腐殖酸煤棒在φ2650 mm造氣爐上的應用

李德朗

(湖北新洋豐肥業有限公司合成氨廠,湖北荊門 448150)

不斷攀升的原料價格,使許多氮肥企業受到了生存的威脅。2010年隨著煤炭資源整合的推進和多家煤炭企業安全事故引發的安全整頓,下半年以來,全國的煤炭價格一直運行在歷史的高位。氮肥行業的日子越來越艱難,出現了無利可圖和虧本經營的局面。特別是以塊煤為原料的生產企業更是舉步維艱,不得不采取停產限產或者檢修來應對原料價格變化對行業的沖擊。而選擇煤棒工藝,管理規范的氮肥企業則受影響相對較小。即使行業不景氣,但因原料價格上存在的明顯優勢,也能保證企業的經濟效益。

新洋豐公司合成氨廠是洋豐復合肥料的原料配套分廠,是一家以煤棒為氣化原料單產合成氨的企業。裝置有φ2 650 mm半水煤氣發生爐14臺,合成氨生產能力150 kt/a。自2006年2月投產運行煤棒以來,歷經波折。從當初的風干煤棒入爐,到現階段的余熱煙氣烘干煤棒;造氣工段從當初原始的人工停爐加煤到現階段的微機控制自動加焦,并實現了DCS集中控制。特別是近兩年來,投入大量資金先后對造氣系統進行了多項技術改造,使得造氣的生產水平大幅提升,單爐發氣量明顯提高,氣化強度從900 m3/(m2·h)提高到了現在的1 100 m3/(m2·h)以上;噸氨原料煤消耗大幅降低,煤氣爐安全運行周期持續攀高。

造氣的操作思路和發展歷程從來都不是一帆風順的,各種操作理念都有爭議。造氣工段的管理也因其生產特點的不同與其他工段相比具有比較強的特殊性。煤棒制氣同樣經歷著各種操作理念的實踐。筆者通過對多家煤棒企業的訪問,發現在工藝條件的選擇上也各有不同:湖南的小氮肥企業在循環時間上普遍選擇130～150 s,下吹比例較大,普遍在50%以上,吹風比也都選擇20%左右,渣塊相對較大,殘碳＜20%;而湖北的氮肥企業大多采用120 s的短循環,吹風百分比22%～25%,比較注重上吹制氣,渣塊較松,殘碳量20%以上,氣質上湖南氮企控制得稍好,原料氣中CO+H2＞65%。合成氨廠在多年來采用煤棒制氣的生產實踐中,也摸索總結出了適合煤棒氣化的工藝操作方法,并取得了較好的經濟效益。

1 腐殖酸煤棒特性

(1)加入腐殖酸粘接劑的煤棒在熱態環境下有較好的穩定性,可以滿足造氣工段對入爐原料的要求,煤棒透氣性能(氣孔率)良好,煤棒入爐后經完全上吹,干燥干餾,煤棒中的水分逐漸蒸發形成多孔結構,比表面積增大的同時提高了煤棒的化學活性,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、風洞和局部過熱結塊等不正常現象,能有效提高吹風效率。

(3)煤棒灰熔點較優質塊煤低,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,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,特別是運行灰分偏高的原料時,尤為明顯。

2 煤棒制作

(1)煤棒質量的好壞,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程中原煤的配比,粉碎,拌料,堆漚,制棒等過程。嚴格按規程制備粘接劑和控制攪拌過程中的水分。這樣的漚制料進入制棒崗位,棒機操作平穩,電流波動幅度小,產量高。

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

(3)成型的煤棒通過皮帶傳送進入烘干系統。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,要配套熱風爐。這樣才能保證出烘干系統的煤棒水分控制在小于5%的指標范圍內,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中占首要位置,炭層控制高度曾經在行業內發生過較大爭議,筆者認為控制得合理與否直接影響著造氣爐的產氣量和消耗。運行煤棒的爐子有效炭層控制與企業硬件設備密切相關。如風機的性能,系統阻力,造氣爐的高徑比等。一般來說,控制合理的炭層高度可以穩定阻力;更有利于燃料層的穩定;更好地適應高性能風機的應用;可以更多地儲存熱量,控制合理的炭層也可以提高入爐蒸汽的分解效率,優化氣體質量;能合理控制煤氣爐的上下溫度,減少熱損。前提是保證煤棒質量。φ2 650 mm造氣爐采用全自動加煤裝置配合DCS控制系統應用,能保證炭層的高度穩定,對造氣工段的節能降耗效果明顯,這種加煤機運行可靠,能自動探測空層高度,每個循環加煤一次,約100 kg,對爐內溫度影響較小,單爐能提高產氣量15%～20%,經濟效益明顯。我公司14臺φ2650 mm煤氣爐,之前運行14爐,技改之后只開12爐,氣量即能得到保證。單爐日節約用煤60 t。有了備爐給造氣爐的維修提供了方便,不會因此影響產量。實際生產中φ2 650 mm造氣爐選擇2.3 m的有效炭層進行操作,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,產氣量穩定,能夠適應移動氣化的特點,可以更好地適應大風量操作,無翻爐掛壁現象。因此炭層的穩定控制是爐況穩定的先決條件,也是保證爐內物料平衡的重要環節。

3.2 風量的選擇與控制

煤棒良好的透氣性和通風性為大風量風機的運用提供了平臺,但是吹風時間的選擇還是要根據企業各自的實際情況,綜合考慮原料煤的特性,有效炭層的高度,爐箅的通風性能等因素來合理制定。原則就是要盡可能利用短的吹風時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量,減少副反應的產生。企業可以通過分析吹風氣中的CO來判斷,能耗低的企業吹風氣中CO的含量一般小于4%。為保證吹風效率,煤氣爐處于強負荷下運行,操作難度會增加,但是通過合理的工藝調整和優化,能保證煤氣爐的穩定運行。φ2 650 mm造氣爐使用D500風機出口全開啟的狀態下,以水分5%的烘干煤棒,采用120 s短循環制氣時,吹風時間以28s為宜,負荷根據季節氣溫的變化稍作調整,一臺風機可配置四臺造氣爐,相對φ2650 mm造氣爐上D450風機的應用,使用D500風機的造氣爐工況更加穩定,能克服上吹加氮空氣分流對吹風階段造氣爐吹風效率的影響,灰渣中的殘炭量可見改善,能提高產氣量5%～10%。對于φ2 650 mm造氣爐上配置D600的風機,其出口并不能開全,出口開啟度在65%左右,突出不了風機的性能,做不到經濟運行。

3.3 爐溫和火層位置的選擇

爐內反應溫度的高低是生產工藝控制中的一個重要指標,而爐內氣化溫度受火層位置的影響很大,火層位置主要通過上下吹的時間分配和爐條機的除渣來調節,而爐溫則間接反映出火層所處的位置。一般來說,爐內炭層恒定、工況正常的造氣爐,爐上溫度顯示越高則氣化區越高,這樣會大大增加帶出物和顯熱,造氣爐掛壁翻爐、風洞偏流幾率明顯增加,不利于安全生產和生產成本的降低。運行煤棒,氣化區控制是最關鍵的,但是因為氣化強度較塊煤低,所以要靠增加氣化反應面積來補償,操作上應盡可能在保證爐頂爐底溫度正常的情況下拉長火層,增加氣化劑的反應和還原時間保證氣質優化。因為火層被拉長也延長了燃料氣化和燃燒的時間,因而較熱量集中的薄火層來講,有利于爐況穩定,爐內不易結塊。灰渣中的殘碳量不會高。

正常生產中,在入爐蒸汽手輪鎖定不變的情況下,火層主要調節手段是調節上吹比例。一般無大的爐況波動,不建議調節蒸汽手輪。在我省幾家裝置較大的氮肥企業,上吹的比例都占到了整個循環時間的30%以上,而當原料灰分大于25%,上吹的比例則要求更大,同時通過增加下灰頻率來保證爐內物料的平衡,這樣,在高的負荷下也能保證爐子的穩定運行。

根據移動氣化床的特點,上吹比例的增加,加快了火層上移的速度,分散了爐內熱量;無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機作為基礎,這是因為增加上吹,燃料在爐內停留時間相對較短,下灰殘碳量高,但是火層下移,容易出現扒爐現象,有時候會出現垮炭,造成爐子更加不穩定。因此工藝時間的調整還要根據企業自身風機的能力,爐膛高度等實際情況來綜合考慮。在φ2 650 mm造氣爐上,當上吹比例達到32%以上,造氣風機風量要能達到30000 m3/h,風壓25～28 kPa,有效炭層2.2～2.5 m為合適。控制更高的有效炭層會降低風機的性能,增加提溫階段爐底的風壓,容易造成炭層被掀翻,出現風洞等,不利于安全經濟運行。

煤棒機械強度,熱穩定性不如優質塊煤,因此爐頂爐底溫度控制很重要。φ2 650 mm爐上運行煤棒一般爐頂280～330℃,爐底180～250℃。雖然高炭層、高徑比合理的造氣爐可以進行低爐面溫度操作,有利于降低煤耗,減少熱損,但是從實踐來看,上溫在300℃下溫控制200℃左右的造氣爐也能很好地實現低消耗運行,發氣量也更有保證。另外,溫度也是判斷爐內熱量平衡的一個重要方面,不同的就是根據入爐煤棒的原料特點和灰熔點的高低,合理選擇入爐蒸汽量來決定煤棒操作的理想溫度。其實這個溫度是相對的,存在高低溫度的平衡之分。

風干煤棒制氣,是為降低水分,減少高溫對入爐煤棒造成的破壞和粉化。采用人工加煤運行煤棒的造氣爐,開爐后,微機即進行一個階段的全上程序,時間約300 s,然后進入正常程序,這個程序屬可選擇程序。全上時間根據煤棒質量可以修改。這種模式操作,爐上溫度波動較大,每個加煤周期要觀察爐內物料狀況,要進行人工修正,防止爐內塌方,掛爐等不正常現象。操作人員的勞動強度相對較大。而運行烘干煤棒采用自動加煤機的氮肥廠家,則是定時做短時全上,由微機自動完成。爐上溫度相對穩定,爐況也比較穩定。

氮肥企業運行煤棒的造氣爐,加氮顯得更為重要,采用上吹加氮可保證氣化層溫度相對穩定,能保證蒸汽分解率的提高。同時減少吹風加氮時間,能較好地優化氣質,減少半水煤氣中CO2含量。要求在安全的前提下盡可能延長加氮時間。

3.4 蒸汽的選擇

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

正常生產中蒸汽溫度的高低對爐溫的影響較大。通過比較,使用200～260℃過熱蒸汽制氣的造氣爐更容易實現工藝優化。筆者訪問的氮肥企業,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,而入爐手輪開度則在前者基礎上翻倍。氣質上區別明顯,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,爐溫變化也相對越大,直接影響制氣效率。這也是我省大多氮肥企業在煤棒操作上選擇120 s短循環的原因。但是蒸汽用量大,對氣質優化沒什么好處,雖然合理提高入爐蒸汽量也能提高單爐產氣量,這也要根據實際情況結合風機性能合理選擇。煤棒氣化操作上要判斷蒸汽用量是否適宜,可通過對半水煤氣中CO2的含量分析來判斷,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。

4 新工藝設備的選擇

隨著科技的不斷進步,近年來造氣工段的高效設備層出不窮,正逐步實現自動化,智能化。新硬件的應用,為氮肥行業的節能降耗起到了推波助瀾的作用,經濟效益明顯,作業環境大為改觀。

設備是生產的第一要素,造氣的生產,運行情況的優良與否也與設備緊密關聯。如液壓閥門因生產廠家不同,使用周期也大不相同,筆者熟知的企業,運行煤棒同樣在120 s短循環上,有的企業閥門運行一年就磨損嚴重被迫更換內件才能保證安全經濟運行,而有的企業閥門卻能連續運行兩年還能做到不內漏,無泄漏,密封性能良好,平時維護保養也簡單易行,不愧為明智之選。爐箅是造氣爐的心臟,煤棒爐更要求布風合理,破渣性優越,通風面積大、氣容率高,氣化強度高,下吹帶出物少,使用壽命長的爐箅。這樣的爐箅經濟效益好,節能降耗明顯,操作上省心。另外,行業內關于夾套高徑比的控制各有其說,高的夾套能為炭層的提高創造條件,但同時也增加了熱損和灰渣的殘碳量。我們通過長期運行實踐,φ2 650 mm煤氣爐上運行煤棒,2.3 m的有效炭層,1.0∶0.9的高徑比是合適的,不會出現掛爐的現象。原則上不出現掛壁現象,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產蒸汽的。其他設備筆者不一一列舉,總而言之,優質的設備會最大程度上減少生產運行中的跑冒滴漏,降低操作中的勞動強度和改善環境,有效降低物耗。

5 結 語

造氣行業每年都在進行技術革新,因此狠抓技改也會為企業帶來良好的經濟效益,促進快速發展。下階段隨DCS系統,自動加煤機,不停爐下灰,PSA提氧,汽輪機驅動造氣風機,高壓夾套,下吹蒸汽遞減等新技術和新工藝在造氣爐上的逐步應用,將為造氣進一步的節能降耗帶來更大的空間。

造氣工段三分操作七分管理的經驗總結,是造氣同行用辛勤汗水換來的。所以在造氣這個受原料和人為因素影響較大的龍頭車間,優化操作工藝,正確制定嚴謹的工藝指標和操作法,強化生產管理,嚴格進行考核,顯得尤為重要。更要求造氣的管理者具有超前意識,勤觀察,勤思考,勤調節。及時掌控煤質成分的變化,遇到大的煤質變化及時召開班組長、主操會議。根據實際情況,制定合理的調節手段和工藝操作方法,統一思路,防止爐況的惡化,保證生產的長周期穩定。