連續式純氧氣化爐炭層高度測量技術優化

皇甫迎波

摘 要 針對某連續式純氧氣化爐炭層高度手動測量數據滯后，嚴重影響氣化爐安全運行的情況，提出氣化爐炭層高度測量改造優化方案。實際應用表明：該方案實現了炭層高度的自動檢測，測量數據在DCS實時顯示，DCS依據炭層高度變化自動修正布料時間的功能，而且測量數據準確可靠，氣化爐運行穩定，降低了操作人員的勞動強度。

關鍵詞 炭層高度測量 氣化爐 檢測器 DCS

中圖分類號 TH816；TQ056.1? ? 文獻標識碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0592-03

安陽化學工業集團有限公司九天精細化工年產6萬噸甲胺/二甲基甲酰胺（DMF）裝置配套建設有4臺直徑2 800 mm的純氧焦炭制備CO 氣體發生爐，主要由爐體、爐底、爐條機、灰箱及夾套鍋爐等部分構成，采用固定床純氧連續氣化工藝，以純氧和二氧化碳作為氣化劑，與焦炭在氣化爐內發生氧化還原反應，為DMF生產裝置提供CO原料氣。

炭層高度穩定是氣化爐正常生產的重要控制指標之一，原設計炭層高度的測量方法是操作人員到氣化爐頂，手動拉動探尺測量，并將檢測數據報送控制室操作人員。由于氣化爐數量多、現場工作環境差、操作人員數量不足等因素造成炭層高度測量數據反饋不及時，手動測量人工讀取數據誤差大，人工測量炭層高度的方法不能及時準確地指導操作工對氣化爐進行精準調控，時常造成炭層大幅波動，當出現炭層升高時會引起爐膛掛疤結塊無法下灰；當炭層降低時會造成炭層吹翻引起氧含量波動等異常情況，嚴重影響DMF裝置的安全穩定生產。

1 工藝流程

將粒度為25～60 mm的合格焦炭由料倉定時經給料插板閥加入到小布料器，小布料器將焦炭加入大布料器，由大布料器將焦炭加入到氣化爐。從空分裝置來合格的O2和CO2按一定比例混合后作為氣化劑從氣化爐底部進入，與焦炭進行氧化還原反應，氣化爐產生的粗煤氣經旋風除塵器除去大部分灰塵后匯入煤氣總管，并經廢熱鍋爐回收熱量后，進入聯合洗氣塔進一步除塵降溫，從洗氣塔頂部出來的煤氣溫度約45 ℃，送往煤氣柜。其主要反應如下：

C+O₂＝CO₂+394.5 kJ/mol （1）

C+CO₂=2CO-168.5 kJ/mol （2）

C+1/2O₂=CO+112.9 kJ/mol （3）

反應主要按式（1）、（2）進行，其中式（1）、（3）為放熱氧化反應；式（2）為還原反應，是吸熱還原反應。CO2氣化劑還作為載熱體，用于調節控制燃燒層最高溫度在焦炭灰熔點以下，防止爐膛內灰渣結塊。

2 對爐況的影響

炭層高度會直接影響氣化爐的運行情況。當氣化爐的炭層升高時，氣化劑與焦炭接觸時間延長，有利于CO₂還原為CO，同時高溫煤氣與低溫焦炭接觸時間延長，高溫煤氣的顯熱被充分回收，降低了焦炭消耗，有利于降低CO生產成本；缺點是氣化爐阻力升高，影響生產負荷，而且當出現氣化爐掛疤結塊時，基本上沒有處理手段，很容易造成停爐打疤的情況。當氣化爐的炭層降低時，氣化劑與焦炭的接觸時間短，CO2不能被充分還原為CO，同時高溫煤氣與低溫焦炭接觸時間短，高溫煤氣的顯熱不能被充分回收，會增加焦炭消耗；若炭層控制過低，易造成炭層吹翻出現風洞進而引起煤氣中氧含量超標的情況，火層下移時很容易燒壞爐底，甚至出現著火事故，嚴重危及生產安全。

因此，將炭層高度穩定控制在一定范圍內，是穩定氣化爐操作，降低消耗，確保裝置安全的重要控制指標。

3 存在的問題

該年產6萬噸甲胺/DMF裝置建設時，氣化爐炭層高度測量方法為操作人員現場手動檢測，測量裝置利用動滑輪原理，在現場氣化爐大蓋開孔，測量裝置由探桿、重錘、支撐桿及拉繩等組成。支撐桿標有刻度，操作工需到現場手動拉動探桿探測炭層高度，之后才能將測量數據反饋給控制室內的主操，主操人員根據所反饋的炭層高度在DCS上調整大布料器的布料時間（布料插板閥動作時間）來調節碳層高度。日常生產中，因氣化爐數量多，操作人員手動測量不及時，人工測量誤差等原因造成炭層高度變化數據反饋不及時、不準確，布料時間調整不及時，時常導致爐膛內灰渣結焦、炭層吹翻或出現風洞等影響生產的事故。

4 改造方案

針對存在的問題，結合生產工藝分析，制定以下改造方案：首先，對原手動測量裝置進行改造，增加由電磁閥控制的液壓油缸、霍爾檢測器、檢測盤、探桿等組成的炭層自動檢測裝置（圖1），由操作工現場手動測量優化為主操在DCS監控上進行自動測量，并且測量數據在DCS監控畫面上實時顯示。再由DCS根據每次測得的炭層高度與工藝設定值進行比較，由DCS根據比較結果偏差情況自動修正布料時間，自動精準調整大布料器插板閥的動作時間（即加焦炭量），實現布料時間的DCS精準調整，炭層高度變化范圍控制在±50 mm以內。

炭層高度自動測量裝置工作時，電磁閥得電，液壓油缸自下向上移動，在重錘重力的作用下探桿由上向下移動，進而鏈條帶動檢測盤轉動，直至重錘接觸到炭層后檢測盤停止轉動。霍爾傳感器檢測到檢測盤的輪齒進行計數，通過檢測到的脈沖計數進而測得爐膛空層高度。

5 實施和調試

停車檢修期間，在工藝置換處理合格后，在氣化爐頂大蓋上開探測孔，其孔徑不小于76 mm，內壁光滑，開孔要垂直。安裝時，首先保證自動測量裝置及探桿的垂直度，使探桿處在探測孔的中心位置，調整自動測量裝置，使探桿為垂直狀態，把底部點焊在大蓋上；然后固定鋼絲繩，最后配置安裝油路管道及電磁閥。

接通油壓調試，探桿自由靈活地勻速下落，下落速度可以通過調整油路管道的針形閥控制，探桿下落速度適中。其中，探桿有效行程3 000 mm，檢測盤加工精度要求較高（齒距30 mm）。在初始狀態下（探桿升至最高位置時），測量出氣化爐爐頂以下探桿長度L和氣化爐膛總高度H，檢測盤轉動過程中檢測器的脈沖計數個數為N。

通過DCS控制自動測量裝置電磁閥得電，檢測器脈沖信號接入DCS計數，系統按照炭層高度值= H -（L + 30 × N ）進行數學運算，得出炭層高度測量值并在監控畫面實時顯示。DCS根據測得的炭層高度，結合爐膛氣化層溫度等參數，通過PID控制算法，根據比較結果偏差情況自動修正布料時間，通過自動精準調控大布料器插板閥動作時間（即加焦炭時間），把炭層高度精準控制在設定范圍內。

DCS操作面板上炭層測量有自動和手動兩種測量模式，自動測量模式下需要設定炭層測量循環值，即多長時間炭層自動測量一次。手動模式下主操點擊“手動測量”后，觸發一次炭層測量動作，而自動模式只需主操點擊自動測量后，在氣化爐開車狀態下根據測量循環值和預設值自動觸發炭層高度測量系統，無需操作人員干預，自動周期性地測量。

6 結束語

根據氣化爐的工藝流程和設備結構特點，設計了氣化爐炭層高度自動測量系統，利用裝置大修的機會，對4臺氣化爐的炭層高度測量實施技術改造，技改投運后DMF裝置氣化生產真正實現了炭層高度的自動測量，并將炭層高度信號送到DCS實時顯示，炭層高度自動測量使數據更新準確及時，實現了大布料器布料時間的自動修正，解決了因炭層高度控制不穩定造成灰渣結塊、炭層吹翻、吹風洞等問題，實現了氣化爐高負荷運行和產氣純度提高的目標，不僅達到了炭層高度自動測量、精度高以及炭層控制穩定的目標，還大幅降低了操作人員的勞動強度，徹底解決了氣化爐穩定操作的技術難題，整體投運效果較好，為實現DMF生產裝置穩定運行創造了有利條件，解決了氣化爐安全生產技術難題。

（收稿日期：2022-12-15，修回日期：2023-02-28）