腐殖酸煤棒在φ2650 mm造气炉上的应用

李德朗

(湖北新洋丰肥业有限公司合成氨厂,湖北荆门 448150)

不断攀升的原料价格,使许多氮肥企业受到了生存的威胁。2010年随着煤炭资源整合的推进和多家煤炭企业安全事故引发的安全整顿,下半年以来,全国的煤炭价格一直运行在历史的高位。氮肥行业的日子越来越艰难,出现了无利可图和亏本经营的局面。特别是以块煤为原料的生产企业更是举步维艰,不得不采取停产限产或者检修来应对原料价格变化对行业的冲击。而选择煤棒工艺,管理规范的氮肥企业则受影响相对较小。即使行业不景气,但因原料价格上存在的明显优势,也能保证企业的经济效益。

新洋丰公司合成氨厂是洋丰复合肥料的原料配套分厂,是一家以煤棒为气化原料单产合成氨的企业。装置有φ2 650 mm半水煤气发生炉14台,合成氨生产能力150 kt/a。自2006年2月投产运行煤棒以来,历经波折。从当初的风干煤棒入炉,到现阶段的余热烟气烘干煤棒;造气工段从当初原始的人工停炉加煤到现阶段的微机控制自动加焦,并实现了DCS集中控制。特别是近两年来,投入大量资金先后对造气系统进行了多项技术改造,使得造气的生产水平大幅提升,单炉发气量明显提高,气化强度从900 m3/(m2·h)提高到了现在的1 100 m3/(m2·h)以上;吨氨原料煤消耗大幅降低,煤气炉安全运行周期持续攀高。

造气的操作思路和发展历程从来都不是一帆风顺的,各种操作理念都有争议。造气工段的管理也因其生产特点的不同与其他工段相比具有比较强的特殊性。煤棒制气同样经历着各种操作理念的实践。笔者通过对多家煤棒企业的访问,发现在工艺条件的选择上也各有不同:湖南的小氮肥企业在循环时间上普遍选择130～150 s,下吹比例较大,普遍在50%以上,吹风比也都选择20%左右,渣块相对较大,残碳＜20%;而湖北的氮肥企业大多采用120 s的短循环,吹风百分比22%～25%,比较注重上吹制气,渣块较松,残碳量20%以上,气质上湖南氮企控制得稍好,原料气中CO+H2＞65%。合成氨厂在多年来采用煤棒制气的生产实践中,也摸索总结出了适合煤棒气化的工艺操作方法,并取得了较好的经济效益。

1 腐殖酸煤棒特性

(1)加入腐殖酸粘接剂的煤棒在热态环境下有较好的稳定性,可以满足造气工段对入炉原料的要求,煤棒透气性能(气孔率)良好,煤棒入炉后经完全上吹,干燥干馏,煤棒中的水分逐渐蒸发形成多孔结构,比表面积增大的同时提高了煤棒的化学活性,能保证空气、蒸汽等气化剂充分与煤接触,提高气化效率。

(2)煤棒粒径均匀,体积一致。入炉后床层阻力均匀,有利于气化剂的均匀分布,在工艺条件合理的状况下,可减少偏流、风洞和局部过热结块等不正常现象,能有效提高吹风效率。

(3)煤棒灰熔点较优质块煤低,操作弹性小,炉况变化快,稍不注意就容易造成后工段的减量生产,工艺操作难度较大。蒸汽分解率低于块煤气化,气化后的成渣性较好,气化速度快,灰渣偏多,特别是运行灰分偏高的原料时,尤为明显。

2 煤棒制作

(1)煤棒质量的好坏,直接影响着后工段的气化工艺和消耗。必须要控制好制棒过程中原煤的配比,粉碎,拌料,堆沤,制棒等过程。严格按规程制备粘接剂和控制搅拌过程中的水分。这样的沤制料进入制棒岗位,棒机操作平稳,电流波动幅度小,产量高。

(2)成型设备为螺旋挤压煤棒机,也有选择煤球机的企业,但是煤球气化效果不如煤棒。这种棒机将沤制末煤从加料口搅入,原煤逐渐被压缩并向前推进,颗粒紧密靠拢,此时原煤颗粒之间、颗粒与叶轮、筒体间产生强烈的摩擦力,产生大量摩擦热,在高温的作用下,水分更加均匀,煤的可塑性大为增强。再经过机头套管的压制,煤粒压缩得更加紧密,出机而成型,长度在20cm左右。

(3)成型的煤棒通过皮带传送进入烘干系统。从潜热工段引入高温余热烟气,温度控制在140～180℃,如烟气量偏少,冬季气温低,要配套热风炉。这样才能保证出烘干系统的煤棒水分控制在小于5%的指标范围内,满足造气工段的工艺操作要求。

3 气化工艺的选择

3.1 合理的炭层控制

炭层高度是指炉箅帽到炭面的垂直高度,也叫有效炭层,在造气的三高一短操作要点中占首要位置,炭层控制高度曾经在行业内发生过较大争议,笔者认为控制得合理与否直接影响着造气炉的产气量和消耗。运行煤棒的炉子有效炭层控制与企业硬件设备密切相关。如风机的性能,系统阻力,造气炉的高径比等。一般来说,控制合理的炭层高度可以稳定阻力;更有利于燃料层的稳定;更好地适应高性能风机的应用;可以更多地储存热量,控制合理的炭层也可以提高入炉蒸汽的分解效率,优化气体质量;能合理控制煤气炉的上下温度,减少热损。前提是保证煤棒质量。φ2 650 mm造气炉采用全自动加煤装置配合DCS控制系统应用,能保证炭层的高度稳定,对造气工段的节能降耗效果明显,这种加煤机运行可靠,能自动探测空层高度,每个循环加煤一次,约100 kg,对炉内温度影响较小,单炉能提高产气量15%～20%,经济效益明显。我公司14台φ2650 mm煤气炉,之前运行14炉,技改之后只开12炉,气量即能得到保证。单炉日节约用煤60 t。有了备炉给造气炉的维修提供了方便,不会因此影响产量。实际生产中φ2 650 mm造气炉选择2.3 m的有效炭层进行操作,有利于蒸汽分解和形成CO2还原的有利条件,也容易形成厚的火层条件,产气量稳定,能够适应移动气化的特点,可以更好地适应大风量操作,无翻炉挂壁现象。因此炭层的稳定控制是炉况稳定的先决条件,也是保证炉内物料平衡的重要环节。

3.2 风量的选择与控制

煤棒良好的透气性和通风性为大风量风机的运用提供了平台,但是吹风时间的选择还是要根据企业各自的实际情况,综合考虑原料煤的特性,有效炭层的高度,炉箅的通风性能等因素来合理制定。原则就是要尽可能利用短的吹风时间为燃料层蓄积更多的热量。因此煤棒气化也要在炭层允许的前提下尽可能提高入炉风量,减少副反应的产生。企业可以通过分析吹风气中的CO来判断,能耗低的企业吹风气中CO的含量一般小于4%。为保证吹风效率,煤气炉处于强负荷下运行,操作难度会增加,但是通过合理的工艺调整和优化,能保证煤气炉的稳定运行。φ2 650 mm造气炉使用D500风机出口全开启的状态下,以水分5%的烘干煤棒,采用120 s短循环制气时,吹风时间以28s为宜,负荷根据季节气温的变化稍作调整,一台风机可配置四台造气炉,相对φ2650 mm造气炉上D450风机的应用,使用D500风机的造气炉工况更加稳定,能克服上吹加氮空气分流对吹风阶段造气炉吹风效率的影响,灰渣中的残炭量可见改善,能提高产气量5%～10%。对于φ2 650 mm造气炉上配置D600的风机,其出口并不能开全,出口开启度在65%左右,突出不了风机的性能,做不到经济运行。

3.3 炉温和火层位置的选择

炉内反应温度的高低是生产工艺控制中的一个重要指标,而炉内气化温度受火层位置的影响很大,火层位置主要通过上下吹的时间分配和炉条机的除渣来调节,而炉温则间接反映出火层所处的位置。一般来说,炉内炭层恒定、工况正常的造气炉,炉上温度显示越高则气化区越高,这样会大大增加带出物和显热,造气炉挂壁翻炉、风洞偏流几率明显增加,不利于安全生产和生产成本的降低。运行煤棒,气化区控制是最关键的,但是因为气化强度较块煤低,所以要靠增加气化反应面积来补偿,操作上应尽可能在保证炉顶炉底温度正常的情况下拉长火层,增加气化剂的反应和还原时间保证气质优化。因为火层被拉长也延长了燃料气化和燃烧的时间,因而较热量集中的薄火层来讲,有利于炉况稳定,炉内不易结块。灰渣中的残碳量不会高。

正常生产中,在入炉蒸汽手轮锁定不变的情况下,火层主要调节手段是调节上吹比例。一般无大的炉况波动,不建议调节蒸汽手轮。在我省几家装置较大的氮肥企业,上吹的比例都占到了整个循环时间的30%以上,而当原料灰分大于25%,上吹的比例则要求更大,同时通过增加下灰频率来保证炉内物料的平衡,这样,在高的负荷下也能保证炉子的稳定运行。

根据移动气化床的特点,上吹比例的增加,加快了火层上移的速度,分散了炉内热量;无疑上吹比例的增加必须要保证有效炭层的高度和高性能风机作为基础,这是因为增加上吹,燃料在炉内停留时间相对较短,下灰残碳量高,但是火层下移,容易出现扒炉现象,有时候会出现垮炭,造成炉子更加不稳定。因此工艺时间的调整还要根据企业自身风机的能力,炉膛高度等实际情况来综合考虑。在φ2 650 mm造气炉上,当上吹比例达到32%以上,造气风机风量要能达到30000 m3/h,风压25～28 kPa,有效炭层2.2～2.5 m为合适。控制更高的有效炭层会降低风机的性能,增加提温阶段炉底的风压,容易造成炭层被掀翻,出现风洞等,不利于安全经济运行。

煤棒机械强度,热稳定性不如优质块煤,因此炉顶炉底温度控制很重要。φ2 650 mm炉上运行煤棒一般炉顶280～330℃,炉底180～250℃。虽然高炭层、高径比合理的造气炉可以进行低炉面温度操作,有利于降低煤耗,减少热损,但是从实践来看,上温在300℃下温控制200℃左右的造气炉也能很好地实现低消耗运行,发气量也更有保证。另外,温度也是判断炉内热量平衡的一个重要方面,不同的就是根据入炉煤棒的原料特点和灰熔点的高低,合理选择入炉蒸汽量来决定煤棒操作的理想温度。其实这个温度是相对的,存在高低温度的平衡之分。

风干煤棒制气,是为降低水分,减少高温对入炉煤棒造成的破坏和粉化。采用人工加煤运行煤棒的造气炉,开炉后,微机即进行一个阶段的全上程序,时间约300 s,然后进入正常程序,这个程序属可选择程序。全上时间根据煤棒质量可以修改。这种模式操作,炉上温度波动较大,每个加煤周期要观察炉内物料状况,要进行人工修正,防止炉内塌方,挂炉等不正常现象。操作人员的劳动强度相对较大。而运行烘干煤棒采用自动加煤机的氮肥厂家,则是定时做短时全上,由微机自动完成。炉上温度相对稳定,炉况也比较稳定。

氮肥企业运行煤棒的造气炉,加氮显得更为重要,采用上吹加氮可保证气化层温度相对稳定,能保证蒸汽分解率的提高。同时减少吹风加氮时间,能较好地优化气质,减少半水煤气中CO2含量。要求在安全的前提下尽可能延长加氮时间。

3.4 蒸汽的选择

采用煤棒制气,蒸汽用量上考虑的因素: (1)稳定炉温;(2)气质;(3)蒸汽分解率。

正常生产中蒸汽温度的高低对炉温的影响较大。通过比较,使用200～260℃过热蒸汽制气的造气炉更容易实现工艺优化。笔者访问的氮肥企业,蒸汽使用上大致有几种:(1)有提高入炉蒸汽总管压力至0.08～0.1 MPa的,但是入炉蒸汽手轮开启度不高;(2)入炉蒸汽总管压力控制在0.05 MPa,而入炉手轮开度则在前者基础上翻倍。气质上区别明显,前者要好于后者。

上下吹蒸汽用量越大,带走蓄热层热量和显热越多,炉温变化也相对越大,直接影响制气效率。这也是我省大多氮肥企业在煤棒操作上选择120 s短循环的原因。但是蒸汽用量大,对气质优化没什么好处,虽然合理提高入炉蒸汽量也能提高单炉产气量,这也要根据实际情况结合风机性能合理选择。煤棒气化操作上要判断蒸汽用量是否适宜,可通过对半水煤气中CO2的含量分析来判断,也可以在上下吹制气阶段分别于上下行煤气管取气样分析 CO2来判断。一般上吹5%～8%,下吹4%～6%。合理的蒸汽用量才能保证热平衡处于理想状态。

4 新工艺设备的选择

随着科技的不断进步,近年来造气工段的高效设备层出不穷,正逐步实现自动化,智能化。新硬件的应用,为氮肥行业的节能降耗起到了推波助澜的作用,经济效益明显,作业环境大为改观。

设备是生产的第一要素,造气的生产,运行情况的优良与否也与设备紧密关联。如液压阀门因生产厂家不同,使用周期也大不相同,笔者熟知的企业,运行煤棒同样在120 s短循环上,有的企业阀门运行一年就磨损严重被迫更换内件才能保证安全经济运行,而有的企业阀门却能连续运行两年还能做到不内漏,无泄漏,密封性能良好,平时维护保养也简单易行,不愧为明智之选。炉箅是造气炉的心脏,煤棒炉更要求布风合理,破渣性优越,通风面积大、气容率高,气化强度高,下吹带出物少,使用寿命长的炉箅。这样的炉箅经济效益好,节能降耗明显,操作上省心。另外,行业内关于夹套高径比的控制各有其说,高的夹套能为炭层的提高创造条件,但同时也增加了热损和灰渣的残碳量。我们通过长期运行实践,φ2 650 mm煤气炉上运行煤棒,2.3 m的有效炭层,1.0∶0.9的高径比是合适的,不会出现挂炉的现象。原则上不出现挂壁现象,夹套高度不需要刻意要求太高,毕竟夹套的主要作用不是用来产蒸汽的。其他设备笔者不一一列举,总而言之,优质的设备会最大程度上减少生产运行中的跑冒滴漏,降低操作中的劳动强度和改善环境,有效降低物耗。

5 结 语

造气行业每年都在进行技术革新,因此狠抓技改也会为企业带来良好的经济效益,促进快速发展。下阶段随DCS系统,自动加煤机,不停炉下灰,PSA提氧,汽轮机驱动造气风机,高压夹套,下吹蒸汽递减等新技术和新工艺在造气炉上的逐步应用,将为造气进一步的节能降耗带来更大的空间。

造气工段三分操作七分管理的经验总结,是造气同行用辛勤汗水换来的。所以在造气这个受原料和人为因素影响较大的龙头车间,优化操作工艺,正确制定严谨的工艺指标和操作法,强化生产管理,严格进行考核,显得尤为重要。更要求造气的管理者具有超前意识,勤观察,勤思考,勤调节。及时掌控煤质成分的变化,遇到大的煤质变化及时召开班组长、主操会议。根据实际情况,制定合理的调节手段和工艺操作方法,统一思路,防止炉况的恶化,保证生产的长周期稳定。