黃玉兵

（航天長征化學工程股份有限公司，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，設計有效氣（CO＋H2）生產能力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，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），在總結一期航天爐項目運行經驗的基礎上，確定合成氨裝置氣化系統(tǒng)仍然配套航天爐（二期），二期航天爐設計粗煤氣生產能力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，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)了經濟、穩(wěn)定運行。以下對有關情況作一介紹。

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、濕法除塵的工藝設計?？辗盅b置來純度99.6%以上的氧氣與粉煤在航天爐爐膛內燃燒，產生高溫粗煤氣，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，原料煤煤質差別較大，一期航天爐運行中經常出現(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，二期航天爐所產粗煤氣中的有效含量在85%左右，而一期航天爐所產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年二期航天爐所產粗煤氣用于生產甲醇期間，航天爐粉煤輸送載氣調整為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、粉煤輸送介質等條件下二期航天爐所產粗煤氣中的有效氣含量仍偏低2%左右，這對氣化裝置的產氣量造成一定影響，導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煤的燃燒氣化造成了一定的影響，進而影響所產粗煤氣中的有效氣含量。對二期航天爐渣口進行技改，可以提高其所產粗煤氣中的有效氣含量。

3 氣化反應機理及技改理論依據(jù)

3.1 航天爐內的主要化學反應

3.2 化學反應速率的影響因素

化學反應速率通常用單位時間內某反應物濃度的減少或某一生成物濃度的增加來表示。航天爐爐膛內反應的生成物主要是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，影響化學反應速率的主要因素如下。

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

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

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

（4）催化劑。催化劑可加快或減慢化學反應的速度。

3.3 技改的理論依據(jù)

航天爐內，煤（主要成分為碳）和氧的燃燒反應屬于放熱反應，同時設計為缺氧的不完全燃燒，則主要生成物為CO，CO是生產甲醇或合成氨等所需的有效成分之一，越多越好。從航天爐內的主要化學反應（方程式）及影響反應的因素來看，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，CO2與碳的還原反應為吸熱反應，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)的反應熱是能相對平衡的。對于航天爐來說，反應物濃度、溫度一般不會有太大變化，氣化反應也不存在添加催化劑的情況，因此，據(jù)前述化學反應速率的影響因素可知，可以嘗試通過改變氣體反應體系的壓力來提高反應速率，從而提高CO和H2的產率。也就是說，在航天爐內反應溫度、反應物濃度相對穩(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，相對提高反應物在航天爐爐膛內的壓力，并利于延長粉煤在爐膛內的停留時間，提高反應速率，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計時，考慮設計煤種（見表1）、粗煤氣產量、氣體流速、爐內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，煤質特性各有不同，混燒后煤灰性質產生一定的改變，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，導致灰渣拉絲，進而引起激冷室結垢，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，二期航天爐設計時渣口尺寸在一期航天爐渣口尺寸的基礎上擴大了100mm，即渣口尺寸設計為φ650mm。

表1 航天爐設計煤種（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，煤質波動大時渣口壓差上升明顯?？梢姡跀U徑并沒能解決渣口堵塞的問題，反而帶來二期航天爐所產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和混煤管理，從煤種、煤質、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、性質不同分類堆放；②混燒時，使用煤種、煤質相近的煤進行不同比例混合，通過總結分析找出適合航天爐氣化用煤的煤質及其混配比例；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?。徊鸪だ洵h(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濟運行。

按二期航天爐設計有效氣產量58317m3／h、年產200kt合成氨、年運行300d計算，每生產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，每年多產的合成氨帶來的純利潤在100萬元以上。

6 結束語

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，又會對航天爐內的氣化反應造成不利影響，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)利用先進的科學技術并結合實際運行經驗，為航天爐渣口的設計提供更科學、合理的依據(jù)，為充分發(fā)掘航天爐的經濟性發(fā)揮積極的作用。