煤氣發生爐增氧制氣工藝對比及效果分析

余仕良

(云南云天化股份有限公司云峰分公司 云南宣威 655426)

煤氣發生爐增氧制氣工藝對比及效果分析

余仕良

(云南云天化股份有限公司云峰分公司 云南宣威 655426)

介紹了變壓吸附制氧的主要設備參數、產品性能、消耗、成本等指標，闡述了煤氣發生爐系統增氧制氣投運的調節控制過程，對增氧制氣前后煤氣發生爐各工藝參數、氣體成分、灰渣殘碳含量、產氣量、消耗等指標進行了詳細對比。對比結果表明，煤氣發生爐實施增氧制氣是一項投資少、見效快、增產、增效的技改項目。

煤氣發生爐；增氧制氣；性能指標；效益對比

氧氣是固體燃料氣化不可缺少的氣化劑，固定層間歇煤氣化制氣技術一般采用空氣作為氣化劑，工藝簡單、投資省，但產氣量低、原料消耗高。增氧氣化技術是在原固定層間歇煤氣化工藝制氣的生產裝置上，采用比空氣中氧氣體積分數高3%～10%的增氧空氣作為氣化劑進行間歇制氣的一項新興節能降耗技術，以提高煤氣發生爐吹風效率、縮短吹風時間、延長制氣時間、降低顯熱和潛熱損失、提高原料煤中碳的利用率、減少吹風氣的排放量及其熱量損失，從而達到提高單爐生產能力、降低原料消耗和降低合成氨生產成本的目的。為了進一步降低合成氨原料消耗，云南云天化股份有限公司云峰分公司(以下簡稱云峰分公司)于2014年利用原有的閑置廠房新建了1套3 000 m3/h(標態)真空變壓吸附(VPSA)制氧裝置，在原有固定層間歇氣化爐上實施增氧氣化。

1 VPSA制氧裝置及其配套裝置

云峰分公司制氣裝置建有12 臺Φ3 000 mm煤氣發生爐，常開6臺爐，半水煤氣產量55 000～56 000 m3/h(標態)，配套開6臺壓縮機，年產總氨120～130 kt。

1.1 VPSA制氧裝置氧氣產品及參數

制氧裝置采用徑向雙塔VPSA制氧方式，設計生產φ(O2)=90%的氧氣3 000 m3/h(標態)。出吸附塔的氧氣(10～15 kPa)經氧氣加壓機加壓至55 kPa后送至煤氣發生爐系統的空氣總管，與空氣混合后形成增氧空氣。氧氣調節系統配套裝置有氧分析儀、調節閥、壓力表、油壓座板閥等。

1.2 VPSA制氧裝置主要設備

羅茨真空泵：ZR8- 800A型，壓力- 53.3 kPa,風量698.3 m3/min。配套電機：Y6303- 12型，800 kW，6 kV/50 Hz，595 r/min。

羅茨鼓風機：ZR7- 750型，壓力49 kPa，風量609.6 m3/min。配套電機：Y5601- 10型，630 kW，6 kV/50 Hz，595 r/min。

氧氣增壓機：RRE- 250型，壓力55 kPa，風量71 m3/min，電機功率90 kW。

吸附劑：鋰基吸附劑，使用壽命10年。

1.3 VPSA制氧裝置能耗

1 m3氧氣耗電(不含氧氣增壓機)0.35 kW、耗水2 m3，其余冷卻水循環使用。

1.4 氧氣產量及質量

VPSA制氧裝置氧氣產量及質量如表1所示。

表1 氧氣產量及質量

項 目指標值最高最低平均值合格率φ(O2)/%≥90.091.589.890.6100%產量/(m3·h-1)≥3000309730023078100%

1.5 投資及建設周期

包括煤氣發生爐系統的管道、閥門、儀表等(不含制氧裝置廠房)，VPSA裝置實際投資約1 300 萬元。該項目于2014年1月立項，5月開始進行設備基礎土建施工，7月底完成設備及管道安裝、試車并生產出合格的產品氧氣，8月5日煤氣發生爐系統投運間歇增氧制氣。

1.6 氧氣成本分析

1 m3氧氣成本分析如表2所示。

表2 1 m3氧氣成本分析

項 目電耗/(kW·h)單價/元費用/元動力電1)0.400.400.160修理費0.010折舊0.058利息0.028合計0.256

注：1)含氧氣增壓機電耗

2 增氧制氣工藝調整過程及運行狀況

VPSA制氧裝置自2014年8月5日投入運行后，羅茨鼓風機、真空泵、氧壓機、吸附塔等運行正常，主要指標達到設計要求。煤氣發生爐系統增氧制氣方式為空氣總管增氧，即在煤氣發生爐吹凈、吹風、回收及上加氮階段均增氧，以提高入爐空氣氧濃度。煤氣發生爐增氧制氣工藝根據入爐氧氣量平衡進行調節，即依據入爐空氣中氧氣濃度的變化，調整單爐吹風時間，平衡單爐熱負荷。單爐吹風時間與氧氣濃度調整如表3所示。

表3 單爐吹風時間與氧氣濃度調整

項 目 現狀第1階段第2階段第3階段第4階段入爐空氣中φ(O2)/%20.022.023.0～24.024.0～25.025.5～27.02#爐入爐空氣量/(m3·h-1)71976542625859975644入爐氧氣量/(m3·h-1)1439.31439.31439.31439.31439.3每個循環減少吹風時間/s346103#爐入爐空氣量/(m3·h-1)72566597631060475805入爐氧氣量/(m3·h-1)1451.31451.31451.31451.31451.3每個循環減少吹風時間/s346104#爐入爐空氣量/(m3·h-1)67416312603857865555入爐氧氣量/(m3·h-1)1388.61388.61388.61388.61388.6每個循環減少吹風時間/s3461010#爐入爐空氣量/(m3·h-1)61005712546352365026入爐氧氣量/(m3·h-1)1256.61256.61256.61256.61256.6每個循環減少吹風時間/s3461011#爐入爐空氣量/(m3·h-1)70006555627060085768入爐氧氣量/(m3·h-1)1442.01442.01442.01442.01442.0每個循環減少吹風時間/s34610

根據氧平衡進行了工藝參數的調整：氧氣濃度(體積分數，下同)調整為23.0%，吹風時間從34 s縮短至30 s；氧氣濃度升至25.5%～27.0%，吹風時間最后縮短至23～25 s。因吹風時間縮短及風量減少，為防止火層下移，上吹時間從38 s延長至50～56 s(調整思路：減少上吹蒸汽量，延長上吹時間，增加制氣時間；增加下吹蒸汽入爐量，縮短下吹時間)，上加氮從24～30 s延長至42 s。采用增氧制氣工藝后，煤氣發生爐工藝運行比較平穩，生產能力提高，由原6臺爐供6機減為5臺爐供6機。增氧前后工藝參數對比見表4。

表4 增氧前后工藝參數對比

項 目 增氧前增氧后吹風時間/s33～3523～25上吹時間/s35～3850～55上加氮時間/s24～3039～45上下吹蒸汽量/(t·h-1)6.1～8.56.5～9.0爐條機轉速(r·min-1)140～170150～200

3 增氧制氣前后煤氣發生爐工藝參數對比

3.1 煤氣發生爐效率對比

增氧制氣前后煤氣發生爐效率對比見表5。

表5 增氧制氣前后煤氣發生爐效率對比 %

注：1)升高為“+”，降低為“-”，下同

經測算：增氧后，吹風時間縮短10 s，吹風氣量及熱損失減少，進入半水煤氣中的碳和熱量增加；在相同原料下，蒸汽分解率提高3.5%，吹風效率提高3.8%，吹風氣帶走碳比率下降5.4%，碳利用率提高6.2%，氣化效率提高5.0%，冷煤氣效率提高6.7%。

3.2 煤氣發生爐上、下行溫度對比

增氧制氣前后煤氣發生爐上、下行溫度對比如表6所示。

倒立擺硬件系統包括STM32主控模塊、角位移傳感器模塊、電機驅動模塊、穩壓模塊、直流減速電機等。系統的電源采用3節18650電池供電，利用穩壓模塊為電機驅動模塊提供8V的電壓，給單片機提供5V的電壓。將角位移傳感器傳回的實時角度和直流減速電機傳回的速度傳入主控制器，主控制器通過PID控制器計算并輸出電機下一步運行所需的PWM值，驅動電機運行，最終實現擺桿的動態平衡。系統運行期間，利用Nokia 5110進行實時數據顯示與模式調節顯示，方便整個系統的運行。在機械結構方面，采用不銹鋼制成的支架，提高了整體結構的穩定性；采用導線環與電機相連，解決了系統運行時的繞線問題。系統整個結構圖如圖1所示。

煤氣發生爐增氧后，炭的燃燒反應速率加快，上行溫度平均升高9 ℃，下行溫度平均升高17 ℃，但上、下行溫度變化隨使用的焦炭品種有一定差別。

表6 增氧制氣前后煤氣發生爐上、下行溫度對比

項 目指標/℃增氧前平均值/℃合格率/%增氧后平均值/℃合格率/%2#爐上行溫度≤450442.688.5447.573.22#爐下行溫度150～300231.698.6247.693.63#爐上行溫度≤450388.4100.0398.397.83#爐下行溫度150～300203.493.6231.098.94#爐上行溫度≤450389.0100.0397.098.54#爐下行溫度150～300214.793.8234.598.510#爐上行溫度≤450438.089.2445.073.610#爐下行溫度150～300219.0100.0231.0100.011#爐上行溫度≤450430.095.5443.074.111#爐下行溫度150～300231.0100.0243.0100.0

3.3 氣體成分變化對比

在氣化層中，水蒸氣與碳的主要反應為C+H2O=CO+H2-Q1以及C+2H2O=CO2+2H2-Q2，均為吸熱反應。根據平衡移動原理可知，溫度升高，平衡向生成物方向轉移，但溫度對這2個反應的影響程度是不一樣的，溫度升高更有利于生成CO的反應。所以，煤氣發生爐增氧后，有利于提高氣化層溫度和煤氣中CO含量。

3.3.1 增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比

增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比如表7所示。

表7 增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比 %

增氧后，在保持有效氣體(CO+H2)含量不變時，H2含量降低，相應增加了加氮量或加氮時間，這對提高煤氣發生爐產氣量十分有利。

3.3.2 增氧前后單爐半水煤氣成分變化對比

表8 增氧前后單爐半水煤氣成分變化對比

分析頻次單爐上吹/%φ(CO2)φ(O2)φ(CO)φ(H2)φ(CH4)φ(N2)單爐下吹/%φ(CO2)φ(O2)φ(CO)φ(H2)φ(CH4)φ(N2)增氧前Ⅰ8.60.525.535.30.130.06.50.638.251.50.23.0Ⅱ8.30.43.50.4Ⅲ8.20.430.830.40.130.15.30.340.251.30.22.7Ⅳ8.60.45.30.3Ⅴ8.60.422.627.90.140.45.40.435.555.10.23.4Ⅵ11.20.85.70.6最大11.20.830.835.30.140.46.50.640.255.10.23.4最小8.20.422.627.90.130.03.50.335.551.30.22.7平均8.90.526.331.20.133.55.30.438.052.60.23.0增氧后Ⅰ10.00.830.325.30.133.58.40.533.651.70.25.6Ⅱ10.60.67.20.4Ⅲ9.70.629.822.70.137.16.80.337.853.30.21.6Ⅳ8.80.25.00.4Ⅴ8.90.531.422.90.136.24.60.538.250.70.25.8Ⅵ9.20.56.00.4最大10.60.831.425.30.137.18.40.538.253.30.25.8最小8.80.229.822.70.133.54.60.333.650.70.21.6平均9.50.430.523.60.135.66.30.436.551.90.24.3

3.3.3 增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比

增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比如表9所示。

表9 增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比 %

增氧制氣后，由于入爐空氣中的Ar含量增加，需對氫氮比指標重新核算，確保合成系統處于最佳反應狀態；此外，煤氣發生爐在采用吹風增氧制氣和上吹增氧時，煤氣中的CO2及Ar含量都會升高，一般入爐空氣中φ(O2)每增加1%，半水煤氣中φ(Ar)將增加0.04%，而惰性氣含量升高不利于合成系統的運行。因此，增氧方式的選擇需考慮后系統的生產運行。

3.3.4 增氧前后吹風氣中CO2和CO含量變化對比

增氧前后吹風氣中CO2和CO含量變化對比如表10所示。

表10 增氧前后吹風氣中CO2和CO含量變化對比 %

吹風氣中CO2和CO含量是衡量吹風效率的指標之一。采用增氧制氣后，吹風氣中φ(CO2)升高5.0%～6.0%，說明吹風效率較高，可縮短吹風時間，有利于降低消耗；吹風氣中φ(CO)上升了2.0%，主要是因吹風氣中CO2含量增加而導致其與O2的還原反應增加，從而造成CO含量升高。

3.3.5 灰渣殘碳含量變化對比

以焦炭為氣化原料，增氧前后灰渣殘碳含量變化對比如表11所示。

增氧后，入爐空氣中氧含量增加，炭氧反應速率加快，燃燒充分，煤氣發生爐氣化層溫度高，渣中殘碳含量降低，每天產生的返焦量下降4.43 t。

表11 增氧前后灰渣殘碳含量變化對比 %

4 增氧前后煤氣發生爐產氣量對比

增氧后，煤氣發生爐單爐產氣量明顯提高，在相同產氣量的情況下，可少開1臺爐，即由增氧前的6臺爐供6機變為5臺爐供6機運行，單爐產氣量增加了20%～25%。通過對系統的進一步優化，采用增氧制氣后，比較經濟的運行方式仍是保持6臺爐運行，其原因：①開6臺爐供6機運行時，單爐產氣量為9 500 m3/h(標態)，單爐生產強度1 344 m3/h，吹風時間由增氧前的33～36 s縮短至23～25 s，吹風氣中φ(CO)在6.0%～7.0%；開5臺爐運行時，單爐產氣量為11 500 m3/h(標態)，單爐生產強度1 626 m3/h，吹風時間由增氧前的33～35 s縮短至28～30 s，吹風氣中φ(CO)升高至7.0%～8.0%；因此，開6臺爐運行每循環吹風時間可縮短10～11 s，且有利于降低吹風氣中CO含量。②煤氣發生爐在臨時停爐檢修時，開5臺爐可滿足6機滿負荷生產，有利于穩定合成氨系統生產。

5 增氧前后消耗對比

增氧前后用焦對比如表12所示，日均蒸汽消耗對比如表13所示。

表12 增氧前后用焦對比

項 目返焦量/(t·d-1)綜合原焦1)/(t·d-1)半水煤氣產量/(m3·d-1)噸氨耗焦/kg增氧前12.75540.012942001240增氧后8.32506.113223001162增氧前后對比-4.43-33.9-78

注：1)含產品裝置用煤氣

表13 增氧前后日均蒸汽消耗對比

項 目噸氨外供蒸汽消耗/kg噸氨脫鹽水消耗/kg噸氨蒸汽總耗/kg增氧前56017302290增氧后62015262146

增氧后，因吹風氣量減少，廢熱鍋爐自產蒸汽量減少，脫鹽水用量下降，噸氨外供蒸汽用量增加約60 kg，但噸氨入爐蒸汽總耗下降144 kg。

6 經濟效益

采用增氧制氣后，噸氨焦炭消耗下降78 kg，噸氨原料成本下降85.80元；按噸氨耗氧氣155 m3(標態)、氧氣成本0.256元/m3(標態)計，則噸氨增加成本39.68元；經優化，可停運1臺650 kW空氣風機，噸氨電耗下降28 kW·h，折合噸氨成本降低11.20元；合計噸氨成本可降低57.32元。

Comparison of Oxygen- Enriched Gasification Process of Gas Producer and Effect Analysis

YU Shiliang

(Yunfeng Branch of Yunnan Yuntianhua Co., Ltd., Xuanwei 655426, China)

The indexes of pressure swing adsorption oxygen production process including parameters of main equipments, specifications of product, consumption and cost are introduced, the regulation and control process in putting into operation of oxygen- enriched gasification of gas producer are elaborated, and a detailed comparison is made of indexes of gas producer before and after oxygen- enriched gasification, such as process parameters, gas composition, carbon content of ash, gas production rate, consumption, etc. Comparison result show that gas producer implementing oxygen- enriched gasification is a technical improvement project which has advantages of small investment, quick in producing economic benefit, increasing production and increasing efficiency.

gas producer； oxygen- enriched gasification； performance index； benefit comparison

TQ546

B

1006- 777(2017)01- 0055- 05

2016- 04- 01)

本文作者的聯系方式：yushiliang999@sina.com