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1、间歇式固定层煤气发生炉的工艺操作与节能探讨作者/来源：孟新东 (湖南金信化工有限公司 冷水江 417506) 日期：2007-2-130 前言据了解，在我国合成氨生产中，中小型氮肥大厂占有很大比重，而中小型氮肥厂合成氨原料气的制备，80以上采用固定层煤气炉生产。煤气炉生产原料气的能耗和成本占合成氨总能耗和总成本的 60左右。因此，如何搞好固定层煤气炉的调优与节能，是当前中小型氮肥厂十分重要的工作。本文从固定层煤气炉的生产原理及制气效率入手，根据本人多年来工作实践及近年来兄弟厂的技术改造经验，谈谈如何进行固定层煤气炉最佳工艺条件的选择及技术改造，从而达到降低能耗，减少成本，提高经济效益的目的。1
2、 固定层煤气炉的生产原理及其制气效率在合成氨生产中，需要制备氢氮比为 31 的原料气。在中小型氮肥厂中，大都以空气和蒸气为气化剂，间歇通入固定层煤气炉，与灼热的炭起反应，生产半水煤气。根据生产工艺和安全需要，制气循环为吹风、上吹制气、下吹制气、二次上吹、吹净五个阶段，概括起来可分为吹风和制气两个阶段。吹风阶段将空气通入固定层煤气炉中，空气中的氧与灼热的炭起反应，其主要反应式如下：2C+O2=2CO+234.08kJ (-1-1)C+O2=CO+401.93kJ (-1-2)CO2+C=2CO172.28kJ (-1-3)进行吹风的目的是将碳与氧气的反应所产生的热量贮存于炭层中，供碳与蒸汽反应生
3、成水煤气使用。这一阶段中，在消耗一定炭量情况下，贮存于炭层中热量越多，其吹风效率越高。E 吹风 =(Q反 Q 气 )Q 燃 100 (-2)式中：E 吹风 吹风阶段的效率；Q燃 吹风阶段消耗的燃料所具有的热值；Q反 吹风时反应放出的热量；Q气 吹风气带走的热量。在制气阶段中，将蒸汽通入固定层煤气炉中，蒸汽与灼热的炭反应，生产半水煤气。其主要反应式如下：C+CO2=CO+H2131.38kJ (-3-1)C+2H2O=CO2+2H290.196kJ (-3-2)CO+H2O=CO2+H2+41.19kJ (-3-3)其主要副反应有：C+2H2=CH4+74.898kJ (-3-4)这一阶段反应主
4、要是吸热反应，吹风阶段贮存于炭层中的热量越高，制气反应越有利，制气效率越高，其制气效率 E 制气 是指所获得的水煤气的热值 Q 气 与气化时消耗的燃料所具有的热值 Q 燃 、气化剂所带入热量 Q 蒸 与吹风时蓄积于燃料层内可利用的热量 Q 利用 三者和之比，可用下式表示：E 制气 =Q 气 (Q 燃 +Q 蒸 +Q 利用 )100 (-4)吹风时蓄积于燃料层内可利用的热量 Q 利用 应相当于气化反应时所吸收的热 Q 反 ，反应后水煤气所带走的热量 Q 煤气水 与热损失 Q 损 三者之和。制造水煤气的总效率 E 总 ，即为 上述两阶段的综合结果，可用下式表示：E 总 =Q 气 /(Q 燃 +Q
5、蒸 +(Q 反 +Q 水煤气 +Q 损 )/E 吹风 )100 (-5)2 选择最佳工艺条件如何选择最佳工艺条件，减少热损，以提高制气效率非常重要。工艺操作条件选择是否合理，直接关系到气体的产最、质量及消耗。下面，从吹风速率、炉温、蒸汽用量、炭层高度等几个主要方面加以阐述探讨。(1)提高吹风速率，缩短吹风时间 在吹风阶段，炭与氧反应放出热量。入炉空气总量的多少，决定了煤气炉生产负荷的高低。入炉空气总量的调节，可通过吹风速率的大小和吹风时间长短来进行。一般情况下在原料允许的范围内，应尽量提高吹风速率，缩短吹风时间，可使炭的燃烧反应加快，即有利于-1-1，-1-2 反应进行，而缩短二氧化碳和赤热炭
6、接触时间，使得吹风中反应不朝-1-3 式进行，以减少吹风中一氧化碳含量，从而减少吹风带走的潜热，亦即有利于提高 Q反 ，减少 Q气 ，提高吹风效率和提高煤气炉气化强度。但过高吹风率，将会使炭层吹凹，甚至吹翻，轻者使带吹物增加，重者使气化层受到破坏，因此，吹风速效大小，应以炭层不吹凹为原则。不同的原料选择不同的吹风速率。同时，吹风速率增大还受到风机能力的限制。(2)采用高炉温高炉温是指煤气炉气化层维持较高的温度，提高炉温对气化反应是有利的。气化反应属气固相系统的多相反应。整个过程包括物理和化学两个过程，物理过程和气体扩散有关，化学过程和化学反应速度有关。当这两个过程中有一个因素较慢时，该较慢的因
7、素就决定了整个气化过程。根据质量作用定律，以各组分气体压表示平衡常数 Kp。Kp=(PmC+PnD)(P pA+PqB) (-1)上式中，P A、P B、P c、P D各为 A、B、C，D 气体组份的分压。温度对平衡常数 Kp的影响，可用下式表示：等容反应：dlnkcdT=Q vRT 2等压反应：dlnkpdT=Q pRT 2上式中，Q v和 Qp为等容等压下的反应热效应。在吹风阶段，反应-1-1 和-1-2 属放热反应，经研究表明，在煤气炉操作温度范围内反应认为是不可逆的。反应-1-3 是吸热反应，平衡常数随温度上升而增加，在一般煤气炉操作温度下，反应处于动力学控制，温度升高二氧化碳的还原反
8、应速度加快，即有利于-l-3 式反应进行，从吹风效率分析，由于高温，使带走的显热和潜热增加，会使吹风效率降低，但在中型氮肥厂均设有燃烧室和废热锅炉，回收其潜热和显热，其能量损失不大，而煤气炉的气化强度却可大为提高。在制气阶段，碳与水蒸气反应是吸热反应，提高温度，将加快反应速度，有利于-3-1，-3-2 式反应进行，而不利-3-3，-3-4 式反应，提高气体质量，提高蒸汽分解率，即 Q气增加，制气效率和气化强度都可得到提高。综上所述，提高炉温对提高气体质量和降低消耗都是有利的，因此，在不超过原料灰熔点的前提下，应尽量提高炉温。目前气剂层温度难以直接测得。一般以上气道出口温度表示，上气道出口与气化
9、层温度及气化层位置有关，因此，操作中要综合判断。在人工加炭时，上气道温度波动幅度大，自动加炭，温度较稳定，应根据不同原料，不同加料方式，制定不同的温度指标。一般情况下，人工加炭时上气道温度控制在 650700，自动加炭时控制在 600650。(3)适当的蒸汽用量在吹风阶段结束开始制气，水蒸汽送入炉内和灼热炭反应生成水煤气，蒸汽刚入炉时由于气化反应温度高，蒸汽分解率高，气体质量好，但随着时间加长，气化层温度逐渐降低，其蒸汽分解率也逐渐降低，使制气效率下降，在生产中，选用适当蒸汽用量十分重要，蒸汽用量过大，蒸汽通入炉内速度快，使水蒸汽和燃料层接触时间短，部分蒸汽来不及和原料反应流走，这不但降低了蒸
10、汽分解率，同时未分解的蒸汽量增多，带走热量增多，热损失增加 Q损增大，温度降低，煤气质量差，制效率低，若蒸汽用量过小，虽然满足了蒸汽与燃料层接触时间，能获得优质煤气，但在单位时间内通过燃料层的蒸汽用量过小，降低了发生炉的生产能力，有时还会发生结块结疤，使气化层恶化，因此，选用蒸汽用量以维持炉温为原则，可根据煤气中 CO2含量，灰渣情况综合判断蒸汽用量是否合适。(4)合适的炭层高度 煤气发生炉内炭层高度，对气化反应有很大的影响。从吹风阶段看，炭层高，会使吹风气与炭层接触时间延长，CO 2被还原，CO 含量增加，热损失增大，这是不利的一面；但当制气时，高炭层使气体与炭层接触时间增长，有利于 CO2
11、的还原，可提高煤气质量和产量，这是生产的主导方面。因此，选择高炭层操作对整个生产是有利的，炭层太薄，使气体质量变差，甚至引起吹翻，使气化状况恶化，严重时会使煤气中氧含量增高，威胁安全生产。选择炭层高度，还要根据鼓风机性能进行，风机压头高，炭层可适当提高：风机能力小，则不宜采用过高的炭层，否则，会影响吹风速率。在选择炭层高度时，还应根据原料的不同粒度进行，大粒度原料可适当提高炭层，小粒度原料则适当降低炭层。总之，选用合适工艺条件，对稳定炉况，提高气体产量和质量，提高气化效率降低消耗是十分重要的，我们应该根据不同原料，选择相应的工艺条件。3 固定层煤气炉气化过程中热损失及回收在固定层间歇法煤气炉生
12、产过程中，由燃料燃烧产生热量，供蒸汽与炭反应生产煤气。其制气效率由Q 损 决定。因此，如何减少 Q 损 ，提高制气效率显得十分重要。表 1所列为一制气总过程热量平衡计算实例，其总过程效率为：15994022717848100=58.8()。由此可知，由于过程热损失大，其效率很低。其热损主要集中在以下几个方面：(1)吹风气潜热 q1；(2)吹风气显热 q2；(3)混合煤气显热 q3；(4)混合煤气水汽焓 q4；(5)带出物显热和潜热 q5；(6)灰渣热量 q6；(7)散热损失 q7。下面就如何尽量减少热损，回收热量浅谈几点意见：(1)吹风气潜热 q1。该项热量占整个热量的 13，如果不采取措施回
13、收，损失是惊人的，吹风气潜热主要是吹风气中的 CO，CO 越高，热损失越大，在选择工艺条件时已经谈到在吹风阶段，要尽量加大吹风速率，减少 CO的生成。如何回收这部份的热量?在中氮厂煤气炉系统均设有燃烧室，吹风气送入燃烧室，加入二次空气使之完全燃烧，产生的热一部分贮存于燃烧室耐火砖中，供加热下吹蒸汽用，另一部分热量通过废锅炉回收产生蒸汽；在小型氮肥厂或不少中氮肥厂(如我公司新建的 1#造气系统 25t/h 和 2#、3 #系统的 35t/h低温吹风气潜热集中回收系统)，近年来也设置燃烧炉，将吹风气集中燃烧，回收热量，如果二次风使用得好，将燃烧后吹风气中 CO含量控制在 2以下，可回收吹风气潜热
14、80以上。(2)吹风气显热 q2。此项热量占热量的 6.8，热损失也比较大，生产中应控制气化层位置和空气、蒸汽用量，防止上部温度过高，一般采用吹风气通过废锅炉回收热量，产生蒸汽，如果锅炉设计合理，操作得当，此项热损可回收 60左右。 (3)混合煤气显热 q3。此项占总热量 3.6，生产中主要是选择最佳工艺条件，稳定炉况，保持正常火层，不使上下出口煤气温度过高。目前，上吹气通过废热锅炉回收热量，生产蒸汽，下吹气温度较低，一般未回收。热量总回收率在 30左右。(4)混合煤气水汽焓 q4。它占总热量 4.6，此项热损主要是加入炉内蒸汽部分未起反应，随煤气带走，生产中应选择适当的蒸汽用量和炭层高度，尽
15、量提高蒸汽分解率，上下吹平均蒸汽分解率应控制在60以上，以减少此项热损。(5)带出物显热和潜热 q5。此项热损虽占比例不是很大，但应尽量避免，应选用热稳定比较好的燃料，减少燃料热裂，同时还应加强煤的运输加工管理，减少入炉煤带粉率，对已带出物进行回收，用作它用。(6)灰渣热量 q6。此项热量占总热量 7.3，其热损较大，生产中应选择最佳工艺条件，控制好炉条转速，尽量降低灰渣残炭，使其控制在 20以下，同时，还应作好炉渣综合利用。目前，我公司已建有35t/h沸腾炉和 75t/h循环流化床粉煤锅炉，将造气炉渣全部烧掉，是一项重大节能措施，使灰渣热损可回收 80以上。(7)散热损失 q7。此项热量占总
16、热量 4，其中一部分传给夹套锅炉产生蒸汽，一部分散失到空气中，从生产上应尽量稳定炉况，避免产生局部过热，同时，应采用高效保温材料，以减少散热损失。以上所述说明，固定层煤气炉制总效率之所以较低，主要是因为热损失大，但只要采取必要的措施，优化工艺条件，可回收热损的 67以上，使消耗和成本下降。4 采用新技术、新工艺、新设备，开展节能降耗近年来，由于燃料不断涨价，使合成氨成本持续上升，各厂家为了节约能源，降低成本，对固定层煤气炉从工艺到设备进行了多项技术改选，取得明显效果，下面作一简要叙述。4.1 加强燃料管理燃料的好坏关系到煤气炉的生产。因此，各厂近年来对燃料采购，管理，加工都很重视。在采购燃料时，尽量选用固定炭含量高，硫含量和挥发分含量低，机械强度高，热
