11-常压固定床间歇气化工艺的节能举措

论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司1常压固定床间歇气化工艺的节能举措王志勇在能源、资源日趋紧张的形势下，对于以煤为原料的氮肥企业来讲，节约原材料，特别是降低原料煤消耗，以降低生产成本，提高经济效益，成为了当前工作中的重中之重。因此，造气是氮肥企业生产中节能降耗的关键工段之一，应该本着开发、优化、节约、循环、环保、节能并举的原则，采取一系列切实可行的措施，实现节能降耗。1制订合理的工艺指标并优化之合理的工艺指标是实现生产优质、高效、低耗、安全和稳定的前提。造气工段要想节能降耗，就必须制订出合理的工艺指标，并不断地对工艺指标进行优化。1.1煤气炉温度的控制常压固定床间歇气化过程，实际上是热化学反应过程，而温度的控制则是气化反应的主要手段。从一定程度上讲，煤气炉温度的高低和蓄热量的多少，就决定了半水煤气产量和质量。煤气炉温度也并非越高越好，在吹风阶段气化层温度越高，二氧化碳还原成一氧化碳的机会就越多，气化过程中的原料消耗就高，热量损失就大，势必影响吹风效率的提高。在制气阶段，蒸汽与炭反应的速度随温度的升高而加快，适当提高气化层温度，增加燃料层的蓄热量，气化强度明显提高。这表明，吹风与制气两个阶段，对于气化层温度、厚度和蓄热量多少的要求是不一样的。吹风阶段应尽量避免形成二氧化碳还原的条件，希望气化层薄，温度低，蓄热量少；制气阶段则要求有利于形成二氧化碳还原反应的条件，希望气化层厚，温度高，蓄热量多。另外，气化层温度的高低，还受到原料灰熔点的限制，炉温过高超过灰熔点所能允许的温度，则会造成料层熔结成块，使炉内结疤，造成操作条件恶化。因此，煤气炉温度高低的选择应从气化强度和热利用率两个方面综合考虑，当气化层温度维持低线指标时，上下吹蒸汽用量应相应减少，否则会使炉温过低，影响制气效率。由于常压固定床间歇气化工艺的特殊性、复杂性、局限性，煤气炉内实际温度的高低是很难直接测量准确的。煤气炉内实际温度的控制，往往以轴向的上气道温度、下气道温度为主要依据，以径向的左、右灰仓温度为次要依据，形成轴径向温度全面得到控制的局面。对于不同的厂家，不同的条件，不同的操作水平，所形成的不同炉型，不同流程，不同运行方式并存的局面，煤气炉的上、下气道温度及左、右灰仓温度的控制也是不一样的。一般煤气炉的上、下气道温度之和不应超过600℃，左、右灰仓温度之差应小于50℃。1.2煤气炉入炉蒸汽及上下吹时间的选择上下吹蒸汽用量及上下吹的时间百分比是调节煤气炉气化层温度、位置及厚度的主要手段，蒸汽用量总和的改变，服从于燃料的理化特性和气体成分的要求，调节蒸汽用量总和时，应主要依据二氧化碳、一氧化碳、氢气等指标进行。单纯以提高气体质量，提高蒸汽分解率，减少蒸汽用量无疑是有利的，但蒸汽用量过低，生产能力降低，燃料层局部温度过高，易造成结疤、结块。因此，蒸汽用量应该是在保持煤气炉正常炉温，燃料层工况正常的情况下，尽量控制得小一些。论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司2上吹蒸汽量和二次上吹蒸汽量之和与下吹蒸汽量的比例一般控制在1.05～1.55，优质燃料可选择低限，劣质燃料可选择高限。入炉蒸汽手轮的开启度应尽量小，入炉蒸汽压力（指入炉蒸汽阀前）应尽量稳与高。制气时蒸汽用量的多少应针对不同原料，不同炉型，不同流程，不同的条件，不同的操作水平，不同运行方式等具体情况，并充分考虑气汽比（半水煤气量与蒸汽用量之比）情况。入炉蒸汽量应以煤气炉发气量的大小来决定，吨氨耗汽一般在1.2～2.5t，但昀多不要超过3t/tNH3。上、下吹制气阶段时间的分配，以稳定气化层位置，有利于上、下气道温度指标的有效控制和保证气体质量为原则。吹风阶段结束后，燃料层的温度高，上吹制气的产量大，似乎上吹制气阶段的时间应长一些。但是上吹制气阶段的时间过长，不仅消耗气化层大量的热量，且使气化层温度急剧上移，对以后的制气不利。因此，在上、下吹制气阶段时间的分配比例上，下吹制气阶段的时间比上吹制气阶段的时间长一些。对于固定碳含量及灰熔点比较高，机械强度及热稳定性比较好，粒度比较大的原料，应适当减少上吹时间，尽可能地延长下吹时间，以有利于防止气化层上移及下部未燃尽炭的充分利用，以达到稳定操作和降低消耗的目的。一般情况下，上、下吹时间百分比的分配可以按下式确定：上吹+二次上吹+2%～10%=下吹。1.3炭层高度的确定煤气炉炭层高度控制是否合理，对煤气的质量和产量均有较大的影响，实际操作中所谓的“高炭层”，只是一个相对的概念。对于不同的原料，不同的设备及不同的生产负荷，炭层高度的变化是很大的。一般地说，控制适当的“高炭层”，有利于燃料层各分区高度得到相对稳定，可以适应高风量的操作条件，能贮存较多的热量，因而也有利于增加入炉蒸汽量和提高蒸汽分解率，并使气化层增厚，可增加二氧化碳与炭的接触时间，有利于二氧化碳还原反应的进行。炭层控制适宜，还易使炉顶、炉底气体温度得到适当控制，因而减少了显热损失。当合理的炭层高度确定后，在生产操作中就要严格控制。炭层高度稳定，有利于保持炭层阻力一定，从而可保证入炉空气、蒸汽稳定地穿过炭层，可以较好的维持炉内的热平衡。如果炭层控制的不好，则操作中的其他条件就要随之加以调节，如循环时间及其各阶段百分比、入炉空气量、蒸汽流量等相互关联的操作条件就不能适应和相对稳定，必将破坏炉内热平衡，炉底出气温度波动，气体的产量和质量都会受到较大影响。同时，循环氢的调节规律也必将被打乱。所以，维持炭层高度的稳定，是搞好稳定操作的重要一环。总之，选择合理的炭层高度，有效控制炭层实际高度，要根据所用燃料的特性、鼓风机能力以及生产负荷的轻重等因素综合考虑。1.4吹风风量及百分比的选择在吹风放热和制气吸热的矛盾中，风量和吹风时间是矛盾的两个方面。吹风阶段百分比的长短，应根据所用风机风量的大小，燃料的理化特性及所需要生产强度综合考虑确定，其他阶段时间长短的确定，要以吹风百分比为前提。另外，还要考虑炉内燃料层各层区，尤其是灰渣层、气化层的稳定，煤气炉出气温度的有效控制及生产能力等情况而定。因此，选择适宜的风机，控制合适的风量、风压，及选择合适的吹风时间是提高产量和气体质量，降低消耗的又一关键所在。一定条件下，为了减少吹风气中一氧化碳的含量，缩短吹风时间，适当加大鼓风机风量是必要的，但风量并非越大越好。鼓风机风量过大，会吹翻炭层，使带出物增多，给煤气炉的操作与管理带来相当大的困难，特别是烧劣质原料，若风量过大，不仅增加消耗，且煤气炉易结疤结块，使操作管理更加困难。实践证明，对于不同的炉型、不同的流程、不同条件下的系统，风机的选取也是不一样的，宜选取适宜高的风压，量足够大的风机，以便尽量将吹风百分比控制在20%以内。风机风压、风量确定后，应根据不同的原料及生产实际，及时合理地调整吹风百分比。一般情况下，吹风百分比可视不同情况，在15.5%～25.5%论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司3之间调整。吹风百分比和风量一经确定，单位时间送入炉内的总风量就确定了，一般不应随意变动。特别是烧劣质煤时，任意延长吹风，极易造成炉子结疤、结块。因此，提倡用蒸汽量来调节炉温，以减少气化层温度及蓄热量的波动。2利用适宜的过热蒸汽制气，配置合理的蒸汽系统采用过热蒸汽制气，不仅避免了饱和蒸汽带水，且提高了入炉蒸汽的温度，减少了炉温的波动，降低了蒸汽制气过程对吹风阶段热量的需求，使吹风过程中所产生的热量，昀有效、昀经济地得到利用，且是尽昀大可能地将热量储蓄在炉内被得到利用，而非在炉外进行回收。过热蒸汽制气一般宜选取220℃左右的过热蒸汽，过热蒸汽温度过高，因其密度小，单位时间内入炉的蒸汽量就少，这虽有利于提高蒸汽分解率，但不利于生产能力的发挥，制约了制气强度的提高。选取过热蒸汽制气，因其流速在30～50m/s，若再控制好入炉蒸汽压力，将更加有利于改善气固相物质之间的反应状态，必然在增强制气强度，提高生产能力的前提下，有利于蒸汽分解率的大幅度提高。采用过热蒸汽制气及选择适宜的工艺条件，蒸汽分解率一般可达到65%左右，吨氨蒸汽的消耗定额同比可下降300～500kg。另外，采用过热蒸汽制气，还可以减轻设备、管道的腐蚀。烧劣质煤时，还可防止设备、管道的堵塞，减轻了洗气塔的负荷，提高了半水煤气的有效气体成分，为后工序提高打气量、增加产量奠定了基础。造气工序的蒸汽来源，不同的厂家有着不同的来源，但大致可归纳为以下几种：煤气炉水夹套锅炉自产蒸汽，回收上下行煤气显热的废锅产蒸汽，吹风气回收装置产的蒸汽，氨合成工序所产蒸汽，热电锅炉所送蒸汽等。这些不同来源的蒸汽，有着不同的压力等级或不同的品位，如果造气的蒸汽系统配置布局得不得当，势必严重影响煤气炉工况的稳定、制气效率的提高，造成能耗的居高不下。因此合理的蒸汽系统对常压固定床间歇气化工艺来说，起着至关重要的作用。为此，对于扩径、增高及异形发展演变后的煤气炉蒸汽系统来讲，应注重做好以下几个方面的内容：1）入炉蒸汽的品质。无论造气系统的蒸汽来源有多少，有一个宗旨就是----尽量将入炉蒸汽控制为220℃左右的过热蒸汽。2）入炉蒸汽压力。其原则就是足够的稳定。入炉蒸汽调节装置（电动或电气动）要一个单元系统配置一套，通径不应小于150mm，压力采样点宜选取在入炉蒸汽总管上，以避免管线阻力降所带来的调节误差。3）蒸汽系统补汽点的位置。应尽量选取在单元系统各煤气炉的中间，防止从一头进，以避免流体在系统中的分配不均，使压力波动，影响单元系统各煤气炉的稳定性及负荷的平衡。4）蒸汽系统的容量。管线阀门的口径选择要得当。单元补汽装置不应小于150mm，调节装置离补汽点应尽量短。单元装置应设置一个不少于20m3的缓冲罐，其出入蒸汽总管调为DN400或DN500。单炉入炉蒸汽管线阀门选DN250或DN300。5）汽源流程。各种不同来源的蒸汽，必须进入缓冲罐充分混合均匀后，方能供各炉使用，尽量避免一个单元内各炉的入炉蒸汽温度存在着较大的波动。3选用高效风机，合理配置空气系统从理论上讲，0.95～1.05m3的空气能够产生1m3的煤气。对于扩径、增高及异形发展演变后的煤气炉来讲，在这一理论的指导下，要想发挥出它的昀大潜力，就必须拥有较高的吹风强度，而选用高效风机是提高吹风强度的保证，也可以说风机是提高煤气炉产气量，降低消耗的关键设备。对于三炉一个单元的系统，风机可选用500或600风机；对于四炉一个单元的系统，风机可选用600或700风机；风机的压头可选用2600～3000mmH20。原则上讲，风机的选用应当满足适宜高的风压，风量足够大，且电耗比较低的要论文部分第九届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会·上海东景化工科技有限公司4求。尽管选用了如此高效的风机，但对于常压固定床间歇气化工艺来说，仍需要通过降低阻力，来获得较高的吹风效率，也就是说空气管线与阀门、吹风气管线与阀门的通径要扩大。为保证风机具有较高出力率和煤气炉具有较高气化强度，空气总管的质点流速应小于16m/s，入炉支管的质点流速应小于7m/s，吹风气总管的质点流速也应小于12m/s，单炉吹风气引出点的质点流速要应小于3.5m/s，吹风气回收系统的烟气流速一般在11～12m/s。4采用新型的气化主机设备新型的煤气炉及其配套的煤气炉心脏----炉箅，是常压固定床间歇气化工艺过程中的主机设备。煤气炉在几十年的发展过程中，首先经过了扩径改造，原小氮肥由φ1980扩到φ2260，φ2260扩到φ2400，φ2400扩到φ2610、φ2650，φ2600系列扩到φ2800；原中氮肥由φ2745扩到φ3000，φ3000扩到φ3200等；其次，随着扩径的发展，煤气炉的高径比出现了失衡现象，即只注重了径向的发展，而忽略了轴向的拓展。煤气炉的高径比成了近几年来讨论昀多、争议昀大的课题。一般而言煤气炉的高径比宜控制在2：1左右。当今，小氮肥厂常压固定床间歇式煤气炉的炉型，在扩径、增高的基础上，顺应形势的发展，煤气炉主体结构又发展到一个崭新境界，即在扩径、增高后床层形态，由直筒形改为锥筒形。锥形煤气炉