煤氣發(fā)生爐增氧制氣工藝對比及效果分析

余仕良

(云南云天化股份有限公司云峰分公司 云南宣威 655426)

煤氣發(fā)生爐增氧制氣工藝對比及效果分析

余仕良

(云南云天化股份有限公司云峰分公司 云南宣威 655426)

介紹了變壓吸附制氧的主要設(shè)備參數(shù)、產(chǎn)品性能、消耗、成本等指標，闡述了煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)增氧制氣投運的調(diào)節(jié)控制過程，對增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐各工藝參數(shù)、氣體成分、灰渣殘?zhí)己?、產(chǎn)氣量、消耗等指標進行了詳細對比。對比結(jié)果表明，煤氣發(fā)生爐實施增氧制氣是一項投資少、見效快、增產(chǎn)、增效的技改項目。

煤氣發(fā)生爐；增氧制氣；性能指標；效益對比

氧氣是固體燃料氣化不可缺少的氣化劑，固定層間歇煤氣化制氣技術(shù)一般采用空氣作為氣化劑，工藝簡單、投資省，但產(chǎn)氣量低、原料消耗高。增氧氣化技術(shù)是在原固定層間歇煤氣化工藝制氣的生產(chǎn)裝置上，采用比空氣中氧氣體積分數(shù)高3%～10%的增氧空氣作為氣化劑進行間歇制氣的一項新興節(jié)能降耗技術(shù)，以提高煤氣發(fā)生爐吹風(fēng)效率、縮短吹風(fēng)時間、延長制氣時間、降低顯熱和潛熱損失、提高原料煤中碳的利用率、減少吹風(fēng)氣的排放量及其熱量損失，從而達到提高單爐生產(chǎn)能力、降低原料消耗和降低合成氨生產(chǎn)成本的目的。為了進一步降低合成氨原料消耗，云南云天化股份有限公司云峰分公司(以下簡稱云峰分公司)于2014年利用原有的閑置廠房新建了1套3 000 m3/h(標態(tài))真空變壓吸附(VPSA)制氧裝置，在原有固定層間歇氣化爐上實施增氧氣化。

1 VPSA制氧裝置及其配套裝置

云峰分公司制氣裝置建有12 臺Φ3 000 mm煤氣發(fā)生爐，常開6臺爐，半水煤氣產(chǎn)量55 000～56 000 m3/h(標態(tài))，配套開6臺壓縮機，年產(chǎn)總氨120～130 kt。

1.1 VPSA制氧裝置氧氣產(chǎn)品及參數(shù)

制氧裝置采用徑向雙塔VPSA制氧方式，設(shè)計生產(chǎn)φ(O2)=90%的氧氣3 000 m3/h(標態(tài))。出吸附塔的氧氣(10～15 kPa)經(jīng)氧氣加壓機加壓至55 kPa后送至煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)的空氣總管，與空氣混合后形成增氧空氣。氧氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)配套裝置有氧分析儀、調(diào)節(jié)閥、壓力表、油壓座板閥等。

1.2 VPSA制氧裝置主要設(shè)備

羅茨真空泵：ZR8- 800A型，壓力- 53.3 kPa,風(fēng)量698.3 m3/min。配套電機：Y6303- 12型，800 kW，6 kV/50 Hz，595 r/min。

羅茨鼓風(fēng)機：ZR7- 750型，壓力49 kPa，風(fēng)量609.6 m3/min。配套電機：Y5601- 10型，630 kW，6 kV/50 Hz，595 r/min。

氧氣增壓機：RRE- 250型，壓力55 kPa，風(fēng)量71 m3/min，電機功率90 kW。

吸附劑：鋰基吸附劑，使用壽命10年。

1.3 VPSA制氧裝置能耗

1 m3氧氣耗電(不含氧氣增壓機)0.35 kW、耗水2 m3，其余冷卻水循環(huán)使用。

1.4 氧氣產(chǎn)量及質(zhì)量

VPSA制氧裝置氧氣產(chǎn)量及質(zhì)量如表1所示。

表1 氧氣產(chǎn)量及質(zhì)量

項 目指標值最高最低平均值合格率φ(O2)/%≥90.091.589.890.6100%產(chǎn)量/(m3·h-1)≥3000309730023078100%

1.5 投資及建設(shè)周期

包括煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)的管道、閥門、儀表等(不含制氧裝置廠房)，VPSA裝置實際投資約1 300 萬元。該項目于2014年1月立項，5月開始進行設(shè)備基礎(chǔ)土建施工，7月底完成設(shè)備及管道安裝、試車并生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品氧氣，8月5日煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)投運間歇增氧制氣。

1.6 氧氣成本分析

1 m3氧氣成本分析如表2所示。

表2 1 m3氧氣成本分析

項 目電耗/(kW·h)單價/元費用/元動力電1)0.400.400.160修理費0.010折舊0.058利息0.028合計0.256

注：1)含氧氣增壓機電耗

2 增氧制氣工藝調(diào)整過程及運行狀況

VPSA制氧裝置自2014年8月5日投入運行后，羅茨鼓風(fēng)機、真空泵、氧壓機、吸附塔等運行正常，主要指標達到設(shè)計要求。煤氣發(fā)生爐系統(tǒng)增氧制氣方式為空氣總管增氧，即在煤氣發(fā)生爐吹凈、吹風(fēng)、回收及上加氮階段均增氧，以提高入爐空氣氧濃度。煤氣發(fā)生爐增氧制氣工藝根據(jù)入爐氧氣量平衡進行調(diào)節(jié)，即依據(jù)入爐空氣中氧氣濃度的變化，調(diào)整單爐吹風(fēng)時間，平衡單爐熱負荷。單爐吹風(fēng)時間與氧氣濃度調(diào)整如表3所示。

表3 單爐吹風(fēng)時間與氧氣濃度調(diào)整

項 目 現(xiàn)狀第1階段第2階段第3階段第4階段入爐空氣中φ(O2)/%20.022.023.0～24.024.0～25.025.5～27.02#爐入爐空氣量/(m3·h-1)71976542625859975644入爐氧氣量/(m3·h-1)1439.31439.31439.31439.31439.3每個循環(huán)減少吹風(fēng)時間/s346103#爐入爐空氣量/(m3·h-1)72566597631060475805入爐氧氣量/(m3·h-1)1451.31451.31451.31451.31451.3每個循環(huán)減少吹風(fēng)時間/s346104#爐入爐空氣量/(m3·h-1)67416312603857865555入爐氧氣量/(m3·h-1)1388.61388.61388.61388.61388.6每個循環(huán)減少吹風(fēng)時間/s3461010#爐入爐空氣量/(m3·h-1)61005712546352365026入爐氧氣量/(m3·h-1)1256.61256.61256.61256.61256.6每個循環(huán)減少吹風(fēng)時間/s3461011#爐入爐空氣量/(m3·h-1)70006555627060085768入爐氧氣量/(m3·h-1)1442.01442.01442.01442.01442.0每個循環(huán)減少吹風(fēng)時間/s34610

根據(jù)氧平衡進行了工藝參數(shù)的調(diào)整：氧氣濃度(體積分數(shù)，下同)調(diào)整為23.0%，吹風(fēng)時間從34 s縮短至30 s；氧氣濃度升至25.5%～27.0%，吹風(fēng)時間最后縮短至23～25 s。因吹風(fēng)時間縮短及風(fēng)量減少，為防止火層下移，上吹時間從38 s延長至50～56 s(調(diào)整思路：減少上吹蒸汽量，延長上吹時間，增加制氣時間；增加下吹蒸汽入爐量，縮短下吹時間)，上加氮從24～30 s延長至42 s。采用增氧制氣工藝后，煤氣發(fā)生爐工藝運行比較平穩(wěn)，生產(chǎn)能力提高，由原6臺爐供6機減為5臺爐供6機。增氧前后工藝參數(shù)對比見表4。

表4 增氧前后工藝參數(shù)對比

項 目 增氧前增氧后吹風(fēng)時間/s33～3523～25上吹時間/s35～3850～55上加氮時間/s24～3039～45上下吹蒸汽量/(t·h-1)6.1～8.56.5～9.0爐條機轉(zhuǎn)速(r·min-1)140～170150～200

3 增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐工藝參數(shù)對比

3.1 煤氣發(fā)生爐效率對比

增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐效率對比見表5。

表5 增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐效率對比 %

注：1)升高為“+”，降低為“-”，下同

經(jīng)測算：增氧后，吹風(fēng)時間縮短10 s，吹風(fēng)氣量及熱損失減少，進入半水煤氣中的碳和熱量增加；在相同原料下，蒸汽分解率提高3.5%，吹風(fēng)效率提高3.8%，吹風(fēng)氣帶走碳比率下降5.4%，碳利用率提高6.2%，氣化效率提高5.0%，冷煤氣效率提高6.7%。

3.2 煤氣發(fā)生爐上、下行溫度對比

增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐上、下行溫度對比如表6所示。

倒立擺硬件系統(tǒng)包括STM32主控模塊、角位移傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、穩(wěn)壓模塊、直流減速電機等。系統(tǒng)的電源采用3節(jié)18650電池供電，利用穩(wěn)壓模塊為電機驅(qū)動模塊提供8V的電壓，給單片機提供5V的電壓。將角位移傳感器傳回的實時角度和直流減速電機傳回的速度傳入主控制器，主控制器通過PID控制器計算并輸出電機下一步運行所需的PWM值，驅(qū)動電機運行，最終實現(xiàn)擺桿的動態(tài)平衡。系統(tǒng)運行期間，利用Nokia 5110進行實時數(shù)據(jù)顯示與模式調(diào)節(jié)顯示，方便整個系統(tǒng)的運行。在機械結(jié)構(gòu)方面，采用不銹鋼制成的支架，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；采用導(dǎo)線環(huán)與電機相連，解決了系統(tǒng)運行時的繞線問題。系統(tǒng)整個結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

煤氣發(fā)生爐增氧后，炭的燃燒反應(yīng)速率加快，上行溫度平均升高9 ℃，下行溫度平均升高17 ℃，但上、下行溫度變化隨使用的焦炭品種有一定差別。

表6 增氧制氣前后煤氣發(fā)生爐上、下行溫度對比

項 目指標/℃增氧前平均值/℃合格率/%增氧后平均值/℃合格率/%2#爐上行溫度≤450442.688.5447.573.22#爐下行溫度150～300231.698.6247.693.63#爐上行溫度≤450388.4100.0398.397.83#爐下行溫度150～300203.493.6231.098.94#爐上行溫度≤450389.0100.0397.098.54#爐下行溫度150～300214.793.8234.598.510#爐上行溫度≤450438.089.2445.073.610#爐下行溫度150～300219.0100.0231.0100.011#爐上行溫度≤450430.095.5443.074.111#爐下行溫度150～300231.0100.0243.0100.0

3.3 氣體成分變化對比

在氣化層中，水蒸氣與碳的主要反應(yīng)為C+H2O=CO+H2-Q1以及C+2H2O=CO2+2H2-Q2，均為吸熱反應(yīng)。根據(jù)平衡移動原理可知，溫度升高，平衡向生成物方向轉(zhuǎn)移，但溫度對這2個反應(yīng)的影響程度是不一樣的，溫度升高更有利于生成CO的反應(yīng)。所以，煤氣發(fā)生爐增氧后，有利于提高氣化層溫度和煤氣中CO含量。

3.3.1 增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比

增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比如表7所示。

表7 增氧前后氣柜出口半水煤氣成分變化對比 %

增氧后，在保持有效氣體(CO+H2)含量不變時，H2含量降低，相應(yīng)增加了加氮量或加氮時間，這對提高煤氣發(fā)生爐產(chǎn)氣量十分有利。

3.3.2 增氧前后單爐半水煤氣成分變化對比

表8 增氧前后單爐半水煤氣成分變化對比

分析頻次單爐上吹/%φ(CO2)φ(O2)φ(CO)φ(H2)φ(CH4)φ(N2)單爐下吹/%φ(CO2)φ(O2)φ(CO)φ(H2)φ(CH4)φ(N2)增氧前Ⅰ8.60.525.535.30.130.06.50.638.251.50.23.0Ⅱ8.30.43.50.4Ⅲ8.20.430.830.40.130.15.30.340.251.30.22.7Ⅳ8.60.45.30.3Ⅴ8.60.422.627.90.140.45.40.435.555.10.23.4Ⅵ11.20.85.70.6最大11.20.830.835.30.140.46.50.640.255.10.23.4最小8.20.422.627.90.130.03.50.335.551.30.22.7平均8.90.526.331.20.133.55.30.438.052.60.23.0增氧后Ⅰ10.00.830.325.30.133.58.40.533.651.70.25.6Ⅱ10.60.67.20.4Ⅲ9.70.629.822.70.137.16.80.337.853.30.21.6Ⅳ8.80.25.00.4Ⅴ8.90.531.422.90.136.24.60.538.250.70.25.8Ⅵ9.20.56.00.4最大10.60.831.425.30.137.18.40.538.253.30.25.8最小8.80.229.822.70.133.54.60.333.650.70.21.6平均9.50.430.523.60.135.66.30.436.551.90.24.3

3.3.3 增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比

增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比如表9所示。

表9 增氧前后半水煤氣中Ar含量變化對比 %

增氧制氣后，由于入爐空氣中的Ar含量增加，需對氫氮比指標重新核算，確保合成系統(tǒng)處于最佳反應(yīng)狀態(tài)；此外，煤氣發(fā)生爐在采用吹風(fēng)增氧制氣和上吹增氧時，煤氣中的CO2及Ar含量都會升高，一般入爐空氣中φ(O2)每增加1%，半水煤氣中φ(Ar)將增加0.04%，而惰性氣含量升高不利于合成系統(tǒng)的運行。因此，增氧方式的選擇需考慮后系統(tǒng)的生產(chǎn)運行。

3.3.4 增氧前后吹風(fēng)氣中CO2和CO含量變化對比

增氧前后吹風(fēng)氣中CO2和CO含量變化對比如表10所示。

表10 增氧前后吹風(fēng)氣中CO2和CO含量變化對比 %

吹風(fēng)氣中CO2和CO含量是衡量吹風(fēng)效率的指標之一。采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中φ(CO2)升高5.0%～6.0%，說明吹風(fēng)效率較高，可縮短吹風(fēng)時間，有利于降低消耗；吹風(fēng)氣中φ(CO)上升了2.0%，主要是因吹風(fēng)氣中CO2含量增加而導(dǎo)致其與O2的還原反應(yīng)增加，從而造成CO含量升高。

3.3.5 灰渣殘?zhí)己孔兓瘜Ρ?/p>

以焦炭為氣化原料，增氧前后灰渣殘?zhí)己孔兓瘜Ρ热绫?1所示。

增氧后，入爐空氣中氧含量增加，炭氧反應(yīng)速率加快，燃燒充分，煤氣發(fā)生爐氣化層溫度高，渣中殘?zhí)己拷档停刻飚a(chǎn)生的返焦量下降4.43 t。

表11 增氧前后灰渣殘?zhí)己孔兓瘜Ρ?%

4 增氧前后煤氣發(fā)生爐產(chǎn)氣量對比

增氧后，煤氣發(fā)生爐單爐產(chǎn)氣量明顯提高，在相同產(chǎn)氣量的情況下，可少開1臺爐，即由增氧前的6臺爐供6機變?yōu)?臺爐供6機運行，單爐產(chǎn)氣量增加了20%～25%。通過對系統(tǒng)的進一步優(yōu)化，采用增氧制氣后，比較經(jīng)濟的運行方式仍是保持6臺爐運行，其原因：①開6臺爐供6機運行時，單爐產(chǎn)氣量為9 500 m3/h(標態(tài))，單爐生產(chǎn)強度1 344 m3/h，吹風(fēng)時間由增氧前的33～36 s縮短至23～25 s，吹風(fēng)氣中φ(CO)在6.0%～7.0%；開5臺爐運行時，單爐產(chǎn)氣量為11 500 m3/h(標態(tài))，單爐生產(chǎn)強度1 626 m3/h，吹風(fēng)時間由增氧前的33～35 s縮短至28～30 s，吹風(fēng)氣中φ(CO)升高至7.0%～8.0%；因此，開6臺爐運行每循環(huán)吹風(fēng)時間可縮短10～11 s，且有利于降低吹風(fēng)氣中CO含量。②煤氣發(fā)生爐在臨時停爐檢修時，開5臺爐可滿足6機滿負荷生產(chǎn)，有利于穩(wěn)定合成氨系統(tǒng)生產(chǎn)。

5 增氧前后消耗對比

增氧前后用焦對比如表12所示，日均蒸汽消耗對比如表13所示。

表12 增氧前后用焦對比

項 目返焦量/(t·d-1)綜合原焦1)/(t·d-1)半水煤氣產(chǎn)量/(m3·d-1)噸氨耗焦/kg增氧前12.75540.012942001240增氧后8.32506.113223001162增氧前后對比-4.43-33.9-78

注：1)含產(chǎn)品裝置用煤氣

表13 增氧前后日均蒸汽消耗對比

項 目噸氨外供蒸汽消耗/kg噸氨脫鹽水消耗/kg噸氨蒸汽總耗/kg增氧前56017302290增氧后62015262146

增氧后，因吹風(fēng)氣量減少，廢熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽量減少，脫鹽水用量下降，噸氨外供蒸汽用量增加約60 kg，但噸氨入爐蒸汽總耗下降144 kg。

6 經(jīng)濟效益

采用增氧制氣后，噸氨焦炭消耗下降78 kg，噸氨原料成本下降85.80元；按噸氨耗氧氣155 m3(標態(tài))、氧氣成本0.256元/m3(標態(tài))計，則噸氨增加成本39.68元；經(jīng)優(yōu)化，可停運1臺650 kW空氣風(fēng)機，噸氨電耗下降28 kW·h，折合噸氨成本降低11.20元；合計噸氨成本可降低57.32元。

Comparison of Oxygen- Enriched Gasification Process of Gas Producer and Effect Analysis

YU Shiliang

(Yunfeng Branch of Yunnan Yuntianhua Co., Ltd., Xuanwei 655426, China)

The indexes of pressure swing adsorption oxygen production process including parameters of main equipments, specifications of product, consumption and cost are introduced, the regulation and control process in putting into operation of oxygen- enriched gasification of gas producer are elaborated, and a detailed comparison is made of indexes of gas producer before and after oxygen- enriched gasification, such as process parameters, gas composition, carbon content of ash, gas production rate, consumption, etc. Comparison result show that gas producer implementing oxygen- enriched gasification is a technical improvement project which has advantages of small investment, quick in producing economic benefit, increasing production and increasing efficiency.

gas producer； oxygen- enriched gasification； performance index； benefit comparison

TQ546

B

1006- 777(2017)01- 0055- 05

2016- 04- 01)

本文作者的聯(lián)系方式：yushiliang999@sina.com