间歇式固定床气化工艺蒸汽优化技术创新与应用

骆 青，李海洋，张 宇

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽 阜阳 236400）

安徽晋煤中能化工股份有限公司合成氨装置采用间歇式固定床气化工艺生产半水煤气，氨醇产量540 t/d，共有造气炉10台，正常运行9台，造气炉均为Φ2 800 mm直筒型，配套4台风机（型号C600-1.28）。造气炉在生产半水煤气时，炉温不断变化，而入炉蒸汽量恒定不变，存在入炉蒸汽分解率低、气化不均匀等缺点，造成了蒸汽浪费、造气循环水不能平衡和煤气炉出渣残炭高等问题。为此安徽晋煤中能化工股份有限公司进行了间歇式固定床气化工艺蒸汽改造，通过优化降低了系统吹风比例和吹风气排放量，减少了蒸汽消耗量，对公司实现节能减排增效有着重要意义。

1 存在的问题

间歇式固定床煤气发生炉在吹风阶段结束后，炉内温度已经达到最高点，此时炽热的炭在高温下相互黏结，致使床层阻力增大，在上吹通入蒸汽时，蒸汽压力较低且流量恒定，蒸汽的穿透能力差，易导致气化层局部温度过高，热量过于集中而产生局部结疤，引起炉况恶化。

传统工艺是采取较大的上吹蒸汽入炉（即开大上吹蒸汽手轮阀）来避免炉内结疤，但一直恒定通入过量上吹蒸汽不但会使气化层严重上移，而且上吹产生的煤气会带出更多的显热，导致煤气发生炉温度急剧下降。为使上移的气化层降下来，只有加大下吹蒸汽流量，致使下吹阶段蒸汽分解率降低，气化层温度迅速下降。为提高炉温尽量蓄积较多的热量，只有延长煤气发生炉的吹风时间，相应就会缩短有效制气时间，造成吹风气中有效成分高、半水煤气中有效成分低，气质气量差，煤耗高的局面。

煤气发生炉在制气前期炉内气化层温度较高，需用大量蒸汽进行气化，随着制气时间的延续，后期气化层温度也随之降低，此时入炉蒸汽的用量也应随之减少，如果此时蒸汽流量保持不变，会降低蒸汽分解率、浪费蒸汽（不参加分解的蒸汽不但带走大量的热量，过热蒸汽还会给洗气塔增加很大负荷），造成一系列的热量损失及能耗损失。

2 解决思路和主要措施

2.1 解决思路

采用上吹增压和蒸汽递减相结合的入炉蒸汽优化系统，能够有效解决上述矛盾。

在吹风结束、上吹制气开始时，启动上吹增压程序，将0.5 MPa～0.6 MPa的过热蒸汽送入炉箅风帽附近，高温、高压的过热蒸汽迅速与内环区炽热的炭反应，产生优质的半水煤气。此举弥补了上吹蒸汽动力不足的缺陷，避免在高温的内环区形成较硬的疤块。下吹阶段随着制气时间的延长炉温迅速下降，此时利用蒸汽递减工艺逐步减少入炉蒸汽的流量，减缓炉温下降速度，缩小气化层温度的波动。

2.2 改造内容和措施

2.2.1 上吹蒸汽增压改造

用Φ108 mm×4 mm无缝管引外供管网1.3 MPa过热蒸汽，经DN100截止阀、自调阀减压控制进入容积为2 m3的蒸汽缓冲罐，蒸汽缓冲罐出口蒸汽通过上吹增压阀送至造气炉炉底中心管（中心管向上延伸至炉箅第三层处），通过同心异径管进入炉底，与原有的低压上吹蒸汽一同通入炉内。油压闸阀与专用电开型电磁阀连接，电磁阀信号由造气DCS提供，电磁阀开启时间点及结束时间点可以设定。改造后的上吹增压流程示意图见图1。

图1 改造后的上吹增压流程示意图

2.2.2 入炉蒸汽递减优化

入炉蒸汽递减装置由蒸汽递减机械装置、比例液压控制部分及DCS集散控制系统三部分构成，其组成示意图见图2。将递减式调节阀安装在总蒸汽手轮阀和上、下吹蒸汽液压阀之间；在递减式调节阀上安装专用的液压定位油缸；在电磁阀站的空余位置安装专用油路控制集成块。入炉蒸汽递减系统通过DCS系统集中控制。

图2 入炉蒸汽递减装置组成示意图

2.2.2.1 蒸汽递减机械装置

蒸汽递减机械装置部分采用市场上常用的单阀板闸阀，通过加工改造制作成蒸汽递减装置专用阀门，不能完全关闭，没有密封功能，不能作为蒸汽切断阀用。

蒸汽递减装置专用阀门采用油压缸驱动方式，油压缸活塞采用双向双重Y型圈密封，保证油缸在频繁动作的工况下不串油、无外泄漏。

闸板阀上安装位移传感器，通过传感器测量阀门关闭程度，并向DCS系统反馈电信号。

现在，王罕岭有“外湾”和“里湾”两个自然村，外湾村后有一名叫“嵊县峧(gǎo)”的山冈，过去，峧上是新昌地，里湾村在峧上为新昌管辖；峧下为嵊县地，外湾村在峧下属嵊县，旧由嵊县孝嘉乡所辖。2007年调查时，外湾村民家门上方仍挂着一块“嵊县第七区炉峰乡石岭路第六一号61”的门牌。问询外湾村民得知：外湾距嵊县城为35千米，里湾距嵊县城36千米，到华堂金庭观7.5千米。嵊州市交通局立在王罕岭北侧的《陈公岭隧道碑记》也有记述④。

2.2.2.2 比例液压控制部分

比例液压控制部分由液压锁紧回路和电液比例控制回路两部分组成。

液压锁紧回路定位准确，可以确保阀门在任意位置停止，实现定位功能；电液比例控制回路是将不同的电信号输出给比例控制元件，从而实现递减阀门不同的启闭速度，根据在工艺阶段不同的时间调整阀门运动速度。

比例液压系统稳定性好，功能性强，定位准确，自动化程度高，是蒸汽递减装置精细化控制的关键技术之一。在递减的过程中，无管路冲击振动，运行平稳，无噪音；减少了换向阀的换向频率。

2.2.2.3 DCS集散控制系统

（1）DCS集散控制系统由工业控制机、显示器、交换机、行程传感器及仪表柜等组成，控制系统的硬件部分由CPU、模块及输入输出电路构成。DCS集散控制系统采用WINCC软件编程组态，构成人机对话界面，操作简单，参数设定方便。

蒸汽递减阀门上安装的位移传感器实时记录阀门的开启度，反馈给控制系统，记录并生成蒸汽递减阀门的动作实时曲线图，供操作人员分析对比及参数设置参考，历史数据可保留6～12个月。

从上述可知，在制气的初期阶段应该是大蒸汽制气，随后根据温度的变化逐步递减入炉蒸汽的流量，这样不仅可以节省蒸汽，同时也减小了不必要的温度损失，缩小了气化层温度的波动范围，提高了蒸汽的分解率和有效气体成分，对节能降耗有着重大意义。

（2）蒸汽递减设定通过调试参数设置界面功能实现，供操作人员调试设备和操作造气炉用。

蒸汽递减调试参数有上吹恒定时间、上吹上限、上吹下限、下吹恒定时间、下吹下限及手动设定。

上吹恒定时间（s）：上吹开始后调节阀开始调节的时间。例如：上吹恒定时间设定为20 s，那么当上吹阶段运行到20 s后，调节阀开始关闭。目前装置上吹恒定时间稳定在20 s。

上吹上限（%）：上吹初期（恒定时间）调节阀的开度。例如：上吹上限设定为99%，那么在此恒定时间内调节阀的开度为99%，恒定时间过后，调节阀从99%的开度慢慢下行。目前装置上吹上限为100%。

上吹下限（%）：上吹结束时调节阀应该关闭到的开度。例如：上吹下限设定为60%，那么上吹恒定时间过后，调节阀从100%的开度慢慢下行到阀门开度为60%的时候上吹结束。目前装置上吹下限为70%。

下吹恒定时间（s）：下吹开始后调节阀开始调节的时间。例如：下吹恒定时间设定为10 s，那么当下吹阶段运行到10 s后，调节阀开始关闭。目前装置下吹恒定时间为20 s。

下吹上限（%）：下吹初期（恒定时间）调节阀的开度。例如：下吹上限设定为90%，那么在此恒定时间内调节阀的开度为90%，恒定时间过后，调节阀从90%的开度慢慢下行。

下吹下限（%）：下吹结束时调节阀应该关闭到的开度。例如：下吹下限设定为40%，那么下吹恒定时间过后，调节阀从90%的开度慢慢下行到阀门开度为40%的时候下吹结束。目前装置下吹下限调整为40%。

手动设定（%）：手动操作时（二次蒸汽上吹阶段）调节阀的开度。例如：手动设定为99%，那么调节阀的开度在二次蒸汽上吹阶段始终保持在99%。

3 实施效果和效益分析

3.1 实施效果

安徽晋煤中能化工股份有限公司在主要生产装置鼓风机、煤气炉未改变的条件下，对间歇式固定床气化工艺蒸汽进行优化，提高单炉发气量107 m3/h，半水煤气中二氧化碳体积分数降低0.62%，灰渣中残炭占比从优化前的月平均18.5%下降到17.6%。经过核算上吹增压多用的蒸汽量与蒸汽递减节省的蒸汽量，蒸汽消耗降低了0.7%。上吹减压前蒸汽压力在1.3 MPa左右，减压后在0.5 MPa左右，一天用汽在40t左右；0.6 MPa蒸汽用量明显减少，由改造前每天150 t左右减少到100 t左右。

3.2 经济效益和社会效益

3.2.1 直接经济效益

技术总投资：上吹增压和蒸汽递减装置共投资87.9万元。

蒸汽价格按100元/t计，则技术应用后月节约蒸汽费用：（150-40-100）×100×30=3.0万元

造气岗位每天产生约85 t灰渣，原料煤价格当期约1 000元/t，技术应用后灰渣残炭降低，月节约费用：（18.5%-17.6%）×85×30×1 000≈2.3万元

按1 t煤生产2 950 m3煤气计，技术应用后月增加煤气产量折块煤效益：107×9×24×30/2 950×1 000≈23.5万元

技术应用后月节约总费用为：3.0+2.3+23.5=28.8万元

改造后年节约费用：28.8×12=345.6万元

综上所述，技术应用后每年可为公司节约费用345.6万元，该项技术共投资87.9万元，4个月可回收全部投资。

3.2.2 社会效益

通过间歇式固定床气化工艺蒸汽优化技术创新与应用，可降低吹风比例（吹风时间减少占原吹风时间百分比）2.3%～3.5%，减少吹风气排放量1 150 m3/h～1 750 m3/h，有效实现了节能减排。