關(guān)于煤氣化合成氣在線分析系統(tǒng)滯后時(shí)間的研究

孫 磊，王 丹，王 輝

（航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京 100176）

0 引言

在煤氣化項(xiàng)目中，氣化爐合成氣的組分是十分重要的工藝參數(shù)，其中的CO 和H2是合成氣的有效組分，是重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；而CH4和CO2能夠反映氣化爐內(nèi)的燃燒情況，是重要的控制參數(shù)。但由于合成氣是一種高溫、高壓、高含水及高粉塵含量的介質(zhì)，給合成氣的在線分析帶來了很大的困難。尤其是在介質(zhì)的預(yù)處理系統(tǒng)上，存在著樣氣中的雜質(zhì)和水分處理不合格導(dǎo)致堵塞取樣管路，損壞分析儀及附屬配件等問題。基于此種情況，很多廠家也對分析系統(tǒng)做了改進(jìn)和優(yōu)化，有效地滿足了在線分析系統(tǒng)的長期穩(wěn)定使用[1]。

但此處在線分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是為了通過合成氣的含量有效地控制氧煤比，如果改進(jìn)后分析的滯后時(shí)間太長，且不根據(jù)滯后時(shí)間的長短對原始的控制方案進(jìn)行修正，那么合成氣的在線分析就偏離了原始的設(shè)計(jì)。在線分析系統(tǒng)的檢測時(shí)間受各種因素的影響會(huì)有很大的不同，本文通過兩種合成氣的預(yù)處理方案來系統(tǒng)地分析合成氣在線分析系統(tǒng)的滯后時(shí)間。

1 合成氣在線分析系統(tǒng)預(yù)處理方案介紹

圖1 “動(dòng)態(tài)回流取樣器（DRS）+快速旁通回路”方案流程圖Fig.1 Flow chart of "dynamic reflux sampler (DRS) + quick bypass circuit"

目前常用的合成氣取樣及預(yù)處理方案有兩種，分別為“動(dòng)態(tài)回流取樣器（DRS）+快速旁通回路”方案（方案一）和 “管線過濾取樣器+快速循環(huán)回路”方案（方案二），本文重點(diǎn)關(guān)注滯后時(shí)間的分析，故對方案內(nèi)預(yù)處理各部件具體功能不一一描述，著重關(guān)注樣氣的狀態(tài)變化及走向。

1.1 “動(dòng)態(tài)回流取樣器（DRS）+快速旁通回路”方案

此方案如圖1 所示，主要由以下幾部分組成：

1.1.1 取樣探頭

由于粗合成氣中含有大量的水分和粉塵，如果通過直接取樣則非常容易堵塞取樣探頭，故此處取樣探頭采用特殊設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)回流取樣器（DRS），直接安裝在工藝的2 寸根部閥（V）上，樣氣被DRS 冷卻而脫去大部分水分和細(xì)小粉塵并流回工藝管線。此處將3.72MPaG、207℃的合成氣降溫到80℃左右。

1.1.2 前處理系統(tǒng)

前處理系統(tǒng)靠近取樣探頭安裝，由調(diào)節(jié)針閥、高壓水冷卻器、高壓氣液分離器、高壓過濾器、單向保護(hù)裝置、減壓穩(wěn)壓裝置等部件組成，安裝在前處理箱內(nèi)。此處經(jīng)兩道調(diào)節(jié)針閥（NV1，NV2），將合成氣壓力降至0.5MPaG，并通過高壓水冷卻器（HE）將溫度降至60℃左右，最后經(jīng)分離過濾器后，（DV）通過減壓閥（PR1）將合成氣壓力再次下降至0.1MPaG 后，向后處理系統(tǒng)傳輸，傳輸距離約為30m。

1.1.3 后處理系統(tǒng)

后處理系統(tǒng)在分析小屋外壁掛式安裝，由截止閥、氣液分離器、減壓穩(wěn)壓裝置、渦旋制冷器、脫硫過濾器等部件組成，安裝在后處理箱內(nèi)。此處合成氣再經(jīng)分離過濾器（DW）再次氣液分離后，一部分經(jīng)渦旋制冷器（AC）下部快速旁通回路排放至火炬，流量約為150L/h，還有一部分冷卻至5℃左右，送至分析儀，流量約為30L/h。

1.2 “管線過濾取樣器+快速循環(huán)回路”方案

此方案如圖2 所示，主要由以下幾部分組成：

1.2.1 取樣探頭

此處利用合成氣總管上的DN25 的旁通管線，將合成氣引至分析小屋附近后送往火炬，并利用特殊設(shè)計(jì)的管線過濾取樣器引出樣氣，管線過濾器能有效地過濾大部分的粉塵。

1.2.2 預(yù)處理系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)主要由高壓水冷換熱器、高壓氣液分離罐、減壓穩(wěn)壓裝置旋風(fēng)冷卻器、脫硫過濾器等部件組成，安裝在分析小屋外的預(yù)處理箱內(nèi)。預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)樣氣的狀態(tài)變化與走向與方案一相同，減少了1 個(gè)分離過濾器（DW）。

1.3 兩種方案的對比

從上面的配置可以很明顯地看出兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案一利用DRS 探頭，初步凈化了合成氣，減少了樣氣的浪費(fèi)。但由于分析管線較長且存在著大量氣體由高壓向低壓轉(zhuǎn)化，滯后時(shí)間較長；方案二利用快速回路減少了合成氣的傳輸時(shí)間，但大量的合成氣由于無法回收被送往火炬造成浪費(fèi)。那么，如何在合成氣的浪費(fèi)和滯后時(shí)間的長短中作出取舍，就需要對滯后時(shí)間進(jìn)行定量的分析和計(jì)算。

圖2 “管線過濾取樣器+快速循環(huán)回路”方案流程圖Fig.2 Flow chart of "pipeline filter sampler + fast circulation loop"

圖3 簡化流程示意圖Fig.3 Simplified process diagram

2 滯后時(shí)間的計(jì)算公式和修正

2.1 滯后時(shí)間的基本計(jì)算公式

滯后時(shí)間的計(jì)算通常有體積流量法和差壓流速圖解法兩種，本文中以體積流量法為例進(jìn)行計(jì)算[2]。以圖3 中的簡化流程為例，滯后時(shí)間的基本計(jì)算公式為：

式（1）中，Tt——總的樣氣傳輸時(shí)間，單位：秒（s）；V——樣氣系統(tǒng)總?cè)莘e，單位：升（L）；F——樣氣流量，單位：升每秒（L/s）。

V 由樣氣管線容積和樣氣處理部件容積兩部分組成：

式（2）中，d——樣氣傳送管線內(nèi)徑；L——樣氣管線傳送長度；Vi——處理元件內(nèi)樣氣體積。

2.2 計(jì)算公式的幾個(gè)修正

2.2.1 樣氣狀態(tài)變化的體積修正

由于氣體為可壓縮介質(zhì)，合成氣在經(jīng)過調(diào)節(jié)針閥、減壓閥之后壓力會(huì)發(fā)生變化，再經(jīng)過冷凝器、水洗罐之后溫度也會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)影響到氣體的體積使之發(fā)生變化，所以需要根據(jù)氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正。

式（3）中，P1、V1、T1——狀態(tài)改變前的壓力、體積和溫度；P2、V2、T2——狀態(tài)改變后的壓力、體積和溫度。

2.2.2 樣氣處理部件濃度變化的體積修正

樣氣處理部件包括：根部閥、氣液分離器、分離過濾器等，樣氣在這些元件中的傳送，不僅是一個(gè)純體積滯后過程，還是一個(gè)濃度變化滯后過程。新鮮樣氣與滯留在元件中的樣氣混合平均并逐步置換完畢是需要一段時(shí)間的，而這一段時(shí)間遠(yuǎn)比樣氣通過元件的時(shí)間長。

樣氣處理元件濃度變化滯后表達(dá)式為：

式（4）中：C——新樣氣濃度；y——元件口濃度；T——樣氣通過元件時(shí)間，即V／流量；t——濃度變化滯后時(shí)間。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)t=T 時(shí)，y=63.2%C；當(dāng)t=2T 時(shí)，y=86.5%C ；當(dāng)t=3T 時(shí)，y=95%C；當(dāng)t=4T 時(shí)，y=98.2%C；當(dāng)t=5T 時(shí)，y=99.3%C，即當(dāng)t=5T 時(shí)，濃度置換才接近全部完成。在計(jì)算修正中取t=3T，即出口濃度變化到95%C 時(shí)，則認(rèn)為樣氣已通過該部件。可見在滯后時(shí)間的計(jì)算中，可以認(rèn)為樣氣處理部件的等效體積為實(shí)際體積的3 倍。

表1 方案一滯后時(shí)間計(jì)算表Table 1 Scheme I calculation table of delay time

表2 方案二滯后時(shí)間計(jì)算表Table2 Scheme 2 calculation table of delay time

2.2.3 滯留體積修正

樣氣傳輸中的采樣管線死端、接頭、閥門等都存在不流動(dòng)的滯留體積，與樣氣處理元件一樣，也存在一個(gè)濃度變化滯后問題。滯留體積通過擴(kuò)散與流動(dòng)樣氣發(fā)生濃度交換，置換速度很緩慢，但由于滯留體積很小，對樣氣濃度的影響也較小。對滯留體積可使用經(jīng)驗(yàn)值來修正，一般取采樣管線體積的1.2 ～1.5 倍。

3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上文公式，要精確地計(jì)算出滯后時(shí)間，則需要針對預(yù)處理系統(tǒng)中每一段體積進(jìn)行計(jì)算，然后修正。其中，預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)的樣氣傳輸管線為1/4”，內(nèi)徑約為4.57mm，其單位容積根據(jù)式（2）得出為0.0164L/m；取樣短管和取壓閥（V）按DN50 通徑計(jì)算，內(nèi)徑約為49.22mm，長度約為0.5m，同樣計(jì)算得出其容積為0.94L； 樣氣處理部件氣液分離罐（DV）的容積約為0.825L，假設(shè)液位控制在60%，則需置換的氣體為容積的40%；分離過濾器（DW）的容積約為0.294L，正常時(shí)無液位；渦旋制冷器（AC）為內(nèi)部列管式，等效容積約為0.23L，正常時(shí)無液位。

則方案一和方案二的滯后時(shí)間見表1、表2。

根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，方案一的滯后時(shí)間約為17min，而方案二的滯后時(shí)間約為3min，相差的時(shí)間還是比較大的。當(dāng)然在實(shí)際的調(diào)試過程中，也可以采取一些方法來減少滯后時(shí)間，如降低氣液分離器的液位，直接通過氣液分離器下部排液口排氣水混合物來增加傳輸速度。

4 結(jié)束語

一套完整的在線分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的部件眾多，滯后時(shí)間受預(yù)處理方案、選型、安裝和調(diào)試的影響較大，儀表人員應(yīng)了解各部分對測量滯后時(shí)間的影響，從而確定更為優(yōu)化的方案，使得合成氣在線分析系統(tǒng)在穩(wěn)定工作的同時(shí)，能夠及時(shí)反映氣化爐工況并參與到實(shí)時(shí)控制中。