間歇式固定層增氧制氣出現的問題淺析及措施探討

石春發

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司 云南開遠 661600)

云南云天化股份有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷分公司)80 kt/a合成氨裝置始建于1997年，設計規模為30 kt/a合成氨，于1999年投產，造氣采用固定層間歇式氣化工藝，配置4臺Φ2 610 mm造氣爐，原料主要使用焦炭。2001年12月完成了“3改8”工程改造，液氨由年產30 kt提升至80 kt，Φ2 610 mm造氣爐由4臺增加至9臺，仍采用焦炭制氣。

近年來，隨著焦炭價格的不斷上漲，使得合成氨生產成本不斷增加。為了提高現有合成氨生產裝置的整體水平、增強企業競爭力、降低液氨生產成本、增加企業經濟效益，對原料路線進行了調整并對系統進行了優化改造，原料由焦炭改為煤棒。在此次技改中，為提高造氣效率、降低成本，針對云南煤灰熔點低、活性差的特點，造氣采用增氧制氣。增氧制氣投用后取得了很好的效果，單爐發氣量增加了800～1 000 m3/h(標態)，噸氨煤耗降低了30 kg以上，但在采用增氧制氣生產過程中也出現了一些問題。

1 間歇式固定層增氧制氣出現的問題及原因分析

該增氧制氣裝置于2012年3月投入使用，投用當天效果明顯，單爐發氣量從4 500 m3/h(標態)左右提高至5 500 m3/h(標態)左右，噸氨煤棒消耗從1.80 t下降至1.75 t左右，造氣成渣率明顯上升，爐渣中殘碳含量明顯下降。但隨著生產的穩定，也暴露出半水煤氣中CO2含量上升、吹風氣中CO含量升高、入爐空氣中氧含量波動大等問題。

1.1 吹風氣中CO2含量上升的原因

在固定層間歇式氣化工藝中，吹風階段是碳與空氣中的氧發生反應產生熱量，其目的是提高氣化層溫度并積蓄熱量為制氣過程創造條件。通常情況下，吹風氣中CO2含量是衡量吹風效率的關鍵指標之一，吹風氣中CO2含量越高，表明吹風效率越高，反之則吹風效率越低。采用增氧制氣后，吹風氣中CO2體積分數升高了約4%，但隨之CO體積分數也升高了近1%。增氧制氣前后吹風氣中主要成分對比如表1所示。

表1 增氧制氣前后吹風氣中主要成分對比 %

從表1可看出，采用增氧制氣后，吹風氣中φ(CO2)升高了3.9%、φ(CO)升高了0.9%。經分析，在吹風階段除了碳與氧反應生成CO2或CO以及CO與O2反應生成CO2的反應外，還存在CO2的還原反應：

CO2+C=2CO

此反應可看作是可逆反應，根據反應方程式，隨著吹風氣中CO2含量升高，反應會向右進行，CO含量必然會升高，其平衡常數可按式(1)計算：

(1)

式中：Kp——平衡常數；

XCO——CO體積分數，%；

XCO2——CO2體積分數，%。

在實際情況下，可粗略地認為增氧制氣前后造氣爐內空氣的流速、溫度、壓力不變，因此可認為增氧制氣前后平衡常數基本不變。根據上述設定條件和表1中增氧制氣前的CO2和CO含量以及增氧制氣后CO2含量，可計算出增氧前平衡常數Kp=1.58。然后根據增氧制氣后CO2含量，可計算出增氧制氣后CO含量，即XCO=(XCO2×Kp)0.5=5.5%。

理論計算CO體積分數為5.5%，與分析結果相近。但在實際運行過程中，造氣爐爐溫比增氧制氣前高，而CO2還原反應為吸熱反應，隨著溫度的升高，反應是向右進行的，所以分析結果比理論計算結果高是符合實際情況的，充分證明采用增氧制氣后吹風氣中CO含量升高的主要原因是吹風效率提高后吹風氣中CO2含量升高所致。

1.2 半水煤氣中CO2含量上升的原因

半水煤氣中CO2是無效成分，但CO2含量的高低可間接反映出造氣爐的爐溫。從理論上講，采用增氧制氣后，隨著空氣中氧含量和上加氮過程中氧含量的升高，造氣爐制氣溫度較采用增氧制氣前高，半水煤氣中CO2含量應該降低，但實際情況是采用增氧制氣后半水煤氣中CO2含量反而升高。增氧制氣前后半水煤氣成分對比如表2所示。

表2 增氧制氣前后半水煤氣成分對比 %

從表2可看出，采用增氧制氣后，半水煤氣中φ(CO2)較增氧制氣前上升了1%左右。經分析，主要原因是采用增氧制氣后，入爐空氣中氧含量升高，吹風效率提高，吹風氣中CO2含量相應提高，在吹風氣回收加氮時間不變的情況下，帶入半水煤氣中的CO2相對較多，從而導致采用增氧制氣后半水煤氣中CO2含量升高。

根據表2中采用增氧制氣前半水煤氣的成分，每1 000.00 m3(標態)半水煤氣中N2占210.70 m3(標態)，其中：上加氮補充N212%(根據上加氮時間和流量進行折算)，折合N2量25.28 m3(標態)；吹風氣補充N288%，折合氣體量185.42 m3(標態)。根據表1增氧制氣前后吹風氣中主要成分對比，可先計算出增氧制氣前后補充氮氣需要吹風氣量分別是234.12 m3(標態)和248.89 m3(標態)，然后計算出增氧制氣前后吹風氣補充氮氣帶入的CO2量分別是35.59 m3(標態)和47.54 m3(標態)，則增氧制氣后吹風氣補充N2帶入的CO2增加量為11.95 m3(標態)。從計算結果可看出，增氧制氣后每1 000.00 m3(標態)半水煤氣中多帶入CO211.95 m3(標態)，折合體積分數為1.20%，與分析結果基本一致。

1.3 入爐空氣中氧含量波動較大的原因

紅磷分公司制氧裝置采用VPS工藝，設計產量為1 000 m3/h(標態)，實際產量為1 200 m3/h(標態)左右。造氣分為2套系統(1#和2#)，每套系統各配1臺造氣風機，制氧裝置所產氧氣分別送至2套造氣系統的空氣總管內。采用增氧制氣后，發現入爐空氣中氧含量波動較大(體積分數23%～27%)。經分析，主要原因是間歇式造氣爐制氣時使用的空氣量存在波動，而制氧裝置所配入的氧氣產量是一定的，當1#和2#造氣系統同時有2臺造氣爐處在吹風階段時，入爐空氣中氧含量較低；當1#和2#系統只有1臺造氣爐處在吹風階段時，入爐空氣中氧含量就較高。

2 調整措施

2.1 吹風氣中CO含量上升的調整措施

采用增氧制氣后，吹風氣中CO含量上升的主要原因是由于CO2還原反應是一個可逆的吸熱反應，當反應物中CO2含量升高，會導致產物中CO含量升高；同時，該反應屬于動力學控制，即CO2還原反應不是瞬間完成的。據相關資料，在1 100 ℃采用無煙煤制氣時，在100% CO2濃度下，還原40% CO2需時約5 s。因此從理論上講，提高造氣爐內吹風氣流速就可減緩CO2還原生成CO。在實際操作過程中，可在保證炭層不被吹翻的情況下盡可能加大吹風閥的開度，以縮短吹風時間。在增大吹風閥開度后，吹風時間從21 s縮短至18 s，分析結果顯示半水煤氣中φ(CO)降低約0.2%。當然，隨著爐溫的升高，吹風效率提高，吹風氣中CO2含量上升，吹風氣中CO含量上升是不可避免，但采取以上調節措施后，可降低吹風氣中CO含量上升的幅度。

2.2 半水煤氣中CO2含量上升的調整措施

采用增氧制氣后，半水煤氣中CO2含量升高的主要原因是吹風氣中CO2含量升高、N2含量降低，回收吹風氣補氮時帶入CO2所致。從理論上講，可通過加大上吹加氮方式補充N2來減少半水煤氣中CO2含量。紅磷分公司正是采用此方法來減少半水煤氣中的CO2含量，上加氮時間從10 s延長至15 s，半水煤中φ(CO2)可降低約0.2%。

2.3 入爐空氣中氧含量波動的調整措施

入爐空氣中氧含量波動主要是由于間歇式造氣爐使用空氣量不穩定所致。若要穩定入口空氣中的氧含量，可采取的措施主要是調節好吹風時間和循環時間，做好吹風排隊，盡量穩定造氣系統空氣使用量。紅磷分公司現常開6臺造氣爐，2套系統各開3臺，調節吹風時間在18～20 s、循環時間為120 s，6臺造氣爐吹風時間正好等于循環時間，可穩定入爐空氣使用量，氧含量波動也相對較小。從實踐結果看，通過調整，氧含量波動可以控制在2%以內。