固定床煤气发生炉节能减煤降碳途径总结

固定床煤气发生炉节能减煤降碳途径总结

亓彬飞、张 宇

(安徽晋煤中能化工股份有限公司  安徽临泉 236400)

摘要合成氨生产造气非常重要，造气费用占合成氨生产成本的60％以上。为此，造气生产得到了广泛地重视。人们期盼的造气生产专用技术也是从无到有，从低级到高级，达到现代化水平。文章从造气的生产原料、蒸汽技术、设备改进、工艺调优、程序改进、过程管理、循环水冷却塔改造、安全技术改造等方面，阐述了固定床煤气炉节能、减碳多途径的创新应用，产生了很好的成果效益。

关键词  原料、蒸汽、设备、工艺、程序、冷却塔、安全技术、管理

0 前言

我国化肥工业兴起是从中氮肥开始的，早在1935年就从美国引进了UGI型煤气发生炉作为生产合成氨原料气的炉型，在以后我国化肥工业迅速发展的时期，中小型化肥厂都按此炉型和原有的工艺流程进行设计和仿制。以无烟煤为原料，采用间歇式固定床煤气炉生产合成氨原料气的中型氮肥厂，煤耗长期偏高，吨氨煤耗在1 150～1200kg，而技术先进的小氮肥企业吨氨入炉实物煤耗一般在1 070～1 120kg，差距较大。煤气炉生产原料气的能耗成本占合成氨总能耗和总成本的60％以上。因此，如何搞好固定床煤气炉的调优与节能，是当前中小型氮肥厂十分重要的工作，是化肥企业生存与发展的关键。

安徽晋煤中能化工股份有限公司固定床合成氨系统共有11台造气炉，目前吨氨块煤消耗为1100 kg左右，在同行业中属于相对领先水平。氮肥厂造气煤耗偏高产生的原因是多方面的，各企业可根据自身的具体情况选择改进措施。本人就多年来工作实践及近年来的技术改造经验，与同行们分享一下公司固定床煤气炉科学合理的节能减煤降碳途径，以达到共同降本增效目的，从而为国家能耗双控、节能减碳贡献绵薄之力。

1 原料应用的科学性

降低煤耗首先必须抓好原料的科学管理、科学应用这个环节，它是影响煤耗的关键所在。

1.1不同性质的煤合理掺烧、优势互补

选择原料时，大家都会选择冷热强度和化学活性好、含碳量高和灰熔点高的原料。但实际上许多企业是无法选择到各方面性质都优良的优质原料。有的优质煤虽然冷热强度好，但化学活性并不好；有的煤冷热强度不好，但化学活性很好。这两种煤分别单独入炉气化，其气化强度都不会高。因为冷热强度好而化学活性差的煤，煤气炉内气化层温度必须很高才能提高气化强度，而温度提得过高又会造成炉内结大块(疤块)，导致炉况失常，因此只能维持中负荷生产，煤气炉气化强度也就无法提高。化学活性好而冷热强度不好的煤，入炉以后遇高温会产生爆裂，块煤就成了粉煤，导致炉膛床层阻力增大，煤气炉无法提高生产负荷(入炉空气量因床层阻力增大而减少)，直接影响煤气炉的气化强度。煤气炉气化强度不高，煤耗必然上升。

我公司将山西晋城寺河矿块煤（以3-8块为主）、山西晋城赵庄矿煤（以粒度煤为主）等几种不同性质的原料互相搭配进行气化，取得了比较好的效果。其原理是利用冷热强度好的煤在炉膛燃料层中起骨架作用，从而使化学活性好的煤在气化温度不是很高的情况下能有很好的气化效率，煤耗也必然会降下来。采用此种搭配方法后，φ2800 mm炉单炉日产氨60 t左右，吨氨入炉实物煤耗1 095～1 105 kg。

1.2筛净块煤中的煤粉

入炉块煤中含粉过多会增加床层阻力，影响吹风强度的提高，从而使气化强度和煤耗不同程度地受到影响。为了降低块煤中含粉率，早在20世纪70年代就采取了各种措施，如：有的煤矿在原煤出售前就进行粒径分级与洗选，有的化肥厂对进厂块煤进行入炉前干燥、筛分(湿煤筛不干净)，还有的厂采用水洗工艺除去煤粉等，其目的就是将入炉煤的含粉率降低到3%以下。我公司技改选用的筛子是弹性杆振动筛筛除煤粉，取得了较好的筛分效果，干煤基本可以将煤粉控制在3%以下。

2入炉蒸汽采用上吹增压和蒸汽递减相结合的技术

常压间歇式固定床煤气发生炉在吹风阶段结束后，炉内温度已经达到最高点，此时炽热的碳在高温下相互粘结，致使床层阻力增大，在上吹通入蒸汽时，蒸汽压力较低且流量恒定，蒸汽的穿透能力差易导致气化层局部温度过高，热量过于集中而产生局部结疤，引起炉况恶化。传统工艺是采取较大的的上吹蒸汽入炉（即开大上吹蒸汽手轮阀）的办法来避免炉内结疤，但一直恒定通入的过量上吹蒸汽不但会使气化层严重上移，而且上吹产生的煤气会带出更多的显热导致炉温急剧下降。为使上移的气化层降下来，只有加大下吹蒸汽流量，致使下吹阶段蒸汽分解率降低，气化层温度迅速下降。为提高炉温尽量蓄积较多的热量只有延长煤气发生炉的吹风时间，相应就会缩短有效制气时间，造成吹风气中有效成分高、半水煤气中有效成分低，气质气量差，煤耗高的局面。

我公司采用的上吹增压和蒸汽递减相结合的入炉蒸汽技术，能够有效解决这一矛盾。

在吹风结束上吹制气开始时上吹增压程序启动，以0.5 -0.6Mpa的过热蒸汽通过DN32喷嘴进入炉箅风帽附近，高温、高压的过热蒸汽迅速与内环区的炽热的碳反应，产生优质的半水煤气。此举弥补了上吹蒸汽动力不足的缺陷，避免在高温的内环区形成较硬的疤块。下吹阶段随着制气时间的延长炉温迅速下降，此时利用蒸汽递减工艺逐步减少入炉蒸汽的流量，减缓炉温下降速度，缩小了气化层温度波动。

2.1上吹增压技术改造内容：采用无缝钢管（φ108×4mm）引至外供管网（1.3mpa）过热蒸汽，经自调阀减压至0.5-0.6 mpa进入蒸汽缓冲罐稳压后送至单炉，单炉通过无缝管（φ76×3.5mm）、截止阀(DN65)、油压闸阀(DN100-16)后，从炉底中心管向上延伸至炉箅下层处，通过喷嘴(DN32)进入气化层内环区。油压闸阀与专用电开型电磁阀连接，电磁阀信号由造气DCS提供，电磁阀开启起始时间点及结束时间点根据需要设定。

改造后上吹流程如下图

2.2蒸汽递减技术改造内容：蒸汽调节系统是由油压调节阀、控制站和操作站三个部分组成；将递减式调节阀安装在总蒸汽手轮阀和上、下吹蒸汽液压阀之间；在递减式调节阀上安装专用的液压定位油缸；在电磁阀站的空余位置安装专用油路控制集成块；并通过DCS系统集中控制。

蒸汽递减技术微机DCS集散控制系统图

3煤气炉加装防流板、扩大过渡区

排渣破渣是一个重要的问题。劣质煤含灰量大，并且灰熔点偏低，客观要求煤气炉破渣排渣强度要高，否则，无法高负荷生产。煤气炉破渣、排渣是系统问题，不是单靠炉箅可以完成的。它还要求与炉箅相配合的其他部位设计合理。如：排灰口，灰犁，灰盘，夹套，破渣板等。特别是排灰口和灰盘的配套设计，往往被忽略，或者是在煤气炉的改造中，破坏了原来合理的设计，形成新的不合理。排灰口高点与灰斗中排灰边缘形成一个夹角，简称“排渣角”。目前国内几种重要的固定层煤气炉“排渣角”都大于灰渣“安息角”。造成煤气炉溜炭，返焦率升高，这种情况大多数是人为造成的。如：原UGI煤气炉炉膛直径为ф2.74m，以后逐步扩大至ф2.82m、ф3.00m、ф3.20m扩径的同时，灰盘直径并没有增加，虽然有的厂家在灰斗安装了挡灰板，仍然造成“排渣角”大于灰渣“安息角”。经测定，煤气炉正常炉渣的“安息角”，在运动状态下为35°，在静止状态下为45°。众所周知，炉内排灰口处的灰渣在正常生产中是处于运动状态的，因此，“排渣角”应该等于或小于“安息角”，生产中才不致于造成排灰失控，进而溜炭。一般情况下，如果炉底和灰盘直径没有加大，排灰口高度≥280mm时，ф3.0m、ф3.20m煤气炉的排渣角都在50°以上，最大的甚至在70°以上，这是造成煤气炉流生、溜炭、垮炭的重要原因之一。

为克服上述弊端,我们对防流系统进行了改造。在两侧灰渣排灰口上方的水夹套内侧底部加装宽度为100mmL型内防流板，经实践摸索其底板距灰盘的垂直高度为310mm,以降低出灰口位置；在灰盘外缘加装一块200mm的挡板,起到假灰盘的作用,以扩大灰渣过渡区。这样有效防止了滑料、塌方现象,使炉渣在进入灰斗前停留时间延长,进一步燃烧灰渣中的残炭,降低消耗。同时操作弹性增大,提高生产强度。但是防流板一定要适当,否则起不到防流效果或者下不出灰。

4优选工艺、稳定操作

4.1降低炉上温度,适当提高炉下温度

机械强度和热稳定性差的煤,炉上温度不能控制太高,否则煤入炉后急剧受热而爆裂,因此应尽量降低炉面温度,把火层控制在炭层中下部,使入炉煤缓慢预热,减少破碎率,以减少气体带出物,降低消耗,并且吹风阻力小,吹风效率高,一般炉上温度控制在200摄氏度到250摄氏度。

炉下温度的高低对于维持造气炉的正常工况,延长设备的使用寿命以及取得最佳发气量具有重要意义。炉下温度过低表明气化层偏上,容易造成上火,吹翻和底部局部结大块;炉下温度过高,表明气化层严重下移,下吹带出物增多,热损失增大,并且大大缩短炉箅、灰盘以及下行管道的使用寿命。一般炉下温度控制在爱230摄氏度到280摄氏度。

4.2合理使用上吹加氮

有人认为烧劣质煤使用上吹加氮易上火,吹翻,结疤。实际上用好上吹加氮是稳定和提高炉温,改善半水煤气有效成分的很好措施。用上吹加氮能减少上吹制气时炉温大幅度下降,减少炉温波动,控制火层上移速度,并且上吹制气时同时加入空气,加入的空气因流量小,流速慢,入炉后它的主要反应区在气化层下部的低温区,使进入灰渣层的燃料与加氮空气中的氧产生剧烈的放热反应,从而降低灰渣的含炭量,提高煤的利用率。

4.3确定合理灰渣厚度和炭层高度

灰渣过薄将损坏炉底设备,下灰返焦量增加,下行煤气显热损失增加,同时还会破坏气化层的形成。灰渣层过厚将造成气化层上移,严重时还会造成挂壁,结疤,炉顶设备损坏,上行带出物增多,上行煤气显热损失增加。同时还会造成有效炭层变薄及炭层阻力增大。由于有的小籽煤热稳定性差,炉面温度不能高,灰渣层厚度适当减薄。

公司采用C600-1.27型鼓风机,空程控制在1.6m左右,灰渣层厚度控制在炉箅顶层10cm左右。要严格控制灰层厚度和炭层高度,只有保证排灰加料的物料平衡,火层位置就不会波动,炉内工况和发气量也不会有大的变化,所以一定要作到炭层高度和灰层厚度的稳定。

4.4稳中寻优、保炉况稳定

造气炉炉况控制主要通过人工调节,而且可调参数甚多,必须统一操作方法和手段,以便稳中寻优,保证炉况稳定。

4.4.1保证炉底温度平稳。炉底温度平稳说明炉内的灰渣层和气化层稳定,这有利于气化剂均匀分布而保证炉底温度平稳。要保证炉底温度平稳,应从以下几点入手:①尽量不调节上下吹百分比,如需调节时,也仅仅是加减1s。②下行温度的升降用炉条机控制。③炉底温度波动范围应小,一般在50oC以内。炉底温度平稳,说明炉内物料达到了平衡。

4.4.2保证下灰质量,应以控制入炉蒸汽为主,炉条机调节为辅。即在保持入炉风量不变的情况下,以入炉蒸汽的多少来控制炉温的高低,以达到炉内热量平衡。可根据下灰情况,适当调节入炉蒸汽量,且幅度不宜过大。调节炉条机时,应在保证炉底温度的基础上再兼顾下灰情况。如果灰质好,说明炉内供热和吸热达到平衡。反之,供热和吸热达不到平衡,必然导致炉温过高或过低,出现下灰有坚硬大块或灰碎返焦多。

4.4.3稳定炉顶温度。炉顶温度的高低应看入炉原料的性质和气化层温度的高低,确定合适的炭层高度。一旦炉顶温度偏高或偏低,就应及时调整吹风时间。炉顶温度忽高忽低,说明气化层不太稳定,要及时调整单炉吹风时间或风量,以稳定炉况。

5改进造气循环水冷却塔填料降低煤气温度

我公司固定床合成氨系统共有11台造气炉，与之配套的循环水装置共有三台水泥网格填料冷却塔，设计水处理能力2000m³/h。运行十多年，水泥网格填料未更换过，其上方收水器更换多次，每次更换时都有很多小碎片落入水泥网格填料内，加之用于造气洗气塔换热回流的循环热水中夹杂着许多粉尘颗粒及未燃尽的小煤子，没有经过微涡流澄清池澄清而是直接进入晾晒池经短暂沉淀后，又被热水泵抽至冷却塔，导致部分粉尘颗粒及未燃尽的小煤子也落入水泥网格填料内。由于水泥网格填料孔隙小、设计不合理，导致落入的塑料碎片、粉尘颗粒、未燃尽的小煤子堵塞填料，运行一段时间后局部还会和水中的悬浮物产生积淤、结垢等，造成塔内压力逐渐升高并形成沟流、壁流，从而导致布水不均、换热降温效果差等无法克服的弊端。概括讲冷却塔冷却效果极差，循环水温度较高。

由于造气循环水温度高，造成的半水煤气温度高，导致脱硫工段罗茨风机打气量减小，尤其夏天，大气温度高，半水煤气更是加不上量，严重制约着夏季生产，影响后段用气量和压缩机功耗。

针对我公司造气循环水冷却塔系统的具体情况，为了解决循环水温度高、煤气温度高的问题，我们于2021年初对冷却塔实施了改造，即将产生积淤、结垢的水泥格子板填料改为具有体轻、强度大、耐腐蚀，使用寿命长，不受水质限制，无堵塞，适应温度范围广，冷却效果好、通风阻力小，生产效率高的PP聚丙烯网格板填料，改造后，循环水降温效果显著，煤气温度同比下降8.5℃，为公司的节能减碳奠定了基础。

6加强基础管理

8.1操作工必须树立籽煤制气的理念，创新籽煤操作思路，摒弃传统操作方法。统一各工艺运转班的操作方法，明确运行的工艺指标，严格考核。

8.2建立交接班规章制度。严格落实交接班工艺指标，减少交接班炉况的波动，限制交接班时对炉条机进行大幅度调节。建立完备的交接班记录，内容包括：时间分配、风压、空程、炉况等。

8.3实施交接班责任制，坚持主、副操作人员观察炉渣，以明晰交接班炉况，做到勤观察，勤调节，微调、细调。

8.4及时总结经验、调整工艺指标，对出现波动的炉况不断总结原因及改进处理方法以寻求最佳操作方法。

9结束语

一般而言，煤气炉提高了发气量(或气化强度)，煤耗都会下降。目前技术改造搞得好的企业吨氨入炉实物煤耗在1100 kg左右。

 影响造气煤耗高的因素很多，要想把煤耗降下来，首先必须在技术的选择、设计、设备的造型等多方面做细致的工作，全面、科学地对造气系统进行技术改造；其次要加强造气系统的工艺控制和管理，严把操作关。再者煤耗高低还与后系统的生产状况有关，如：合成塔的合成效率，后系统的跑、冒、滴、漏等，这些都会影响煤耗高低。

综上所述，降低造气煤耗是个全方位、多途径的问题，特别是生产过程中的科学改造,运用先进的工艺、设备、安全技术，不断完善考核制度、加强基础管理等都是降低固定床煤气发生炉节能减煤降碳的重要途径。