鄭斌黎

（福建鼎信科技有限公司，福建 福安 352000）

煤氣化是實現(xiàn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，對緩解我國石油對外依存度、保障國家能源安全具有重大意義。煤氣發(fā)生爐是實現(xiàn)煤氣化的重要裝備，廣泛應用在冶金、化工、建陶等行業(yè)中。然而，現(xiàn)有煤氣發(fā)生爐存在設(shè)備工藝落后、環(huán)保設(shè)施不健全等問題，在加煤過程中容易發(fā)生煤氣泄漏，造成資源浪費和空氣污染，甚至導致工作人員CO 中毒；留在儲煤倉內(nèi)的煤氣與空氣混合后成為可燃氣體，可能會在有限的空間內(nèi)發(fā)生閃爆，進而引起大規(guī)模爆炸等安全事故。青拓集團安裝的33 臺兩段式煤氣發(fā)生爐可生產(chǎn)煤氣440 萬m3/d，但加煤系統(tǒng)煤氣泄漏量超過2 萬m3/d，不但威脅到企業(yè)的安全生產(chǎn)，也造成了巨大的經(jīng)濟損失。

為解決煤氣發(fā)生爐加煤系統(tǒng)煤氣泄漏的難題，福建鼎信科技有限公司研制出一種基于氮氣吹掃置換及雙閥聯(lián)動控制技術(shù)的防煤氣泄漏裝置，并在青拓集團成功應用，有效降低了緩沖煤倉的煤氣含量和煤氣泄漏量，提高了煤氣使用率，現(xiàn)介紹如下。

1 防煤氣泄漏裝置整體結(jié)構(gòu)

煤氣發(fā)生爐加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置主要由氮氣吹掃裝置、智能控制系統(tǒng)、煤氣測量裝置等組成，其示意圖見圖1。其中氮氣吹掃裝置由氮氣發(fā)生裝置、二級氣動閥、截止球閥、吹掃管等組成；智能控制系統(tǒng)控制煤氣吹掃、封堵煤氣吹掃、加煤等操作，全過程實現(xiàn)自動化、智能化；煤氣測量裝置實時監(jiān)測儲煤倉煤氣外泄含量及裝置運行后煤氣生產(chǎn)質(zhì)量。整套裝置全自動運行，可有效防止加煤過程中的煤氣外泄現(xiàn)象。

圖1 加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置示意圖

2 氮氣吹掃置換及雙閥聯(lián)動控制技術(shù)

加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩級氮氣吹掃置換技術(shù)和雙閥聯(lián)動智能控制技術(shù)，兩級氮氣吹掃置換技術(shù)可解決緩沖煤倉煤氣吹掃效率低和封堵進入儲煤倉的煤氣難等問題，雙閥聯(lián)動智能控制技術(shù)可保證加煤裝置和煤氣防泄漏裝置的協(xié)同、穩(wěn)定運行，保證加煤時無煤氣外泄。兩級氮氣吹掃裝置采用了基于流體力學優(yōu)化的動態(tài)頂空技術(shù)，可在緩沖煤倉口實現(xiàn)對煤氣的封堵，同時采用無毒且化學性質(zhì)穩(wěn)定的氮氣對緩沖煤倉的煤氣進行封堵和吹掃置換，達到隔絕煤料與煤氣接觸以及降低煤氣外泄的目的，從而解決煤料下落過程中的閃爆和煤氣泄漏問題，并通過回收管將泄漏至緩沖煤倉的煤氣進行回收利用，提高煤氣使用率。雙閥聯(lián)動智能控制技術(shù)可同時控制氣動閥和旋轉(zhuǎn)加煤閥，保證加煤裝置和煤氣防泄漏裝置的協(xié)同、穩(wěn)定運行，實時智能調(diào)節(jié)吹掃參數(shù)，實現(xiàn)加煤防泄漏控制系統(tǒng)的智能化，保證煤氣生產(chǎn)效率并有效防止煤氣泄漏。

2.1 兩級氮氣吹掃置換技術(shù)

2.1.1 兩級氮氣吹掃裝置結(jié)構(gòu)及原理

兩級氮氣吹掃裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。第一級吹掃通過安裝在緩沖煤倉側(cè)壁下方的吹掃管進行，以經(jīng)過優(yōu)化的吹掃流速和壓力，將通過第二加煤閥進入緩沖煤倉且滯留的煤氣頂空至上段煤氣出口管道中。第二級吹掃通過在緩沖煤倉進煤口側(cè)壁上設(shè)置的環(huán)向均布的吹掃孔，以一定的吹掃流速和角度形成氣墻進行，主要用于在第一加煤閥開啟時封堵緩沖煤倉中的煤氣，以免向上泄漏至儲煤倉，并通過流體力學仿真優(yōu)化腔內(nèi)流場。

圖2 兩級氮氣吹掃裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 吹掃參數(shù)優(yōu)化仿真

為了得到最佳吹掃效果的參數(shù)，對吹掃裝置的吹掃參數(shù)進行了有限元優(yōu)化仿真分析，設(shè)置了4 種不同的進氣管長度和進氣方向，其吹掃參數(shù)和完成置換所需的時間見表1。由表1 可知，當進氣管長度為665 mm、進氣方向為25 °時，完成吹掃置換僅需8.0 s，其在0.1 s 和8.0 s 時的CO 質(zhì)量分數(shù)見圖3。因此最終選用665 mm 長的進氣管和25 °的進氣方向作為后續(xù)研究和測試的吹掃參數(shù)。

表1 吹掃參數(shù)和完成置換所需的時間

圖3 吹掃參數(shù)有限元分析時0.1 s 和8.0 s 時的CO 質(zhì)量分數(shù)

2.2 雙閥聯(lián)動智能控制設(shè)計

雙閥聯(lián)動指的是一級加煤閥和一、二兩級氣動閥聯(lián)動控制，其控制原理示意圖見圖4。

圖4 雙閥聯(lián)動智能控制技術(shù)原理示意圖

首先打開一、二級氣動閥，氮氣進入吹掃管道并對緩沖煤倉內(nèi)的煤氣進行吹掃置換，根據(jù)煤氣檢測傳感器的反饋、緩沖煤倉的實時容量及氮氣壓力流速自動控制最佳吹掃置換時間；完成氮氣置換后，打開一級加煤閥，儲煤倉煤料落入緩沖煤倉；當緩沖煤倉煤料足夠時，一級加煤閥關(guān)閉，二級氣動閥自動關(guān)閉，自動計算吹掃參數(shù)，完成吹掃置換；打開二級加煤閥，煤料從緩沖煤倉進入煤氣發(fā)生爐，完成加煤動作后，自動關(guān)閉二級加煤閥，完成一次加煤過程。

3 應用效果分析

3.1 氮氣吹掃結(jié)果測試

為了驗證氮氣吹掃裝置效果，測試使用吹掃裝置后緩沖煤倉內(nèi)的煤氣含量、氮氣含量及儲煤倉內(nèi)的煤氣含量，在進氣9 s 時開始吹掃，其吹掃效果見圖5。由圖5 可知，在進氣15 s 時，緩沖煤倉和儲煤倉內(nèi)的煤氣質(zhì)量分數(shù)均低于5%，其中緩沖煤倉內(nèi)煤氣含量幾乎降至0，完成吹掃僅需6 s，置換效率高。

圖5 氮氣吹掃裝置吹掃效果

3.2 防煤氣泄漏效果測試

對儲煤倉進行煤氣泄漏測試，在加煤操作完成后同等條件下，分別測試儲煤倉內(nèi)、操作平臺上風向和操作平臺下風向的CO 濃度，結(jié)果見表2。由表2 可知，安裝防煤氣泄漏裝置后，向儲煤倉泄漏的CO 的質(zhì)量分數(shù)降低了90%，向大氣中泄漏的CO 基本消除，在很大程度上降低了安全風險。經(jīng)測試，單臺煤氣發(fā)生爐可回收煤氣26 m3/h，青拓集團安裝的33 臺設(shè)備可回收煤氣751.9 萬m3/a。

表2 應用防煤氣泄漏裝置前后CO 濃度測試結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）%

3.3 煤氣質(zhì)量對比測試

為了驗證基于氮氣吹掃置換及雙閥聯(lián)動控制技術(shù)的防煤氣泄漏裝置是否會對煤氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，對應用前后的煤氣成分進行了分析，結(jié)果見表3。由表3可知，應用前后煤氣發(fā)生爐所生產(chǎn)的煤氣質(zhì)量沒有發(fā)生改變。由此可得本文研究的防煤氣泄漏裝置能夠有效防止加煤過程中的煤氣外泄現(xiàn)象。

表3 應用防煤氣泄漏裝置前后生產(chǎn)煤氣質(zhì)量對比

4 結(jié)語

福建鼎信科技有限公司研制的加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置采用氮氣將緩沖煤倉的煤氣進行吹掃置換，可以最大限度地降低緩沖煤倉內(nèi)的煤氣含量，隔絕煤料與煤氣接觸的特定環(huán)境，解決煤料下落過程中的閃爆問題；同時對進煤閥口進行氣相封堵，防止煤氣從緩沖煤倉外泄到儲煤倉，可以解決儲煤倉的閃爆和煤氣外泄問題。該裝置成功應用在青拓集團的煤氣發(fā)生爐上，通過氮氣吹掃結(jié)果測試、防煤氣泄漏效果測試及煤氣質(zhì)量對比測試等方面證實，該裝置具有置換效率高、封堵效果好等優(yōu)點，可在相關(guān)行業(yè)中進行推廣。