李德朗

(湖北新洋豐肥業(yè)有限公司合成氨廠,湖北荊門(mén) 448150)

不斷攀升的原料價(jià)格,使許多氮肥企業(yè)受到了生存的威脅。2010年隨著煤炭資源整合的推進(jìn)和多家煤炭企業(yè)安全事故引發(fā)的安全整頓,下半年以來(lái),全國(guó)的煤炭?jī)r(jià)格一直運(yùn)行在歷史的高位。氮肥行業(yè)的日子越來(lái)越艱難,出現(xiàn)了無(wú)利可圖和虧本經(jīng)營(yíng)的局面。特別是以塊煤為原料的生產(chǎn)企業(yè)更是舉步維艱,不得不采取停產(chǎn)限產(chǎn)或者檢修來(lái)應(yīng)對(duì)原料價(jià)格變化對(duì)行業(yè)的沖擊。而選擇煤棒工藝,管理規(guī)范的氮肥企業(yè)則受影響相對(duì)較小。即使行業(yè)不景氣,但因原料價(jià)格上存在的明顯優(yōu)勢(shì),也能保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

新洋豐公司合成氨廠是洋豐復(fù)合肥料的原料配套分廠,是一家以煤棒為氣化原料單產(chǎn)合成氨的企業(yè)。裝置有φ2 650 mm半水煤氣發(fā)生爐14臺(tái),合成氨生產(chǎn)能力150 kt/a。自2006年2月投產(chǎn)運(yùn)行煤棒以來(lái),歷經(jīng)波折。從當(dāng)初的風(fēng)干煤棒入爐,到現(xiàn)階段的余熱煙氣烘干煤棒;造氣工段從當(dāng)初原始的人工停爐加煤到現(xiàn)階段的微機(jī)控制自動(dòng)加焦,并實(shí)現(xiàn)了DCS集中控制。特別是近兩年來(lái),投入大量資金先后對(duì)造氣系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改造,使得造氣的生產(chǎn)水平大幅提升,單爐發(fā)氣量明顯提高,氣化強(qiáng)度從900 m3/(m2·h)提高到了現(xiàn)在的1 100 m3/(m2·h)以上;噸氨原料煤消耗大幅降低,煤氣爐安全運(yùn)行周期持續(xù)攀高。

造氣的操作思路和發(fā)展歷程從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的,各種操作理念都有爭(zhēng)議。造氣工段的管理也因其生產(chǎn)特點(diǎn)的不同與其他工段相比具有比較強(qiáng)的特殊性。煤棒制氣同樣經(jīng)歷著各種操作理念的實(shí)踐。筆者通過(guò)對(duì)多家煤棒企業(yè)的訪問(wèn),發(fā)現(xiàn)在工藝條件的選擇上也各有不同:湖南的小氮肥企業(yè)在循環(huán)時(shí)間上普遍選擇130～150 s,下吹比例較大,普遍在50%以上,吹風(fēng)比也都選擇20%左右,渣塊相對(duì)較大,殘?zhí)迹?0%;而湖北的氮肥企業(yè)大多采用120 s的短循環(huán),吹風(fēng)百分比22%～25%,比較注重上吹制氣,渣塊較松,殘?zhí)剂?0%以上,氣質(zhì)上湖南氮企控制得稍好,原料氣中CO+H2＞65%。合成氨廠在多年來(lái)采用煤棒制氣的生產(chǎn)實(shí)踐中,也摸索總結(jié)出了適合煤棒氣化的工藝操作方法,并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 腐殖酸煤棒特性

(1)加入腐殖酸粘接劑的煤棒在熱態(tài)環(huán)境下有較好的穩(wěn)定性,可以滿足造氣工段對(duì)入爐原料的要求,煤棒透氣性能(氣孔率)良好,煤棒入爐后經(jīng)完全上吹,干燥干餾,煤棒中的水分逐漸蒸發(fā)形成多孔結(jié)構(gòu),比表面積增大的同時(shí)提高了煤棒的化學(xué)活性,能保證空氣、蒸汽等氣化劑充分與煤接觸,提高氣化效率。

(2)煤棒粒徑均勻,體積一致。入爐后床層阻力均勻,有利于氣化劑的均勻分布,在工藝條件合理的狀況下,可減少偏流、風(fēng)洞和局部過(guò)熱結(jié)塊等不正?，F(xiàn)象,能有效提高吹風(fēng)效率。

(3)煤棒灰熔點(diǎn)較優(yōu)質(zhì)塊煤低,操作彈性小,爐況變化快,稍不注意就容易造成后工段的減量生產(chǎn),工藝操作難度較大。蒸汽分解率低于塊煤氣化,氣化后的成渣性較好,氣化速度快,灰渣偏多,特別是運(yùn)行灰分偏高的原料時(shí),尤為明顯。

2 煤棒制作

(1)煤棒質(zhì)量的好壞,直接影響著后工段的氣化工藝和消耗。必須要控制好制棒過(guò)程中原煤的配比,粉碎,拌料,堆漚,制棒等過(guò)程。嚴(yán)格按規(guī)程制備粘接劑和控制攪拌過(guò)程中的水分。這樣的漚制料進(jìn)入制棒崗位,棒機(jī)操作平穩(wěn),電流波動(dòng)幅度小,產(chǎn)量高。

(2)成型設(shè)備為螺旋擠壓煤棒機(jī),也有選擇煤球機(jī)的企業(yè),但是煤球氣化效果不如煤棒。這種棒機(jī)將漚制末煤從加料口攪入,原煤逐漸被壓縮并向前推進(jìn),顆粒緊密靠攏,此時(shí)原煤顆粒之間、顆粒與葉輪、筒體間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦力,產(chǎn)生大量摩擦熱,在高溫的作用下,水分更加均勻,煤的可塑性大為增強(qiáng)。再經(jīng)過(guò)機(jī)頭套管的壓制,煤粒壓縮得更加緊密,出機(jī)而成型,長(zhǎng)度在20cm左右。

(3)成型的煤棒通過(guò)皮帶傳送進(jìn)入烘干系統(tǒng)。從潛熱工段引入高溫余熱煙氣,溫度控制在140～180℃,如煙氣量偏少,冬季氣溫低,要配套熱風(fēng)爐。這樣才能保證出烘干系統(tǒng)的煤棒水分控制在小于5%的指標(biāo)范圍內(nèi),滿足造氣工段的工藝操作要求。

3 氣化工藝的選擇

3.1 合理的炭層控制

炭層高度是指爐箅帽到炭面的垂直高度,也叫有效炭層,在造氣的三高一短操作要點(diǎn)中占首要位置,炭層控制高度曾經(jīng)在行業(yè)內(nèi)發(fā)生過(guò)較大爭(zhēng)議,筆者認(rèn)為控制得合理與否直接影響著造氣爐的產(chǎn)氣量和消耗。運(yùn)行煤棒的爐子有效炭層控制與企業(yè)硬件設(shè)備密切相關(guān)。如風(fēng)機(jī)的性能,系統(tǒng)阻力,造氣爐的高徑比等。一般來(lái)說(shuō),控制合理的炭層高度可以穩(wěn)定阻力;更有利于燃料層的穩(wěn)定;更好地適應(yīng)高性能風(fēng)機(jī)的應(yīng)用;可以更多地儲(chǔ)存熱量,控制合理的炭層也可以提高入爐蒸汽的分解效率,優(yōu)化氣體質(zhì)量;能合理控制煤氣爐的上下溫度,減少熱損。前提是保證煤棒質(zhì)量。φ2 650 mm造氣爐采用全自動(dòng)加煤裝置配合DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用,能保證炭層的高度穩(wěn)定,對(duì)造氣工段的節(jié)能降耗效果明顯,這種加煤機(jī)運(yùn)行可靠,能自動(dòng)探測(cè)空層高度,每個(gè)循環(huán)加煤一次,約100 kg,對(duì)爐內(nèi)溫度影響較小,單爐能提高產(chǎn)氣量15%～20%,經(jīng)濟(jì)效益明顯。我公司14臺(tái)φ2650 mm煤氣爐,之前運(yùn)行14爐,技改之后只開(kāi)12爐,氣量即能得到保證。單爐日節(jié)約用煤60 t。有了備爐給造氣爐的維修提供了方便,不會(huì)因此影響產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)中φ2 650 mm造氣爐選擇2.3 m的有效炭層進(jìn)行操作,有利于蒸汽分解和形成CO2還原的有利條件,也容易形成厚的火層條件,產(chǎn)氣量穩(wěn)定,能夠適應(yīng)移動(dòng)氣化的特點(diǎn),可以更好地適應(yīng)大風(fēng)量操作,無(wú)翻爐掛壁現(xiàn)象。因此炭層的穩(wěn)定控制是爐況穩(wěn)定的先決條件,也是保證爐內(nèi)物料平衡的重要環(huán)節(jié)。

3.2 風(fēng)量的選擇與控制

煤棒良好的透氣性和通風(fēng)性為大風(fēng)量風(fēng)機(jī)的運(yùn)用提供了平臺(tái),但是吹風(fēng)時(shí)間的選擇還是要根據(jù)企業(yè)各自的實(shí)際情況,綜合考慮原料煤的特性,有效炭層的高度,爐箅的通風(fēng)性能等因素來(lái)合理制定。原則就是要盡可能利用短的吹風(fēng)時(shí)間為燃料層蓄積更多的熱量。因此煤棒氣化也要在炭層允許的前提下盡可能提高入爐風(fēng)量,減少副反應(yīng)的產(chǎn)生。企業(yè)可以通過(guò)分析吹風(fēng)氣中的CO來(lái)判斷,能耗低的企業(yè)吹風(fēng)氣中CO的含量一般小于4%。為保證吹風(fēng)效率,煤氣爐處于強(qiáng)負(fù)荷下運(yùn)行,操作難度會(huì)增加,但是通過(guò)合理的工藝調(diào)整和優(yōu)化,能保證煤氣爐的穩(wěn)定運(yùn)行。φ2 650 mm造氣爐使用D500風(fēng)機(jī)出口全開(kāi)啟的狀態(tài)下,以水分5%的烘干煤棒,采用120 s短循環(huán)制氣時(shí),吹風(fēng)時(shí)間以28s為宜,負(fù)荷根據(jù)季節(jié)氣溫的變化稍作調(diào)整,一臺(tái)風(fēng)機(jī)可配置四臺(tái)造氣爐,相對(duì)φ2650 mm造氣爐上D450風(fēng)機(jī)的應(yīng)用,使用D500風(fēng)機(jī)的造氣爐工況更加穩(wěn)定,能克服上吹加氮空氣分流對(duì)吹風(fēng)階段造氣爐吹風(fēng)效率的影響,灰渣中的殘?zhí)苛靠梢?jiàn)改善,能提高產(chǎn)氣量5%～10%。對(duì)于φ2 650 mm造氣爐上配置D600的風(fēng)機(jī),其出口并不能開(kāi)全,出口開(kāi)啟度在65%左右,突出不了風(fēng)機(jī)的性能,做不到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.3 爐溫和火層位置的選擇

爐內(nèi)反應(yīng)溫度的高低是生產(chǎn)工藝控制中的一個(gè)重要指標(biāo),而爐內(nèi)氣化溫度受火層位置的影響很大,火層位置主要通過(guò)上下吹的時(shí)間分配和爐條機(jī)的除渣來(lái)調(diào)節(jié),而爐溫則間接反映出火層所處的位置。一般來(lái)說(shuō),爐內(nèi)炭層恒定、工況正常的造氣爐,爐上溫度顯示越高則氣化區(qū)越高,這樣會(huì)大大增加帶出物和顯熱,造氣爐掛壁翻爐、風(fēng)洞偏流幾率明顯增加,不利于安全生產(chǎn)和生產(chǎn)成本的降低。運(yùn)行煤棒,氣化區(qū)控制是最關(guān)鍵的,但是因?yàn)闅饣瘡?qiáng)度較塊煤低,所以要靠增加氣化反應(yīng)面積來(lái)補(bǔ)償,操作上應(yīng)盡可能在保證爐頂爐底溫度正常的情況下拉長(zhǎng)火層,增加氣化劑的反應(yīng)和還原時(shí)間保證氣質(zhì)優(yōu)化。因?yàn)榛饘颖焕L(zhǎng)也延長(zhǎng)了燃料氣化和燃燒的時(shí)間,因而較熱量集中的薄火層來(lái)講,有利于爐況穩(wěn)定,爐內(nèi)不易結(jié)塊?；以械臍?zhí)剂坎粫?huì)高。

正常生產(chǎn)中,在入爐蒸汽手輪鎖定不變的情況下,火層主要調(diào)節(jié)手段是調(diào)節(jié)上吹比例。一般無(wú)大的爐況波動(dòng),不建議調(diào)節(jié)蒸汽手輪。在我省幾家裝置較大的氮肥企業(yè),上吹的比例都占到了整個(gè)循環(huán)時(shí)間的30%以上,而當(dāng)原料灰分大于25%,上吹的比例則要求更大,同時(shí)通過(guò)增加下灰頻率來(lái)保證爐內(nèi)物料的平衡,這樣,在高的負(fù)荷下也能保證爐子的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)移動(dòng)氣化床的特點(diǎn),上吹比例的增加,加快了火層上移的速度,分散了爐內(nèi)熱量;無(wú)疑上吹比例的增加必須要保證有效炭層的高度和高性能風(fēng)機(jī)作為基礎(chǔ),這是因?yàn)樵黾由洗?燃料在爐內(nèi)停留時(shí)間相對(duì)較短,下灰殘?zhí)剂扛?但是火層下移,容易出現(xiàn)扒爐現(xiàn)象,有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)垮炭,造成爐子更加不穩(wěn)定。因此工藝時(shí)間的調(diào)整還要根據(jù)企業(yè)自身風(fēng)機(jī)的能力,爐膛高度等實(shí)際情況來(lái)綜合考慮。在φ2 650 mm造氣爐上,當(dāng)上吹比例達(dá)到32%以上,造氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量要能達(dá)到30000 m3/h,風(fēng)壓25～28 kPa,有效炭層2.2～2.5 m為合適?？刂聘叩挠行繉訒?huì)降低風(fēng)機(jī)的性能,增加提溫階段爐底的風(fēng)壓,容易造成炭層被掀翻,出現(xiàn)風(fēng)洞等,不利于安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

煤棒機(jī)械強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性不如優(yōu)質(zhì)塊煤,因此爐頂爐底溫度控制很重要。φ2 650 mm爐上運(yùn)行煤棒一般爐頂280～330℃,爐底180～250℃。雖然高炭層、高徑比合理的造氣爐可以進(jìn)行低爐面溫度操作,有利于降低煤耗,減少熱損,但是從實(shí)踐來(lái)看,上溫在300℃下溫控制200℃左右的造氣爐也能很好地實(shí)現(xiàn)低消耗運(yùn)行,發(fā)氣量也更有保證。另外,溫度也是判斷爐內(nèi)熱量平衡的一個(gè)重要方面,不同的就是根據(jù)入爐煤棒的原料特點(diǎn)和灰熔點(diǎn)的高低,合理選擇入爐蒸汽量來(lái)決定煤棒操作的理想溫度。其實(shí)這個(gè)溫度是相對(duì)的,存在高低溫度的平衡之分。

風(fēng)干煤棒制氣,是為降低水分,減少高溫對(duì)入爐煤棒造成的破壞和粉化。采用人工加煤運(yùn)行煤棒的造氣爐,開(kāi)爐后,微機(jī)即進(jìn)行一個(gè)階段的全上程序,時(shí)間約300 s,然后進(jìn)入正常程序,這個(gè)程序?qū)倏蛇x擇程序。全上時(shí)間根據(jù)煤棒質(zhì)量可以修改。這種模式操作,爐上溫度波動(dòng)較大,每個(gè)加煤周期要觀察爐內(nèi)物料狀況,要進(jìn)行人工修正,防止?fàn)t內(nèi)塌方,掛爐等不正?，F(xiàn)象。操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大。而運(yùn)行烘干煤棒采用自動(dòng)加煤機(jī)的氮肥廠家,則是定時(shí)做短時(shí)全上,由微機(jī)自動(dòng)完成。爐上溫度相對(duì)穩(wěn)定,爐況也比較穩(wěn)定。

氮肥企業(yè)運(yùn)行煤棒的造氣爐,加氮顯得更為重要,采用上吹加氮可保證氣化層溫度相對(duì)穩(wěn)定,能保證蒸汽分解率的提高。同時(shí)減少吹風(fēng)加氮時(shí)間,能較好地優(yōu)化氣質(zhì),減少半水煤氣中CO2含量。要求在安全的前提下盡可能延長(zhǎng)加氮時(shí)間。

3.4 蒸汽的選擇

采用煤棒制氣,蒸汽用量上考慮的因素: (1)穩(wěn)定爐溫;(2)氣質(zhì);(3)蒸汽分解率。

正常生產(chǎn)中蒸汽溫度的高低對(duì)爐溫的影響較大。通過(guò)比較,使用200～260℃過(guò)熱蒸汽制氣的造氣爐更容易實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。筆者訪問(wèn)的氮肥企業(yè),蒸汽使用上大致有幾種:(1)有提高入爐蒸汽總管壓力至0.08～0.1 MPa的,但是入爐蒸汽手輪開(kāi)啟度不高;(2)入爐蒸汽總管壓力控制在0.05 MPa,而入爐手輪開(kāi)度則在前者基礎(chǔ)上翻倍。氣質(zhì)上區(qū)別明顯,前者要好于后者。

上下吹蒸汽用量越大,帶走蓄熱層熱量和顯熱越多,爐溫變化也相對(duì)越大,直接影響制氣效率。這也是我省大多氮肥企業(yè)在煤棒操作上選擇120 s短循環(huán)的原因。但是蒸汽用量大,對(duì)氣質(zhì)優(yōu)化沒(méi)什么好處,雖然合理提高入爐蒸汽量也能提高單爐產(chǎn)氣量,這也要根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合風(fēng)機(jī)性能合理選擇。煤棒氣化操作上要判斷蒸汽用量是否適宜,可通過(guò)對(duì)半水煤氣中CO2的含量分析來(lái)判斷,也可以在上下吹制氣階段分別于上下行煤氣管取氣樣分析 CO2來(lái)判斷。一般上吹5%～8%,下吹4%～6%。合理的蒸汽用量才能保證熱平衡處于理想狀態(tài)。

4 新工藝設(shè)備的選擇

隨著科技的不斷進(jìn)步,近年來(lái)造氣工段的高效設(shè)備層出不窮,正逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,智能化。新硬件的應(yīng)用,為氮肥行業(yè)的節(jié)能降耗起到了推波助瀾的作用,經(jīng)濟(jì)效益明顯,作業(yè)環(huán)境大為改觀。

設(shè)備是生產(chǎn)的第一要素,造氣的生產(chǎn),運(yùn)行情況的優(yōu)良與否也與設(shè)備緊密關(guān)聯(lián)。如液壓閥門(mén)因生產(chǎn)廠家不同,使用周期也大不相同,筆者熟知的企業(yè),運(yùn)行煤棒同樣在120 s短循環(huán)上,有的企業(yè)閥門(mén)運(yùn)行一年就磨損嚴(yán)重被迫更換內(nèi)件才能保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,而有的企業(yè)閥門(mén)卻能連續(xù)運(yùn)行兩年還能做到不內(nèi)漏,無(wú)泄漏,密封性能良好,平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)也簡(jiǎn)單易行,不愧為明智之選。爐箅是造氣爐的心臟,煤棒爐更要求布風(fēng)合理,破渣性優(yōu)越,通風(fēng)面積大、氣容率高,氣化強(qiáng)度高,下吹帶出物少,使用壽命長(zhǎng)的爐箅。這樣的爐箅經(jīng)濟(jì)效益好,節(jié)能降耗明顯,操作上省心。另外,行業(yè)內(nèi)關(guān)于夾套高徑比的控制各有其說(shuō),高的夾套能為炭層的提高創(chuàng)造條件,但同時(shí)也增加了熱損和灰渣的殘?zhí)剂?。我們通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐,φ2 650 mm煤氣爐上運(yùn)行煤棒,2.3 m的有效炭層,1.0∶0.9的高徑比是合適的,不會(huì)出現(xiàn)掛爐的現(xiàn)象。原則上不出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象,夾套高度不需要刻意要求太高,畢竟夾套的主要作用不是用來(lái)產(chǎn)蒸汽的。其他設(shè)備筆者不一一列舉,總而言之,優(yōu)質(zhì)的設(shè)備會(huì)最大程度上減少生產(chǎn)運(yùn)行中的跑冒滴漏,降低操作中的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善環(huán)境,有效降低物耗。

5 結(jié) 語(yǔ)

造氣行業(yè)每年都在進(jìn)行技術(shù)革新,因此狠抓技改也會(huì)為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)快速發(fā)展。下階段隨DCS系統(tǒng),自動(dòng)加煤機(jī),不停爐下灰,PSA提氧,汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)造氣風(fēng)機(jī),高壓夾套,下吹蒸汽遞減等新技術(shù)和新工藝在造氣爐上的逐步應(yīng)用,將為造氣進(jìn)一步的節(jié)能降耗帶來(lái)更大的空間。

造氣工段三分操作七分管理的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),是造氣同行用辛勤汗水換來(lái)的。所以在造氣這個(gè)受原料和人為因素影響較大的龍頭車間,優(yōu)化操作工藝,正確制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囍笜?biāo)和操作法,強(qiáng)化生產(chǎn)管理,嚴(yán)格進(jìn)行考核,顯得尤為重要。更要求造氣的管理者具有超前意識(shí),勤觀察,勤思考,勤調(diào)節(jié)。及時(shí)掌控煤質(zhì)成分的變化,遇到大的煤質(zhì)變化及時(shí)召開(kāi)班組長(zhǎng)、主操會(huì)議。根據(jù)實(shí)際情況,制定合理的調(diào)節(jié)手段和工藝操作方法,統(tǒng)一思路,防止?fàn)t況的惡化,保證生產(chǎn)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定。