流化床氣化系統(tǒng)中取消煤氣柜的應(yīng)用實(shí)踐

金管會(huì)，常文志，朱立江，薛艷東，胡 奇

（1.中化吉林長(zhǎng)山化工有限公司，吉林前郭 131109；2.康乃爾化學(xué)工業(yè)股份有限公司，吉林吉林 132101）

0 引 言

常壓氣化工藝廣泛應(yīng)用于煤化工和工業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域，傳統(tǒng)的常壓氣化爐后面均設(shè)有煤氣柜，其主要目的是：使進(jìn)入煤氣柜的間歇煤氣轉(zhuǎn)換成連續(xù)的、出口流量穩(wěn)定的工藝氣，同時(shí)平衡煤氣壓力、確保增壓風(fēng)機(jī)入口壓力平穩(wěn)、煤氣組分盡可能均勻、氧含量穩(wěn)定在指標(biāo)范圍內(nèi)等。但如今的流化床氣化工藝已發(fā)生了巨大的變化，不僅其生產(chǎn)規(guī)模很大，而且其自動(dòng)化水平高，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、安全可靠。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有流化床氣化爐數(shù)十臺(tái)，運(yùn)行狀況良好，其氣化系統(tǒng)中均配置了煤氣柜，但煤氣柜實(shí)際運(yùn)行中均存在不少問(wèn)題。因此，取消煤氣柜的工藝受到廣泛關(guān)注，同時(shí)也存在一些疑慮：取消煤氣柜后，氣體緩沖問(wèn)題怎么解決？后部工藝系統(tǒng)緊急停車(chē)情況下該怎么處理？等等。

某公司氣化裝置采用流化床氣化工藝，于2015年實(shí)施了取消煤氣柜的技術(shù)改造，5a多來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，此舉可行且效果良好，氣化裝置綜合經(jīng)濟(jì)效益大幅提高。取消煤氣柜技改的核心在于，據(jù)流化床氣化工藝的特點(diǎn)，如何采取必要的技改措施來(lái)承擔(dān)煤氣柜的任務(wù)，詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何解決后續(xù)煤氣系統(tǒng)的保壓和緩沖等問(wèn)題。以下結(jié)合取消煤氣柜的成功案例，就煤氣柜設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)要求及使用中需解決的問(wèn)題等作一介紹，希望能為業(yè)內(nèi)提供一些參考。

1 某公司煤氣柜實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題

該公司原有3臺(tái)流化床氣化爐，總制氣能力為60000m3／h，并設(shè)置有效容積為10000m3的濕式螺旋煤氣柜1臺(tái)（直徑為26.6m，有效高度為18m），煤氣柜操作壓力2.3～3.7kPa。自建成投產(chǎn)之日起至實(shí)施取消煤氣柜技改項(xiàng)目時(shí)止，該煤氣柜運(yùn)行了7a，存在帶“病”運(yùn)行情況，主要問(wèn)題如下。

1.1 煤氣柜設(shè)計(jì)和設(shè)備本身存在問(wèn)題

（1）按照《工業(yè)企業(yè)濕式氣柜技術(shù)規(guī)范》（GB／T51094—2015）的要求，煤氣柜活動(dòng)節(jié)升降速度應(yīng)為0.9～1.2m／min。該公司煤氣柜總?cè)莘e為10000m3，即1min緩沖氣量約550m3，而按實(shí)際產(chǎn)氣量計(jì)算煤氣柜活動(dòng)節(jié)升降速度超過(guò)2m／min?？梢?jiàn)，其煤氣柜容積與實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷不匹配，由于煤氣柜容積不足，活動(dòng)節(jié)升降速度過(guò)快，超過(guò)了規(guī)范中的要求。按GB／T51094—2015要求進(jìn)行推算，需再增加1臺(tái)10000m3的煤氣柜。

（2）氣柜鐘罩和中節(jié)本身不僅重量大，而且其直徑也很大，此種情況下氣柜活動(dòng)節(jié)在升降的過(guò)程中非常容易出現(xiàn)導(dǎo)軌跑偏或卡阻的問(wèn)題。

（3）煤氣柜經(jīng)多年使用后，煤氣中較多的腐蝕性介質(zhì)導(dǎo)致煤氣柜內(nèi)壁、水槽嚴(yán)重腐蝕，煤氣柜筒體變形，經(jīng)常發(fā)生升降軌道卡阻等故障，為保證系統(tǒng)運(yùn)行，一般采取限制煤氣柜高度的辦法，在這種情況下，煤氣柜實(shí)際使用容積甚至不足5000m3，緩沖容量大幅減少，無(wú)法滿足緩沖空間要求及使用要求，如繼續(xù)維持運(yùn)行則存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)增加很多運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

1.2 煤氣柜的緩沖效果受外部條件限制

正常情況下，應(yīng)控制煤氣柜實(shí)際容積在有效容積的50% ～85%運(yùn)行，由此該公司煤氣柜緩沖時(shí)間大大縮短，實(shí)際操作中無(wú)法保證突發(fā)事故處理的時(shí)間。另外，當(dāng)遇到大風(fēng)、暴雨天氣時(shí)，該煤氣柜的高度不宜維持在高限位置運(yùn)行，否則易造成煤氣柜傾斜，進(jìn)而出現(xiàn)導(dǎo)輪錯(cuò)位、卡阻、脫軌等現(xiàn)象。簡(jiǎn)言之，煤氣柜在發(fā)揮緩沖作用的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到外部條件的制約，故不提倡以煤氣柜作為煤氣緩沖的主要設(shè)施。

1.3 煤氣柜運(yùn)行壓力偏低

因煤氣柜操作壓力的限制，迫使煤氣增壓風(fēng)機(jī)降低進(jìn)口壓力操作（滿負(fù)荷時(shí)只有1.8kPa），而由于煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口壓力低，其入口壓力停機(jī)聯(lián)鎖值不得不由原設(shè)計(jì)的1.2kPa調(diào)整為0.6 kPa，如此一來(lái)不僅增加了能耗，而且威脅著整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，此問(wèn)題若長(zhǎng)期存在，將會(huì)直接影響全系統(tǒng)的提產(chǎn)增效。

常壓氣化工藝對(duì)煤氣柜的運(yùn)行壓力是有嚴(yán)格要求的，生產(chǎn)中一般控制在不大于4kPa，這就給常壓氣化工藝帶來(lái)了局限性；而且，達(dá)到一定產(chǎn)能規(guī)模的煤氣柜在安全管理中被列為重大危險(xiǎn)源，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 煤氣柜的安全放空

有人認(rèn)為，當(dāng)后續(xù)系統(tǒng)突然少用或停用煤氣時(shí)，會(huì)造成煤氣柜壓力快速上升，直至煤氣柜進(jìn)出口管道上的自動(dòng)放散閥打開(kāi)將煤氣排放出去，從而可防止煤氣柜的超壓事故。但分析國(guó)內(nèi)多起煤氣柜頂翻事故案例發(fā)現(xiàn)，煤氣柜進(jìn)出口的自動(dòng)放散閥存在不可靠性，其理由為：常壓煤氣系統(tǒng)配置的放空閥口徑較大，導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)不靈敏；再者，煤氣會(huì)夾帶濕度較大的粉塵，運(yùn)行中易在閥門(mén)處結(jié)垢，導(dǎo)致放空閥出現(xiàn)卡澀。因此，生產(chǎn)中不僅要嚴(yán)格控制氣化系統(tǒng)產(chǎn)出的煤氣量，而且還要依靠煤氣柜出入口煤氣管道上設(shè)有的自動(dòng)放散器、氣化爐超壓停車(chē)聯(lián)鎖等措施保證煤氣柜的安全放空，這是目前能夠保證煤氣柜不超壓、安全穩(wěn)定運(yùn)行最有效的方法。

1.5 其他方面的問(wèn)題

我們看到，煤氣增壓風(fēng)機(jī)至煤氣壓縮機(jī)入口之間的設(shè)備（常壓脫硫塔）、管道等儲(chǔ)存氣量只有1000m3，實(shí)際生產(chǎn)中此存氣量完全可滿足系統(tǒng)工藝調(diào)節(jié)所需；由此推斷，如果取消氣化爐至凈化系統(tǒng)煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口之間的10000m3濕式螺旋煤氣柜，僅憑借氣化爐至煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口之間的設(shè)備、管道緩沖氣量2300m3，同樣可以滿足系統(tǒng)工藝調(diào)節(jié)所需。還有，我們?cè)谑崂韱?wèn)題中發(fā)現(xiàn)，煤氣柜活動(dòng)節(jié)升降速度的限制對(duì)后部輸送煤氣量的影響最大。比如：當(dāng)緩沖氣量為2300m3時(shí)，其緩沖時(shí)間為2min多一點(diǎn)；煤氣增壓風(fēng)機(jī)至煤氣壓縮機(jī)入口儲(chǔ)氣量按1000m3計(jì)算，其緩沖時(shí)間不足1min；而按煤氣柜允許升降速度匹配氣量（約550m3）計(jì)算，其緩沖時(shí)間不超過(guò)0.5min，在這種情況下，只要是3臺(tái)流化床氣化爐停車(chē)，其后部煤氣增壓風(fēng)機(jī)和煤氣壓縮機(jī)也應(yīng)立即停車(chē)或迅速把煤氣壓縮機(jī)出口的煤氣經(jīng)冷卻后返回至入口管道打循環(huán)。

2 取消煤氣柜后系統(tǒng)工藝流程及運(yùn)行狀況

綜合分析認(rèn)為，煤氣柜已成為該公司生產(chǎn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的較大“瓶頸”問(wèn)題。于是，2015年該公司與天津某設(shè)計(jì)院共同擬定了取消煤氣柜的具體技改方案，并于當(dāng)年實(shí)施、當(dāng)年10月15日投運(yùn)。5a多來(lái)的運(yùn)行實(shí)踐表明，取消煤氣柜后，可能存在的各種風(fēng)險(xiǎn)完全可控，各項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。

2.1 取消煤氣柜后系統(tǒng)工藝流程及其特點(diǎn)

取消煤氣柜后系統(tǒng)工藝流程如圖1。其工藝特點(diǎn)是，氣化島產(chǎn)出的煤氣經(jīng)過(guò)廢鍋、除塵、洗滌降溫后直接輸送至凈化系統(tǒng)。為保證煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的穩(wěn)定，在煤氣增壓風(fēng)機(jī)出入口管道上增設(shè)回流調(diào)節(jié)裝置（微調(diào)閥）——將原有的風(fēng)機(jī)回流閥（DN350）以及低壓緩沖罐出口管道上新配置事故處理兩位閥（DN200）安裝至煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口管道上，以替代煤氣柜起緩沖的作用。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，隨時(shí)可啟用回流調(diào)節(jié)裝置（微調(diào)閥）；同時(shí)，以新增凈化系統(tǒng)進(jìn)口管道上設(shè)置的自動(dòng)放散器、安全閥、自動(dòng)放空調(diào)節(jié)閥、煤氣壓縮機(jī)后部低壓緩沖罐等作為調(diào)節(jié)工具，可確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。簡(jiǎn)言之，在開(kāi)停車(chē)階段或生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常的情況下，煤氣增壓風(fēng)機(jī)更易調(diào)控。

圖1 取消煤氣柜后系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

2.2 取消煤氣柜前后典型工藝數(shù)據(jù)的對(duì)比（表1）

表1 取消煤氣柜前后典型工藝數(shù)據(jù)對(duì)比kPa

由表1可看到，取消煤氣柜后，生產(chǎn)系統(tǒng)各工序壓力均有很大改善：煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口壓力提高至5.0kPa，既可保證煤氣增壓風(fēng)機(jī)的壓縮比，又為增產(chǎn)創(chuàng)造了條件；煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口壓力波動(dòng)雖較改造前略有增大，但僅增加了0.2 kPa，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成明顯影響；利用微調(diào)閥控制增壓風(fēng)機(jī)入口壓力時(shí)的波動(dòng)值僅有0.4kPa，波動(dòng)值非常低（當(dāng)微調(diào)閥設(shè)置為“自動(dòng)”時(shí)，煤氣增壓風(fēng)機(jī)入口壓力波動(dòng)值最?。?；煤氣壓縮機(jī)入口壓力由26kPa提高至36kPa，提高了10kPa，從而有利于全系統(tǒng)的提產(chǎn)增效?？傊?，從氣體緩沖效果來(lái)看，對(duì)于流化床氣化工藝，無(wú)論采用煤氣柜還是取消煤氣柜，均可滿足工藝要求。

3 節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造方案中煤氣柜設(shè)置與否的權(quán)衡

2017年，據(jù)企業(yè)發(fā)展需要，該公司擬實(shí)施節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造，改造方案需重點(diǎn)解決的問(wèn)題有：①流化床氣化爐在其外殼直徑不變的前提下，需增加爐內(nèi)的有效容積（原砌耐火磚，改為搗固料澆筑層）；②更深入探討在無(wú)煤氣柜情況下其生產(chǎn)過(guò)程中的利弊問(wèn)題；③提高氣化爐操作壓力過(guò)程中的具體措施；④3臺(tái)流化床氣化爐總產(chǎn)氣量由原設(shè)計(jì)的60000m3／h增至120000 m3／h之設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題；⑤新增高架火炬總圖布置問(wèn)題。由于節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造是在原有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的，因此又涉及到“新、老規(guī)范”銜接的問(wèn)題。以下重點(diǎn)對(duì)煤氣柜設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題進(jìn)行探討，以權(quán)衡煤氣柜設(shè)置與否的利弊。

（1）煤氣柜設(shè)計(jì)容積的確定。按照GB／T 51094—2015之6.1.2的規(guī)定，在合成氨等煤化工行業(yè)可將20min的最大用氣量確定為煤氣柜總?cè)莘e。據(jù)流化床氣化爐工藝操作彈性大的特點(diǎn)，該公司將原有的3臺(tái)氣化爐分批實(shí)施改造，3臺(tái)氣化爐綜合優(yōu)化后總產(chǎn)氣量最終可達(dá)120000m3／h，按此流量，應(yīng)新配置1臺(tái)40000m3的煤氣柜，或該公司可恢復(fù)使用原10000m3的煤氣柜，同時(shí)再建1臺(tái)30000m3的煤氣柜，這樣才能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）新建煤氣柜的有關(guān)問(wèn)題。依據(jù)GB／T 51094—2015，建設(shè)1臺(tái)40000m3的煤氣柜，可以確定其基本參數(shù)為：有效容積40000m3，塔節(jié)3節(jié)、總高26.6m，水槽直徑43.5m。按煤氣柜柜位的活動(dòng)節(jié)最大升降速度推算，進(jìn)入煤氣柜的最大氣量應(yīng)不超過(guò)2000m3／min，如煤氣柜柜位控制在75% （取值范圍應(yīng)在60%→85%）左右時(shí)，剩余操作空間內(nèi)可儲(chǔ)存的煤氣量約為10000m3，折算緩沖時(shí)間為6min。由此可見(jiàn)，實(shí)際操作中能否借助煤氣柜備用緩沖空間來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)事故尚存在疑問(wèn)。此外，新建1臺(tái)40000m3煤氣柜，占地面積在10000m2以上，這對(duì)于一個(gè)老廠區(qū)而言，重新布置總圖，也是非常棘手的問(wèn)題，甚至成為能否節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造的瓶頸。

據(jù)上述煤氣柜設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題探討及利弊分析，借鑒之前取消煤氣柜后系統(tǒng)成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，該企業(yè)最終與設(shè)計(jì)單位人員達(dá)成了共識(shí)，本次節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造按無(wú)煤氣柜工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造后系統(tǒng)工藝特點(diǎn)

節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造后系統(tǒng)工藝流程框圖如圖2?？梢钥吹剑脑旌蟮墓に嚵鞒讨腥∠嗣簹夤?，原除塵洗滌系統(tǒng)改為了布袋除塵器，取消了煤氣增壓風(fēng)機(jī)，新開(kāi)發(fā)的自動(dòng)放散器替代了傳統(tǒng)水封。節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造后系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下。

圖2 節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造后系統(tǒng)工藝流程框圖

（1）氣化爐可提壓至50～80kPa操作。其目的是提高氣化爐生產(chǎn)強(qiáng)度，提高產(chǎn)氣量，為不再設(shè)置煤氣柜和煤氣增壓風(fēng)機(jī)創(chuàng)造條件；同時(shí)，在未提高設(shè)備壓力等級(jí)的情況下，縮短工藝流程、減少工藝設(shè)備，提升系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平。

（2）增加氣化爐的有效容積。將原氣化爐內(nèi)500mm厚的耐火磚和保溫層改為400mm厚的搗固層，這樣一來(lái)，不僅可以節(jié)省投資、簡(jiǎn)化施工，而且可以提升氣化爐的生產(chǎn)能力。

（3）提高煤氣除塵效率。將原除塵洗滌系統(tǒng)改為布袋除塵器，由此可極大地提高煤氣除塵效率，基本上解決濕煤灰污染環(huán)境的問(wèn)題。

（4）增設(shè)新型自動(dòng)放散器替代水封。氣化爐提壓后，增設(shè)新開(kāi)發(fā)的自動(dòng)放散器替代插入式水封，不僅能夠保障系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而且能較好地解決以往水封被沖開(kāi)后大量煤氣逃逸的問(wèn)題，由此可避免煤氣著火、爆炸、人員中毒等安全環(huán)保事故的發(fā)生。

5 綜合經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)取消煤氣柜的優(yōu)化技改，不僅可增加生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。有關(guān)分析如下。

（1）節(jié)約投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。本次節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造設(shè)計(jì)中，取消了煤氣柜和煤氣增壓風(fēng)機(jī)以及其配套的附屬設(shè)備，由此可節(jié)省一次性投資約2000萬(wàn)元；氣化系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)均縮短了工藝流程，從而可節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用和管理費(fèi)用；可以減少操作人員的配置，由此節(jié)省了人力成本；在安全管理上，取消了一個(gè)重大危險(xiǎn)源，使運(yùn)行管理更加安全。

（2）節(jié)約大量土地。按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，煤氣柜、煤氣增壓風(fēng)機(jī)、高架放空火炬等新設(shè)備的增設(shè)及安裝均需要征地和設(shè)備投資；特別是設(shè)計(jì)初期，因廠內(nèi)實(shí)在解決不了安裝高架火炬的占地，當(dāng)時(shí)的方案被迫將放空火炬設(shè)在離廠區(qū)幾公里遠(yuǎn)的地方，這種方案不僅新征地非常困難，而且僅遠(yuǎn)距離設(shè)置放空火炬一項(xiàng)預(yù)測(cè)投資就要1800萬(wàn)元。

（3）廢熱鍋爐副產(chǎn)高品位蒸汽以利節(jié)電。過(guò)去廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽壓力一般在1.3MPa以下，大部分蒸汽氣化系統(tǒng)自產(chǎn)自用，能源利用率很低。本次技改將副產(chǎn)蒸汽（50t／h）壓力等級(jí)提高至4.0MPa、溫度提高至450℃，用于驅(qū)動(dòng)原料氣壓縮機(jī)以減少其電耗，之后從原料氣壓縮機(jī)抽出0.5MPa、240℃的乏汽送回氣化爐作為氣化劑使用，副產(chǎn)高品位蒸汽得到梯級(jí)利用，經(jīng)測(cè)算每年可為企業(yè)增效約2000萬(wàn)元。

（4）產(chǎn)氣量的增加為達(dá)產(chǎn)擴(kuò)能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在少量投入的情況下，單臺(tái)流化床氣化爐原設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量20000m3／h（實(shí)際可達(dá)25000 m3／h）的爐型經(jīng)過(guò)綜合性技改后，實(shí)際生產(chǎn)中單臺(tái)氣化爐產(chǎn)氣量基本上達(dá)到40000m3／h的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為最終產(chǎn)品達(dá)產(chǎn)擴(kuò)能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)煤氣柜工藝在常壓流化床氣化系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，不僅縮短了系統(tǒng)工藝流程，而且節(jié)省了大量的投資及運(yùn)行管理費(fèi)用，同時(shí)提升了系統(tǒng)的安全水平。特別是上述企業(yè)的節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)改造項(xiàng)目中，在不設(shè)置煤氣柜情況下具體工藝處置問(wèn)題上提出了獨(dú)特的建議，期望這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)樾陆?、改建、擴(kuò)建項(xiàng)目常壓流化床氣化和固定床純氧連續(xù)氣化工藝設(shè)計(jì)方面起到一定的借鑒與示范作用。