低壓固定床純氧連續(xù)氣化制水煤氣工藝設(shè)計(jì)案例

孫軍，孫俊杰

（安徽華東化工醫(yī)藥工程有限責(zé)任公司，安徽合肥230041）

傳統(tǒng)的固定床間歇?dú)饣夹g(shù)（UGI）由于其能耗高、環(huán)保壓力大、單爐發(fā)氣量低等缺陷已漸漸退出歷史舞臺(tái)，屬國(guó)家《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》中限制類(lèi)。在固定床間歇?dú)饣A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的固定床富氧連續(xù)氣化、純氧連續(xù)氣化相比流化床、氣流床氣化技術(shù)，因其投資小、建設(shè)快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

筆者設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)某化工企業(yè)綜合考慮裝置規(guī)模、工程投資、建設(shè)周期、原料供應(yīng)等綜合因素，確定采用低壓固定床純氧連續(xù)氣化制取水煤氣，再經(jīng)過(guò)后續(xù)一系列凈化單元，最終生產(chǎn)99.9%（V%）的工業(yè)氫氣。

1 裝置概況

氣化裝置為下游凈化裝置提供合格的水煤氣作為制氫原料氣使用。采用固定床低壓純氧連續(xù)氣化技術(shù)，裝置煤氣生產(chǎn)能力為12 000 Nm3/h（干基），有效氣體CO+H2≥80%，設(shè)計(jì)1臺(tái)Φ3 200 mm純氧連續(xù)氣化爐，氣化壓力90 kPaG，出氣化界區(qū)壓力45 kPaG，氣化裝置設(shè)計(jì)年開(kāi)工時(shí)數(shù)為7 920 h。

1.1 工藝流程

（1）原料無(wú)煙塊煤由料倉(cāng)進(jìn)入自動(dòng)加煤機(jī)，自動(dòng)定時(shí)、定量加入氣化爐頂部煤鎖，煤鎖沖壓至與氣化爐壓力相同時(shí)，打開(kāi)煤鎖下閥，煤通過(guò)重力進(jìn)入氣化爐內(nèi)。

（2）來(lái)自空分的氧氣和來(lái)自管網(wǎng)及自產(chǎn)的蒸汽，經(jīng)計(jì)量和比例調(diào)節(jié)進(jìn)入混合罐中混合，控溫150℃～200℃，從氣化爐底部由爐篦均勻布?xì)膺M(jìn)入爐底灰渣層，經(jīng)過(guò)灰渣層換熱后依次進(jìn)入氧化層和還原層，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生水煤氣，水煤氣再依次向上經(jīng)過(guò)干餾層和干燥層，降溫至450℃～550℃由氣化爐頂送出。

氧化層和還原層中主要化學(xué)反應(yīng)有：

（3）灰渣經(jīng)過(guò)氣化劑吸收顯熱后降溫至200℃～250℃，由爐篦周期性排入灰鎖斗。

（4）氣化后的水煤氣，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵，除塵效果可達(dá)85%，再進(jìn)入廢熱鍋爐，降溫至150℃左右，同時(shí)副產(chǎn)低壓蒸汽。150℃的水煤氣經(jīng)過(guò)水洗塔降溫至45℃，送往后續(xù)工段。

1.2 原料及公用工程消耗量

氣化單元原料消耗和公用工程消耗，具體如表1～表4。

表1 原料消耗表（氣化爐出口氣1 000 Nm3）

表2 公用工程消耗表（水耗）

表3 公用工程消耗表（電耗）

表4 公用工程消耗表（氮?dú)饣驂嚎s空氣）

2 原料及產(chǎn)品規(guī)格

（1）原料煤規(guī)格

該企業(yè)老廠合成氨裝置UGI氣化爐主要采用河南焦作和永城的無(wú)煙塊煤，本次設(shè)計(jì)主要依據(jù)焦作和永城的無(wú)煙塊煤指標(biāo)，具體如表5。

表5 焦作和永城的無(wú)煙塊煤指標(biāo)

表6 產(chǎn)品水煤氣規(guī)格

（2）產(chǎn)品水煤氣規(guī)格

氣化裝置的目的是為下游制氫裝置提供合格水煤氣，因而有效氣含量越高越好，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)CO+H2≥80%，具體如表6。

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)煤氣化等工藝過(guò)程對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的高水平要求，本裝置采用集散控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行集中操作、數(shù)據(jù)采集、過(guò)程檢測(cè)和控制、趨勢(shì)記錄、超限報(bào)警、信息處理等。根據(jù)工藝需要及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，又設(shè)置安全儀表系統(tǒng)，從現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室到中央控制室的信號(hào)傳輸采用冗余光纜。操作管理人員在中央控制室完成生產(chǎn)裝置的控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警及報(bào)表等操作。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室設(shè)置1套DCS工程師站和SIS工程師站，用于開(kāi)車(chē)前的系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)等工作。中央控制室聯(lián)合布置，可實(shí)現(xiàn)工廠管理模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)崗位或裝置操作模式變?yōu)橄到y(tǒng)操作的現(xiàn)代化綜合管理模式。

氣化油壓系統(tǒng)儀表信號(hào)進(jìn)入DCS儀表系統(tǒng)，安全聯(lián)鎖進(jìn)入SIS系統(tǒng)。主要的控制功能包括：

（1）氣化爐過(guò)程各工藝閥門(mén)的程序邏輯控制

（2）加煤自動(dòng)及炭層高度和加炭量控制

（3）進(jìn)爐氧氣量和蒸汽量的比值控制

（4）下灰、加煤前蒸汽置換聯(lián)鎖

（5）加煤機(jī)加料順控邏輯聯(lián)鎖汽包液位低位聯(lián)鎖

（6）汽包液位低位聯(lián)鎖

（7）氣化出口氧含量高位聯(lián)鎖

（8）油壓系統(tǒng)油壓低位聯(lián)鎖

其中較為復(fù)雜的控制有：

（1）自動(dòng)加煤及炭層高度和加炭量控制

本氣化主裝置采用最新特殊的碳層高度檢測(cè)裝置，即特殊的高溫雷達(dá)碳層測(cè)量?jī)x，該檢測(cè)裝置不需要以前探桿測(cè)量時(shí)的油壓驅(qū)動(dòng)裝置，不會(huì)出現(xiàn)探桿測(cè)量時(shí)泄漏煤氣的隱患，安裝簡(jiǎn)單，密封可靠，可以承受800℃～1 000℃的高溫，可以連續(xù)不間斷進(jìn)行測(cè)量。碳層高度優(yōu)化控制系統(tǒng)連續(xù)不間斷測(cè)量煤氣爐的碳層高度，并把碳層高度的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳回到控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)上，用實(shí)際測(cè)到的數(shù)據(jù)與理想的設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)差值的大小計(jì)算出給料時(shí)間的調(diào)節(jié)幅度，自動(dòng)控制插板閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，達(dá)到碳層高度的穩(wěn)定。

通過(guò)碳層高度測(cè)量進(jìn)行加煤量的自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)根據(jù)所測(cè)的氣化層位置變化和生產(chǎn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)制氣循環(huán)的給煤時(shí)間，也就自動(dòng)控制了碳層高度和每個(gè)循環(huán)所需的加煤量，保證實(shí)際碳層高度與工藝要求高度相符。

氣化爐專(zhuān)用加煤機(jī)由插板閥、小布料器、大布料器和容煤桶等主要部件組成，還包括防止煤氣泄漏保護(hù)加氮閥以及加煤完成后的氮?dú)馀欧砰y。各閥門(mén)通過(guò)程序控制，平均動(dòng)作時(shí)間為3分鐘/次，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加煤功能。

（2）進(jìn)爐氧氣量和蒸汽量的比值控制

純氧氣化汽氧比一般為2.2～3.0之間，以焦粒作為原料氣化的汽氧比相對(duì)較低，一般為2.2～2.4，以白煤為原料氣化的汽氧比相對(duì)較高，一般為2.7～2.9。如果入爐混合氣中氧含量變化不定,將直接影響水煤氣的質(zhì)量，O2濃度過(guò)高會(huì)使?fàn)t子溫度過(guò)高，燒壞氣化爐；O2濃度過(guò)低會(huì)使燃燒溫度過(guò)低，CO產(chǎn)量不足，故采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，通過(guò)蒸汽的流量自動(dòng)調(diào)節(jié)氧氣的變化。在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了蒸汽流量控制回路，克服了蒸汽流量干擾的影響，提降負(fù)荷比較方便，只需提降蒸汽流量的給定，就可以提降蒸汽流量，從而使氧氣流量自動(dòng)跟蹤提降，并保持比值不變。

（3）連續(xù)氣化不停爐下灰控制

采用新型無(wú)泄漏全密封上灰門(mén)、下灰門(mén)及中央集塵器下灰門(mén)，閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成座板式，密封安全可靠。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和集中兩地控制。現(xiàn)場(chǎng)控制箱采用防爆下灰控制箱（手/自型），可實(shí)現(xiàn)與DCS信號(hào)的傳送。不停爐下灰主要安全聯(lián)鎖控制有1#灰倉(cāng)、2#灰倉(cāng)上下灰門(mén)油路互鎖，上下灰門(mén)不可同時(shí)打開(kāi)；DCS上設(shè)置煤氣爐運(yùn)狀態(tài)和中央灰倉(cāng)下灰門(mén)互鎖；下灰時(shí)要關(guān)閉上灰門(mén)，DCS檢測(cè)爐底壓力及上灰門(mén)的狀態(tài)，爐底壓力正常時(shí)，關(guān)閉上灰門(mén)。下灰完成后，下灰門(mén)關(guān)閉到位，通過(guò)人工“下灰完成”確認(rèn)操作后，爐底壓力正常時(shí)，打開(kāi)上灰門(mén)。爐灰就可以通過(guò)上灰門(mén)下至灰倉(cāng)，進(jìn)行下一次的下灰操作。

4 結(jié)論

低壓固定床純氧連續(xù)氣化制水煤氣工藝相對(duì)于常壓固定床純氧氣化工藝具有氣化強(qiáng)度高、降低壓縮功、因取消煤氣柜而節(jié)省占地和投資等優(yōu)勢(shì)。

作為一種改進(jìn)型的氣化技術(shù)，該技術(shù)具有一定的市場(chǎng)前景，尤其對(duì)于需要小規(guī)模氫氣和一氧化碳的生產(chǎn)企業(yè)，具有投資省、建設(shè)快、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)。相比甲醇和天然氣制氫，低壓固定床純氧連續(xù)氣化制氫更具有經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)理論計(jì)算及工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)，低壓固定床純氧連續(xù)氣化制水煤氣成本約為0.4～0.5元/標(biāo)立方米，制氫成本低于1元/標(biāo)立方米。該工藝通過(guò)合理、優(yōu)化的設(shè)計(jì)，能為化工生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。