中能化工航天爐渣口改造小結(jié)

黃玉兵

（航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京 100000）

0 引 言

安徽晉煤中能化工股份有限公司（簡稱中能化工）150kt／a甲醇項目（即一期航天爐項目）采用HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)，設(shè)計有效氣（CO＋H2）生產(chǎn)能力100×104m3／d，單爐日處理原料煤750t，航天爐運行壓力4.0MPa。一期航天爐項目于2006年10月開工建設(shè)，2008年8月開始系統(tǒng)聯(lián)動試車，2008年10月31日航天爐一次投料開車成功。在多年的應(yīng)用過程中，HT-L粉煤加壓氣化裝置不斷改進和完善，從一個沒有經(jīng)過小試、中試的示范裝置一步步走向規(guī)范化、成熟化的高產(chǎn)低耗的先進粉煤氣化裝置，其運行的穩(wěn)定性和可駕馭性不斷提升。

中能化工200kt／a合成氨裝置原料路線改造工程（即二期航天爐項目），在總結(jié)一期航天爐項目運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，確定合成氨裝置氣化系統(tǒng)仍然配套航天爐（二期），二期航天爐設(shè)計粗煤氣生產(chǎn)能力123×104m3／d，日處理原料煤800t，航天爐運行壓力4.0MPa。二期航天爐項目于2009年開工建設(shè)，2011年6月開始單體試車，2011年12月系統(tǒng)開始聯(lián)動試車，2012年1月4日二期航天爐一次投料開車成功，但在之后的運行過程中，二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量始終低于一期航天爐，后通過不斷地優(yōu)化改進——對航天爐渣口進行縮徑改造，目前二期航天爐逐步實現(xiàn)了經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 二期航天爐系統(tǒng)工藝流程簡介

中能化工二期航天爐仍采用干法進料、濕法除塵的工藝設(shè)計。空分裝置來純度99.6%以上的氧氣與粉煤在航天爐爐膛內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫粗煤氣，粗煤氣組分為H2、CO、CO2及少量其他氣體；高溫粗煤氣快速流動經(jīng)渣口進入激冷室，激冷后的灰渣部分通過渣鎖斗排出，部分細渣通過水系統(tǒng)排至灰水處理系統(tǒng)進行下一步處理；激冷后的粗煤氣（含飽和水蒸氣）沿上升管上升、折流后經(jīng)粗煤氣出口進入文丘里洗滌器增濕除塵，之后進入洗滌塔進一步除塵，降溫除塵合格后的粗煤氣出洗滌塔進入變換系統(tǒng)。

2 二期航天爐系統(tǒng)運行狀況

一期航天爐渣口設(shè)計尺寸為φ550mm，由于中能化工航天爐使用煤種較多，原料煤煤質(zhì)差別較大，一期航天爐運行中經(jīng)常出現(xiàn)渣口壓差不穩(wěn)定、渣口堵渣等現(xiàn)象；為確保二期航天爐渣口壓差能處于正常水平，二期航天爐設(shè)計時渣口擴徑為φ650mm。二期航天爐投運以后，渣口直徑的擴大對渣口的順暢排渣起到了一定的作用，其渣口壓差較一期航天爐降低5kPa左右，但同時帶來一個突出的問題是粗煤氣中的有效氣含量相對偏低：使用氮氣作為粉煤輸送載氣時，二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效含量在85%左右，而一期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量在89%左右（使用CO2作為粉煤輸送載氣）；2018年二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣用于生產(chǎn)甲醇期間，航天爐粉煤輸送載氣調(diào)整為CO2，粗煤氣中的有效氣含量得到一些改善，有效氣含量可達87%左右，同時爐況的穩(wěn)定性也得到一定提高，但相較于一期航天爐來說有效氣含量仍偏低，即在同等負荷、煤種、粉煤輸送介質(zhì)等條件下二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量仍偏低2%左右，這對氣化裝置的產(chǎn)氣量造成一定影響，導(dǎo)致二期氣化裝置比煤耗相對偏高。

通過分析研判，認為二期航天爐渣口尺寸的變化對爐內(nèi)煤的燃燒氣化造成了一定的影響，進而影響所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量。對二期航天爐渣口進行技改，可以提高其所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量。

3 氣化反應(yīng)機理及技改理論依據(jù)

3.1 航天爐內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)

3.2 化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素

化學(xué)反應(yīng)速率通常用單位時間內(nèi)某反應(yīng)物濃度的減少或某一生成物濃度的增加來表示。航天爐爐膛內(nèi)反應(yīng)的生成物主要是CO和H2，這兩種氣體組分約占粗煤氣總組分的90%，分析影響CO和H2生成的因素，可以為提高有效氣含量提供方法和思路。通常，影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素如下。

（1）反應(yīng)物濃度?；瘜W(xué)反應(yīng)速率與各反應(yīng)物濃度的冪次（冪次數(shù)等于化學(xué)反應(yīng)方程式中反應(yīng)物的系數(shù)）乘積成正比。

（2）反應(yīng)溫度。實踐表明，反應(yīng)溫度每升高10℃，反應(yīng)速率一般會增至原來的2～4倍。

（3）反應(yīng)壓力。對于氣體反應(yīng)來說，當反應(yīng)溫度一定時，化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)壓力成正比；如果參與反應(yīng)的物質(zhì)是固體、液體或溶液時，可以認為反應(yīng)壓力與其化學(xué)反應(yīng)速率無關(guān)。

（4）催化劑。催化劑可加快或減慢化學(xué)反應(yīng)的速度。

3.3 技改的理論依據(jù)

航天爐內(nèi)，煤（主要成分為碳）和氧的燃燒反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，同時設(shè)計為缺氧的不完全燃燒，則主要生成物為CO，CO是生產(chǎn)甲醇或合成氨等所需的有效成分之一，越多越好。從航天爐內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)（方程式）及影響反應(yīng)的因素來看，CO的生成主要源于碳與氧的不完全燃燒，其余來自CO2與碳的還原反應(yīng)，CO2與碳的還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，在氣化用原料煤熱值穩(wěn)定、氧純度和流量一定、氧煤比穩(wěn)定以及氣化率相對穩(wěn)定的情況下，氣化系統(tǒng)的反應(yīng)熱是能相對平衡的。對于航天爐來說，反應(yīng)物濃度、溫度一般不會有太大變化，氣化反應(yīng)也不存在添加催化劑的情況，因此，據(jù)前述化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素可知，可以嘗試通過改變氣體反應(yīng)體系的壓力來提高反應(yīng)速率，從而提高CO和H2的產(chǎn)率。也就是說，在航天爐內(nèi)反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度相對穩(wěn)定的情況下，適當縮小航天爐渣口尺寸可以提高航天爐渣口的阻力，相對提高反應(yīng)物在航天爐爐膛內(nèi)的壓力，并利于延長粉煤在爐膛內(nèi)的停留時間，提高反應(yīng)速率，利于促進CO和H2的生成，從而可提高粗煤氣中的有效氣含量，提高裝置運行的經(jīng)濟性。

4 運行優(yōu)化及二期航天爐渣口技改

4.1 二期航天爐渣口尺寸初始選擇的依據(jù)

中能化工一期航天爐是一套示范裝置，當時沒有成熟的案例可供借鑒，在航天爐渣口尺寸設(shè)計時，考慮設(shè)計煤種（見表1）、粗煤氣產(chǎn)量、氣體流速、爐內(nèi)燃燒流場的分布等因素，通過模擬計算確定一期航天爐渣口尺寸為φ550mm。實際運行中，考慮到裝置運行的經(jīng)濟性，一期航天爐無法穩(wěn)定地使用單一煤種，需通過配煤來滿足航天爐的穩(wěn)定運行需求，氣化用煤種類多達10余種，煤質(zhì)特性各有不同，混燒后煤灰性質(zhì)產(chǎn)生一定的改變，操作指標一旦控制不好，就會引起煤灰粘度增加或降低，超出控制范圍，從而造成渣口堵塞，影響航天爐的穩(wěn)定運行，且渣口堵塞還會造成出口粗煤氣偏流，影響激冷環(huán)下降管的安全運行；此外，渣口堵塞還造成粗煤氣夾渣的流速增大，導(dǎo)致灰渣拉絲，進而引起激冷室結(jié)垢，影響裝置的長周期、穩(wěn)定運行。鑒于一期航天爐的運行情況，二期航天爐設(shè)計時渣口尺寸在一期航天爐渣口尺寸的基礎(chǔ)上擴大了100mm，即渣口尺寸設(shè)計為φ650mm。

表1 航天爐設(shè)計煤種（大砭窯煤）分析數(shù)據(jù)

4.2 通過混、配煤優(yōu)化解決渣口堵塞問題

2012年1月，二期航天爐系統(tǒng)2＃爐投煤運行后，渣口壓差總體低于一期航天爐5kPa左右，但運行過程中由于配煤、混煤的不穩(wěn)定，2＃爐渣口壓差仍然出現(xiàn)不同程度的波動，煤質(zhì)波動大時渣口壓差上升明顯?？梢?，渣口擴徑并沒能解決渣口堵塞的問題，反而帶來二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量明顯低于一期航天爐的突出問題。為此，中能化工從2014年開始嚴抓原料煤煤質(zhì)和混煤管理，從煤種、煤質(zhì)、混煤的均勻性等方面著手解決渣口堵渣問題：①據(jù)來煤的礦點、性質(zhì)不同分類堆放；②混燒時，使用煤種、煤質(zhì)相近的煤進行不同比例混合，通過總結(jié)分析找出適合航天爐氣化用煤的煤質(zhì)及其混配比例；③清除干凈混配煤中的雜物，做到精細配煤，加強煤場盤存，避免抓錯煤種的情況發(fā)生，控制輸煤穩(wěn)定。

通過煤種、混煤配比的優(yōu)化，一期、二期航天爐運行工況和渣口壓差趨于穩(wěn)定，接下來開始解決二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中有效氣含量偏低的問題。

4.3 二期航天爐渣口技改

4.3.1 技改方案

二期航天爐渣口縮徑技改，從理論上看雖然渣口越小對CO和H2生成越有利，但渣口不宜太小，需兼顧煤種變化可能造成渣口堵塞的問題。鑒于一期航天爐渣口φ550mm的設(shè)計，其運行狀況還算相對比較穩(wěn)定的實際情況，確定參照一期航天爐渣口進行技改，即將二期航天爐渣口由φ650mm縮小為φ550mm，與一期航天爐渣口直徑一致。

二期航天爐渣口進行縮徑技改，首先須將激冷室所有內(nèi)件拆除并移出航天爐，將與渣口相連接的水管空間管斷開，爆開渣口法蘭與錐盤的焊縫，通過工裝將渣口從航天爐與破渣機連接口（N-1口）移出；技改完成后，渣口安裝按照其拆除的逆序進行。

4.3.2 技改的實施

4.3.2.1 渣口拆除

（1）拆除航天爐燒嘴，移開破渣機，打開人孔蓋；系統(tǒng)隔離置換合格，清理渣口附近的灰渣及渣口與主盤管連接處周圍，盡量將焊縫露出，以便進行下一步的工作；拆除與上升管連接的周向支撐，拆除過程中需保持支撐的完整性，以便安裝使用。

（2）拆除上升管連接緊固件，將上升管通過工裝分段移出激冷室，注意保持上升管的完整性，以便安裝使用；由于作業(yè)空間受限，據(jù)拆除激冷水管、渣口水管空間管和渣口法蘭的需要對折流板進行針對性拆除；施工人員進入激冷室的氣液分離空間，將激冷水管兩端與航天爐殼體和激冷環(huán)連接的法蘭拆開；在下降管外壁焊接2個臨時吊耳，用吊車將下降管在豎直方向吊??；拆除激冷環(huán)與渣口法蘭連接的螺栓，然后將激冷環(huán)通過工裝移出激冷室。

（3）將渣口水管兩端與航天爐殼體和渣口法蘭焊接的空間管割開，用電葫蘆連接工裝將渣口托住，然后割開渣口法蘭與錐盤的焊縫，之后將渣口移出激冷室。

4.3.2.2 更換新渣口

（1）將縮徑后的新渣口通過工裝吊起，調(diào)整好渣口盤管上部與主盤管下直段的間隙，并將渣口法蘭水平找正，將渣口法蘭與錐盤焊接，之后完成渣口進出水管的焊接，并對渣口盤管進行整體水壓試驗。

（2）用吊車將激冷環(huán)吊起，找好安裝方位后，用螺栓將激冷環(huán)固定在渣口法蘭上；通過螺栓將激冷水管兩端分別與航天爐殼體和激冷環(huán)連接的法蘭連接。

（3）耐火料施工可根據(jù)實際情況，在焊接完渣口法蘭之后即可進行。

（4）打磨激冷環(huán)下部和下降管頭部的焊接坡口，焊接坡口打磨完成后，用吊車通過工裝將下降管在豎直方向吊起到激冷環(huán)底部，然后對下降管進行垂直找正，之后將下降管與激冷環(huán)進行焊接。

（5）安裝上升管及周向支撐，安裝折流板；拆除所有腳手架；安裝破渣機，封閉人孔。至此，縮徑后的新渣口更換工作完成。

5 技改效果

2018年年底中能化工利用裝置停車機會完成了二期航天爐渣口的技改，重新投運后，航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量得到一定改善，技改前后（使用CO2作為粉煤輸送載氣）二期航天爐有關(guān)運行數(shù)據(jù)（均值）的對比見表2?？梢钥闯觯杭几暮?，航天爐渣口壓差由技改前的20.4kPa提高至22.2kPa，提高了1.8kPa，但仍遠低于設(shè)計指標50kPa，表明渣口縮徑技改是可行的，不會對航天爐的安全、穩(wěn)定運行造成影響；使用CO2作為粉煤輸送載氣時，粗煤氣中的有效氣含量由技改前的平均86.89%提升至技改后的平均88.56%，提高了1.67% （使用氮氣作為輸送載氣時有效氣含量可達87%左右），有效氣含量最高提至88.93%，與一期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量基本一致，達到了技改目的；與此同時，受航天爐粉煤輸送載氣及保護氣系統(tǒng)載氣的影響，技改后所產(chǎn)粗煤氣中的CO2含量上升明顯。

表2 技改前后二期航天爐有關(guān)運行數(shù)據(jù)（均值）的對比

從綜合數(shù)據(jù)來看，二期航天爐渣口技改前，使用氮氣作為粉煤輸送載氣時所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量在85%左右，使用CO2作為粉煤輸送載氣時所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量在87%左右，可見粉煤輸送載氣的改變可以提高粗煤氣中的有效氣含量；渣口技改后，粗煤氣中的有效氣含量在原有基礎(chǔ)上再提高，有效氣含量最高提升2%左右，進一步促進了航天爐的經(jīng)濟運行。

按二期航天爐設(shè)計有效氣產(chǎn)量58317m3／h、年產(chǎn)200kt合成氨、年運行300d計算，每生產(chǎn)1t合成氨耗有效氣2100m3／h；按照二期航天爐渣口技改后有效氣含量提高2%、實際年運行時間350d計算，每年多產(chǎn)的合成氨帶來的純利潤在100萬元以上。

6 結(jié)束語

從眾多煤化工裝置配套航天爐的運行情況來看，不同型號的航天爐渣口尺寸并不相同，渣口尺寸偏小，可能造成航天爐堵渣，影響氣化裝置的長周期、穩(wěn)定運行；渣口過大，又會對航天爐內(nèi)的氣化反應(yīng)造成不利影響，所以選擇合適的渣口尺寸對航天爐運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性非常重要。中能化工對其二期航天爐渣口實施技改的實踐表明，渣口適當縮徑后，相當于提高了粗煤氣出航天爐爐膛的阻力，延長了粉煤在爐膛燃燒停留的時間，同時有利于粉煤的返混燃燒，粉煤燃燒效率得以提高，從而可提高航天爐所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量，有利于煤化工裝置的節(jié)能降耗。目前，部分使用航天爐的企業(yè)也對其渣口進行了相應(yīng)的優(yōu)化技改，取得了一定的效益。下一步，中能化工將繼續(xù)利用先進的科學(xué)技術(shù)并結(jié)合實際運行經(jīng)驗，為航天爐渣口的設(shè)計提供更科學(xué)、合理的依據(jù)，為充分發(fā)掘航天爐的經(jīng)濟性發(fā)揮積極的作用。