趙巖松

(天源山西化工有限公司, 山西晉城 048400)

1 概述

天源山西化工有限公司原配置了32臺(tái)間歇式造氣爐，因其工藝能耗高、原料利用率低、操作復(fù)雜、有效成分低，屬于國(guó)家限制類生產(chǎn)工藝。隨著國(guó)家“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施，同時(shí)為降低生產(chǎn)成本，決定采用昌昱低壓連續(xù)純氧氣化技術(shù)(DY氣化爐)替代間歇式造氣爐。一期改造完成了4臺(tái)造氣爐，于2021年3月29日順利投產(chǎn)。從運(yùn)行情況看，新建DY氣化爐運(yùn)行安全穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，綜合性能達(dá)到同類氣化工藝先進(jìn)水平[1-2]。

從消耗水平看，DY氣化爐噸氨入爐煤耗、噸氨氧氣消耗、噸氨蒸汽消耗位于較低水平。同時(shí)低壓純氧連續(xù)氣化流程能與現(xiàn)有系統(tǒng)流程匹配，投資少、周期短，適合間隙氣化改造升級(jí)。

2 改造方案

按照“安全、節(jié)能、高效、環(huán)?！钡脑O(shè)計(jì)原則，從流程、控制、設(shè)備、材料、制造進(jìn)行全面改進(jìn)和優(yōu)化，采用DY氣化爐，其反應(yīng)溫度、速度、效率極大提高，達(dá)到節(jié)碳減排的目的[3-4]。

改造充分利用現(xiàn)有廠房和輸煤系統(tǒng)，分組分批進(jìn)行。一期改造完成4臺(tái)間歇式造氣爐，消化難以氣化篩分后的小粒無(wú)煙煤；二期將剩余28臺(tái)間歇式造氣爐全部改造為DY氣化爐。

全部改造完成后，按照低壓氣化運(yùn)行，可取消造氣空氣鼓風(fēng)機(jī)、氣柜和羅茨風(fēng)機(jī)。

3 DY氣化爐技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高安全性

(1) 流程簡(jiǎn)單，單向氣化，無(wú)煤氣倒流串氣。

(2) 加煤和下渣采用氮?dú)夂驼羝脫Q保護(hù)，炭層測(cè)量采用高溫雷達(dá)測(cè)炭?jī)x，密封可靠，無(wú)泄漏。

(3) 自動(dòng)化程度高，安全(聯(lián)鎖)措施完備，基本可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

(4) 設(shè)備安全裕度大，關(guān)鍵部位采用耐磨耐高溫材料，爐底運(yùn)轉(zhuǎn)部件采用鋰基脂潤(rùn)滑，設(shè)備安全穩(wěn)定，運(yùn)行周期長(zhǎng)。

3.2 高環(huán)保性

(1) 連續(xù)純氧氣化正常生產(chǎn)時(shí)無(wú)廢氣排放，開(kāi)停車時(shí)排放氣引入三廢鍋燃燒處理。

(2) 連續(xù)純氧氣化不產(chǎn)生含氰、含酚廢水，造氣系統(tǒng)冷卻水采用間冷裝置閉路循環(huán)使用，無(wú)廢水排放。

(3) 灰渣殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，爐渣可用作水泥建筑材料。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境友好，干凈衛(wèi)生，無(wú)泄漏，無(wú)噪聲(造氣無(wú)鼓風(fēng)機(jī)、加壓羅茨風(fēng)機(jī))。

3.3 節(jié)能效果好

原料煤消耗低，碳轉(zhuǎn)化率大于99.5%。蒸汽分解率高大于75%。

氧氣消耗低，有效氣成分為83%～85%。

3.4 其他優(yōu)勢(shì)

同等規(guī)模下，與氣流床比較，投資費(fèi)用降低70%以上。建設(shè)周期短，僅為4～8個(gè)月。原料適應(yīng)性廣，如小粒煤、氣化焦、焦炭、蘭炭、型煤等均可使用。操作彈性大，生產(chǎn)負(fù)荷為60%～120%。氣化強(qiáng)度為1 500 m3/(m2·h)以上。設(shè)備能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)工作量小，維修費(fèi)用低，備爐費(fèi)用低。

4 運(yùn)行指標(biāo)及成本對(duì)比

以晉城無(wú)煙煤為原料，匯總DY氣化爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中煤質(zhì)工業(yè)分析見(jiàn)表1，氣體成分分析見(jiàn)表2，噸氨消耗分析見(jiàn)表3，發(fā)氣量分析見(jiàn)表4，間歇式造氣爐與DY氣化爐年消耗對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析

表2 氣體成分(平均值)

表3 噸氨消耗(平均值)

表4 發(fā)氣量

表5 間歇爐與DY氣化爐消耗對(duì)比

5 立項(xiàng)可行性分析

5.1 政策符合性分析

(1) 《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019年本)》中相關(guān)分類指出：固定層間歇?dú)饣夹g(shù)合成氨為限制類；沒(méi)有配套建設(shè)吹風(fēng)氣余熱回收、造氣爐渣綜合利用裝置的固定層間歇式煤氣化裝置為淘汰類。

本項(xiàng)目為連續(xù)純氧氣化爐，其設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程及制氣過(guò)程與間歇式造氣爐截然不同，不屬新目錄中限制及淘汰類項(xiàng)目。

(2) 國(guó)家工業(yè)和信息化部2013年發(fā)布的《合成氨行業(yè)準(zhǔn)入條件》中規(guī)定，新建合成氨裝置應(yīng)采用先進(jìn)的技術(shù)和裝備，鼓勵(lì)采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)。以煤為原料的新建合成氨裝置應(yīng)采用連續(xù)純氧氣化工藝。

5.2 環(huán)保符合性分析

(1) 全部改造完成后輸煤系統(tǒng)將改為全封閉皮帶上煤系統(tǒng)，系統(tǒng)裝備除塵裝置。由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)煤渣改為全封閉鏈板下渣系統(tǒng)，同時(shí)DY氣化爐不停爐下灰系統(tǒng)配備有下渣加水潤(rùn)濕裝置，避免在加煤及下渣過(guò)程中揚(yáng)塵。加煤輸渣全自動(dòng)操作，無(wú)需人員干預(yù)，不僅滿足環(huán)保要求，同時(shí)減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2) 加煤機(jī)配備有煤鎖加氮放空系統(tǒng)，往爐內(nèi)加煤時(shí)對(duì)大布料器充氮，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Ω哂跔t內(nèi)壓力時(shí)，煤氣不會(huì)進(jìn)入大布料器內(nèi)，加煤完成后關(guān)閉大布料閥，煤氣不會(huì)外泄，滿足環(huán)保要求。

(3) 氣化爐配置煤氣間冷系統(tǒng)，無(wú)廢水排放，滿足環(huán)保要求。

(4) DY氣化爐為連續(xù)氣化，正常生產(chǎn)過(guò)程無(wú)排放，僅開(kāi)停車時(shí)會(huì)產(chǎn)生短暫少量煙氣，排放氣會(huì)被引入三廢爐或火炬燃燒處理，滿足環(huán)保要求。

(5) 爐下灰渣殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，爐渣可用作水泥建筑材料，變廢為寶，符合環(huán)保要求。

(6) 造氣取消鼓風(fēng)機(jī)及加壓羅茨風(fēng)機(jī)，無(wú)噪音污染，大大改善了工作環(huán)境。

(7) 造氣后旋風(fēng)和精密除塵器采用氣力輸灰系統(tǒng)出干灰，送至灰?guī)旆忾]儲(chǔ)存并送至鍋爐燃燒，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境友好。

5.3 安全、自動(dòng)化符合性分析

DY氣化爐配置以下安全措施，確保裝置的安全可靠運(yùn)行。

(1) 采用先進(jìn)、可靠的分散式控制系統(tǒng)(DCS)對(duì)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的過(guò)程控制(APC)。

DCS控制器、電源、通訊總線等配備應(yīng)是1∶1冗余，并由不間斷電源供電，在電源故障時(shí)，至少保持30 min以上的儀表供電。裝置的緊急停車系統(tǒng)(ESD或SIS)采用雙重化或三重化冗余，并有與DCS系統(tǒng)之間的接口。

系統(tǒng)控制功能和安全連鎖完善,具備的功能包括純氧造氣專用控制、全密閉雷達(dá)測(cè)碳儀和料位控制、連續(xù)純氧加壓造氣過(guò)程各工藝閥門的程序邏輯控制、連續(xù)氣化不停爐下灰裝置自動(dòng)控制、煤氣爐氣化劑的氧氣/蒸汽比值自動(dòng)調(diào)節(jié)、爐條機(jī)轉(zhuǎn)速變頻控制和調(diào)節(jié)。

(2) 邏輯控制包括各工藝閥門的檢測(cè)、聯(lián)鎖及報(bào)警，以及可燃有毒氣體檢測(cè)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)電視視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。

5.4 節(jié)能、減碳符合性分析

(1) 連續(xù)純氧氣化技術(shù)可保證高碳轉(zhuǎn)化率，改造后每噸合成氨可節(jié)約無(wú)煙煤120 kg，40萬(wàn)t/a合成氨則可節(jié)約實(shí)物煤4.80萬(wàn)t，相當(dāng)于減少CO2排放14.08萬(wàn)t/a。

(2) 連續(xù)純氧氣化技術(shù)可保證高水蒸氣轉(zhuǎn)化率，按噸氨入爐蒸汽節(jié)約0.8 t/a計(jì)算，40萬(wàn)t/a合成氨則可節(jié)約32萬(wàn)t/a蒸汽。

6 結(jié)語(yǔ)

DY氣化爐改造，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)和環(huán)保政策；安全設(shè)施配置完善，能夠滿足安全生產(chǎn)要求；自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低；有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。