常压固定床造气的应用与展望

常压固定床造气的应用与展望作者/来源：马德勉（山东博山化肥设备厂，山东淄博255215）日期：2008-11-14煤气化技术广泛用于化工、化肥、玻璃、建陶等行业，具有广阔的应用前景。煤气化可分为固定床、流化床、气流床技术。1958年Ф1980mm土生土长的常压固定床间歇煤气发生炉在我国诞生，发展到现在，Ф2800mm已广泛应用于化工、化肥等中小企业，各种炉型近9000台。可见，常压固定床间歇气化技术在国内化肥、化工企业中仍占主导地位，造就中国特色50年的历史。流化床、气流床适合规模大的装置，是发展的长远目标和远景规划。１固定床间歇气化炉的发展固定床间歇气化煤气发生炉从1958年的Ф1980mm开始，逐步扩径到Ф2260mm、Ф2400mm、Ф2600mm、Ф2800mm五个规格。它们的基本结构一样，即半水夹套锅炉，原设计高度为1845㎜，扩径改造过程中，在原水夹套设计基础上加高300～900㎜不等。直筒型上炉体为内砌耐火材料，采用人工手动加焦（煤），后改为半自动到全自动加焦（煤）。Ф1980～Ф2400mm这几种炉持续使用近35年，现在仍然有一些小企业在用。Ф2600mm系列炉20世纪90年中期已开始改造，近10年使用后改为Ф2800mm，已达到极限。这种半水夹套锅炉煤气发生炉称为第一代煤气炉（下简称Ι炉）。21世纪初，化肥、化工迅猛发展，各企业不断扩大规模，本着投资少，见效快，减少占地的原则，在直筒炉的基础上，改为外直内锥的锥形煤气发生炉。称为第二代煤气炉（下简称Ⅱ代炉）。2003年，国家对煤矿规范管理，关闭一部分小煤矿，从此煤价逐年攀升。使以煤为原料的企业利润空间越来越小，不少企业不得不改变原料路线，用本地煤、劣质煤或用无烟沫制各种型煤。然而这些劣质煤气化带来的问题多，如炉况易恶化，不稳定。为适应这些煤种的气化需求，第三代煤气发生炉孕育而生，即全水夹套炉或复合煤气炉（下简称Ⅲ代炉）。２三种炉型近年来经典改造过程2.1Ⅰ代炉这是我国建国初期移置了部分UGI工艺技术、结合国家的状况而设计的炉型。刚开初对原料的要求比较苛刻，要求是高温冶金焦，且粒度为25～75㎜。中期改为优质山西晋城无烟块煤。煤气炉运行较稳定，气量和气质都很好（负荷轻）。后期随着各企业规模扩大，煤炭紧张，改烧劣质煤，一些设备改造不匹配，没有系统性改造，暴露的问题就多了。炉况不稳定，易恶化，“二差”、“三高”、“一短”随时出现，即发气量差，气质差，煤耗高，蒸汽消耗高，煤气温度高，设备寿命短。为烧好劣质煤，广大造气专业人员和科技人员多年来共同努力，对煤气炉不断进行系统改造，使中国特色的小型炉又有新的生机。经典的改造情况（系统性全方位改造）如下。（1）煤气系统流程四炉—站—机—锅（组合）—塔，即四台炉共用一台油压泵站，一台空气鼓风机，一台废锅炉（上废锅下过热器），一台洗气塔。（2）蒸气流程水夹套及废热锅炉自产蒸汽，去过热器过热，回蒸汽缓冲罐（罐容积不小于35～40m3），放在四炉中间，尽量靠近炉子，蒸汽总管Ф377mm或Ф426mm，单炉支管Ф273mm或Ф325mm，四台炉以上可将缓冲罐连通使用。这样便于蒸汽压力的稳定，有利于造气炉工况的稳定。（3）吹风气回收流程无论上第二代（中燃式）还是第三代（下燃式）吹风回收系统，采用微负压的工艺（有数种流程）。根据企业自身状况，选择适合工艺需求的流程。（4）空气流程四台炉共用一台空气鼓风机，总管Ф1000㎜、支管Ф700mm、上吹加氮Ф273mm。（5）油压流程油路总管Ф76mm、支管Ф38mm，泵站设连锁装置，设置低限为3.8MPa，若到低限另一台自动开启，保持油压系统正常，减少阀门因油压系统波动大，导致开关慢或开关不到位，影响造气炉的稳定运行的情况。（6）高径比煤气炉逐步扩径改造，但每次扩径都未重视高径比，导致高径比严重失调，即扩径后截面积大了，也不多产气，反而出现炉况不稳定，一些企业扩径改造运行一段时间又改回来，走回头路。其实他们没有把扩径后运行不正常的真正原因找出来，盲目行动，草率行事，使企业蒙受较大的经济损失。煤气炉改造不光要考虑整体合理高径比，还应考虑水夹套的高径比。过低，夹套易挂壁，一般半水夹套高径比为1∶1。煤气炉整体高径比块煤为2∶1；型煤2.2∶1。（7）炉箅随着高径比的提高，炉箅过低也不适应，应采用多层多边的，布风均匀合理，破渣排渣能力强，适当增加高度，即炉箅自然的倾斜角大，有利于排渣畅通，同时适当加大炉箅底座6个大角，使与灰犁尺寸匹配，保证气化的灰渣落在灰盘上通过炉条机转动能及时排出。再次衍生的灰渣有立足之地，实现新陈代谢，不滞流灰渣，减少炉条机做无用功。（8）灰渣的排放形成的灰渣在排灰口能否及时排出，根据不同的煤种设立排灰口的安息角角度。无论设计内防或外流，安息角设计为35～40°为最佳。（9）加焦（煤）的方式加焦（煤）由手动、半自动到自动加焦（煤），但实现不了煤的综合利用和显热的综合利用，只是减少了工人的劳动强度。最优的造气加焦（煤）实现了自循环，当上行温度低，显热很难回收。对半自动加焦（煤），可以提前把煤送入造气炉内，利用吹风和上吹制气的显热逐步加热料层，即使下吹（过热蒸汽180～230℃）制气也能加热料层，提前慢加热和干馏，热稳定性得到提高，减少热损失，实现煤的自产自用，减少用显热自产蒸汽的过程。因此提高高径比，加长布料长度，把煤放在布料器中提前慢加热（对一些劣质煤更有利），这样同时缩小了空程死空间，有利于间歇制气转换时间，是目前小型炉最佳的加焦（煤）方式。故此河南新乡心连心化工厂近70台煤气发生炉均是半自动加焦（煤）。（10）系统阻力根据不同炉型、煤质，产成品及气量的要求，计算出切实可行的管道尺寸，应尽量减少管道弯头和避免远距离传送，减少水封装置，这样尽量减少系统阻力。（11）控制系统由单片机到PLC粗放型的控制系统已过时，应淘汰。随着DCS系统的应用，智能化、程控化、管理化得到广泛应用，发挥了很好的经济效益。2.2Ⅱ代炉第二代煤气发生炉是在Ⅰ代的基础上发展演变而成的。结构是半夹套（外直内锥），水夹套截面积下大上小。其他部件及外静止设备的流程与Ⅰ代炉完全一样，锥型炉结构的主要特点是，煤气炉内下大上小，有利于介质流动；改造方便，节约工期和费用；有利于通风，便于提高炉温，增加产气量；蒸汽分解率高、气质好、煤耗低、返焦少。此炉型投放市场后，颇受小氮肥企业的青睐，纷纷改造或上马。改造上马初期运行稳定，有十分明显的效果。然而在运行一段时间后，出现了炉况不稳定，产气低、消耗高等问题，有时还需扒炉，新开起来的装置没有把真正的原因找出来，未能对症下药。笔者走访了不少用此炉型的用户，有类似的原因，有的把原因找准了，问题得到解决，恢复正常的使用。有的企业没有找准原因，问题仍得不到解决，炉况时好时孬。我认为是操作不稳定造成的，出现问题束手无策，无所适从。炉条机是调渣层厚薄的，不是调炉下温度高低的，炉下温度的高低主要通过上下蒸汽及时间来控制。用炉条机调节炉下温度，若加快转速，其结果是炉下温度在指标范围了，但没有渣层了，使炉下设备寿命短，影响炉况稳定。两排灰口由于没有灰渣层，极易塌炉、流生炭，从而使炉内“五层次”即灰渣层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层“紊乱”，“层位交错”或称为“断层”。原有条不紊的五个层次彻底打乱不复存在了，只好减负荷，重新养炉，逐步恢复。由于塌炉、流生炭极易导致灰渣在灰盘二次燃烧，烧坏上灰仓，跑冒滴漏严重，污染环境；两排灰口烧坏、内外防流板或变形，影响正常的使用，使炉况很难稳定，轻者（下偏灰重者）两边均流生炭，炉况难以恢复正常，只好扒炉，修整防流装置，方能使炉子稳定正常运行。一些片法看法把这种现象归结为这种炉型结构不合理、不成功，是不恰如其分的判断，误导了新技术的推广利用。2.3Ⅲ代炉Ⅲ代炉是吸收了Ⅰ、Ⅱ代煤气炉的精华和经典研制而成的。其结构是全水夹套，炉顶采用椭圆封头（夹层），有直筒和外直内锥两种结构形式。其他部件及外流程图与Ⅰ、Ⅱ代炉基本相似，除具有Ⅰ、Ⅱ代炉优点外还有以下特点：（1）煤种适应强、操作弹性大；（2）有利于高炭层操作；（3）蓄热效果好、产气量大、气质好；（4）消耗低、返焦少；（5）有效降低炉上温度、减少热损失，把吹风及上吹的显热首次回收，可降低吹风气及煤气的流速、减少带出物；（6）完全避免挂炉现象的发生；（7）蒸汽分解率高，降低了洗气塔负荷及循环水用量，也降低了煤气温度。关于上述优点笔者曾在小氮肥发表《复合炉锥形炉的浅析与应用》一文。因此近年来这种炉型得到数家企业的认可应用，发挥了很好的作用。一些中型氮肥厂把20世纪30年代从美国引进的UGI也进行改造，移植小氮肥经典改造流程，使UGI炉面目全新，美式的UGI也变成了中国式的煤气炉，运行稳定，效益显著。3常压固定床间歇气化技术的展望常压固定床间歇气化技术在中国已走过50个春秋，为化工、化肥中小型企业作出了突出的贡献。随着时代的发展，资源的逐步枯竭，能源的利用率已是全社会及全球关注的问题。进入21世纪我国提出了节能减排的战略目标。节能减排、能源综合利用，保持生态平衡，造福子孙后代已是全社会的责任，每个公民责无旁贷。然而，常压固定床间歇气化技术存在能耗高、污染重、煤利用率低的弊端，但又是化工化肥煤气化的主要工艺，食之无味，弃之可惜。淘汰这种气化技术只是时间的问题，只有将常压固定床间歇气化技术改为连续气化。3.1常压固定床间歇气化与富氧（纯氧）连续气化的对比分析将常压间歇气化改为连续气化，在原炉型基础上增加空分装置，改动控制系统。连续气化是等径间歇气化煤气炉产气量的1.8～2.5倍，且热损失少，蒸汽分解率高，气体质量好，煤炭的利用高，返焦含量低，无吹风气排放，节能减排，安全环保。3.1.1连续气化无吹风阶段，富氧（纯氧）+蒸汽连续入炉，气化反应可以维持两大平衡（物料、热量），压力和温度稳定，介质流向一致，热损失少，气质好，蒸汽分解率高，产气量大，煤炭利用率高，氨醇成本低。间歇气化每个循环的6个步骤中，吹风占1/3的时间，储存的热量利用40%，60%的热量去吹风气回收或放空，即使回收也是用无烟煤换蒸汽，烟煤与无烟煤价格差得大，不经济，且污染环境，放空更是浪费，每循环过后周而复始，炉温变化大，产气量不稳定。3.1.2连续气化工艺流程简单，操作稳定，便于管理。程控阀门少，故障率低，维修费用少，气体成分易调节。间歇气化流程复杂，操作不稳定，不便于管理，程控阀门多，开关频繁，故障率高，维修强度大，费用高，气体成分不便于调节。3.1.3连续气化取消吹风阶段，无吹风气排放，环保好，间歇气化吹风气放空，热损失大，浪费能源，污染环境。3.1.4连续气化正常生产中，程控阀门不需开关步骤，噪音小，安静，稳定性好；间歇气化阀门开关频繁，气体流向交替变化，噪音大，不利于健康。3.1.5连续气化气体中CO2比间歇法高6％～8%，有联醇工艺可消化一部分，若有碳酸氢铵基本消化完，无这两种的工艺可采取其他方式回收利用，实现变废为宝，循环经济，节能减排。回收的CO2送入造气炉，实现三种气化剂连续气化，可大大提高有效气体含量，降低生产成本。以上两种气化技术的对比分析表明，连续气化从工艺技术、原料消耗、安全环保、操作稳定、维修费用、产气量、蒸汽消耗等方面，均优于间歇气化技术，是煤气化技术小规模大发展之必然趋势。4连续气化种类连续气化有纯氧连续气化（氧浓度99.5%）和富氧（氧浓度50％～60%）连续气化。纯氧连续气化又分为纯氧＋CO2气化和纯氧＋蒸汽气化两种。（1）纯氧＋CO2气气化技术称为焦（煤）部分氧化还原法，简称CO炉。CO炉利用纯氧和CO2作为气化剂，通过常压固定床以焦（煤）为原料连续气化的方法制备高纯CO气，煤气中CO为68％～71%，通过后面的净化、压缩、精脱硫变压吸附提纯等工序，最终得到纯度大于96%的CO，可生产甲酸、甲胺羰基合成等产品。此技术是一种较新型的气化技术，在国内有数十家近60台Ф2400～Ф2600mm煤气炉使用，发气量3000～10000m3/h（炉径不等）。CO炉的特点：（1）结构设计独特，高径比大于3∶1；铸钢炉箅具有强破渣