皇甫迎波

摘 要 針對某連續(xù)式純氧氣化爐炭層高度手動測量數(shù)據(jù)滯后，嚴(yán)重影響氣化爐安全運行的情況，提出氣化爐炭層高度測量改造優(yōu)化方案。實際應(yīng)用表明：該方案實現(xiàn)了炭層高度的自動檢測，測量數(shù)據(jù)在DCS實時顯示，DCS依據(jù)炭層高度變化自動修正布料時間的功能，而且測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，氣化爐運行穩(wěn)定，降低了操作人員的勞動強度。

關(guān)鍵詞 炭層高度測量 氣化爐 檢測器 DCS

中圖分類號 TH816；TQ056.1? ? 文獻標(biāo)識碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0592-03

安陽化學(xué)工業(yè)集團有限公司九天精細化工年產(chǎn)6萬噸甲胺/二甲基甲酰胺（DMF）裝置配套建設(shè)有4臺直徑2 800 mm的純氧焦炭制備CO 氣體發(fā)生爐，主要由爐體、爐底、爐條機、灰箱及夾套鍋爐等部分構(gòu)成，采用固定床純氧連續(xù)氣化工藝，以純氧和二氧化碳作為氣化劑，與焦炭在氣化爐內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，為DMF生產(chǎn)裝置提供CO原料氣。

炭層高度穩(wěn)定是氣化爐正常生產(chǎn)的重要控制指標(biāo)之一，原設(shè)計炭層高度的測量方法是操作人員到氣化爐頂，手動拉動探尺測量，并將檢測數(shù)據(jù)報送控制室操作人員。由于氣化爐數(shù)量多、現(xiàn)場工作環(huán)境差、操作人員數(shù)量不足等因素造成炭層高度測量數(shù)據(jù)反饋不及時，手動測量人工讀取數(shù)據(jù)誤差大，人工測量炭層高度的方法不能及時準(zhǔn)確地指導(dǎo)操作工對氣化爐進行精準(zhǔn)調(diào)控，時常造成炭層大幅波動，當(dāng)出現(xiàn)炭層升高時會引起爐膛掛疤結(jié)塊無法下灰；當(dāng)炭層降低時會造成炭層吹翻引起氧含量波動等異常情況，嚴(yán)重影響DMF裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 工藝流程

將粒度為25～60 mm的合格焦炭由料倉定時經(jīng)給料插板閥加入到小布料器，小布料器將焦炭加入大布料器，由大布料器將焦炭加入到氣化爐。從空分裝置來合格的O2和CO2按一定比例混合后作為氣化劑從氣化爐底部進入，與焦炭進行氧化還原反應(yīng)，氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器除去大部分灰塵后匯入煤氣總管，并經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量后，進入聯(lián)合洗氣塔進一步除塵降溫，從洗氣塔頂部出來的煤氣溫度約45 ℃，送往煤氣柜。其主要反應(yīng)如下：

C+O₂＝CO₂+394.5 kJ/mol （1）

C+CO₂=2CO-168.5 kJ/mol （2）

C+1/2O₂=CO+112.9 kJ/mol （3）

反應(yīng)主要按式（1）、（2）進行，其中式（1）、（3）為放熱氧化反應(yīng)；式（2）為還原反應(yīng)，是吸熱還原反應(yīng)。CO2氣化劑還作為載熱體，用于調(diào)節(jié)控制燃燒層最高溫度在焦炭灰熔點以下，防止?fàn)t膛內(nèi)灰渣結(jié)塊。

2 對爐況的影響

炭層高度會直接影響氣化爐的運行情況。當(dāng)氣化爐的炭層升高時，氣化劑與焦炭接觸時間延長，有利于CO₂還原為CO，同時高溫煤氣與低溫焦炭接觸時間延長，高溫煤氣的顯熱被充分回收，降低了焦炭消耗，有利于降低CO生產(chǎn)成本；缺點是氣化爐阻力升高，影響生產(chǎn)負荷，而且當(dāng)出現(xiàn)氣化爐掛疤結(jié)塊時，基本上沒有處理手段，很容易造成停爐打疤的情況。當(dāng)氣化爐的炭層降低時，氣化劑與焦炭的接觸時間短，CO2不能被充分還原為CO，同時高溫煤氣與低溫焦炭接觸時間短，高溫煤氣的顯熱不能被充分回收，會增加焦炭消耗；若炭層控制過低，易造成炭層吹翻出現(xiàn)風(fēng)洞進而引起煤氣中氧含量超標(biāo)的情況，火層下移時很容易燒壞爐底，甚至出現(xiàn)著火事故，嚴(yán)重危及生產(chǎn)安全。

因此，將炭層高度穩(wěn)定控制在一定范圍內(nèi)，是穩(wěn)定氣化爐操作，降低消耗，確保裝置安全的重要控制指標(biāo)。

3 存在的問題

該年產(chǎn)6萬噸甲胺/DMF裝置建設(shè)時，氣化爐炭層高度測量方法為操作人員現(xiàn)場手動檢測，測量裝置利用動滑輪原理，在現(xiàn)場氣化爐大蓋開孔，測量裝置由探桿、重錘、支撐桿及拉繩等組成。支撐桿標(biāo)有刻度，操作工需到現(xiàn)場手動拉動探桿探測炭層高度，之后才能將測量數(shù)據(jù)反饋給控制室內(nèi)的主操，主操人員根據(jù)所反饋的炭層高度在DCS上調(diào)整大布料器的布料時間（布料插板閥動作時間）來調(diào)節(jié)碳層高度。日常生產(chǎn)中，因氣化爐數(shù)量多，操作人員手動測量不及時，人工測量誤差等原因造成炭層高度變化數(shù)據(jù)反饋不及時、不準(zhǔn)確，布料時間調(diào)整不及時，時常導(dǎo)致爐膛內(nèi)灰渣結(jié)焦、炭層吹翻或出現(xiàn)風(fēng)洞等影響生產(chǎn)的事故。

4 改造方案

針對存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)工藝分析，制定以下改造方案：首先，對原手動測量裝置進行改造，增加由電磁閥控制的液壓油缸、霍爾檢測器、檢測盤、探桿等組成的炭層自動檢測裝置（圖1），由操作工現(xiàn)場手動測量優(yōu)化為主操在DCS監(jiān)控上進行自動測量，并且測量數(shù)據(jù)在DCS監(jiān)控畫面上實時顯示。再由DCS根據(jù)每次測得的炭層高度與工藝設(shè)定值進行比較，由DCS根據(jù)比較結(jié)果偏差情況自動修正布料時間，自動精準(zhǔn)調(diào)整大布料器插板閥的動作時間（即加焦炭量），實現(xiàn)布料時間的DCS精準(zhǔn)調(diào)整，炭層高度變化范圍控制在±50 mm以內(nèi)。

炭層高度自動測量裝置工作時，電磁閥得電，液壓油缸自下向上移動，在重錘重力的作用下探桿由上向下移動，進而鏈條帶動檢測盤轉(zhuǎn)動，直至重錘接觸到炭層后檢測盤停止轉(zhuǎn)動?；魻杺鞲衅鳈z測到檢測盤的輪齒進行計數(shù)，通過檢測到的脈沖計數(shù)進而測得爐膛空層高度。

5 實施和調(diào)試

停車檢修期間，在工藝置換處理合格后，在氣化爐頂大蓋上開探測孔，其孔徑不小于76 mm，內(nèi)壁光滑，開孔要垂直。安裝時，首先保證自動測量裝置及探桿的垂直度，使探桿處在探測孔的中心位置，調(diào)整自動測量裝置，使探桿為垂直狀態(tài)，把底部點焊在大蓋上；然后固定鋼絲繩，最后配置安裝油路管道及電磁閥。

接通油壓調(diào)試，探桿自由靈活地勻速下落，下落速度可以通過調(diào)整油路管道的針形閥控制，探桿下落速度適中。其中，探桿有效行程3 000 mm，檢測盤加工精度要求較高（齒距30 mm）。在初始狀態(tài)下（探桿升至最高位置時），測量出氣化爐爐頂以下探桿長度L和氣化爐膛總高度H，檢測盤轉(zhuǎn)動過程中檢測器的脈沖計數(shù)個數(shù)為N。

通過DCS控制自動測量裝置電磁閥得電，檢測器脈沖信號接入DCS計數(shù)，系統(tǒng)按照炭層高度值= H -（L + 30 × N ）進行數(shù)學(xué)運算，得出炭層高度測量值并在監(jiān)控畫面實時顯示。DCS根據(jù)測得的炭層高度，結(jié)合爐膛氣化層溫度等參數(shù)，通過PID控制算法，根據(jù)比較結(jié)果偏差情況自動修正布料時間，通過自動精準(zhǔn)調(diào)控大布料器插板閥動作時間（即加焦炭時間），把炭層高度精準(zhǔn)控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

DCS操作面板上炭層測量有自動和手動兩種測量模式，自動測量模式下需要設(shè)定炭層測量循環(huán)值，即多長時間炭層自動測量一次。手動模式下主操點擊“手動測量”后，觸發(fā)一次炭層測量動作，而自動模式只需主操點擊自動測量后，在氣化爐開車狀態(tài)下根據(jù)測量循環(huán)值和預(yù)設(shè)值自動觸發(fā)炭層高度測量系統(tǒng)，無需操作人員干預(yù)，自動周期性地測量。

6 結(jié)束語

根據(jù)氣化爐的工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了氣化爐炭層高度自動測量系統(tǒng)，利用裝置大修的機會，對4臺氣化爐的炭層高度測量實施技術(shù)改造，技改投運后DMF裝置氣化生產(chǎn)真正實現(xiàn)了炭層高度的自動測量，并將炭層高度信號送到DCS實時顯示，炭層高度自動測量使數(shù)據(jù)更新準(zhǔn)確及時，實現(xiàn)了大布料器布料時間的自動修正，解決了因炭層高度控制不穩(wěn)定造成灰渣結(jié)塊、炭層吹翻、吹風(fēng)洞等問題，實現(xiàn)了氣化爐高負荷運行和產(chǎn)氣純度提高的目標(biāo)，不僅達到了炭層高度自動測量、精度高以及炭層控制穩(wěn)定的目標(biāo)，還大幅降低了操作人員的勞動強度，徹底解決了氣化爐穩(wěn)定操作的技術(shù)難題，整體投運效果較好，為實現(xiàn)DMF生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運行創(chuàng)造了有利條件，解決了氣化爐安全生產(chǎn)技術(shù)難題。

（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2023-02-28）