19、剩余組分氫氣和氮?dú)猓ㄓ糜诤铣砂保?0、合成氨單元；21、氨氣；22、合成尿素單元；23、尿素；24、配備氮?dú)饣厥盏目諝夥蛛x裝置（ASU）；25、氧氣；26、氮?dú)猓ㄓ糜谙掠魏铣砂保?7、氣化用水處理單元；28、二次處理的工藝水；29、變壓吸附單元（PSA）（用于分離合成氣中的氫氣）；30、變壓吸附后的富甲烷尾氣（用于銷售或發(fā)電）；31、變壓吸附分離的氫氣（用于合成氨）；32、硫酸生產(chǎn)單元；33、硫酸（用于硫酸銨生產(chǎn)）；34、硫酸銨生產(chǎn)單元；35、硫酸銨；36、硝酸生產(chǎn)單元；37、硝酸（用于硝酸銨和NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)）；38、硝酸銨生產(chǎn)單元；39、硝酸銨（用于銷售或NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)）；40、磷酸生產(chǎn)單元；41、磷酸鹽巖（用于磷酸生產(chǎn)）；42、磷酸（用于NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)）；43、鉀（K），鎂（Mg），磷酸銨，過磷酸鹽（用于NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)）；44、NPK酸解混化生產(chǎn)單元；45、NPK復(fù)合肥料（硝酸鹽、磷酸鹽和鉀）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的解釋和說明。

圖1是煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖。煤炭地下氣化空氣氣化工藝需要一個空氣壓縮機(jī)1來生產(chǎn)高壓氧化劑，空氣2（約含21mole%氧氣）?？諝?通過注入井注入ISC地下氣化爐3來實(shí)現(xiàn)地下煤層的空氣氣化?？諝庵械牡?dú)猓s78mole%）作為惰性氣體不參與煤炭地下氣化反應(yīng)，直接通過ISC地下氣化爐3后存在于合成氣產(chǎn)品內(nèi)。經(jīng)過下游合成氣處理工藝后，與合成氣中剩余的氫氣19，共同進(jìn)入合成氨單元20生產(chǎn)氨氣21。粗合成氣4通過產(chǎn)品井輸送至地面，并進(jìn)入粗合成氣冷卻、水洗和分離單元5。粗合成氣4通過直接冷卻工藝（液體或氣體冷卻，文丘里裝置、冷卻塔等）或間接冷卻工藝（葉片式風(fēng)扇、換熱器等）快速冷卻至<80^oC。直接冷卻工藝包含了粗合成氣水洗的步驟，而間接冷卻工藝則需要至少一個洗滌塔將粗合成氣內(nèi)的微量污染物（如氯化物、汞等）從粗合成氣中移除。經(jīng)水洗后的合成氣然后進(jìn)入氣液分離器，脫除合成氣中殘留的自由液體，生成溫度<60^oC的干合成氣6。

從洗滌塔和氣液分離器分離出的煤焦油7和工藝水8進(jìn)入下游工藝進(jìn)行進(jìn)一步處理。其中，工藝水8輸送至工藝水處理單元9。通過機(jī)械法（重力沉降、撇油器、過濾、反滲透）、化學(xué)法（如凝結(jié)劑、阻垢劑、緩蝕劑、pH中和劑等）和生物法（好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌、活性污泥法、循環(huán)活性污泥法、一體化固定膜活性污泥法、膜生物反應(yīng)器等）進(jìn)行處理。處理的工藝水10可以循環(huán)再利用于ISC地下氣化爐3、粗合成氣冷卻、水洗和分離單元5和其他下游工藝（例如合成氨單元20）。產(chǎn)生的工藝廢料11，包括固體廢棄物、污泥和濃鹽水，需要通過垃圾填埋、焚燒或第三方設(shè)施進(jìn)行專業(yè)提取進(jìn)行處理。

干合成氣6進(jìn)入脫硫單元12，通過克勞斯法、化學(xué)吸附法（MERICHEM LO-CAT工藝）、殼牌Sulfinol酸氣回收法等對干合成氣進(jìn)行脫硫處理。之后，采用ZnO顆粒或可再生ZnO和鈦酸鋅顆粒進(jìn)行精脫硫處理（ZnO(s)+H₂S(g) → ZnS(s)+H₂O(l)），避免合成氣內(nèi)的殘余硫造成下游合成氨20催化劑（鐵系催化劑）中毒。通過脫硫單元12脫除和回收的硫為單質(zhì)硫磺13，可直接銷售或采用下游設(shè)備進(jìn)一步處理。

脫硫后的干合成氣的主要成分為CO₂、CH₄、H₂、CO和N₂。通過其他上游或下游單元的余熱回收或使用尾氣18作為燃料氣在預(yù)熱裝置中將干合成氣預(yù)熱至260℃。然后輸送至等溫水煤氣變換單元14，利用蒸氣將CO轉(zhuǎn)化為CO₂和H₂。

干合成氣冷卻后，輸送至脫碳單元15，將所述二氧化碳16脫除并回收，用于合成尿素22。所采用的脫碳工藝包括化學(xué)吸附法（甲基乙醇胺、苯菲爾等）、物理吸附法（低溫甲醇洗、SELEXOL工藝）、吸附床法（氧化鋁，沸石，活性炭）、吸附再生法（變壓，變溫，水洗）、低溫分離法或膜分離法。根據(jù)實(shí)際操作情況，選取其中最易整合、具有最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益的方法。所述工藝流程的布局是可以根據(jù)實(shí)際項目要求進(jìn)行調(diào)整，例如將水煤氣變換單元14安置于脫硫單元12上游，并將脫硫單元12與脫碳單元15整合成一個酸氣脫除單元，共享部分工藝設(shè)備。

經(jīng)過上述處理的合成氣只含有CH₄, N₂和H₂。在甲烷化單元17中，通過鎳基催化劑將可造成合成氨催化劑中毒的殘余CO和CO₂脫除（CO(g) + 3H₂(g) ? CH₄(g) + H₂O(l)，CO₂(g) + 4H₂(g) ? CH₄(g) + 2H₂O(l)）。反應(yīng)生成的水將被回收并輸送至工藝水處理單元9，甲烷18將通過凈化提純單元移除，最終合成氣19中只含有N₂和H₂。富甲烷尾氣18，可直接作為燃料氣銷售或通過往復(fù)式發(fā)電機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)或配備汽輪機(jī)發(fā)電的火力/混燒蒸汽鍋爐進(jìn)行發(fā)電。

分離的合成氣19，通過合成氣壓縮機(jī)增壓后輸送至合成氨單元20。在該單元，H₂和N₂在高壓下反應(yīng)生成氨氣21，并通過洗滌塔從未反應(yīng)的氣體中分離冷卻后生成氨水，所述氨氣可在下游工藝處從氨水中提取出來。合成氨工藝基于哈柏-博施法（Haber-Bosch），例如林德合成氨工藝（LAC）、瑞士Casale工藝（HEC）或其他商業(yè)化合成氨技術(shù)。3H₂(g) + N₂(g) ? 2NH₃(g)（合成氨反應(yīng)，F(xiàn)e₃O₄作為催化劑，Al₂O₃, K₂O和CaO作為助催化劑）

合成氨工藝所需的水由工藝水處理單元9來供應(yīng)處理的工藝水10。所述合成氨工藝通常包括回收未反應(yīng)的氣體并循環(huán)回進(jìn)料口再次進(jìn)行反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率。生產(chǎn)出的氨氣21與回收的二氧化碳16，輸送至合成尿素單元22，生產(chǎn)出最終產(chǎn)物尿素23。所述合成尿素反應(yīng)如下：

2NH₃(g) + CO₂(g) ? NH₂COONH₄ ? CO(NH₂)₂(s) + H₂O(l)（合成尿素反應(yīng)）

上述技術(shù)方案中，利用煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

該工藝只需要通過空氣壓縮機(jī)提供所需的氧化劑，因此所需的資本投入最低；

充分利用了煤炭地下氣化的副產(chǎn)品二氧化碳作為合成尿素的原料；消耗了煤炭地下氣化工藝所產(chǎn)生的工藝水，并分?jǐn)偭斯に囁幚碓O(shè)施的投資成本；

該工藝所產(chǎn)生的富甲烷尾氣可用于發(fā)電或作為燃料氣銷售。

同時，上述技術(shù)方案中，利用煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程有以下幾個缺點(diǎn)：

由于是空氣氣化，產(chǎn)品氣中的N₂含量較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出H₂含量。通常情況，脫硫處理后合成氣中N₂與H₂的摩爾比率是1.4-1.8。

用于合成氨的原料氣中的N₂：H₂比率無法控制，因而可能導(dǎo)致合成氨反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)效率較低，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)項目。

經(jīng)過水煤氣變換、脫碳和甲烷化處理后，合成氣中N₂：H₂的摩爾比率是1.7-2.4，而理想的化學(xué)計量比為0.33。

另外，該工藝沒有利用到副產(chǎn)品硫磺（硫回收獲得的）。該技術(shù)缺陷將在下述技術(shù)優(yōu)化的技術(shù)方案中一一解決。

圖2是煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖。該工藝通過空氣壓縮機(jī)1和空氣分離裝置（ASU）24調(diào)節(jié)氧化劑中O₂和N₂的比率，向ISC地下氣化爐3注入富氧空氣（O₂含量50%-80%）進(jìn)行富氧氣化。該工藝可以調(diào)整合成氨單元20的原料氣中所需的N₂:H₂摩爾比率，使其達(dá)到理想的化學(xué)計量比0.33。其他的合成氣處理工藝與煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝（圖1）基本相同。區(qū)別在于富氧工藝使用了空氣分離裝置和氣化用水處理單元?？諝夥蛛x裝置可以生產(chǎn)副產(chǎn)品N₂ 26，用于項目公共設(shè)施。所述氣化用水需要經(jīng)過特殊處理后再注入ISC地下氣化爐3，其中包括過濾、軟化或反滲透、添加防腐抑制劑以保證注入井和其他井下設(shè)備在其運(yùn)行壽命內(nèi)的完整性。在氣化用水處理單元27中，包括注水設(shè)備以滿足在操作壓力下提供所需的水流量。

圖2的利用煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

用于合成氨單元的合成氣N₂:H₂摩爾比率可以控制到理想的化學(xué)計量比0.33；

充分利用了煤炭地下氣化的副產(chǎn)品二氧化碳作為合成尿素的原料；

消耗了煤炭地下氣化工藝所產(chǎn)生的工藝水，并分?jǐn)偭斯に囁幚碓O(shè)施的投資成本；

該工藝所產(chǎn)生的富甲烷尾氣可用于發(fā)電或作為燃料氣銷售；該工藝需要空氣分離裝置（ASU）、氣化用水處理單元以及連續(xù)油管設(shè)備，因此所需的資本投入相對較高。

通過控制注入合成氨單元的原料組分，可有效地減小合成氨單元的尺寸，因此相對抵消了上游設(shè)備所產(chǎn)生的高額資本投入。

同時，該工藝擁有較高轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)效率，有效地增加了銷售收入；空氣分離裝置（ASU）和氣化用水處理單元的費(fèi)用可以由ISC地下氣化爐群分?jǐn)偂?/p>

但圖2的利用煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程仍有以下幾個缺點(diǎn)：該工藝通過控制注入ISC地下氣化爐的氧化劑的氧氣含量來調(diào)整合成氨生產(chǎn)的原料氣成分。由于ISC地下氣化爐自身的燃空區(qū)體積和駐留時間，造成合成氨生產(chǎn)的原料氣成分控制實(shí)際上具有較長的滯后/響應(yīng)時間，另外，該工藝沒有利用到副產(chǎn)品硫磺。

圖3是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和中間體化學(xué)品氨氣的方塊工藝流程圖。該工藝完全通過空氣分離裝置（ASU）24向ISC地下氣化爐3注入氧氣25進(jìn)行純氧氣化。所述該空氣分離裝置同時還可生產(chǎn)氮?dú)?6，并通過一個增壓壓縮機(jī)直接輸送至合成氨單元20。此時，合成氨原料氣中的N₂:H₂摩爾比率可以由控制系統(tǒng)及時地進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)和控制。由于注入的氧氣純度25非常高（>92%），因此經(jīng)過脫硫12、變換和冷卻14和脫碳15處理后，干合成氣中的N₂含量極少。其他的合成氣處理工藝與煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝（圖1）基本相同。所述煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素工藝流程中，干合成氣再通過一個變壓吸附單元（PSA）29將H₂有選擇性地、高效地分離，從而獲得純度>96%的氫氣31。所述氫氣31輸送至合成氨單元20的原料壓縮機(jī)中，其中N₂:H₂摩爾比率可通過空氣分離裝置24生成的氮?dú)?6有效的控制到理想的化學(xué)計量比0.33。變壓吸附單元（PSA）29排出的富含甲烷尾氣可以用于發(fā)電或作為燃料氣出售。所述煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素工藝流程中，空氣壓縮機(jī)僅開車、調(diào)試以及異常運(yùn)行（下游單元中斷）時使用，且空氣壓縮機(jī)是有ISC地下氣化爐群共享，因此所述工藝正常運(yùn)行流程中不含空氣壓縮機(jī)。

圖3的利用煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

用于合成氨單元的合成氣N₂:H₂摩爾比率可以摩爾比率由控制系統(tǒng)動態(tài)控制到理想的化學(xué)計量比0.33，并且滯后/響應(yīng)時間極短；

高的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)效率可以減少項目長期的運(yùn)營費(fèi)用；合成氣中氮?dú)夂繕O少，單個氣化爐產(chǎn)品氣內(nèi)的有效組分極高。

對于相同規(guī)模的尿素和氨氣生產(chǎn)，該工藝可有效地減少ISC地下氣化爐數(shù)量以及減小所需下游單元的尺寸；

充分利用了煤炭地下氣化的副產(chǎn)品二氧化碳作為合成尿素的原料；消耗了煤炭地下氣化工藝所產(chǎn)生的工藝水，并分?jǐn)偭斯に囁幚碓O(shè)施的投資成本；

該工藝所產(chǎn)生的富甲烷尾氣可用于發(fā)電或作為燃料氣銷售；氣化用水處理單元的費(fèi)用可以由ISC地下氣化爐群分?jǐn)偂?/p>

圖3的利用煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝流程有以下幾個缺點(diǎn)：相比于煤炭地下氣化空氣化和富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝來說，該工藝的大型空氣分離裝置所需的資本投入更高，該工藝沒有利用到副產(chǎn)品硫磺。

圖4是利用煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨以及中間體化學(xué)品硫酸的方塊工藝流程圖。該工藝在圖1所示煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝基礎(chǔ)上增加硫酸生產(chǎn)單元32。通過脫硫單元12回收的硫磺13生產(chǎn)硫酸33。其主要步驟包括：硫磺燃燒/氧化反應(yīng)制備SO₂以及SO₂催化氧化制備SO₃（S(s) + O₂(g) → SO₂(g)；2SO₂(g) + O₂(g) ? 2SO₃(g)（V₂O₅作為催化劑））。將三氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸的方法很多，最常用的為接觸法和濕硫酸法。接觸法，三氧化硫首先生成發(fā)煙硫酸（H₂S₂O₇），再稀釋為濃硫酸（SO₃(g) + H₂SO₄(l) → H₂S₂O₇(l)；H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) → H₂SO₄(l) ）。濕硫酸法，三氧化硫首先與蒸汽水合生成氣體硫酸，再凝結(jié)為液體硫酸（SO₃(g) + H₂O(g) → H₂SO₄(g)；H₂SO₄(g) → H₂SO₄(l)）。硫酸生產(chǎn)工藝所需的水由工藝水處理單元9提供。硫酸33輸送至硫酸銨生產(chǎn)單元34與合成氨單元20生產(chǎn)的氨氣21反應(yīng)生產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品35（2NH₃(g) + H₂SO₄(l) → (NH₄)₂SO₄(aq,s)）。

圖5是利用煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨以及中間體化學(xué)品硫酸的方塊工藝流程圖。圖6是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨以及中間體化學(xué)品硫酸的方塊工藝流程圖。圖5和圖6的硫酸和硫酸銨生產(chǎn)工藝與圖4所述工藝基本相同。區(qū)別在于下游工藝的設(shè)備尺寸匹配。中間體化學(xué)品氨氣的量需同時滿足尿素和硫酸銨的生產(chǎn)要求。

與圖1-3的利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝相比，增加生產(chǎn)硫酸銨的工藝有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

充分利用了副產(chǎn)品硫磺和處理的工藝水生產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品，增加了項目的銷售收入；

消耗了煤炭地下氣化工藝所產(chǎn)生的工藝水，并分?jǐn)偭斯に囁幚碓O(shè)施的投資成本；

根據(jù)根據(jù)市場定價變化，在尿素和硫酸銨生產(chǎn)之間靈活變化最終產(chǎn)品。

但同時，與利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素的工藝相比，增加生產(chǎn)硫酸銨的工藝有以下幾個缺點(diǎn)：項目的資本投入和運(yùn)營成本較高，但有可能被額外產(chǎn)品硫酸銨增加的銷售收入所抵消；對于硫含量較高的煤層，需要更多的氨氣去合成硫酸銨產(chǎn)品 - 需要平衡尿素生產(chǎn)和硫酸銨生產(chǎn)之間氨氣供應(yīng)。

圖7是利用煤炭地下氣化空氣氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨、NPK復(fù)合肥料以及中間體化學(xué)品硝酸、磷酸的方塊工藝流程圖。具體可根據(jù)市場需求和價格來決定選擇哪種產(chǎn)品。該工藝前段生產(chǎn)尿素、硫酸銨的工藝與圖4所示相同。硝酸37生產(chǎn)采用諸如Ostwald合成方法（低至中壓雙加壓方法，中壓至高壓單加壓方法等）。氨氣21在Pt/Rh合金網(wǎng)催化劑上被氧化，產(chǎn)生NO作為中間體（4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)）。然后進(jìn)一步與空氣（氧化劑）反應(yīng)以形成NO₂（2NO(g) + O₂(g) ? 2NO₂(g)），最后NO₂被逆向水流吸收生成硝酸37（3NO₂(g) + H₂O(l) ? 2HNO₃(aq) + NO(g)）。氨氣氧化過程放出大量熱，可采用余熱回收裝置生產(chǎn)蒸汽用于其他下游工藝單元和公共設(shè)施。中間體產(chǎn)品硝酸37輸送至下游硝酸銨生產(chǎn)單元38和NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)單元44，用于進(jìn)一步加工最終產(chǎn)品。

硝酸37在硝酸銨生產(chǎn)單元38中與氨氣21反應(yīng)（中和反應(yīng)）以生產(chǎn)硝酸銨39（HNO₃(l) + NH₃(g) → NH₄NO₃(aq)）。：

硝酸銨（AN）合成工藝通常包括三個步驟：中和，蒸發(fā)和固化（造?；蛑屏＃Ｖ泻脱b置包括自由沸騰容器，循環(huán)系統(tǒng)或管式反應(yīng)器。依據(jù)項目生產(chǎn)規(guī)模和熱綜合利用的最佳條件來選擇最佳工藝。蒸發(fā)裝置用于除去硝酸銨溶液中的水。通常使用在中和裝置產(chǎn)生的余熱蒸汽或在現(xiàn)場其它蒸汽進(jìn)行蒸發(fā)處理。蒸發(fā)處理后，濃縮的硝酸銨溶液（ANSOL）39可輸送至NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)單元44進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。固化/造粒工藝通常將濃縮的硝酸銨溶液向下噴射到造粒塔中，同時逆向通入空氣對下落液滴進(jìn)行干燥。當(dāng)液滴到達(dá)塔底部時留下固體硝酸銨顆粒39作為最終產(chǎn)物。制粒工藝也可采用更復(fù)雜的設(shè)備和添加劑，有助于硝酸銨顆粒的形成和提高顆粒的穩(wěn)定性。例如，將硝酸銨與固體填料材料碳酸鈣（來自石灰石或白云石）混合，最終產(chǎn)物為硝酸銨鈣（CAN）。若將硝酸銨溶液與所需比例的尿素混合時，最終產(chǎn)物為脲-硝酸銨（UAN）。

磷酸的合成工藝較多，可通過二水合法、半水合法、雙階段二水合物法、單階段半水合物法或雙階段半水合物法等來實(shí)現(xiàn)。其基本原理是利用存在于磷酸鹽巖41中的三磷酸鹽與濃硫酸33反應(yīng)生成磷酸42和硫酸鈣（石膏）（Ca₅(PO₄)₂(s) + 3H₂SO₄(l) → 2H₃PO₄(l) + 3CaSO₄(s)）。

NPK復(fù)合肥料的合成采用酸解混化工藝。該方法同時消耗了利用煤炭地下氣化工藝的副產(chǎn)物硫磺13生產(chǎn)的硫酸33。首先，將磷酸鹽巖41在反應(yīng)器與硝酸37混溶，得到磷酸和硝酸鈣的溶液（Ca₃(PO₄)₂(s) + 6HNO₃(l) + 12H₂O(l) → 2H₃PO₄(l) + 3Ca(NO₃)₂(aq) + 12H₂O(l)）。其次，將磷酸42，硫酸33和硝酸銨溶液39（或硝酸37）與上述溶液混合，并利用氨氣21中和酸性漿料。中和完成后，加入其它組分如硫酸銨35、含鉀和鎂的化合物、磷酸銨和過磷酸鹽43。最后將漿料輸送至造粒工藝，包括造粒、干燥、篩分、粉碎、冷卻和包衣。

圖8是利用煤炭地下氣化富氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨、NPK復(fù)合肥料以及中間體化學(xué)品硝酸、磷酸的方塊工藝流程圖。圖9是煤炭地下氣化純氧氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素、硫酸銨、硝酸銨、NPK復(fù)合肥料以及中間體化學(xué)品硝酸、磷酸的方塊工藝流程圖。圖8和圖9的硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的生產(chǎn)工藝與圖7所述工藝基本相同。區(qū)別在于下游工藝的設(shè)備尺寸的匹配，中間體化學(xué)品氨氣的量需同時滿足尿素，硫酸銨，硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的生產(chǎn)要求。

與利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和硫酸銨的工藝相比，增加生產(chǎn)硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的工藝有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

充分利用了煤炭地下氣化副產(chǎn)品如硫磺、處理的工藝水、二氧化碳等生產(chǎn)硝酸銨和NPK復(fù)合肥料，有效地增加了項目的銷售收入；

消耗了煤炭地下氣化工藝所產(chǎn)生的工藝水，并分?jǐn)偭斯に囁幚碓O(shè)施的投資成本；有利于整合下游單元余熱的綜合利用；

根據(jù)根據(jù)市場定價變化，在尿素、硫酸銨、硝酸銨和NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)之間靈活變化最終產(chǎn)品；

可選擇生產(chǎn)硝酸銨鈣（CAN）和脲-硝酸銨（UAN）。

與利用煤炭地下氣化產(chǎn)品氣生產(chǎn)尿素和硫酸銨的工藝相比，增加生產(chǎn)硝酸銨和NPK復(fù)合肥料的工藝有以下幾個缺點(diǎn)：

項目的資本投入和運(yùn)營成本較高，但有可能被額外產(chǎn)品增加的銷售收入所抵消。對于硫含量較高的煤層，需要更多的氨氣去合成下游產(chǎn)品 - 需要平衡尿素生產(chǎn)、硫酸銨生產(chǎn)、硝酸銨生產(chǎn)和NPK復(fù)合肥料生產(chǎn)之間氨氣供應(yīng)。

以上所述提及的“一個實(shí)施方案”包括在實(shí)施方案中描述的相關(guān)特性、結(jié)構(gòu)、特征都與本發(fā)明的其中至少一個實(shí)施方案相關(guān)。因此，以上所述多次提及“一個實(shí)施方案中”的地方并非都特指同一個實(shí)施方案。此外，在實(shí)施方案中描述的相關(guān)特性、結(jié)構(gòu)、特征可以以任何合適的方式一個或多個組合。

本發(fā)明并不局限于以上所述實(shí)施方案，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明還可以有各種變化和調(diào)整，只要不偏離本發(fā)明的精神和原則，所述變化和調(diào)整均應(yīng)在本發(fā)明范圍內(nèi)。