浅议劣质煤优化制气

摘 要:针对当前原煤质量差的特点，根据煤的特性，有针对性的改造和调节工艺，加上科学管理，也可以达到优化制气的目的。 关键词：劣质煤；灰分；灰熔点；挥发分；系统性；数字化；富氧制气 Discussion on Gasification Optimization of Faulty Coal XU Yu-hua (Huaqiang Chemical Group Co.,Ltd., Dangyang Hubei 444105，China) Abstract: For poor quality of the current raw coal，reform and adjust the gasification process according to the coal characteristics, and coupling with science management，the target of gasification optimization is achieved. Key words: faulty coal；ash content；ash coal melting point；volatile component；systemic； digitization；gasification with oxygen-enriched air 进入21世纪以来，随着能源越来越紧张，以及价格的不断上涨，作为目前我国合成氨行业原料气生产的主力军，固定床间歇气化的生存显得举步维艰。最近几年来，固定床间歇气化的各项硬件配置虽然越来越完善，煤质也在逐年下降，要想进一步降低消耗，在这场残酷的竞争中占据优势，许多同仁显得非常迷惘。下面笔者结合自己的生产管理经验，谈一谈劣质煤如何优化制气，抛砖引玉，供广大同仁参考。 1 烧劣质煤存在的问题及应对措施 对于合成氨造气用的无烟煤，多年前以标煤（固定碳为84%、低位发热量为29307 kJ/kg）来统一评判消耗水平。如今，生产企业几乎不能采购到达到该标准的原煤，按此标准来统一评判消耗水平，也就失去了意义。按过去的劣质煤标准，现在80%的企业用煤都是劣质煤。对于劣质煤的判断，只能根据生产经验，结合原煤的三大指标，将原煤灰分≥25%、灰熔点T2≤1100 ℃、挥发分≥9%或者挥发分≤4%，满足其中任何一项指标的，我们将其定性为劣质煤。在造气生产时，针对原煤特点，做出对应的工艺调整和设备改造，往往可以取得很好的效果。 1.1 原煤灰分高，固定碳相对就少，成渣率高 造气要想降低消耗，让造气炉具备一定的气化强度是基本条件。使用相同灰分的原煤，提高造气炉的气化强度后，排渣能力不跟进，必然导致造气炉工况的波动。于是，为了稳定工况，将炉条机的转速提到极限，炉条机损坏以及灰盘变形移位的速度将加剧。最终导致整个生产混乱，反过来降低气化强度，开太平炉的现象就产生了，其消耗水平就不难想象。 造气炉排渣能力的大小与熔渣区的容积和灰犁大小成正比关系。要提高造气炉的排渣能力，增大熔渣区的容积和灰犁，是最好的办法，但对于小氮肥，目前很多厂沿袭φ2820 mm灰盘的炉底，没有增大熔渣区和灰犁的空间。所以，根本的解决办法，就是加大炉底灰盘。灰盘加大后，上灰仓也要同步增大，熔渣区自然增大；炉箅底座旋转直径不变的条件下，灰犁随之加大。造气炉的排渣能力随之提高，炉条机转速下降后，其损坏以及灰盘变形移位的速度将下降。排渣能力和气化强度间的矛盾就迎刃而解。 造气炉在一定的气化强度条件下，原煤灰分高，则成渣量大，停炉卸灰的次数必然增加。20世纪，当时煤质好，一台炉一个班通常只下两次灰，且生产装置都不大，下灰对生产的影响不大。现在不论是烧何种形式的原料，下灰次数都成倍增长，生产装置越来越大，已经变为炉群化。以40台炉，每台一班下5次灰，每次2.5 min计，一班下来有500 min在下灰停炉，也就是随时都有造气炉在停炉下灰，全年损失算下来近千万。因此，选取不停炉下灰装置是改变这一问题的根本。现在生产中应用的不停炉下灰装置，有水封式捞渣机、破渣机加柱塞泵式、圆盘阀式等，都存在一定的问题，有待进一步改进。 1.2 原煤灰熔点低时，气量气质差，强负荷条件下易结疤 近20年来，造气炉发展改造经历了两次高潮。第一次在上世纪末本世纪初，各企业扩能，最经济的办法，就是加大造气炉，但造气炉直径加大后，并没有发挥应该有的效果。对照φ1980 mm的造气炉反思，是由于高径比失调所致。于是有了第二次改造，加高潮。加高到多少为好？2∶1到2.2∶1，没有一个固定标准，适合就是最好的。但有些公司将φ2610 mm的造气炉加高到7 m，是否有些过了头。加高的根本原因是由于当前煤质下降，为了保证造气炉的气化强度而采取的一项措施。造气炉发气量的大小，最终是由造气炉的蓄热量决定的。由于原煤灰熔点低时，造气炉内气化层的温度不允许提到过去那么高，所以通过加高以增加造气炉内物料的办法，来获取尽可能大的蓄热量，达到提高气化强度的目的。 造气炉加高后，在造气炉工况波动时，很容易产生挂炉结疤。对于挂疤，完全靠调整工艺处理，不用人工协助，一般处理不了。在加焦机普遍采用的今天，很难用人工协助处理挂疤。所以，造气炉夹套加高就成了必然的产物。夹套加高后热损失肯定增加，我们只需将夹套加高前后的造气综合能耗作一下对比，很快可以得出夹套加高后的利大于弊。特别是目前中压夹套、熔盐夹套、隔热夹套的采用，夹套加高后的弊会更小。加高多少为好？目前通常的说法是高径比为1∶1，这个比值也是个经验值，也是从φ1980 mm的造气炉演化而来的。当前这些新式夹套的采用，热损失大大减少，加上煤质问题，将夹套的高径比加高到 1.2∶1，应该是适应造气炉高径比要求的。 1.3 原煤挥发分过高或过低气化的操作控制 挥发分是指原煤在一定温度下干馏时析出的气体和焦油等物质，它与煤化程度有关。 挥发分过高的煤，粘性强，机械强度差，热稳定性差，化学活性好，成渣快，灰熔点低。单烧这种煤时，造气炉内蓄积不了热量，上下行温度高，气体带走的显热大。只能在减少总风量的情况下，提高炭层高度；在保证入炉蒸汽总量不变的情况下，增加入炉蒸汽压力；改造原上吹加氮喷射器，取消原喉管，确保入炉的蒸汽和空气量，才能弥补造气炉蓄热量的不足。 挥发分过低的煤，粘性一般较差，化学活性差，煤的固定碳一般较高，灰熔点高，单用这种煤做型煤，一般不易取得成功，必须要和其他煤种搭配，使其起固架作用，效果不错。单一烧时，只有在提高反应速度上做文章。提高反应速度有两种方法：① 降低原煤的粒度，降低气化剂流速，增加气化剂与原煤的接触面积，达到提高反应速度的目的；② 提高造气炉的反应温度，加大风量，而不增加入炉的空气压力。 挥发分过高过低都不利于制气，对于生产控制是一个很棘手的问题。但作为烧型煤的企业，没有这两种煤，往往又不会取得很好的成绩，它们有很强的互补性。关键在于搭配使用，将挥发分控制在8％左右，完全可以满足造气炉生产。 2 劣质煤制气生产稳定的基本条件 2.1 确保造气炉的蒸汽用量 造气炉蒸汽用量与造气炉内气化层温度有直接的关系，气化层温度升高或降低50 ℃，蒸汽分解率会有6％～8％的差距。 以吨氨耗蒸汽2.4 t计，蒸汽分解率约50％，则气化层温度下降50 ℃后，需用（2．4÷50％）÷42%=2.86 t蒸汽，即吨氨多用2.86－2.4＝0.46 t蒸汽。以日产1500 t氨计，每小时多用28.75 t。 因此，造气炉在煤质发生变化时，蒸汽耗用量变化也非常大，稍有不甚，30 t/h锅炉产的蒸汽就不翼而飞了。此时，不保证造气炉蒸汽用量，造气炉工况将无法保证，整个生产将出现大的波动，而且持续较长时间，严重制约生产。 2.2 短循环制气 目前有一种观点，煤质越差，循环时间应该越长，可以采用弱风长吹的办法，让原煤得到充分的燃烧，获得足够的热量。这是一种违背气化原理的做法。每生产一吨氨约产生2200 m3的吹风气，吹风时间越长，吹风气中有效气体CO会越高，CO每上升一个百分点，造气煤耗约增加16～18 kg。同时，循环时间越长，上下吹制气阶段时间也越长，煤气的气质也会越差，对节能降耗不利。短循环制气，造气炉吹风时间短，气化层温度可能不会有长循环制气那么高，但是制气时间也相对短，整个气化层温度下降不会过大，工况稳定，气质气量均会稳定。 2.3 较低的系统阻力 系统阻力，我们可以分为两大类，即固定的系统阻力和变动的系统阻力。固定的系统阻力包括管道、弯头、阀门，旋风除尘、余热锅炉、洗气塔、气柜的静压等。变动阻力包括造气炉内的物料多少，气柜高度，发气量大小，三气燃烧炉的操作压力等。随着造气技术近十年内出现质的进步，在固有阻力这一块，即系统配置上，阀门，管径，配管合理，阻力降是合理的，关键在旋风除尘和余热锅炉选取上，阻力降越大，旋风除尘效果越好，余热锅炉换热效果也越好，但阻力降过大，对于造气制气很不利，生产厂家基本都能够合理选取。在变动阻力上，特别是炉内物料的影响，炉内物料多阻力大，煤质差阻力大，气化层温度高阻力大。这些都是我们提高劣质煤气化强度的关键，还有较高的料层和相对高的气化层温度。所以我们只能在减少气柜配重；尽量降低三气燃烧炉操作压力；取消洗气塔进口水封；及时清理管件的积灰；为获得稳定炭层，选用自动加焦智能控制器等方面做文章，得到尽量低的造气系统阻力。 3 劣质煤造气的控制管理 在原煤价格不断上涨，化肥价格不稳定的大形势下，企业的生存和发展要向规模、技术、管理要效益。这些年来大家都在加快发展，都有了规模效应；而技术已经转变为商品，什么样的新技术都可以买到，这是两大硬件。唯有管理才是软件，它是靠人去实现的。造气的生产管理专业性强，硬件上的监控手段很难完全到位，要靠人去弥补。加上原煤紧张，紧张煤质就会多变，造气本身变量已经够多了，生产管理难度会更大。因此在新形势下，我们要建立以下管理理念。 3.1 要有系统性思考的能力 系统性思考，能对生产控制起到很好的预判作用，管理起来，速度快，力度大，效果明显。造气车间的日常工作比较繁琐，工作条件相对其他车间比较恶劣，对于现在的大炉群生产，很难逐一对单个的炉况和设备状况进行分析，必须要有系统性思考的能力。要保证系统性分析的准确性，首先要把握好，规范、统一好造气炉和配套设备及管线的尺寸，这是系统性分析准确的基本条件。其次要能够通过对煤质变化、灰渣变化、带出物变化、气温变化、洗气塔水温变化、气体成分变化等，可能对造气炉工况造成的影响进行预测，这是系统性分析准确的能力要求。最后能够对炉条机电流变化、油压波动大小、三气燃烧炉温度变化、塔前塔后压力变化等准确地判断设备可能存在的问题，做到检修的预见性。这是系统性分析准确的保障。只要能够把握好这些系统上微妙的变化，有针对性的工作，就能把握好全局，做到事半功倍。 3.2 统一、正确的操作方法，实现工艺管理的分级 通过每天的煤质分析，炉渣的好坏，以及气质气量的好坏，确立近一阶段的工艺指标，严格各级管理人员调节权限：造气车间和原料车间要紧密联系将原煤质量作为第一工艺指标来确定系统风压，蒸汽压力，加氮阀开度；工艺员对单炉炉条机、负荷、蒸汽阀门进行调节；班长和主操的调节权限，仅限于炉条机和上下吹。同时，对于造气炉变化多的特点，不正常情况的出现要综合分析，加上造气车间操作水平参差不齐，以及各人观点很难统一，容易出现“千个师傅万个法”的局面。要发挥技术骨干的核心作用，总结制定出统一的操作方法，使得任何一项调节都有一个标准，车间将这些理念和方法持之以恒地宣贯和培训落到实处，最终形成整个车间工艺一盘棋。这样，工况才会持续稳定，消耗稳步下降，步入良性循环。 3.3 建立数字化分析的概念 系统性思考要求杜绝本位主义，工艺管理分级要有评判标准。我们可以采集以下数据用于科学分析。 （1）非正常停炉误台时率（不包含大修停炉）。指不在计划内的检修，即没有准备的检修除以开炉总时间，每月总结。这一数字可以很直观的反映设备管理的好坏。 （2）造气炉满负荷生产率（造气炉满负荷运行时间除以开炉总时间）。在负荷调节分级的前提下，很清楚地反映工艺调节水平。 （3）隐患整改率(每日整改的隐患除以每日发现的安全隐患)。每周统计，可以清楚地知道近期物的安全状态。 （4）单炉台时耗煤量（一小时一台炉烧多少煤）。每日统计，从宏观上反映造气炉负荷的轻重。凡数据有偏离的均为异常，有效指导了生产。正是由于这些系统性的数据，让我们很好地掌握和分析某一阶段管理问题的症结，同时是对工艺管理分级和系统性思考的有力补充。 4 结 语 上面的论述，始终是围绕固定层间歇气化，要变要革新。如采用粉煤连续气化，需要有强大的经济实力作支撑，很多企业无法办到。而富氧气化，根据制备半水煤气生产原理，在蒸汽与炽热炭反应的同时，补充一定量的纯氧气体，从而补充更多热量，充分发挥炭的作用，延长高温区反应，提高蒸汽分解的效率，减少吹风间接补充的热量。该技术对各煤种制气有很强的适应性，且投资不大，应该会有广阔的前景。