黃玉兵

（航天長(zhǎng)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(jiǎn)稱(chēng)中能化工）150kt／a甲醇項(xiàng)目（即一期航天爐項(xiàng)目）采用HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)，設(shè)計(jì)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(yùn)行壓力4.0MPa。一期航天爐項(xiàng)目于2006年10月開(kāi)工建設(shè)，2008年8月開(kāi)始系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試車(chē)，2008年10月31日航天爐一次投料開(kāi)車(chē)成功。在多年的應(yīng)用過(guò)程中，HT-L粉煤加壓氣化裝置不斷改進(jìn)和完善，從一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(jìn)粉煤氣化裝置，其運(yùn)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(xiàng)目），在總結(jié)一期航天爐項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(jì)粗煤氣生產(chǎn)能力123×104m3／d，日處理原料煤800t，航天爐運(yùn)行壓力4.0MPa。二期航天爐項(xiàng)目于2009年開(kāi)工建設(shè)，2011年6月開(kāi)始單體試車(chē)，2011年12月系統(tǒng)開(kāi)始聯(lián)動(dòng)試車(chē)，2012年1月4日二期航天爐一次投料開(kāi)車(chē)成功，但在之后的運(yùn)行過(guò)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(guò)不斷地優(yōu)化改進(jìn)——對(duì)航天爐渣口進(jìn)行縮徑改造，目前二期航天爐逐步實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 二期航天爐系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

中能化工二期航天爐仍采用干法進(jìn)料、濕法除塵的工藝設(shè)計(jì)。空分裝置來(lái)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(dòng)經(jīng)渣口進(jìn)入激冷室，激冷后的灰渣部分通過(guò)渣鎖斗排出，部分細(xì)渣通過(guò)水系統(tǒng)排至灰水處理系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)入文丘里洗滌器增濕除塵，之后進(jìn)入洗滌塔進(jìn)一步除塵，降溫除塵合格后的粗煤氣出洗滌塔進(jìn)入變換系統(tǒng)。

2 二期航天爐系統(tǒng)運(yùn)行狀況

一期航天爐渣口設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)時(shí)渣口擴(kuò)徑為φ650mm。二期航天爐投運(yùn)以后，渣口直徑的擴(kuò)大對(duì)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(shí)帶來(lái)一個(gè)突出的問(wèn)題是粗煤氣中的有效氣含量相對(duì)偏低：使用氮?dú)庾鳛榉勖狠斔洼d氣時(shí)，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(dá)87%左右，同時(shí)爐況的穩(wěn)定性也得到一定提高，但相較于一期航天爐來(lái)說(shuō)有效氣含量仍偏低，即在同等負(fù)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(duì)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(duì)偏高。

通過(guò)分析研判，認(rèn)為二期航天爐渣口尺寸的變化對(duì)爐內(nèi)煤的燃燒氣化造成了一定的影響，進(jìn)而影響所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量。對(duì)二期航天爐渣口進(jìn)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(jī)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(shí)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(lái)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(shí)踐表明，反應(yīng)溫度每升高10℃，反應(yīng)速率一般會(huì)增至原來(lái)的2～4倍。

（3）反應(yīng)壓力。對(duì)于氣體反應(yīng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)反應(yīng)溫度一定時(shí)，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(shí)，可以認(rèn)為反應(yīng)壓力與其化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)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(shí)設(shè)計(jì)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(lái)看，CO的生成主要源于碳與氧的不完全燃燒，其余來(lái)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(duì)穩(wěn)定的情況下，氣化系統(tǒng)的反應(yīng)熱是能相對(duì)平衡的。對(duì)于航天爐來(lái)說(shuō)，反應(yīng)物濃度、溫度一般不會(huì)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(guò)改變氣體反應(yīng)體系的壓力來(lái)提高反應(yīng)速率，從而提高CO和H2的產(chǎn)率。也就是說(shuō)，在航天爐內(nèi)反應(yīng)溫度、反應(yīng)物濃度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，適當(dāng)縮小航天爐渣口尺寸可以提高航天爐渣口的阻力，相對(duì)提高反應(yīng)物在航天爐爐膛內(nèi)的壓力，并利于延長(zhǎng)粉煤在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，提高反應(yīng)速率，利于促進(jìn)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4 運(yùn)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(dāng)時(shí)沒(méi)有成熟的案例可供借鑒，在航天爐渣口尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，考慮設(shè)計(jì)煤種（見(jiàn)表1）、粗煤氣產(chǎn)量、氣體流速、爐內(nèi)燃燒流場(chǎng)的分布等因素，通過(guò)模擬計(jì)算確定一期航天爐渣口尺寸為φ550mm。實(shí)際運(yùn)行中，考慮到裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，一期航天爐無(wú)法穩(wěn)定地使用單一煤種，需通過(guò)配煤來(lái)滿(mǎn)足航天爐的穩(wěn)定運(yùn)行需求，氣化用煤種類(lèi)多達(dá)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(biāo)一旦控制不好，就會(huì)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(yùn)行，且渣口堵塞還會(huì)造成出口粗煤氣偏流，影響激冷環(huán)下降管的安全運(yùn)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(jìn)而引起激冷室結(jié)垢，影響裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于一期航天爐的運(yùn)行情況，二期航天爐設(shè)計(jì)時(shí)渣口尺寸在一期航天爐渣口尺寸的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了100mm，即渣口尺寸設(shè)計(jì)為φ650mm。

表1 航天爐設(shè)計(jì)煤種（大砭窯煤）分析數(shù)據(jù)

4.2 通過(guò)混、配煤優(yōu)化解決渣口堵塞問(wèn)題

2012年1月，二期航天爐系統(tǒng)2＃爐投煤運(yùn)行后，渣口壓差總體低于一期航天爐5kPa左右，但運(yùn)行過(guò)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(dòng)，煤質(zhì)波動(dòng)大時(shí)渣口壓差上升明顯。可見(jiàn)，渣口擴(kuò)徑并沒(méi)能解決渣口堵塞的問(wèn)題，反而帶來(lái)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(wèn)題。為此，中能化工從2014年開(kāi)始嚴(yán)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(wèn)題：①據(jù)來(lái)煤的礦點(diǎn)、性質(zhì)不同分類(lèi)堆放；②混燒時(shí)，使用煤種、煤質(zhì)相近的煤進(jìn)行不同比例混合，通過(guò)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(xì)配煤，加強(qiáng)煤場(chǎng)盤(pán)存，避免抓錯(cuò)煤種的情況發(fā)生，控制輸煤穩(wěn)定。

通過(guò)煤種、混煤配比的優(yōu)化，一期、二期航天爐運(yùn)行工況和渣口壓差趨于穩(wěn)定，接下來(lái)開(kāi)始解決二期航天爐所產(chǎn)粗煤氣中有效氣含量偏低的問(wèn)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(duì)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(wèn)題。鑒于一期航天爐渣口φ550mm的設(shè)計(jì)，其運(yùn)行狀況還算相對(duì)比較穩(wěn)定的實(shí)際情況，確定參照一期航天爐渣口進(jìn)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(jìn)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(kāi)，爆開(kāi)渣口法蘭與錐盤(pán)的焊縫，通過(guò)工裝將渣口從航天爐與破渣機(jī)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(jìn)行。

4.3.2 技改的實(shí)施

4.3.2.1 渣口拆除

（1）拆除航天爐燒嘴，移開(kāi)破渣機(jī)，打開(kāi)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(pán)管連接處周?chē)M量將焊縫露出，以便進(jìn)行下一步的工作；拆除與上升管連接的周向支撐，拆除過(guò)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(guò)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(duì)折流板進(jìn)行針對(duì)性拆除；施工人員進(jìn)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(kāi)；在下降管外壁焊接2個(gè)臨時(shí)吊耳，用吊車(chē)將下降管在豎直方向吊住；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(guò)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(kāi)，用電葫蘆連接工裝將渣口托住，然后割開(kāi)渣口法蘭與錐盤(pán)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(guò)工裝吊起，調(diào)整好渣口盤(pán)管上部與主盤(pán)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(pán)焊接，之后完成渣口進(jìn)出水管的焊接，并對(duì)渣口盤(pán)管進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)。

（2）用吊車(chē)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(guò)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(shí)際情況，在焊接完渣口法蘭之后即可進(jìn)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(chē)通過(guò)工裝將下降管在豎直方向吊起到激冷環(huán)底部，然后對(duì)下降管進(jìn)行垂直找正，之后將下降管與激冷環(huán)進(jìn)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(jī)，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(chē)機(jī)會(huì)完成了二期航天爐渣口的技改，重新投運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)（均值）的對(duì)比見(jiàn)表2。可以看出：技改后，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(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)50kPa，表明渣口縮徑技改是可行的，不會(huì)對(duì)航天爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成影響；使用CO2作為粉煤輸送載氣時(shí)，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?dú)庾鳛檩斔洼d氣時(shí)有效氣含量可達(dá)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(dá)到了技改目的；與此同時(shí)，受航天爐粉煤輸送載氣及保護(hù)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(yùn)行數(shù)據(jù)（均值）的對(duì)比

從綜合數(shù)據(jù)來(lái)看，二期航天爐渣口技改前，使用氮?dú)庾鳛榉勖狠斔洼d氣時(shí)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(shí)所產(chǎn)粗煤氣中的有效氣含量在87%左右，可見(jiàn)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(jìn)一步促進(jìn)了航天爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

按二期航天爐設(shè)計(jì)有效氣產(chǎn)量58317m3／h、年產(chǎn)200kt合成氨、年運(yùn)行300d計(jì)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(shí)際年運(yùn)行時(shí)間350d計(jì)算，每年多產(chǎn)的合成氨帶來(lái)的純利潤(rùn)在100萬(wàn)元以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

從眾多煤化工裝置配套航天爐的運(yùn)行情況來(lái)看，不同型號(hào)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(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行；渣口過(guò)大，又會(huì)對(duì)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(duì)航天爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性非常重要。中能化工對(duì)其二期航天爐渣口實(shí)施技改的實(shí)踐表明，渣口適當(dāng)縮徑后，相當(dāng)于提高了粗煤氣出航天爐爐膛的阻力，延長(zhǎng)了粉煤在爐膛燃燒停留的時(shí)間，同時(shí)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(duì)其渣口進(jìn)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(jìn)的科學(xué)技術(shù)并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為航天爐渣口的設(shè)計(jì)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(jì)性發(fā)揮積極的作用。