間歇式固定層增氧制氣出現(xiàn)的問題淺析及措施探討

石春發(fā)

(云南云天化股份有限公司紅磷分公司 云南開遠(yuǎn) 661600)

云南云天化股份有限公司紅磷分公司(以下簡(jiǎn)稱紅磷分公司)80 kt/a合成氨裝置始建于1997年，設(shè)計(jì)規(guī)模為30 kt/a合成氨，于1999年投產(chǎn)，造氣采用固定層間歇式氣化工藝，配置4臺(tái)Φ2 610 mm造氣爐，原料主要使用焦炭。2001年12月完成了“3改8”工程改造，液氨由年產(chǎn)30 kt提升至80 kt，Φ2 610 mm造氣爐由4臺(tái)增加至9臺(tái)，仍采用焦炭制氣。

近年來，隨著焦炭?jī)r(jià)格的不斷上漲，使得合成氨生產(chǎn)成本不斷增加。為了提高現(xiàn)有合成氨生產(chǎn)裝置的整體水平、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、降低液氨生產(chǎn)成本、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)原料路線進(jìn)行了調(diào)整并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，原料由焦炭改為煤棒。在此次技改中，為提高造氣效率、降低成本，針對(duì)云南煤灰熔點(diǎn)低、活性差的特點(diǎn)，造氣采用增氧制氣。增氧制氣投用后取得了很好的效果，單爐發(fā)氣量增加了800～1 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，噸氨煤耗降低了30 kg以上，但在采用增氧制氣生產(chǎn)過程中也出現(xiàn)了一些問題。

1 間歇式固定層增氧制氣出現(xiàn)的問題及原因分析

該增氧制氣裝置于2012年3月投入使用，投用當(dāng)天效果明顯，單爐發(fā)氣量從4 500 m3/h(標(biāo)態(tài))左右提高至5 500 m3/h(標(biāo)態(tài))左右，噸氨煤棒消耗從1.80 t下降至1.75 t左右，造氣成渣率明顯上升，爐渣中殘?zhí)己棵黠@下降。但隨著生產(chǎn)的穩(wěn)定，也暴露出半水煤氣中CO2含量上升、吹風(fēng)氣中CO含量升高、入爐空氣中氧含量波動(dòng)大等問題。

1.1 吹風(fēng)氣中CO2含量上升的原因

在固定層間歇式氣化工藝中，吹風(fēng)階段是碳與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量，其目的是提高氣化層溫度并積蓄熱量為制氣過程創(chuàng)造條件。通常情況下，吹風(fēng)氣中CO2含量是衡量吹風(fēng)效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一，吹風(fēng)氣中CO2含量越高，表明吹風(fēng)效率越高，反之則吹風(fēng)效率越低。采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高了約4%，但隨之CO體積分?jǐn)?shù)也升高了近1%。增氧制氣前后吹風(fēng)氣中主要成分對(duì)比如表1所示。

表1 增氧制氣前后吹風(fēng)氣中主要成分對(duì)比 %

從表1可看出，采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中φ(CO2)升高了3.9%、φ(CO)升高了0.9%。經(jīng)分析，在吹風(fēng)階段除了碳與氧反應(yīng)生成CO2或CO以及CO與O2反應(yīng)生成CO2的反應(yīng)外，還存在CO2的還原反應(yīng)：

CO2+C=2CO

此反應(yīng)可看作是可逆反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)方程式，隨著吹風(fēng)氣中CO2含量升高，反應(yīng)會(huì)向右進(jìn)行，CO含量必然會(huì)升高，其平衡常數(shù)可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Kp——平衡常數(shù)；

XCO——CO體積分?jǐn)?shù)，%；

XCO2——CO2體積分?jǐn)?shù)，%。

在實(shí)際情況下，可粗略地認(rèn)為增氧制氣前后造氣爐內(nèi)空氣的流速、溫度、壓力不變，因此可認(rèn)為增氧制氣前后平衡常數(shù)基本不變。根據(jù)上述設(shè)定條件和表1中增氧制氣前的CO2和CO含量以及增氧制氣后CO2含量，可計(jì)算出增氧前平衡常數(shù)Kp=1.58。然后根據(jù)增氧制氣后CO2含量，可計(jì)算出增氧制氣后CO含量，即XCO=(XCO2×Kp)0.5=5.5%。

理論計(jì)算CO體積分?jǐn)?shù)為5.5%，與分析結(jié)果相近。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，造氣爐爐溫比增氧制氣前高，而CO2還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度的升高，反應(yīng)是向右進(jìn)行的，所以分析結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果高是符合實(shí)際情況的，充分證明采用增氧制氣后吹風(fēng)氣中CO含量升高的主要原因是吹風(fēng)效率提高后吹風(fēng)氣中CO2含量升高所致。

1.2 半水煤氣中CO2含量上升的原因

半水煤氣中CO2是無效成分，但CO2含量的高低可間接反映出造氣爐的爐溫。從理論上講，采用增氧制氣后，隨著空氣中氧含量和上加氮過程中氧含量的升高，造氣爐制氣溫度較采用增氧制氣前高，半水煤氣中CO2含量應(yīng)該降低，但實(shí)際情況是采用增氧制氣后半水煤氣中CO2含量反而升高。增氧制氣前后半水煤氣成分對(duì)比如表2所示。

表2 增氧制氣前后半水煤氣成分對(duì)比 %

從表2可看出，采用增氧制氣后，半水煤氣中φ(CO2)較增氧制氣前上升了1%左右。經(jīng)分析，主要原因是采用增氧制氣后，入爐空氣中氧含量升高，吹風(fēng)效率提高，吹風(fēng)氣中CO2含量相應(yīng)提高，在吹風(fēng)氣回收加氮時(shí)間不變的情況下，帶入半水煤氣中的CO2相對(duì)較多，從而導(dǎo)致采用增氧制氣后半水煤氣中CO2含量升高。

根據(jù)表2中采用增氧制氣前半水煤氣的成分，每1 000.00 m3(標(biāo)態(tài))半水煤氣中N2占210.70 m3(標(biāo)態(tài))，其中：上加氮補(bǔ)充N212%(根據(jù)上加氮時(shí)間和流量進(jìn)行折算)，折合N2量25.28 m3(標(biāo)態(tài))；吹風(fēng)氣補(bǔ)充N288%，折合氣體量185.42 m3(標(biāo)態(tài))。根據(jù)表1增氧制氣前后吹風(fēng)氣中主要成分對(duì)比，可先計(jì)算出增氧制氣前后補(bǔ)充氮?dú)庑枰碉L(fēng)氣量分別是234.12 m3(標(biāo)態(tài))和248.89 m3(標(biāo)態(tài))，然后計(jì)算出增氧制氣前后吹風(fēng)氣補(bǔ)充氮?dú)鈳氲腃O2量分別是35.59 m3(標(biāo)態(tài))和47.54 m3(標(biāo)態(tài))，則增氧制氣后吹風(fēng)氣補(bǔ)充N2帶入的CO2增加量為11.95 m3(標(biāo)態(tài))。從計(jì)算結(jié)果可看出，增氧制氣后每1 000.00 m3(標(biāo)態(tài))半水煤氣中多帶入CO211.95 m3(標(biāo)態(tài))，折合體積分?jǐn)?shù)為1.20%，與分析結(jié)果基本一致。

1.3 入爐空氣中氧含量波動(dòng)較大的原因

紅磷分公司制氧裝置采用VPS工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，實(shí)際產(chǎn)量為1 200 m3/h(標(biāo)態(tài))左右。造氣分為2套系統(tǒng)(1#和2#)，每套系統(tǒng)各配1臺(tái)造氣風(fēng)機(jī)，制氧裝置所產(chǎn)氧氣分別送至2套造氣系統(tǒng)的空氣總管內(nèi)。采用增氧制氣后，發(fā)現(xiàn)入爐空氣中氧含量波動(dòng)較大(體積分?jǐn)?shù)23%～27%)。經(jīng)分析，主要原因是間歇式造氣爐制氣時(shí)使用的空氣量存在波動(dòng)，而制氧裝置所配入的氧氣產(chǎn)量是一定的，當(dāng)1#和2#造氣系統(tǒng)同時(shí)有2臺(tái)造氣爐處在吹風(fēng)階段時(shí)，入爐空氣中氧含量較低；當(dāng)1#和2#系統(tǒng)只有1臺(tái)造氣爐處在吹風(fēng)階段時(shí)，入爐空氣中氧含量就較高。

2 調(diào)整措施

2.1 吹風(fēng)氣中CO含量上升的調(diào)整措施

采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中CO含量上升的主要原因是由于CO2還原反應(yīng)是一個(gè)可逆的吸熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物中CO2含量升高，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物中CO含量升高；同時(shí)，該反應(yīng)屬于動(dòng)力學(xué)控制，即CO2還原反應(yīng)不是瞬間完成的。據(jù)相關(guān)資料，在1 100 ℃采用無煙煤制氣時(shí)，在100% CO2濃度下，還原40% CO2需時(shí)約5 s。因此從理論上講，提高造氣爐內(nèi)吹風(fēng)氣流速就可減緩CO2還原生成CO。在實(shí)際操作過程中，可在保證炭層不被吹翻的情況下盡可能加大吹風(fēng)閥的開度，以縮短吹風(fēng)時(shí)間。在增大吹風(fēng)閥開度后，吹風(fēng)時(shí)間從21 s縮短至18 s，分析結(jié)果顯示半水煤氣中φ(CO)降低約0.2%。當(dāng)然，隨著爐溫的升高，吹風(fēng)效率提高，吹風(fēng)氣中CO2含量上升，吹風(fēng)氣中CO含量上升是不可避免，但采取以上調(diào)節(jié)措施后，可降低吹風(fēng)氣中CO含量上升的幅度。

2.2 半水煤氣中CO2含量上升的調(diào)整措施

采用增氧制氣后，半水煤氣中CO2含量升高的主要原因是吹風(fēng)氣中CO2含量升高、N2含量降低，回收吹風(fēng)氣補(bǔ)氮時(shí)帶入CO2所致。從理論上講，可通過加大上吹加氮方式補(bǔ)充N2來減少半水煤氣中CO2含量。紅磷分公司正是采用此方法來減少半水煤氣中的CO2含量，上加氮時(shí)間從10 s延長(zhǎng)至15 s，半水煤中φ(CO2)可降低約0.2%。

2.3 入爐空氣中氧含量波動(dòng)的調(diào)整措施

入爐空氣中氧含量波動(dòng)主要是由于間歇式造氣爐使用空氣量不穩(wěn)定所致。若要穩(wěn)定入口空氣中的氧含量，可采取的措施主要是調(diào)節(jié)好吹風(fēng)時(shí)間和循環(huán)時(shí)間，做好吹風(fēng)排隊(duì)，盡量穩(wěn)定造氣系統(tǒng)空氣使用量。紅磷分公司現(xiàn)常開6臺(tái)造氣爐，2套系統(tǒng)各開3臺(tái)，調(diào)節(jié)吹風(fēng)時(shí)間在18～20 s、循環(huán)時(shí)間為120 s，6臺(tái)造氣爐吹風(fēng)時(shí)間正好等于循環(huán)時(shí)間，可穩(wěn)定入爐空氣使用量，氧含量波動(dòng)也相對(duì)較小。從實(shí)踐結(jié)果看，通過調(diào)整，氧含量波動(dòng)可以控制在2%以內(nèi)。