0 前 言
自从1913 年合成氨工业诞生以来, 在漫长的岁月中, 各国科技人员对制造合成氨的原料和加工方法进行了广泛的研究和开发。由于原料成本占合成氨生产成本的60%左右, 因此不论利用液态、气态或固态可燃物作原料, 也不论采用何种气化方法来制取合成氨原料气, 最关键的是如何将合成氨的生产成本降下来。
近年来, 市场原料价格变化较大。因油价猛涨, 以油为原料生产合成氨的吨氨原料价格高达1400 元; 以天然气为原料, 吨氨原料价格上涨到700 元以上; 以块煤 (焦) 为原料, 吨氨原料价格也由过去的300 余元上涨到500～ 600 元。因此,以油或天然气为原料的合成氨生产企业, 相继有多家停产或改用煤焦为原料。在转换煤造气过程中, 有的企业因缺乏深入了解而选择失误, 造成了巨大的损失。
究竟哪一种技术改造方案好? 本文就当前大家所关心的粉煤气化技术、富氧气化技术、型煤气化技术以及固定床气化炉系统的技术改造等问题进行了全面调查, 介绍于后,。
1 粉煤气化技术方案选择
1.1 德士古水煤浆气化技术
兖矿鲁南化肥厂引进美国德士古公司的水煤浆加压气化技术, 并于1993 年投入运用, 经过几年的摸索和吸收消化, 取得了较好的成果。国家为了推广该技术, 专门成立了“水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心” , 研究应用德士古水煤浆加压气化工艺来改造大、中、小型化肥厂。该中心已设计出多种完整的方案, 为化肥厂技术改造提供了有利条件。
1.1.1 水煤浆气化原理
水煤浆气化属于气流床气化工艺技术, 即将经过加工的水煤浆与气化剂 (纯氧) 通过特殊喷嘴混合后, 快速进入气化炉反应室, 遇室内灼热的耐火砖瞬间燃烧, 直接产生火焰反应。微小的煤粒与气化剂在火焰中呈并流流动, 煤粒在火焰中来不及相互熔结就迅速发生氧化反应, 反应在数秒钟内完成。此间, 放热反应和吸热反应几乎同时进行。因此, 水煤浆中的碳基本上全部参加了反应, 在高温下所有干馏产物都迅速分解, 转变为均相水煤气的组分。
1.1.2 水煤浆气化特性
(1) 该气流床气化的特点是: 每个煤粒均被气流隔开, 并能单独膨胀、软化、燃烬及形成熔渣。燃料颗粒不易在塑性阶段凝聚, 燃料的粘结性对气化过程不会产生大的影响。
( 2) 气化炉结构简单。该技术的关键设备——气化炉属于加压气流床, 湿法加料, 液态排渣, 不需要机械传动装置。
(3) 开停炉方便, 加减负荷较快。
(4) 煤种适应性较广, 可以用无烟煤、烟煤、次烟煤、石油焦、煤加氢液化的残渣等。
(5) 在相同的条件下, 半水煤气成本低。
(6) 碳转化率高。该工艺的碳转化率在97%～ 98%。
(7) 煤气质量好, CO + H2≥80% , H2/CO0.77, 可以对CO 全部或部分进行变换, 以调整其比例, 用来制取合成氨、甲醇。另外, 后系统气体的净化处理方便。
(8) 生产稳定, 开车率达90%～ 95%。
(9) 因为该气化方法是在高压 (4.0～ 6.7M Pa) 下进行, 所以它的单炉产气量较高, 容易实现气化炉的大型化。目前2000 tö (d·台) 的气化炉已在运行。
(10) 三废排放有害物质较少。
1.1.3 进展情况
兖矿鲁南化肥厂对德士古水煤浆气化技术进行了成功的应用, 并且进行了技术创新。该厂1995 年以来在该装置上多次创出了新记录, 合成氨产量最高达到 346.68 t/(d·台) [原设计为240 t/(d ·台) ], 超过设计能力的44.45%。 1999年生产合成氨 107846 t, 超过设计能力 34.8%。
经过多年的研发、应用, 该技术已经成熟, 国内外已建成多套德士古水煤浆气化装置。
1.2 壳牌粉煤气化技术
该技术具有煤种适应性强、效率高、可靠性高、环保性能良好等优点, 是当今世界比较先进的粉煤气化工艺之一。
1.2.1 概 况
20 世纪 70 年代初期, 壳牌公司在多年渣油气化经验的基础上, 开发了粉煤气化技术。第一座粉煤气化试验装置于 1976 年在壳牌阿姆斯特丹研究中心投入运行, 该装置日处理粉煤6 t, 共试验了 30 多种煤。
1978 年一座日处理150 t 煤的中试装置在壳牌德国哈尔堡炼油厂建成。该装置的建成, 进一步推动了粉煤气化技术以及所需要的专业设备的开发进程。建成后, 该装置共运行了6100 h, 对计算机模型和主要设备的设计原理进行了验证,获得并优化了操作程序。
1987 年, 一座规模更大的示范厂在美国休斯顿壳牌石油公司的迪尔帕克厂建成。该厂设计能力为日气化 250 t 高硫煤或 400 t 高水分和高灰分褐煤。
1988 年, 荷兰发电局下属的德姆克勤联合发电厂新建了一套日气化2000 t 煤的装置。该装置于1990 年建设, 1993 年投入运行。
壳牌气化炉先后对 60 余种煤进行过气化试验, 均获得成功。据悉, 在我国广西柳州、湖南洞庭、河南安阳、湖北应城等地正在建设壳牌气化炉。
1.2.2 壳牌粉煤气化技术特点
(1) 该气化工艺以干粉煤为原料, 纯氧和蒸汽为气化剂, 液态排渣, 属加压气流床气化范畴。加压的干粉煤、氧气、蒸汽的混合体在高于气化压力0.5M Pa 下, 通过对列式喷嘴进入炉膛, 炉膛内气化压力为 2～ 4M Pa, 气化温度为 1400～1700 ℃。气化后的液态炉渣落入炉底水槽, 凝固成为密集的玻璃状颗粒, 落入渣槽下的收集容器中, 通过一个定时开启的锁斗收集。锁斗装满后,用水对渣进行冲洗, 除去夹带的气体和表面杂质。冲洗后, 对锁斗进行减压, 将渣排入一个脱水箱中运走。
高温煤气从气化炉上部出来, 经气化炉内膜式水冷壁及废锅产生高、中压蒸汽。煤气再进入组合式陶瓷过滤器除去煤粉, 经冷却后送气柜。
(2) 煤的碾磨和烘干极为重要, 原煤经磨煤机, 将煤碾磨到适合有效气化的微粒 (90%小于100 Λ m)。在碾磨的同时, 用经加热的惰性气流穿过粉煤, 将系统中的蒸发水带走, 将煤烘干。烘干后的粉煤用氮气传送到气化炉的供料系统。该系统包括锁斗和料斗, 锁斗装上煤后, 可用氮气来加压, 然后送到料斗中。加压粉煤从料斗中取出后, 由氮气输送到气化炉的喷嘴。
(3) 气化炉结构较简单, 它采用类似锅炉的水冷壁技术, 炉内无任何耐火砖。气化炉包括: 膜式水冷壁室、环形空间、承压外壳和喷嘴 (烧嘴) 等。炉内安装用沸水冷却的膜式水冷壁, 使气化工艺过程在膜式水冷壁围成的空腔里发生,气化压力由外部的高压壳体承受。
(4) 壳牌气化技术应用效果好, 原料煤中所含能量的80%～ 83%以煤气形成回收, 另外14%～16%以蒸汽形成回收; 碳转化率为99% , 有效气体成分高, CO + H2 90%以上; CO 2 含量低,3.81%; 环保效果好, 炉渣中含碳量低于0.5%;煤耗比德士古气化炉低10% , 氧耗比德士古气化炉下降 25%。
1.3 恩德粉煤气化技术
恩德粉煤气化技术实际上是在德国温克勒气化炉技术基础上, 经过多次改进而发展起来的。经过30 年发展, 该技术已成为具有自己特点的实用新型气化炉生产技术。
1.3.1 工艺流程
≤10 mm 的粉煤由备煤工段送至氮气加压密封的煤仓, 粉煤通过煤仓底部的3 组螺旋加煤机送入气化炉底部锥体段。氧气 (或空气、富氧空气) 和来自废热锅炉的过热蒸汽 (240 ℃) 混合作为气化剂和流化介质, 分别从一次喷嘴和二次喷嘴进入气化炉。一次喷嘴设在加煤机下方的气化炉锥体部位, 与切线方向成一定仰角和斜角, 使入炉粉煤容易流化。入炉粉煤中的大部分较粗颗粒在炉底锥体部位形成密相区, 呈悬浮状态 (沸腾状态)。此间, 气、固两相发生剧烈的化学反应,密相段反应温度在 950～ 1000 ℃之间。大颗粒煤经气化反应后变成小颗粒煤, 与部分未参加反应细颗粒煤随反应气体被带离密相区, 在气化炉的上部形成稀相区, 并在此与二次喷嘴喷入的二次气化剂进一步发生化学反应。一般稀相区的温度比密相区的温度要高一些。
灰渣比重较大, 落入气化炉底部, 经水内冷的螺旋出渣机排于密封灰斗, 定期排入炉底外部灰渣车运走。未完全反应的细颗粒煤, 由煤气夹带从气化炉顶部出来, 经旋风除尘器将其中较大颗粒煤分离出来, 经回流管返回气化炉底部密相区, 再次参加气化反应。经旋风除尘器的高温煤气 (900～ 950 ℃) , 经飞灰沉降室后进入废热锅炉, 产生过热蒸汽。出废锅240 ℃左右的煤气进洗涤塔进一步除灰、冷却至35℃左右, 然后进入湿式电除尘器进一步除尘。
1.3.2 技术特点
(1) 炉箅布风改为喷嘴布风
将原温克勒气化炉的炉箅取消, 改为喷嘴布风, 消除了原来炉底结渣问题, 将气化炉的运行率由68%提高到 90%以上。
(2) 提高碳的利用率
原温克勒气化炉碳利用率低, 主要原因是带出物太多。为此, 在恩德炉上采取了两项措施: 一是在炉体中上部增设二次喷嘴, 使小颗粒进一步气化; 二是采取热回流方法, 即用干式旋风除尘器, 使碳的利用率达到 92%。
(3) 技术成熟可靠
目前该技术已系列化, 单炉生产能力有: 5000m 3/h、10000 m 3/h、20000 m 3/h、40000 m 3/h。
(4) 煤种适应性较宽
褐煤、长焰煤、不粘或弱粘结煤都适用, 仅对煤的化学活性 (950 ℃, > 65% ) 和灰熔点 (>1250 ℃) 有一定的要求, 对灰分 (低于40% )、煤的粒度 (≤10 mm ) 等要求不高。
(5) 操作弹性大
恩德炉最小负荷受流化所需要的最小速度的限制, 最大负荷则受残留物完全燃烧所需最短时间的限制。气化炉生产负荷可在设计负荷60%～105%范围内调节。
(6) 开、停炉方便
如需停炉, 停供汽化剂和原料煤, 可在几分钟内实现停炉。因流化床冷却速度慢, 在几天后仍可送入汽化剂和原料煤重新启动。停炉期, 每天喷入一两次少量空气就可维持炉温。特别适用于工业燃气企业调度应用。
(7) 运行稳定可靠, 检修量少
气化炉仅由耐火材料的炉体和可拆卸的喷嘴组成, 没有传动机构, 故不需太多的维修即可获得较高连续运转率。
(8) 气化效率高
经检测, 恩德粉煤气化炉的气化效率可达72%～ 76%。另外, 气化强度也大, 气体质量符合要求。
(9) 生产成本低
恩德炉可以用粉煤直接气化。粉煤价格低, 加工比较简单, 通过10mm 的筛网所筛下的粉煤就可直接应用(德士古炉和壳牌炉的煤加工要求高,费用也大)。
(10) 自产蒸汽量
每万立方米煤气可产55 t 蒸汽 (0.6M Pa) ,80%自用, 20%外送, 可做到造气蒸汽自给有余。
(11) 废锅使用寿命长
由于将废锅的位置改在旋风除尘器后面, 进废锅煤气中的含尘量降低, 因此延长了废锅的使用寿命和检修周期。
(12) 循环影响小
在流化床中, 由于温度高且各处温度分布均匀 (均在900～ 950℃) , 原料中的挥发分受热迅速分解, 焦油、重质碳氢化合物等裂解较为完全,因此煤气中不含焦油及油渣, 净化系统简单, 污染少。
1.4 常压流化床技术
该技术是国内近年开发的常压粉煤气化炉,对≤13 mm 的粉煤进行气化。该技术不用氧气,以空气和蒸汽为气化剂; 采用常压间歇式流化床气化工艺, 生产过程只有吹风与制气; 气化时没有干馏过程, 焦油和酚等有机物在高温区燃烧干净, 不需要建焦油和污水处理系统。所以, 工程投资和煤气成本与固定床煤气炉相比可节约30%以上, 并可做到蒸汽自给, 具有运行操作简单及设备维修量少等优点。
原理与流程
气化炉开炉前先用油点火升温, 当气化炉内部温度达到预定要求时, 粉煤由螺旋机送入炉内底部。经过预热的空气和过热蒸汽交替从炉底进入, 分别进行吹风 (放热)、制气 (吸热)。
第一废锅和第二废锅所产蒸汽, 经减压后进入蒸汽缓冲罐, 再进入蒸汽过热器, 最后进入气化炉作气化剂用。该技术所产煤气已作为燃气在工业窑炉上应用。最近, 山东鲁西化肥厂新建了一台<2500mm气化炉, 目前正在试生产中。
1.5 灰溶聚流化床粉煤气化技术
该技术是中国科学院开发的一种粉煤气化技术。
1.5.1 特 点
(1) 气化炉是一个单流化床, 煤的破粘、脱挥发分、气化和灰的团聚等四个过程同时在炉内完成, 设备结构简单。
(2) 气化剂 (空气或氧气) 从气化炉底部进入, 使炉内形成一个局部高温区, 促使灰团聚成球形, 从而保证灰与煤的有效分离, 提高了碳的利用率。
(3) 水蒸气从分布板进入气化炉, 在周边形成一个相对低温区, 可有效地防止炉内结渣现象产生。另外, 炉内半焦存量较高, 使得操作过程稳定, 抗负荷波动能力强。
(4) 高温煤气夹带的细粉煤大部分经旋风除尘系统捕集下来, 并返回气化炉内再次进行燃烧气化, 碳的利用率高。煤气中少量粉尘经二次除尘后送出。
(5) 气化炉出口温度适中, 煤气经废锅后进入洗涤系统。
(6) 该技术煤种适应性强, 可气化小于8mm的各种煤, 对煤种无特殊要求。
(7) 气化强度高 (是固定床煤气炉的 3～ 5倍) , 气化温度适中, 可以在炉内预脱硫。三废污染少, 有利于环保。
(8) 投资少, 仅是引进的粉煤气化技术的40%～ 70% , 容易推广应用。
(9) 该技术是根据射流原理, 将气化剂(空气加蒸汽, 氧气加蒸汽, 或富氧空气加蒸汽) 从炉体底部吹入, 与由螺旋机送入炉内的煤产生沸腾气化, 在灰团聚装置中形成床内局部高温区, 实现煤的破粘, 挥发物逸出、气化和灰的团聚成球,并借助重量的差别达到灰球与煤粒分离, 连续排出低含碳量的灰渣。
1.5.2 工艺流程 (图1)
1.5.3 试验情况
已完成日处理能力 1 t 煤的小型试验装置和24 t 煤的中型试验装置, 以及相配套的冷态试验模型。陕西城固氮肥厂建成的 <2400 mm 常压气化炉工业化示范装置目前仍在摸索试验阶段。
1.6 小 结
企业在选择粉煤气化炉型时, 一定要多方面地考察, 全方位地计算。有些粉煤气化技术虽然投资少, 成本也低, 但由于煤气成分中非有效气体过高, 会增加后工序的能耗, 也是不可取的。
2 富氧空气连续气化技术方案
2.1 富氧气化原理与工艺特点
富氧空气与煤燃烧在发生放热反应的同时,蒸汽与灼热的煤产生吸热反应, 两反应基本达到平衡时, 气化过程便会连续平稳地进行。为了符合半水煤气成分的要求, 必须将富氧空气中的O 2含量控制在47%～ 52%。
实现富氧连续气化后, 由于没有吹风燃烧炭损失、气体带出物减少和灰渣含碳量降低等原因,使炭的利用率得到提高, 煤耗降低。另外, 由于气体空速低, 可以使用6～ 25 mm 小籽煤进行气化。
该技术是连续气化, 炉温相对比较稳定, 蒸汽分解率比间歇式气化炉要高。另外, 由于高温煤气全部进入废锅, 余热回收效果好 (原中氮肥大直径煤气炉流程, 煤气不进入废锅) , 因副产蒸汽量增加, 氨系统能实现蒸汽自给。
该技术选用自动加煤机和不停炉下灰装置,省去了许多自动阀门, 简化了工艺流程, 降低了系统故障率, 减少了设备维修费用。
2.2 前景评述与问题讨论
任何一种气化技术, 不论它有多么先进, 最终还是看它是否能为企业创造效益。因此, 研究富氧空气连续气化技术的可行性, 效益问题是首要问题。而且在分析富氧气化经济效益时, 应该是全面的。
2.2.1 气化强度问题
根据众多资料介绍和理论计算, 富氧空气连续气化炉比间歇式气化炉的气化强度成倍增加,根据原料不同可增加1～ 115 倍。但是, 从目前应用富氧气化炉的众多厂家来看, 实际仅增加 5%～ 30% , 有的厂还不如间歇式气化炉。例如: 当前先进的间歇气化炉, 以块煤为原料的气化强度为1825m 3/(h·m 2) ; 再看富氧气化炉的气化强度, 淮南化肥厂为2387m 3/(h·m 2) , 增加30%;黑龙江化肥厂为1902m 3/(h·m 2) , 仅增加4%;武进化肥厂为2177m 3/(h·m 2) , 增加19%; 大竹化肥厂为1658 m 3/(h·m 2) , 反而下降10%。
由此可见, 实际生产中富氧气化炉的气化强度都不高, 没有一家达到成倍增加的效果。
另外, 随着科学技术的进步, 间歇式气化炉烧型煤的气化强度也较高。烧煤棒的气化强度达到1303m 3/(h·m 2) , 烧碳化煤球的气化强度达到1424 m 3/(h·m 2)。
2.2.2 煤耗问题
目前国内先进企业间歇式气化炉吨氨入炉实物煤耗为1105～ 1120 t, 而富氧气化炉为11314 t以上。因此, 富氧气化炉的煤耗偏高。
2.2.3 半水煤气成分问题
2.2.3.1 CO 2 含量
间歇式气化炉以晋城块煤为原料时, 半水煤气成分中CO 2 含量为5%～ 6%。富氧气化炉所产半水煤气中, CO 2 含量高达13%～ 16% , 最高达到19.7%。由于CO 2 浓度过高, 直接影响合成工序压缩机的运行效率 (一般降低10%左右) , 必然造成电耗和压缩机维修费用增加。
2.2.3.2 CO 含量
间歇式气化炉半水煤气中CO 含量为 28%～ 31% , 而富氧气化炉半水煤气中为CO 含量为38%～ 44%。由于CO 含量的增加, 必然会导致变换工序中变换炉的负荷增加。它不但会使催化剂的使用寿命缩短, 而且使变换炉蒸汽消耗增加。据有关资料介绍, 吨氨半水煤气中CO 含量每增加1% , 变换炉多消耗蒸汽1 kg 左右。按黑化富氧气化炉设计年产合成氨180 k t 计, 全年因CO 含量高, 变换炉多支出蒸汽费用40 万元以上。
2.2.4 制氧费用问题
过去, 富氧气化炉所用氧气大多采用深冷制氧工艺制造, 其氧气成本高; 后来改用变压吸附制氧工艺, 氧气成本有所下降。由于富氧气化效率不高, 直接影响到企业的经济效益, 因此, 单独新增制氧装置用于富氧气化炉显然是不合算的。有些企业将其他工序多余的氧气用于富氧气化还是可以的。
2.2.5 设备维修费用问题
某些文章出于商业炒作, 仅介绍使用富氧空气连续气化后因工艺流程简化, 少了一些自动阀门 (两用炉并未减少) , 因此减少了许多设备维修费用, 却避而不谈新增加制氧系统的设备维修费用。实际上, 制氧系统设备的维修费用远比几个阀门的维修费用大得多。
2.2.6 投资金额问题
同等生产规模, 富氧连续气化装置 (包括制氧系统) 要比间歇式气化装置的投资总额高出40%～ 50%。
2.3 小 结
企业的领导在企业进行重大技术改造时, 不仅要有决策的胆识和魄力, 而且选择项目要准, 技术改造方案要稳, 落实项目要快, 只有这样才能使企业迅速增加效益。
从众多企业富氧气化炉运行情况来看, 弊大于利, 前景不容乐观。
3 型煤气化技术方案的选择
目前, 化肥企业应用的型煤气化技术有三大类: 碳化煤球、粘结剂煤球、腐殖酸煤棒。三类型煤在应用中各有利弊, 为了使新建型煤装置的企业有所了解, 现分析如下。
3.1 碳化煤球
该型煤主要优点是: 在制造方法得当的情况下, 碳化煤球的强度很高, 一般在 600～ 800N/球。碳化煤球的气化强度也可以达到较为理想的强度, 一般在1200～ 1400 m 3/(h·m 2)。管理得好, 企业也能创造效益。由于该型煤装置需要庞大的煤球碳化系统和石灰生产系统等, 20 世纪90 年代以后, 已没有企业再新建碳化煤球装置了。
3.2 粘结剂煤球
生产粘结剂煤球的厂家很多, 在全国有数百家, 仅山西省就有百余家, 年生产粘结剂煤球1000 k t 以上; 另外, 研究与生产粘结剂的单位也很多。但是在化肥企业中, 应用粘结剂煤球的并不多, 只有少数厂建有生产量不太大的装置, 且多与块煤掺烧。
粘结剂煤球发展不快的主要原因是粘结剂应用效果问题。性能好的粘结剂, 生产成本较高, 企业没有效益; 性能一般的粘结剂, 成球质量又不太好, 气化强度低; 另外, 也需要庞大的煤球烘干系统。因此, 粘结剂煤球30 余年来, 在化肥行业发展缓慢, 20 世纪70 年代许多中、小型化肥厂花费大量人力物力建设的粘结剂煤球装置, 目前都已拆出。
3.3 腐殖酸煤棒
煤棒是湖南省小型氮肥行业在 70 年代研制的一种新型粉煤成型技术, 在湖南省应用较广, 有80%的小氮肥厂都应用过煤棒制气。因为该技术设备简单、投资少、占地面积小、加工容易, 制出半水煤气的气质、气量都能满足合成氨生产需要, 大幅度地降低了化肥生产成本, 深受广大企业欢迎, 很快在全国推广应用, 特别是近几年, 因块煤价格上涨, 许多中、小型化肥厂都新建了煤棒生产装置。
3.3.1 煤棒气化特性
(1) 由于煤棒含水量高, 热损失大, 降低了炉温, 增加了消耗, 蒸汽用量不宜过量。
(2) 煤棒气化时, 温度控制很重要, 上行温度在250～ 350 ℃, 下行温度在180～ 250℃。炉上温度过高, 煤棒入炉后形成骤然加热, 内部水分在短期内大量蒸发, 体积急剧膨胀, 会使煤棒爆裂, 严重影响煤气炉的气化强度。
(3) 由于煤棒的气孔率是块煤的5～ 6 倍, 煤棒入炉后, 经干燥干馏后, 煤棒中水分蒸发后形成多孔结构, 有利于与气化剂接触。
(4) 煤棒在正常工状下气化, 一般不易结疤、结大块, 气化后渣性好, 渣块呈轻质多孔状, 渣中含碳量低。
3.3.2 煤棒气化工艺条件的选择
(1) 吹风时间与吹风强度的选择
根据煤棒的特性, 在选择吹风时间和吹风强度时要注意: 因为煤棒本身含水分较高, 吹风时间不宜太长, 否则易产生煤棒爆裂现象, 影响气化强度。湖南众多应用煤棒制气的厂家, 吹风百分比均在20%以下, 最低的只有15%。理想的吹风强度一般控制在 4000～ 4500 m 3/(h·m 2)。
(2) 蒸汽用量的选择
小氮肥厂由于一般没有蒸汽流量计, 因此生产中难以判断上、下吹蒸汽用量是否恰当。最简易的方法是分析上、下吹半水煤气成分中的CO 2含量。一般炉况正常情况下, 蒸汽用量过多, CO 2含量就偏高, 反之则相反。烧煤棒时, 上吹CO 2 含量控制在6%～ 7%、下吹5%～ 6%比较理想, 偏离上述范围, 要及时调量。另外, 入炉蒸汽总管压力应控制在0.1M Pa 为佳。
(3) 炭层高度的选择
目前烧煤棒的企业, 都采用人工加煤方式, 在风机压力20 kPa 以下时, 加煤后的空程高度一般选择 1600～ 1800 mm 为宜。如果风机压力在 25～28 kPa, 可将空程高度控制在1200～ 1400mm。
3.3.3 煤棒气化效果
炉渣含碳量 15%～ 18%
入炉吨氨实物煤耗 1.45～ 1.80 t
气化强度 0.395 t/(m 2·h)
以上数据均达到国内先进水平。
4 间歇式气化炉系统技术改造方案
随着科学技术的进步与发展, 原来造气系统中许多能耗高的装置已不再适应当前生产的需要了。中、小型氮肥企业在没有条件改用先进的粉煤气化技术的情况下, 可对现有造气工序进行如下改造。
4.1 设备改造
4.1.1 煤气炉
(1) 当前小氮肥以<2400mm 炉和<2600mm炉为主, 中氮肥以 <3000 mm 炉和 <3600 mm 炉为主, 它们基本上已属于定型设备, 不宜再盲目扩大炉膛。
(2) 对已扩大了炉膛的煤气炉系统, 其管道和阀门等附属设备必须按照炉膛直径等比例地进行技术改造, 否则, 达不到理想的效果。
(3) 炉箅选用新设计、新结构、新材质的7 层新型炉箅。
(4) 炉底传动装置全部改为双滚动传动, 采用无级自动调速电机。
(5) 调整好高径比, 将高径比控制在2∶1 左右。将煤气炉上部出气口改到炉上顶部出气。
4.1.2 自动阀门
(1) 选择优质的座板阀, 阀门的通道面积应该与同径的闸板阀相等。
(2) 为了提高阀门的开、关速度, 将控制自动阀门的电磁阀改为电液阀。
(3) 根据煤气炉的直径大小, 正确选择阀门的阀径与阀位。
(4) 消除自动阀门的内、外漏。
( 5) 应用煤气三通阀和蒸汽三通阀的企业,尽快改造为上、下行煤气阀和上、下吹蒸汽阀, 这有利于增加煤气炉的发气量和节能降耗。
4.1.3 余热锅炉
火管锅炉和水管锅炉都应该逐渐被淘汰, 改用传热效果好的热管锅炉和套管锅炉。
4.1.4 微机应用应用微机及DCS 等, 除了能有效的控制自动阀门外, 还具有多项自动调节的功能。
4.1.5 鼓风机
提高煤气炉的气化强度, 必须先提高煤气炉的吹风强度; 提高吹风强度, 必须选择高效风机。应该选择双叶轮高效风机, 风压选择在 25～ 30kPa。老风机经过技术改造, 可以提高风压5～ 10kPa。
4.2 流程改造
4.2.1 煤气生产工艺流程
原来的煤气生产工艺流程存在系统阻力大、热量损失大、余热回收不完全等缺陷。河北工业大学金锡祥教授研制的余热集中回收流程, 系统阻力小、余热回收效果好, 很多家生产企业的应用表明, 采用该流程对提高煤气炉的气化强度和节能降耗效果显著。
在改造时, 应特别注意煤气总管的直径选择。
一些小氮肥厂, 在改用余热集中回收流程时, 单炉系统阻力是降低了, 但由于总管直径过小, 多台炉同时生产时, 会出现煤气总管
截面过小导致气柜阻力增加, 影响煤气炉的气化强度。
4.2.2 蒸汽流程
蒸汽流程在中氮肥基本相同, 在小氮肥各厂则不统一, 可以说是五花八门, 而且许多厂蒸汽流程存在严重不合理现象。
蒸汽流程布局是否合理, 直接影响到煤气炉内的工况正常和气化效率高低。因此, 选择理想的蒸汽流程非常重要。
造气工序所用的蒸汽来源有四个方面:
一是煤气炉夹套锅炉自产低压饱和蒸汽;
二是吹风气潜热回收装置中高压锅炉所产生高压过热蒸汽;
三是多台煤气炉上下吹煤气显热集中回收联合锅炉 (有少数厂仍为单炉一台锅炉) 所产低压饱和蒸汽;
四是供热工序锅炉送来的中压过热蒸汽(造气工序蒸汽能够自给的厂, 可不用此蒸汽)。为了提高煤气炉的气化强度, 煤气炉所用蒸汽最好是选择200 ℃左右的过热蒸汽。
因此, 理想的蒸汽流程应该是: 首先将夹套锅炉所产的饱和蒸汽和联合废锅所产饱和蒸汽合并一起进入蒸汽过热器 (联合废锅的上部) 进行过热, 然后进入蒸汽缓冲罐。吹风气潜热回收装置中高压锅炉所产高压过热蒸汽, 经减压后送入蒸汽缓冲罐。另外, 供热工序锅炉所产中压过热蒸汽也经减压后进入缓冲罐。缓冲罐蒸汽出口设置蒸汽总管, 从总管分别引支管至各煤气炉蒸汽总阀前, 蒸汽总管压力保持在0.1M Pa 为佳。蒸汽缓冲罐的容量或台数和蒸汽总管直径的选择应根据各厂运行煤气炉的台数而定。其主要原则是: 不论多少台炉同时用蒸汽, 一定要保证蒸汽总管压力稳定, 基本上要恒定在0.1 kPa 左右。蒸汽总管压力的稳定, 除了与缓冲罐的容积和总管的直径有关外, 还与蒸汽减压的方法有关。因此, 选择灵敏度高的蒸汽减压装置非常重要。
4.2.3 吹风气潜热回收装置技术改造方案
20 世纪 80 年代由上海化工设计院设计的吹风气燃烧炉为上燃式, 应用表明存在某些不足。由北京普尔捷能科技发展有限公司开发的新型中燃式燃烧锅炉近年的应用效果较好, 主要改进如下:
扩大了燃烧炉炉膛直径; 采用高温喷头, 降低了弛放气消耗量; 为了降低系统阻力, 取消了格子砖, 采用分区燃烧方法; 采用高低压锅炉串联流程, 副产蒸汽背压发电等先进技术和多项专利技术。
5 结 语
改造好固定床煤气炉装置, 同样可以取得好的经济效益。近年湖南湘氮在一造气工程中, 对7 台 <3 m 煤气炉中的 4 台炉按照小氮肥余热集中回收流程进行了技术改造, 取消了燃烧室、废锅、洗气箱、煤气三通阀、空气管上的孔板等。改造后, 取得了明显的经济效益。这是中氮企业首次依照小氮肥模式进行的技术改造, 打破了中氮肥顽固的保守思想, 为中氮企业造气工序进行技术改造迈开了可喜的第一步 (最近该厂正在对另外3 台炉进行改造, 明年还要对二造气 9 台炉进行改造)。
