一種基于氮?dú)獯祾呒半p閥聯(lián)動(dòng)控制的防煤氣泄漏裝置研制

鄭斌黎

（福建鼎信科技有限公司，福建 福安 352000）

煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)緩解我國石油對(duì)外依存度、保障國家能源安全具有重大意義。煤氣發(fā)生爐是實(shí)現(xiàn)煤氣化的重要裝備，廣泛應(yīng)用在冶金、化工、建陶等行業(yè)中。然而，現(xiàn)有煤氣發(fā)生爐存在設(shè)備工藝落后、環(huán)保設(shè)施不健全等問題，在加煤過程中容易發(fā)生煤氣泄漏，造成資源浪費(fèi)和空氣污染，甚至導(dǎo)致工作人員CO 中毒；留在儲(chǔ)煤倉內(nèi)的煤氣與空氣混合后成為可燃?xì)怏w，可能會(huì)在有限的空間內(nèi)發(fā)生閃爆，進(jìn)而引起大規(guī)模爆炸等安全事故。青拓集團(tuán)安裝的33 臺(tái)兩段式煤氣發(fā)生爐可生產(chǎn)煤氣440 萬m3/d，但加煤系統(tǒng)煤氣泄漏量超過2 萬m3/d，不但威脅到企業(yè)的安全生產(chǎn)，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為解決煤氣發(fā)生爐加煤系統(tǒng)煤氣泄漏的難題，福建鼎信科技有限公司研制出一種基于氮?dú)獯祾咧脫Q及雙閥聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的防煤氣泄漏裝置，并在青拓集團(tuán)成功應(yīng)用，有效降低了緩沖煤倉的煤氣含量和煤氣泄漏量，提高了煤氣使用率，現(xiàn)介紹如下。

1 防煤氣泄漏裝置整體結(jié)構(gòu)

煤氣發(fā)生爐加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置主要由氮?dú)獯祾哐b置、智能控制系統(tǒng)、煤氣測(cè)量裝置等組成，其示意圖見圖1。其中氮?dú)獯祾哐b置由氮?dú)獍l(fā)生裝置、二級(jí)氣動(dòng)閥、截止球閥、吹掃管等組成；智能控制系統(tǒng)控制煤氣吹掃、封堵煤氣吹掃、加煤等操作，全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化；煤氣測(cè)量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)煤倉煤氣外泄含量及裝置運(yùn)行后煤氣生產(chǎn)質(zhì)量。整套裝置全自動(dòng)運(yùn)行，可有效防止加煤過程中的煤氣外泄現(xiàn)象。

圖1 加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置示意圖

2 氮?dú)獯祾咧脫Q及雙閥聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩級(jí)氮?dú)獯祾咧脫Q技術(shù)和雙閥聯(lián)動(dòng)智能控制技術(shù)，兩級(jí)氮?dú)獯祾咧脫Q技術(shù)可解決緩沖煤倉煤氣吹掃效率低和封堵進(jìn)入儲(chǔ)煤倉的煤氣難等問題，雙閥聯(lián)動(dòng)智能控制技術(shù)可保證加煤裝置和煤氣防泄漏裝置的協(xié)同、穩(wěn)定運(yùn)行，保證加煤時(shí)無煤氣外泄。兩級(jí)氮?dú)獯祾哐b置采用了基于流體力學(xué)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)頂空技術(shù)，可在緩沖煤倉口實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣的封堵，同時(shí)采用無毒且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氮?dú)鈱?duì)緩沖煤倉的煤氣進(jìn)行封堵和吹掃置換，達(dá)到隔絕煤料與煤氣接觸以及降低煤氣外泄的目的，從而解決煤料下落過程中的閃爆和煤氣泄漏問題，并通過回收管將泄漏至緩沖煤倉的煤氣進(jìn)行回收利用，提高煤氣使用率。雙閥聯(lián)動(dòng)智能控制技術(shù)可同時(shí)控制氣動(dòng)閥和旋轉(zhuǎn)加煤閥，保證加煤裝置和煤氣防泄漏裝置的協(xié)同、穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)吹掃參數(shù)，實(shí)現(xiàn)加煤防泄漏控制系統(tǒng)的智能化，保證煤氣生產(chǎn)效率并有效防止煤氣泄漏。

2.1 兩級(jí)氮?dú)獯祾咧脫Q技術(shù)

2.1.1 兩級(jí)氮?dú)獯祾哐b置結(jié)構(gòu)及原理

兩級(jí)氮?dú)獯祾哐b置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。第一級(jí)吹掃通過安裝在緩沖煤倉側(cè)壁下方的吹掃管進(jìn)行，以經(jīng)過優(yōu)化的吹掃流速和壓力，將通過第二加煤閥進(jìn)入緩沖煤倉且滯留的煤氣頂空至上段煤氣出口管道中。第二級(jí)吹掃通過在緩沖煤倉進(jìn)煤口側(cè)壁上設(shè)置的環(huán)向均布的吹掃孔，以一定的吹掃流速和角度形成氣墻進(jìn)行，主要用于在第一加煤閥開啟時(shí)封堵緩沖煤倉中的煤氣，以免向上泄漏至儲(chǔ)煤倉，并通過流體力學(xué)仿真優(yōu)化腔內(nèi)流場(chǎng)。

圖2 兩級(jí)氮?dú)獯祾哐b置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 吹掃參數(shù)優(yōu)化仿真

為了得到最佳吹掃效果的參數(shù)，對(duì)吹掃裝置的吹掃參數(shù)進(jìn)行了有限元優(yōu)化仿真分析，設(shè)置了4 種不同的進(jìn)氣管長度和進(jìn)氣方向，其吹掃參數(shù)和完成置換所需的時(shí)間見表1。由表1 可知，當(dāng)進(jìn)氣管長度為665 mm、進(jìn)氣方向?yàn)?5 °時(shí)，完成吹掃置換僅需8.0 s，其在0.1 s 和8.0 s 時(shí)的CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖3。因此最終選用665 mm 長的進(jìn)氣管和25 °的進(jìn)氣方向作為后續(xù)研究和測(cè)試的吹掃參數(shù)。

表1 吹掃參數(shù)和完成置換所需的時(shí)間

圖3 吹掃參數(shù)有限元分析時(shí)0.1 s 和8.0 s 時(shí)的CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 雙閥聯(lián)動(dòng)智能控制設(shè)計(jì)

雙閥聯(lián)動(dòng)指的是一級(jí)加煤閥和一、二兩級(jí)氣動(dòng)閥聯(lián)動(dòng)控制，其控制原理示意圖見圖4。

圖4 雙閥聯(lián)動(dòng)智能控制技術(shù)原理示意圖

首先打開一、二級(jí)氣動(dòng)閥，氮?dú)膺M(jìn)入吹掃管道并對(duì)緩沖煤倉內(nèi)的煤氣進(jìn)行吹掃置換，根據(jù)煤氣檢測(cè)傳感器的反饋、緩沖煤倉的實(shí)時(shí)容量及氮?dú)鈮毫α魉僮詣?dòng)控制最佳吹掃置換時(shí)間；完成氮?dú)庵脫Q后，打開一級(jí)加煤閥，儲(chǔ)煤倉煤料落入緩沖煤倉；當(dāng)緩沖煤倉煤料足夠時(shí)，一級(jí)加煤閥關(guān)閉，二級(jí)氣動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，自動(dòng)計(jì)算吹掃參數(shù)，完成吹掃置換；打開二級(jí)加煤閥，煤料從緩沖煤倉進(jìn)入煤氣發(fā)生爐，完成加煤動(dòng)作后，自動(dòng)關(guān)閉二級(jí)加煤閥，完成一次加煤過程。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 氮?dú)獯祾呓Y(jié)果測(cè)試

為了驗(yàn)證氮?dú)獯祾哐b置效果，測(cè)試使用吹掃裝置后緩沖煤倉內(nèi)的煤氣含量、氮?dú)夂考皟?chǔ)煤倉內(nèi)的煤氣含量，在進(jìn)氣9 s 時(shí)開始吹掃，其吹掃效果見圖5。由圖5 可知，在進(jìn)氣15 s 時(shí)，緩沖煤倉和儲(chǔ)煤倉內(nèi)的煤氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于5%，其中緩沖煤倉內(nèi)煤氣含量幾乎降至0，完成吹掃僅需6 s，置換效率高。

圖5 氮?dú)獯祾哐b置吹掃效果

3.2 防煤氣泄漏效果測(cè)試

對(duì)儲(chǔ)煤倉進(jìn)行煤氣泄漏測(cè)試，在加煤操作完成后同等條件下，分別測(cè)試儲(chǔ)煤倉內(nèi)、操作平臺(tái)上風(fēng)向和操作平臺(tái)下風(fēng)向的CO 濃度，結(jié)果見表2。由表2 可知，安裝防煤氣泄漏裝置后，向儲(chǔ)煤倉泄漏的CO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了90%，向大氣中泄漏的CO 基本消除，在很大程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)測(cè)試，單臺(tái)煤氣發(fā)生爐可回收煤氣26 m3/h，青拓集團(tuán)安裝的33 臺(tái)設(shè)備可回收煤氣751.9 萬m3/a。

表2 應(yīng)用防煤氣泄漏裝置前后CO 濃度測(cè)試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.3 煤氣質(zhì)量對(duì)比測(cè)試

為了驗(yàn)證基于氮?dú)獯祾咧脫Q及雙閥聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的防煤氣泄漏裝置是否會(huì)對(duì)煤氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，對(duì)應(yīng)用前后的煤氣成分進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3。由表3可知，應(yīng)用前后煤氣發(fā)生爐所生產(chǎn)的煤氣質(zhì)量沒有發(fā)生改變。由此可得本文研究的防煤氣泄漏裝置能夠有效防止加煤過程中的煤氣外泄現(xiàn)象。

表3 應(yīng)用防煤氣泄漏裝置前后生產(chǎn)煤氣質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié)語

福建鼎信科技有限公司研制的加煤系統(tǒng)防煤氣泄漏裝置采用氮?dú)鈱⒕彌_煤倉的煤氣進(jìn)行吹掃置換，可以最大限度地降低緩沖煤倉內(nèi)的煤氣含量，隔絕煤料與煤氣接觸的特定環(huán)境，解決煤料下落過程中的閃爆問題；同時(shí)對(duì)進(jìn)煤閥口進(jìn)行氣相封堵，防止煤氣從緩沖煤倉外泄到儲(chǔ)煤倉，可以解決儲(chǔ)煤倉的閃爆和煤氣外泄問題。該裝置成功應(yīng)用在青拓集團(tuán)的煤氣發(fā)生爐上，通過氮?dú)獯祾呓Y(jié)果測(cè)試、防煤氣泄漏效果測(cè)試及煤氣質(zhì)量對(duì)比測(cè)試等方面證實(shí)，該裝置具有置換效率高、封堵效果好等優(yōu)點(diǎn)，可在相關(guān)行業(yè)中進(jìn)行推廣。