淺談煤氣化爐中分析系統的設計及選型

焦慧娟，李濤

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

在石油、化工的生產過程中，為了控制化學反應和確保安全生產，通常需要使用在線分析儀，例如工業質譜儀、工業氣相色譜儀、熱導式氣體分析儀、紅外線氣體分析儀等。通過這些成分分析儀的分析，不僅能及時準確掌握裝置的生產反應狀況，控制產品質量，還可以通過成分分析反應裝置的安全情況，巧妙地掌握部分無法檢測的裝置安全問題，以下以工業氣相色譜儀分析系統在煤氣化爐中的應用為例說明其拓展應用。

1 煤氣化工藝特點概述

煤化工項目，首先需要解決的是煤的氣化問題，目前國內煤氣化爐有多種工藝包，較為成熟的有德士古爐、殼牌爐、航天爐等，各種氣化爐均為高溫、高壓工況。

以某甲醇項目中3臺氣化爐為例來說明分析系統的選型設計，其采用的是西北化工研究院的多元料漿氣化專利技術，生產方法： 將原料煤與水在磨機中研磨，得到煤的質量分數約為60%的料漿，用泵加壓后送入氣化爐，與空分裝置來的氧氣混合，在加壓的情況下，煤中的碳被部分氧化，生成H2，CO，CO2，H2O以及CH4，H2S等氣體。由于氣化溫度較高(1 350～1 450 ℃)，大部分煤中的灰渣呈熔融態流出，在氣化爐底部用激冷水降溫后凝固，經過鎖斗排入渣池，粗渣用撈渣機撈出后送出廠外。降溫后的氣體經氣液分離器分離出夾帶的水分后，形成粗煤氣送往文丘里洗滌器洗滌后進入洗滌塔，進一步洗滌氣體帶出的塵粒，最后送往變換工序。氣化爐激冷洗滌水和水洗塔洗滌排放出的黑水以及渣池中的黑水送入灰水處理工序處理后循環使用。簡單的工藝流程如圖1所示。

圖1 煤氣化簡單工藝流程示意

2 儀表選型原則

該甲醇項目中，3臺氣化爐的燒嘴質量、換熱器質量、爐膛溫度以及粗合成氣成分控制需要進行在線質量監測。

1) 燒嘴質量的實時監測。燒嘴常年處于高溫、高摩擦工況狀態下，壽命較短，屬于裝置消耗部件，燒嘴一旦損毀，須立即更換，否則會造成氣化爐反應失控，裝置停車；但因其處于高溫、高壓工況中，用常規方法很難檢測其質量好壞。通過實時檢測燒嘴冷卻水中的CO體積分數來間接掌握燒嘴的使用情況，是一種巧妙的辦法(因燒嘴一旦損壞，氣化爐中CO即會滲透到燒嘴冷卻水中)，所以該點須選用成本低廉、響應迅速、精度無需很高的分析儀，對燒嘴冷卻水系統中漏入的煤氣進行連續檢測并發出預警。在該點選用連續紅外分析儀是最佳選擇。

2) 換熱器質量的實時監測。換熱器中的冷卻管常處于高溫、高粉塵的沖擊下，極易磨損破裂，一旦破裂勢必造成裝置停車，因而實時監測換熱器中冷卻管的好壞很重要；但因其處于高溫、高壓、高腐蝕工況中，常規方法同樣很難檢測其質量的好壞。通過實時檢測冷卻水中CO體積分數來間接掌握冷卻管的使用情況，不失為一種好方法(因冷卻管一旦損壞，氣化爐中CO即會滲透到燒嘴冷卻水中)，所以該點同樣選用成本低廉、響應迅速、精度不是很高的紅外分析儀，對冷卻管中冷卻水系統中漏入的煤氣進行連續檢測并發出預警。

3) 爐膛溫度的監測。氣化爐的反應，必須嚴格控制好溫度，但用常規方法檢測爐膛內的高溫、高壓工況，極易造成傳感器損壞或因爐膛煤渣掛壁造成測量誤差；計算裝置出口粗合成氣各組分體積分數，指示氣化爐運行情況，指導氣化爐操作，并估計氣化爐內的溫度。粗合成氣的成分是多元料漿氣化工藝先進控制系統的主要參數，是氣化爐運行好壞的重要標志。CO2體積分數高證明氣化爐溫度偏高，CH4體積分數高則證明氣化爐溫度在下降。因此，檢測粗合成氣中的CO2及CH4，來間接控制爐膛溫度是必需的；該點選用精度較高的色譜儀或質譜儀是最佳選擇，因紅外分析儀各組分之間有相互干擾，極易造成測量不準確。選用色譜或質譜儀，不但測量精確，且綜合成本較低(1臺色譜可代替多臺紅外分析儀)，且爐膛溫度是個慢反應過程，采用分析時間較長的色譜儀也能滿足分析時間要求。

4) 粗合成氣成分的控制。氣化爐正常運行時H2+CO的體積分數在78%～82%，這是滿足后續裝置必需的條件。色譜儀或質譜儀，雖然測量精確，但分析周期較長(色譜儀平均每個流路的分析時間在10 min左右)，而采用連續熱導H2分析儀，因其具有極短的響應時間，能很好地滿足H2的控制需求。而控制好H2體積分數，即可有效地控制CO體積分數，因而CO用色譜分析即可。

3 煤氣化在線分析系統的組成

該項目共計3套氣化爐，粗合成氣處于高壓(6.25 MPa)、高溫(243 ℃)狀態，并含有部分灰，各氣化爐粗合成氣待分析組分正常體積分數如下： H2為37.8%， CO為39%，CO2為20.72%，CH4為0.04%，H2S為1.43%；綜合考慮各設備的分析精度、分析時間、投資成本后，選用3臺熱導H2分析儀，分別分析各爐子粗合成氣中的H2；選用3臺色譜儀，分別分析各爐子粗合成氣中的CO，CO2和CH4；選用3臺CO紅外分析儀，分別分析各爐子燒嘴冷卻水中的CO。

整套系統由采樣探頭、前級減壓站、樣品預處理、色譜分析儀、分析小屋等設備組成，現分別介紹如下。

1) 采樣探頭。針對洗滌塔出口試樣高溫、高壓、高水含量的特點，采樣探頭采用高溫脫水冷卻型探頭。該采樣探頭用于高溫試樣取樣，可連續不失真地從管道中取出具有代表性的試樣。探頭采用列管式水冷換熱器，探頭溫度調節至合適溫度后可有效降溫并脫出試樣中的水分，防止銨鹽結晶堵塞管道，如圖2所示。

圖2 采用探頭示意

2) 前級減壓站。前級減壓站完成對試樣氣體的初級過濾，采用一備一用冗余過濾器，“葫蘆式”雙級氣液分離裝置，同時采用自動排液閥與手動排液相結合的方式排除試樣中的冷凝水；試樣的減壓采用自立式膜片減壓閥進行減壓，可防止試樣中的CO2，NH3等減壓時結晶堵塞減壓閥；并設有快速回路有效減少分析滯后；前級預處理設有安全閥，保護壓力設為0.2 MPa，保護后面儀表安全。

3) 預處理。預處理用于試樣的精細處理，完成試樣的穩流、穩壓、脫水、脫硫等功能。該系統采用旋風制冷、自動排液、膜式過濾等多項專利技術，利用雙平衡閥實現環保零污染排放，系統中對試樣進行溫壓流檢測，配合分析小屋遠程監控系統，實現了整套系統的遠程監控功能，如圖3所示。

圖3 預處理系統示意

4) 色譜分析儀。根據待分析的試樣成分，固定相中的色譜試劑可選擇極性試劑或非極性試劑，且色譜試劑與其載體按一定比例配比填裝，其配比及柱長度將決定試樣的分離度，如圖4所示。

圖4 色譜圖示意

5) 分析小屋。在線分析儀表必須放置在恒溫、恒濕、安全的工作環境中，對此必須設置1個現場防爆型分析小屋。該系統不僅配置了最基本的防爆分析小屋，且增加了遠程智能監控功能，為系統今后的運行維護創造了良好的環境。系統采用“網絡遠程巡檢維護”的思想，采用現場值班巡檢人員在辦公室遠程巡檢維護與賣方技術專家在異地遠程協助診斷維護相結合的智能綜合維護系統。遠程監控結構如圖5所示。

圖5 遠程監控系統原理示意

遠程監控系統共分為三級監控維護：

a) 每個小屋內部對所有需要巡檢維護的數據進行數據采集，集中顯示；采集信號包括： 小屋內部溫度、濕度、壓力、可燃氣濃度、有毒氣濃度；每套預處理試樣出口的溫度、壓力、流量；每臺分析儀表的測量值、報警狀態；以上所有數據集中顯示在分析小屋外墻上，免去巡檢維護人員開門、開箱檢查每臺設備運行情況的麻煩，有效縮短了巡檢時間。

b) 在用戶維護人員辦公室或DCS控制室內安裝監控服務器，將含有遠程智能監控系統的分析小屋內的所有集中采集顯示數據通過用戶以太網遠傳至該服務器上(以太網結構以用戶配置為準)，該服務器上設置專用智能監控軟件，對所監控數據進行智能判斷，若診斷出某數據出現異常，將及時啟動小屋本地及控制室的聲光報警，并用手機短信方式通知指定的維護人員，及時處理可能發生的故障；此級的應用可有效預防分析系統的故障，提前消滅隱患。

c) 在賣方制造工廠安裝大型服務器(此設備由賣方自備)，將用戶工廠需遠程診斷維護的數據由用戶工廠的監控服務器，通過Internet網絡，遠程傳送至賣方制造工廠的大型服務器，賣方的技術專家對分析數據進行診斷后，可將診斷結果及處理辦法發回用戶工廠的監控服務器，以便協助用戶現場維護人員及時排除隱患。

通過以上三級維護，可有效預防分析系統的隱形故障，極大地減輕了現場維護人員的維護壓力，有力地保證了分析系統的穩定運行時間。

4 結束語

隨著國內煤化工技術的日趨成熟，分析儀器技術的日益更新，在線分析系統不只是用于成分分析，更多地是參與到設備質量的測量診斷當中；其配套的分析小屋、預處理系統也不僅只完成本身的處理功能，更多地是以能夠遠程維護、減輕維護人員的工作、預診斷可能發生的故障為重點，這也是該行業的一種必然趨勢。

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