王志勇 何樹(shù)文 陳振偉 李 強(qiáng)

(山東瑞星集團(tuán)股份有限公司 山東泰安271500)

0 前言

傳統(tǒng)固定層間歇式氣化工藝具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、煤氣中有效氣成分較高、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但由于進(jìn)入煤氣爐燃燒所需的氧氣來(lái)源于空氣，氧氣濃度低(約為21%，體積分?jǐn)?shù))，單位時(shí)間與碳反應(yīng)放出的熱量少，只能靠延長(zhǎng)吹風(fēng)時(shí)間來(lái)提高氣化層溫度，造成吹風(fēng)效率低、能源利用率低、單爐產(chǎn)氣量低，且生成的吹風(fēng)氣中含有粉塵、二氧化碳和硫化物。

經(jīng)過(guò)多年對(duì)固定層間歇式氣化工藝調(diào)優(yōu)的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高入爐空氣中氧氣的濃度來(lái)提高吹風(fēng)效率，將傳統(tǒng)固定層間歇式氣化工藝的能源利用率及裝置產(chǎn)能最大化，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工藝流程

1.1 固定層增氧間歇式氣化工藝

來(lái)自變壓吸附(PSA)制氧系統(tǒng)的富氧(90%～95%，體積分?jǐn)?shù))儲(chǔ)存在氧氣罐內(nèi)，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥減壓，通過(guò)流量計(jì)進(jìn)入混合罐，與空氣混合均勻(增氧空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)控制在 22%～50%)，然后經(jīng)造氣離心式鼓風(fēng)機(jī)加壓進(jìn)入造氣空氣總管，再經(jīng)吹風(fēng)閥、加氮閥后供各造氣爐使用。為了防止空氣總管超壓和穩(wěn)定增氧空氣入爐壓力，在空氣總管上設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)放空閥，當(dāng)空氣總管壓力>30 kPa時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開(kāi)，平時(shí)則處于穩(wěn)壓調(diào)節(jié)狀態(tài)。增氧空氣與蒸汽(200 ℃左右)以間歇或者是混合方式進(jìn)入煤氣爐(Φ2 800 mm)，分別經(jīng)過(guò)吹風(fēng)、上加氮、上吹、下吹、二次上吹、吹凈6個(gè)階段(總循環(huán)時(shí)間120 s)，灼熱的炭與增氧空氣中的氧氣和水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生半水煤氣，供生產(chǎn)合成氨使用。

當(dāng)增氧空氣中的氧氣濃度達(dá)到一定程度時(shí)，吹風(fēng)和吹凈階段的時(shí)間為零，制氣階段(上吹、下吹)增氧空氣中的氧氣與碳反應(yīng)所放出的熱量滿足碳與水蒸氣反應(yīng)所需要的熱量，且產(chǎn)生的半水煤氣能滿足合成氨生產(chǎn)工藝的需要，此時(shí)原有間歇?dú)饣?個(gè)階段即改為上加氮、上吹、下吹、二次上吹4個(gè)階段，原有的吹風(fēng)階段產(chǎn)生的吹風(fēng)氣在此時(shí)全部回收進(jìn)入氣柜，不再放空或者送吹風(fēng)氣鍋爐燃燒利用以后再放空，大大減輕了對(duì)大氣的污染。

2 間歇式氣化增氧前、后工藝對(duì)比分析

2.1 技術(shù)先進(jìn)性對(duì)比

與傳統(tǒng)的固定層間歇式氣化工藝和固定層富氧連續(xù)氣化工藝相比，增氧間歇式氣化工藝的技術(shù)創(chuàng)新性表現(xiàn)如下。

(1)該裝置采用配套PSA制氧系統(tǒng)進(jìn)行增氧制氣，降低了制氧成本，氧氣純度高達(dá)90%(體積分?jǐn)?shù))，氧氣產(chǎn)量可達(dá)10 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，浪費(fèi)空氣少，電耗低。

(2)在固定層間歇式氣化工藝基礎(chǔ)上，將入爐空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)由21%提高至22%～50%，入爐增氧空氣中氧氣的濃度能根據(jù)工況變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高單爐發(fā)氣量的同時(shí)還能減少吹風(fēng)氣的排放，減輕二氧化碳和硫化物排放對(duì)環(huán)境造成的污染。

(3)在固定層富氧連續(xù)氣化工藝的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)了每個(gè)循環(huán)下吹制氣的時(shí)間，回收了上行氣體顯熱，降低了入爐空氣中所需氧氣的濃度。

(4)自動(dòng)調(diào)節(jié)入爐空氣中氧的濃度和合理的汽氣比(蒸汽與增氧空氣的比值)，在滿足后序工段氫氮比要求的前提下，能取消吹風(fēng)和吹凈階段，實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)氣全部回收入工業(yè)氣柜。

(5)安全方面：①保證了每個(gè)制氣循環(huán)有二次上吹階段，避免了爐底殘留煤氣在增氧空氣入爐時(shí)發(fā)生爆炸的可能性；②設(shè)有超壓放空、風(fēng)機(jī)防喘振裝置；③設(shè)有高精度在線氧含量分析儀；④設(shè)置了安全、可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并實(shí)現(xiàn)了安全檢測(cè)、報(bào)警和聯(lián)鎖功能。

2.2 間歇式氣化工藝增氧前、后對(duì)比

固定層間歇式氣化吹風(fēng)階段吹風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)、熱損失大；上行和下行制氣階段制氣時(shí)間短、蓄熱量小、蒸汽分解率低；固定層增氧間歇式氣化吹風(fēng)階段吹風(fēng)時(shí)間短、熱量充分利用；上行制氣階段和下行制氣階段制氣時(shí)間長(zhǎng)、蓄熱量大、蒸汽分解率高。

固定層間歇式氣化工藝增氧前、后部分參數(shù)比較見(jiàn)表1，固定層間歇式氣化工藝增氧前、后半水煤氣成分變化見(jiàn)表2。

表1 固定層間歇式氣化工藝增氧前、后部分參數(shù)比較

項(xiàng) 目無(wú)增氧有增氧制氧裝置的供氧濃度/%2190入爐增氧空氣濃度/%2130制氧裝置的供氧量/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))010 000單爐制氣強(qiáng)度/(m3·m-2·h-1,標(biāo)態(tài))1 1051 326吹風(fēng)百分比/%2515吹風(fēng)時(shí)間(總循環(huán)時(shí)間120 s)/s3018噸氨耗吹風(fēng)空氣量/(m3,標(biāo)態(tài))3 1002 170單爐產(chǎn)氣量/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))6 8008 160

表2 固定層間歇式氣化工藝增氧前、后半水煤氣成分變化 %

項(xiàng) 目增氧前增氧后φ(N2)18.0～20.014.0～16.0φ(CH4)1.5～2.00.5～1.2φ(O2)0.2～0.40.1～0.2φ(CO2)8.0～10.05.0～8.0φ(CO)24.0～26.027.0～30.0φ(H2)38.0～40.042.0～46.0

固定層間歇式氣化工藝和固定層增氧間歇式氣化工藝噸氨耗標(biāo)煤(質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%固定碳型煤折算)分別為1.280 t和1.024 t，噸氨蒸汽消耗量分別為1.0 t和0.6 t。固定層增氧間歇式氣化工藝噸氨減少CO2排放量400 m3(標(biāo)態(tài))，噸氨減少含硫化物氣體排放量 25 m3(標(biāo)態(tài))。按年產(chǎn)300 kt 合成氨計(jì)，年節(jié)省原料煤費(fèi)用6 000萬(wàn)元，年節(jié)省蒸汽費(fèi)用2 500萬(wàn)元，年增加制氧成本2 400 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益為6 100萬(wàn)元。

3 存在問(wèn)題及完善

固定層間歇式增氧氣化工藝物料能夠基本均勻分布，但也存在某些區(qū)域出現(xiàn)局部偏流現(xiàn)象，增氧空氣氧含量過(guò)高，容易造成局部偏流過(guò)氧燒結(jié)炭層，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

吹風(fēng)過(guò)程消耗增氧空氣量較大(是加氮空氣用量的3～4倍)，如果吹風(fēng)氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)提高1%，則需要補(bǔ)充30 m3/h(標(biāo)態(tài))左右的純氧，氧氣消耗量大，增加了生產(chǎn)成本。今后需要在回收上行出口氣體帶出熱量等方面進(jìn)行改造，盡量減少熱量的損失，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。