上吹增壓制氣技改項(xiàng)目的運(yùn)行與優(yōu)化

李 君，王天峰，張 峰，馮宇飛

（河南心連心化肥有限公司二分公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

河南心連心化肥有限公司二分公司（以下簡(jiǎn)稱公司）一期合成氨裝置氣化工序采用固定床間歇制氣工藝，于2015年實(shí)施了富氧制氣的技改，提高了單爐發(fā)氣量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。但隨著富氧制氣工藝改造潛力的不斷挖掘，吹風(fēng)階段入爐空氣中的氧含量提高至25%左右，導(dǎo)致氣化層溫度快速上漲及吹風(fēng)后的上吹階段蒸汽穿透力出現(xiàn)不足，氣化爐爐況波動(dòng)并惡化，甚至燒壞爐箅，影響氣化爐的長周期運(yùn)行。為此，公司決定在氣化工段實(shí)施上吹增壓制氣技改。

1 上吹增壓制氣流程簡(jiǎn)介及機(jī)理分析

1.1 上吹增壓制氣流程簡(jiǎn)介

在現(xiàn)有0.5MPa過熱蒸汽的管道上開口配管，直接將入爐蒸汽送至接近氣化層區(qū)域，通過程序調(diào)節(jié)管道上的液壓閥啟閉狀態(tài)控制入爐增壓蒸汽的時(shí)序及量。

1.2 上吹增壓制氣的機(jī)理分析

對(duì)于固定床制氣工藝氣化層溫度來說，其一直追求的目標(biāo)是爐內(nèi)氣化層溫度逼近或達(dá)到原料煤的灰熔點(diǎn)，以使蒸汽分解率與單爐產(chǎn)氣量盡可能地高。為了追求這個(gè)目標(biāo)，我們通過觀察下灰情況，并以上／下行煤氣溫度、灰倉溫度及粗煤氣CO2含量等參數(shù)作為依據(jù)，總結(jié)出了1套可實(shí)施的氣化爐操作經(jīng)驗(yàn)，但隨著富氧制氣工藝的實(shí)施，入爐氧含量明顯提高，吹風(fēng)階段爐內(nèi)反應(yīng)熱量的增加使得氣化層溫度快速上漲，氣化層溫度難以控制，經(jīng)常出現(xiàn)氣化層溫度超過煤灰熔點(diǎn)，導(dǎo)致爐內(nèi)灰渣結(jié)疤，進(jìn)而引起爐況波動(dòng)。

上吹增壓制氣是在氣化層溫度即將或小幅度超過煤灰熔點(diǎn)的時(shí)候，直接將入爐蒸汽送至接近氣化層區(qū)域，利用0.5MPa蒸汽的沖擊動(dòng)力，迅速穿透氣化層局部正在初步形成的一定粘度的疤塊，使其處于松散狀態(tài)，避免形成死疤，從而穩(wěn)定氣化爐爐況。

2 上吹增壓制氣運(yùn)行情況及優(yōu)化調(diào)整

公司在中修期間對(duì)氣化爐實(shí)施了上吹增壓制氣技改，氣化爐隨即投入了運(yùn)行，投運(yùn)后爐況穩(wěn)定性有所改善，但運(yùn)行參數(shù)如何調(diào)整才能匹配生產(chǎn)成了關(guān)注的重點(diǎn)，即系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

2.1 試驗(yàn)對(duì)比

結(jié)合氣化工段以往爐況穩(wěn)定性調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)以及上吹增壓程序投運(yùn)后需要調(diào)整的因素，項(xiàng)目小組成員通過對(duì)上吹增壓制氣參數(shù)調(diào)試摸索過程的探討，借用正交試驗(yàn)法展開因素試驗(yàn)，用較少的試驗(yàn)次數(shù)較快地找出了富氧運(yùn)行條件下爐況最穩(wěn)的調(diào)整方案。

2.1.1 選位級(jí)及排因素位級(jí)表

經(jīng)車間技術(shù)人員的討論，最終確定將增壓程序放置位置、上下吹手輪比例、上吹時(shí)間、增壓時(shí)間作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素；因素確定后，經(jīng)小組專業(yè)人員討論，考慮每個(gè)因素分別選取3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，以摸索富氧運(yùn)行條件下上吹增壓程序如何投運(yùn)及現(xiàn)有參數(shù)如何調(diào)整才能使?fàn)t況最佳。正交試驗(yàn)因素位級(jí)表見表1。

表1 爐況調(diào)優(yōu)正交試驗(yàn)因素位級(jí)表

2.1.2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)L9（34）正交表安排試驗(yàn)次數(shù)，將4因素組合進(jìn)行試驗(yàn)，小組成員跟蹤每組試驗(yàn)過程中爐況穩(wěn)定性的變化情況，進(jìn)行討論以確定給予的穩(wěn)定性分值，并將試驗(yàn)結(jié)果記入相應(yīng)的試驗(yàn)方案中。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2 爐況調(diào)優(yōu)正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.3.1 直觀分析

據(jù)表2進(jìn)行直觀分析，1＃方案最好，其爐況穩(wěn)定性取得小組人員一致認(rèn)可的最高分（8.5分），具體試驗(yàn)方案為A1B1C3D2（字母右邊的數(shù)字為相應(yīng)的位級(jí)水平，下同）；9＃方案次之，具體試驗(yàn)方案為A3B3C3D1，其爐況穩(wěn)定性小組人員一致認(rèn)可為8.0分，僅次于1＃方案。

但直觀分析結(jié)果一定可靠嗎？還需要進(jìn)一步分析，一是觀察每一個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，二是考察方案對(duì)應(yīng)的爐況是否穩(wěn)定，從中找出主要矛盾，進(jìn)一步篩選最優(yōu)方案進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.3.2 篩選最優(yōu)方案

最優(yōu)方案一般就是“最優(yōu)水平的組合”，所謂“最優(yōu)水平的組合”就是指由全體最好水平指標(biāo)組合的試驗(yàn)條件。從試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析來說，爐況越穩(wěn)定越好，即各因素的水平值之和越大越好，于是在每列中選取各因素水平值之和的最大值作為最優(yōu)水平，由此計(jì)算分析得出較優(yōu)水平組合為A1B3C3D2。

2.1.4 畫趨勢(shì)圖

為進(jìn)一步摸清因素與水平變化對(duì)爐況穩(wěn)定性的影響，制作出因素水平與爐況穩(wěn)定性指標(biāo)和的關(guān)系圖，如圖1。

圖1 因素水平與爐況穩(wěn)定性指標(biāo)和的關(guān)系圖

由圖1可以看出：增壓程序放位越靠近上吹階段，爐況穩(wěn)定性指標(biāo)越可能受到影響，但影響程度不大；上下吹手輪方向向平手輪或反手輪方向變化，爐況都可能更穩(wěn)定；上吹時(shí)間若再增加，爐況可能更穩(wěn)定，符合我們所說的“太平爐”思想；增壓時(shí)間以8s為最高，再多或再少都會(huì)使?fàn)t況穩(wěn)定性指標(biāo)和減小，也就是說增壓蒸汽需短時(shí)間快速入爐。以上趨勢(shì)主要采用極差進(jìn)行分析，可作為進(jìn)一步試驗(yàn)的參考。

2.1.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

由于最優(yōu)方案（最優(yōu)水平組合方案）與最好方案（直觀分析所得最好方案）不一致，且不包含在9次試驗(yàn)之中，項(xiàng)目小組進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證，計(jì)算得到的最優(yōu)方案A1B3C3D2優(yōu)于直觀分析所得的最好方案A1B1C3D2，因此選定A1B3C3D2為最佳方案，即在吹風(fēng)回收階段將上下吹手輪比例置于12∶11的位置，調(diào)整上吹時(shí)間為32s、蒸汽增壓時(shí)間為8s。

2.2 結(jié)合試驗(yàn)理論分析

2.2.1 上吹時(shí)間參數(shù)與上下吹手輪比例的分析

氣化爐工況調(diào)整時(shí)，火層位置的平衡主要通過調(diào)整上、下吹時(shí)間實(shí)現(xiàn)，再輔以上、下吹手輪閥開啟幅度修正火層的上、下偏移。因此，上吹時(shí)間與上下吹手輪參數(shù)調(diào)配適宜是影響爐況穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。在現(xiàn)有富氧運(yùn)行模式下，增加上吹增壓蒸汽，僅僅是利用一定壓力蒸汽的沖擊動(dòng)力改變爐況不穩(wěn)定的初步局面，絕對(duì)不可以隨便減少上吹時(shí)間，以免干擾火層位置，影響爐況的穩(wěn)定性。也就是說，上吹時(shí)間參數(shù)與手輪比例是富氧運(yùn)行狀態(tài)下需主要調(diào)整的參數(shù)，再輔以上吹增壓，才可以確保氣化爐的長周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 增壓程序放位的分析

關(guān)于增壓程序放位問題，在開始探討之前，我們需先了解氣化爐內(nèi)炭與氧發(fā)生的如下反應(yīng)：

在目前的富氧工藝條件下，我們盡量遵循“短吹風(fēng)、長制氣”的原則，但還是不能避免回收階段入爐送風(fēng)帶來的熱量有很大部分發(fā)生了如反應(yīng)式（4）的反應(yīng)，而該反應(yīng)屬于熱量損失的反應(yīng)。因此，增壓程序放置在回收階段，一方面可抑制入爐空氣量，減少了此階段的熱損，另一方面可減少吹風(fēng)階段氧含量或煤質(zhì)波動(dòng)帶來的爐內(nèi)結(jié)焦危害。

2.2.3 增壓時(shí)間的分析

關(guān)于增壓時(shí)間的問題，同樣在開始探討之前，我們需了解以水蒸氣為氣化劑的氣化爐內(nèi)發(fā)生的如下反應(yīng)：

2個(gè)反應(yīng)都是強(qiáng)吸熱可逆反應(yīng)。Lewis等人對(duì)炭與水蒸氣反應(yīng)的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖2所示［圖中Kp1和Kp2分別表示反應(yīng)式（5）和反應(yīng)式（6）的平衡常數(shù)］。

圖2 炭與水蒸氣反應(yīng)之平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖2可以看出：溫度低于700℃時(shí)，反應(yīng)（6）的平衡常數(shù)比反應(yīng)（5）的平衡常數(shù)大，表明溫度降低不利于后工段所需有效氣體成分CO與H2的生成，同時(shí)溫度降低會(huì)影響2個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率，降低蒸汽分解率，增加水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，即過長時(shí)間增壓會(huì)帶走爐內(nèi)吹風(fēng)階段積蓄的熱量，同時(shí)長時(shí)間增壓還可能導(dǎo)致爐內(nèi)形成風(fēng)洞的問題。因此，增壓時(shí)間以8s為宜。

2.3 爐況波動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施

雖然我們通過正交試驗(yàn)確定了吹風(fēng)回收階段將上下吹手輪比例置于12∶11、上吹時(shí)間32s、蒸汽增壓時(shí)間8s為最佳組合參數(shù)，但爐況的穩(wěn)定性受原料煤煤質(zhì)、風(fēng)壓、后工段用氣量等方面的影響，爐況一旦波動(dòng)，我們就需作短期調(diào)整，那么該如何調(diào)整呢？

小組成員將因素對(duì)結(jié)果影響的程度，利用極差分析得到影響程度由大至小的順序如下：上吹時(shí)間（C）→上下吹手輪比例（B）→增壓程序放位（A）→增壓時(shí)間（D）。從分析結(jié)果來看，上吹時(shí)間對(duì)爐況穩(wěn)定性的影響程度最大。因此，據(jù)各因素趨勢(shì)圖分析及氣化工段的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，爐況一旦出現(xiàn)波動(dòng)，我們會(huì)首先選擇對(duì)單爐負(fù)荷和上吹時(shí)間予以調(diào)整。

3 項(xiàng)目投運(yùn)前后的對(duì)比分析

上吹增壓制氣技改項(xiàng)目經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，爐況工藝調(diào)節(jié)方面較之前有了明顯的改善，主要表現(xiàn)如下：未投用上吹增壓前，在富氧制氣工藝條件下，氣化爐爐底溫度偏低（170～190℃），而爐頂與灰倉溫度顯示偏高，下灰灰渣碎?。簧洗翟鰤和哆\(yùn)后，通過總蒸汽量、上吹時(shí)間及其他工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，氣化爐爐底溫度逐步提高至200℃左右，灰渣也從碎小渣轉(zhuǎn)變?yōu)槌尚卧鼔K，氣化爐呈現(xiàn)長周期、穩(wěn)定運(yùn)行的態(tài)勢(shì)，而且爐況的穩(wěn)定還帶來蒸汽參數(shù)的可調(diào)優(yōu)空間，每班蒸汽消耗總量較上吹增壓技改前節(jié)約80～100t。

4 結(jié)束語

通過采用正交試驗(yàn)分析法，我們找到了上吹增壓制氣技改項(xiàng)目投運(yùn)后運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整方案，取得了一定的成效。但由于氣化反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，干擾氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的因素也較多，加之正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果采用項(xiàng)目小組人員打分制不一定合理，因此，如何使上吹增壓制氣與富氧制氣生產(chǎn)更合理地匹配，還需不斷試驗(yàn)和摸索，以使傳統(tǒng)固定床間歇制氣工藝的潛能得到更進(jìn)一步地發(fā)揮。