間歇式固定床氣化工藝蒸汽優化技術創新與應用

駱 青，李海洋，張 宇

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 阜陽 236400）

安徽晉煤中能化工股份有限公司合成氨裝置采用間歇式固定床氣化工藝生產半水煤氣，氨醇產量540 t/d，共有造氣爐10臺，正常運行9臺，造氣爐均為Φ2 800 mm直筒型，配套4臺風機（型號C600-1.28）。造氣爐在生產半水煤氣時，爐溫不斷變化，而入爐蒸汽量恒定不變，存在入爐蒸汽分解率低、氣化不均勻等缺點，造成了蒸汽浪費、造氣循環水不能平衡和煤氣爐出渣殘炭高等問題。為此安徽晉煤中能化工股份有限公司進行了間歇式固定床氣化工藝蒸汽改造，通過優化降低了系統吹風比例和吹風氣排放量，減少了蒸汽消耗量，對公司實現節能減排增效有著重要意義。

1 存在的問題

間歇式固定床煤氣發生爐在吹風階段結束后，爐內溫度已經達到最高點，此時熾熱的炭在高溫下相互黏結，致使床層阻力增大，在上吹通入蒸汽時，蒸汽壓力較低且流量恒定，蒸汽的穿透能力差，易導致氣化層局部溫度過高，熱量過于集中而產生局部結疤，引起爐況惡化。

傳統工藝是采取較大的上吹蒸汽入爐（即開大上吹蒸汽手輪閥）來避免爐內結疤，但一直恒定通入過量上吹蒸汽不但會使氣化層嚴重上移，而且上吹產生的煤氣會帶出更多的顯熱，導致煤氣發生爐溫度急劇下降。為使上移的氣化層降下來，只有加大下吹蒸汽流量，致使下吹階段蒸汽分解率降低，氣化層溫度迅速下降。為提高爐溫盡量蓄積較多的熱量，只有延長煤氣發生爐的吹風時間，相應就會縮短有效制氣時間，造成吹風氣中有效成分高、半水煤氣中有效成分低，氣質氣量差，煤耗高的局面。

煤氣發生爐在制氣前期爐內氣化層溫度較高，需用大量蒸汽進行氣化，隨著制氣時間的延續，后期氣化層溫度也隨之降低，此時入爐蒸汽的用量也應隨之減少，如果此時蒸汽流量保持不變，會降低蒸汽分解率、浪費蒸汽（不參加分解的蒸汽不但帶走大量的熱量，過熱蒸汽還會給洗氣塔增加很大負荷），造成一系列的熱量損失及能耗損失。

2 解決思路和主要措施

2.1 解決思路

采用上吹增壓和蒸汽遞減相結合的入爐蒸汽優化系統，能夠有效解決上述矛盾。

在吹風結束、上吹制氣開始時，啟動上吹增壓程序，將0.5 MPa～0.6 MPa的過熱蒸汽送入爐箅風帽附近，高溫、高壓的過熱蒸汽迅速與內環區熾熱的炭反應，產生優質的半水煤氣。此舉彌補了上吹蒸汽動力不足的缺陷，避免在高溫的內環區形成較硬的疤塊。下吹階段隨著制氣時間的延長爐溫迅速下降，此時利用蒸汽遞減工藝逐步減少入爐蒸汽的流量，減緩爐溫下降速度，縮小氣化層溫度的波動。

2.2 改造內容和措施

2.2.1 上吹蒸汽增壓改造

用Φ108 mm×4 mm無縫管引外供管網1.3 MPa過熱蒸汽，經DN100截止閥、自調閥減壓控制進入容積為2 m3的蒸汽緩沖罐，蒸汽緩沖罐出口蒸汽通過上吹增壓閥送至造氣爐爐底中心管（中心管向上延伸至爐箅第三層處），通過同心異徑管進入爐底，與原有的低壓上吹蒸汽一同通入爐內。油壓閘閥與專用電開型電磁閥連接，電磁閥信號由造氣DCS提供，電磁閥開啟時間點及結束時間點可以設定。改造后的上吹增壓流程示意圖見圖1。

圖1 改造后的上吹增壓流程示意圖

2.2.2 入爐蒸汽遞減優化

入爐蒸汽遞減裝置由蒸汽遞減機械裝置、比例液壓控制部分及DCS集散控制系統三部分構成，其組成示意圖見圖2。將遞減式調節閥安裝在總蒸汽手輪閥和上、下吹蒸汽液壓閥之間；在遞減式調節閥上安裝專用的液壓定位油缸；在電磁閥站的空余位置安裝專用油路控制集成塊。入爐蒸汽遞減系統通過DCS系統集中控制。

圖2 入爐蒸汽遞減裝置組成示意圖

2.2.2.1 蒸汽遞減機械裝置

蒸汽遞減機械裝置部分采用市場上常用的單閥板閘閥，通過加工改造制作成蒸汽遞減裝置專用閥門，不能完全關閉，沒有密封功能，不能作為蒸汽切斷閥用。

蒸汽遞減裝置專用閥門采用油壓缸驅動方式，油壓缸活塞采用雙向雙重Y型圈密封，保證油缸在頻繁動作的工況下不串油、無外泄漏。

閘板閥上安裝位移傳感器，通過傳感器測量閥門關閉程度，并向DCS系統反饋電信號。

現在，王罕嶺有“外灣”和“里灣”兩個自然村，外灣村后有一名叫“嵊縣峧(gǎo)”的山岡，過去，峧上是新昌地，里灣村在峧上為新昌管轄；峧下為嵊縣地，外灣村在峧下屬嵊縣，舊由嵊縣孝嘉鄉所轄。2007年調查時，外灣村民家門上方仍掛著一塊“嵊縣第七區爐峰鄉石嶺路第六一號61”的門牌。問詢外灣村民得知：外灣距嵊縣城為35千米，里灣距嵊縣城36千米，到華堂金庭觀7.5千米。嵊州市交通局立在王罕嶺北側的《陳公嶺隧道碑記》也有記述④。

2.2.2.2 比例液壓控制部分

比例液壓控制部分由液壓鎖緊回路和電液比例控制回路兩部分組成。

液壓鎖緊回路定位準確，可以確保閥門在任意位置停止，實現定位功能；電液比例控制回路是將不同的電信號輸出給比例控制元件，從而實現遞減閥門不同的啟閉速度，根據在工藝階段不同的時間調整閥門運動速度。

比例液壓系統穩定性好，功能性強，定位準確，自動化程度高，是蒸汽遞減裝置精細化控制的關鍵技術之一。在遞減的過程中，無管路沖擊振動，運行平穩，無噪音；減少了換向閥的換向頻率。

2.2.2.3 DCS集散控制系統

（1）DCS集散控制系統由工業控制機、顯示器、交換機、行程傳感器及儀表柜等組成，控制系統的硬件部分由CPU、模塊及輸入輸出電路構成。DCS集散控制系統采用WINCC軟件編程組態，構成人機對話界面，操作簡單，參數設定方便。

蒸汽遞減閥門上安裝的位移傳感器實時記錄閥門的開啟度，反饋給控制系統，記錄并生成蒸汽遞減閥門的動作實時曲線圖，供操作人員分析對比及參數設置參考，歷史數據可保留6～12個月。

從上述可知，在制氣的初期階段應該是大蒸汽制氣，隨后根據溫度的變化逐步遞減入爐蒸汽的流量，這樣不僅可以節省蒸汽，同時也減小了不必要的溫度損失，縮小了氣化層溫度的波動范圍，提高了蒸汽的分解率和有效氣體成分，對節能降耗有著重大意義。

（2）蒸汽遞減設定通過調試參數設置界面功能實現，供操作人員調試設備和操作造氣爐用。

蒸汽遞減調試參數有上吹恒定時間、上吹上限、上吹下限、下吹恒定時間、下吹下限及手動設定。

上吹恒定時間（s）：上吹開始后調節閥開始調節的時間。例如：上吹恒定時間設定為20 s，那么當上吹階段運行到20 s后，調節閥開始關閉。目前裝置上吹恒定時間穩定在20 s。

上吹上限（%）：上吹初期（恒定時間）調節閥的開度。例如：上吹上限設定為99%，那么在此恒定時間內調節閥的開度為99%，恒定時間過后，調節閥從99%的開度慢慢下行。目前裝置上吹上限為100%。

上吹下限（%）：上吹結束時調節閥應該關閉到的開度。例如：上吹下限設定為60%，那么上吹恒定時間過后，調節閥從100%的開度慢慢下行到閥門開度為60%的時候上吹結束。目前裝置上吹下限為70%。

下吹恒定時間（s）：下吹開始后調節閥開始調節的時間。例如：下吹恒定時間設定為10 s，那么當下吹階段運行到10 s后，調節閥開始關閉。目前裝置下吹恒定時間為20 s。

下吹上限（%）：下吹初期（恒定時間）調節閥的開度。例如：下吹上限設定為90%，那么在此恒定時間內調節閥的開度為90%，恒定時間過后，調節閥從90%的開度慢慢下行。

下吹下限（%）：下吹結束時調節閥應該關閉到的開度。例如：下吹下限設定為40%，那么下吹恒定時間過后，調節閥從90%的開度慢慢下行到閥門開度為40%的時候下吹結束。目前裝置下吹下限調整為40%。

手動設定（%）：手動操作時（二次蒸汽上吹階段）調節閥的開度。例如：手動設定為99%，那么調節閥的開度在二次蒸汽上吹階段始終保持在99%。

3 實施效果和效益分析

3.1 實施效果

安徽晉煤中能化工股份有限公司在主要生產裝置鼓風機、煤氣爐未改變的條件下，對間歇式固定床氣化工藝蒸汽進行優化，提高單爐發氣量107 m3/h，半水煤氣中二氧化碳體積分數降低0.62%，灰渣中殘炭占比從優化前的月平均18.5%下降到17.6%。經過核算上吹增壓多用的蒸汽量與蒸汽遞減節省的蒸汽量，蒸汽消耗降低了0.7%。上吹減壓前蒸汽壓力在1.3 MPa左右，減壓后在0.5 MPa左右，一天用汽在40t左右；0.6 MPa蒸汽用量明顯減少，由改造前每天150 t左右減少到100 t左右。

3.2 經濟效益和社會效益

3.2.1 直接經濟效益

技術總投資：上吹增壓和蒸汽遞減裝置共投資87.9萬元。

蒸汽價格按100元/t計，則技術應用后月節約蒸汽費用：（150-40-100）×100×30=3.0萬元

造氣崗位每天產生約85 t灰渣，原料煤價格當期約1 000元/t，技術應用后灰渣殘炭降低，月節約費用：（18.5%-17.6%）×85×30×1 000≈2.3萬元

按1 t煤生產2 950 m3煤氣計，技術應用后月增加煤氣產量折塊煤效益：107×9×24×30/2 950×1 000≈23.5萬元

技術應用后月節約總費用為：3.0+2.3+23.5=28.8萬元

改造后年節約費用：28.8×12=345.6萬元

綜上所述，技術應用后每年可為公司節約費用345.6萬元，該項技術共投資87.9萬元，4個月可回收全部投資。

3.2.2 社會效益

通過間歇式固定床氣化工藝蒸汽優化技術創新與應用，可降低吹風比例（吹風時間減少占原吹風時間百分比）2.3%～3.5%，減少吹風氣排放量1 150 m3/h～1 750 m3/h，有效實現了節能減排。