間歇式固定床增氧制氣應(yīng)用情況分析

石春發(fā)

（云南云天化化工有限公司紅磷分公司   云南開遠(yuǎn)  661600）

    摘要：本文重點(diǎn)對(duì)間歇式固定床增氧制氣應(yīng)用情況，以及在使用過程出現(xiàn)問題淺，分析出現(xiàn)問題的原因，并對(duì)采取的措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：增氧制氣、VPSA、出現(xiàn)問題、原因分析、采取措施。

Application of fixed bed batch aeration gas making

Chun Fa Shi

（The cloud in Yunnan sky turns an international chemical engineering limited company red Lin branch   Yunnan  kaiyuan  661600)

Abstract   This paper focuses on the Application of fixed bed batch aeration gas making, and gas making problems cause analysis on the problems appeared are analyzed, and the measures adopted are discussed.

Keywords   VPSA oxygen gas   Problems   Cause analysis   Take measures

前言

云南云天化股份有限公司紅磷分公司是屬云天化集團(tuán)下屬一個(gè)單位，公司現(xiàn)擁有一套年產(chǎn)8萬噸合成氨裝置，初始建設(shè)規(guī)模為設(shè)計(jì)為年產(chǎn)3萬噸合成氨，于1997年7月開工建設(shè)，1999年9月投產(chǎn)，造氣采用固定床間歇式氣化法，有φ2610煤氣發(fā)生爐4臺(tái)，原料主要使用焦炭；2001年隨著公司不斷發(fā)展，年產(chǎn)3萬噸合成氨規(guī)模不能滿足公司生產(chǎn)需求，于2001年12月完成了 “3改8”工程改造，液氨由年產(chǎn)3萬噸能力提升到年產(chǎn)8萬噸，φ2610煤氣發(fā)生爐由4臺(tái)增加為9臺(tái)，仍然使用焦炭制氣。

近年來隨著焦炭?jī)r(jià)格的不斷上漲，使得合成氨生產(chǎn)成本不斷增加，為了提高現(xiàn)有合成氨生產(chǎn)裝置的整體水平、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、降低液氨生產(chǎn)成本、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，紅磷分公司對(duì)原料路線進(jìn)行調(diào)整并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后原料從焦炭改為了煤棒。在本次技改中，為提高造氣效率，降低成本，針對(duì)云南煤灰熔點(diǎn)低、活性低的特點(diǎn)，決定采用進(jìn)行增氧制氣的改造。國(guó)內(nèi)制氧技術(shù)主要有三種，分別為深冷空分法、VPSA或PSA變壓吸附法以及膜分離方法，通過對(duì)比詳細(xì)對(duì)比考查以及紅磷公司成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技改時(shí)決定采用北京北大先鋒科技有限公司的VPSA制氧技術(shù)來提高造氣爐中的氧含量。

VPSA制氧裝置使用情況

我公司新上的一套VPSA制氧裝置能力為1000Nm³/h (折100%純氧)，由北京北大先鋒科技有限公司承建，該套裝置于2012年8月開始建設(shè)，2013年3月投入使用。

1 VPSA制氧工藝流程簡(jiǎn)介

北大先鋒建設(shè)的該套裝置采用兩塔工藝流程，氧氣設(shè)計(jì)產(chǎn)量1120Nm³/h，氧氣純度90%，VPSA產(chǎn)出的氧氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)加壓至39KPa后輸送至造氣爐，制氧工藝流程如下：

2 北大先鋒VPSA制氧工藝主要設(shè)備

3 VPSA制氧裝置運(yùn)行情況及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

     北大先鋒承建的VPSA制氧裝置自開車后運(yùn)行平穩(wěn)，以下為主要幾個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

從VPSA制氧裝置幾個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，*達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

增氧制氣應(yīng)用情況

1 半水煤氣成分的對(duì)比

半水煤氣消耗成分是衡量煤氣質(zhì)量的因素，從半水煤氣各成分可以間接看出造氣爐狀況的好壞，下表為我公司采用VPSA富氧造氣前后半水煤氣成分的變化。

從理論上講，采用富氧造氣后，隨著空氣中氧含量和上加氮過程中氧含量升高，制氣溫度提高，CO₂含量會(huì)降低，CO和H₂含量將升高，但從半水煤氣成分上看，CO₂略微升高了，而CO和H₂含量略微降低了。為此經(jīng)過查找，主要原因是采用富氧造氣后，吹風(fēng)效率提高了（從吹風(fēng)氣中CO₂含量可看出），為保證半水煤氣中氮含量，在加氮時(shí)間不變情況下，帶入半水煤氣中CO₂相對(duì)較多，從而導(dǎo)致采用富氧造氣后半水煤氣中，CO₂含量升高，CO和H₂含量降低。

2 單爐發(fā)氣量對(duì)比

在采用富氧造氣前，我公司單爐發(fā)氣量為4500Nm³/h左右，在采用富氧造氣后，我公司單爐發(fā)氣量5500Nm³/h左右。

3 采用富氧造氣前后消耗對(duì)比

我公司采用VPSA裝置富氧造氣后，無論是液氨產(chǎn)量、原料消耗都有很大的改觀，以下為我公司采用北大先鋒VPSA裝置富氧造氣前后能耗對(duì)比：

從上表看，采用VPSA富氧造氣后，日產(chǎn)量平均每天增加25噸，噸氨型煤消耗降低了28kg，噸氨電耗升高了37kwh。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

我公司自VPSA制氧裝置投用后，取得了很好的效果，從原料消耗、電耗和增產(chǎn)效果、粗略計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益：

1. 噸氨耗型煤降低28kg，無煙粉煤價(jià)格以780元/噸、型煤加工費(fèi)100元/噸，噸氨可節(jié)約24.64元；電耗增加37度，每度以0.35元計(jì)算，每噸增加成本12.95元，此兩項(xiàng)，噸氨可接約成本11.69元，液氨產(chǎn)量8萬噸計(jì)，每年可節(jié)約93.52萬元。
2. 每天增加液氨產(chǎn)量25噸，以年生產(chǎn)330日計(jì)算，每年可增產(chǎn)液氨8250噸，液氨市場(chǎng)價(jià)格2700元計(jì)算，每年可增加2227.5萬元的產(chǎn)值。

間歇式固定床增氧制氣出現(xiàn)問題及原因淺析

云南云天化股份有限公司紅磷分公司造氣增氧制氣裝置是2012年3月份投入使用，在投入使用的當(dāng)天，效果體現(xiàn)就很明顯，單爐發(fā)氣量就從4500Nm3/h左右增加到5500Nm3/h左右，噸氨煤棒消耗從約1.8噸下降至約1.75噸左右，造氣成渣率明顯上升，爐渣殘?zhí)济黠@下降，但隨著生產(chǎn)的穩(wěn)定，隨著我公司對(duì)造氣增氧制氣不斷了解，發(fā)覺間歇式固定床氣化增氧制氣在運(yùn)行過程中也暴露出半水煤氣中CO₂含量上升、吹風(fēng)氣中CO含量升高、入爐空氣中氧含量波動(dòng)大等幾個(gè)問題，以下對(duì)所暴露出的問題原因淺析：

1 吹風(fēng)氣中CO2含量上升原因淺析

在固定床間歇式造氣爐中，吹風(fēng)階段原理是碳與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量，其目的是提高氣化層溫度并積蓄熱量為制氣過程創(chuàng)造條件。在通常情況下，吹風(fēng)氣中CO₂含量是衡量吹風(fēng)效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一，吹風(fēng)氣中CO₂越高，證明吹風(fēng)效率越高，反之則證明吹風(fēng)效率越低。我公司采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中CO₂含量升高了約4%，但隨之CO含量也升高了近1%，下表為增氧制氣前后吹風(fēng)氣中主要成分對(duì)比表：

從上表看，采用增氧制氣后，吹風(fēng)氣中CO含量升高了3.9%，CO含量升高了0.9%，為什么會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象呢？經(jīng)過理論分析，原來在吹風(fēng)階段，除了碳與氧反應(yīng)生成CO₂或CO以及CO與O₂反應(yīng)生成CO₂兩個(gè)反應(yīng)外，還有一個(gè)CO₂的還原反應(yīng)，具體反應(yīng)方程式如下：

CO₂+C=2CO

此反應(yīng)可看作是可逆反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)方程式，隨著吹風(fēng)氣中CO₂含量升高，反應(yīng)就會(huì)向右進(jìn)行，CO含量必然會(huì)升高，通過理論進(jìn)行粗略計(jì)算，根據(jù)以上反應(yīng)方程式，其平衡常數(shù)計(jì)算公式為:

K_p=X²_CO/X_CO2   ^[1]

在實(shí)際情況下，可以粗略的認(rèn)為增氧制氣前后在造氣爐內(nèi)空氣流速、溫度、壓力不變，因此可以認(rèn)為增氧制氣前后平衡常數(shù)基本不變。根據(jù)上述設(shè)定條件和表1中增氧制氣前的CO₂和CO含量及增氧制氣后CO₂含量，計(jì)算增氧制氣后CO含量：

計(jì)算增氧前平衡常數(shù)：K_p= X²_CO/X_CO2

=(4.9)²/15.2

=1.58

根據(jù)增氧制氣后CO₂含量計(jì)算增氧制氣后CO含量

X_CO= (X_CO2×K_p)^1/2

=(19.1×1.58)^1/2

=5.5%

 理論計(jì)算結(jié)果為5.5%，與分析結(jié)果5.8%相近。以上理論計(jì)算是假設(shè)增氧制氣前后氣體流速、造氣爐爐溫不變的情況下計(jì)算的；在實(shí)際運(yùn)行中，造氣爐爐溫實(shí)際上比增氧制氣前高，而以上反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度的升高，反應(yīng)是向右進(jìn)行的，所以分析結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果高是符合實(shí)際的，在此也充分證明采用增氧制氣后吹風(fēng)氣內(nèi)CO含量增高主要原因是吹風(fēng)效率提高后吹風(fēng)氣中CO₂含量升高導(dǎo)致的。

2 半水煤氣中CO2含量上升原因淺析

半水煤氣中CO₂含量半水煤氣中無效氣體成分，但其含量的高低還間接反映造氣爐爐溫的情況，從理論上講，采用增氧制氣后，隨著空氣中氧含量和上加氮過程中氧含量升高，造氣爐制氣溫度較采用增氧制氣前高，半水煤氣中CO₂含量應(yīng)該降低；但實(shí)際情況是，采用增氧制氣后半水煤氣中CO₂反而升高了（詳細(xì)數(shù)據(jù)見3.1）。

從以上分析結(jié)果看出，我公司采用增氧后半水煤氣中CO₂含量較增氧制氣前上升了1%。為什么會(huì)產(chǎn)生以上現(xiàn)象呢，經(jīng)過查找分析，認(rèn)為主要原因是采用增氧制氣后，入爐空氣中氧含量升高了，吹風(fēng)效率提高了，吹風(fēng)氣中CO₂含量也提高了，在吹風(fēng)氣回收加氮時(shí)間不變情況下，帶入半水煤氣中CO₂相對(duì)較多，從而導(dǎo)致采用增氧制氣后半水煤氣中CO₂升高。通過理論粗略計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證：

根據(jù)表2 采用增氧制氣前半水煤氣成分，增氧制氣前每1000Nm³半水煤氣中氮含量為210.7 Nm³。其中上加氮補(bǔ)充氮?dú)?2%（根據(jù)我公司上加氮時(shí)間和流量折算出來的），折合氣體量25.28 Nm³，吹風(fēng)氣補(bǔ)充氮?dú)?8%，折合氣體量185.42 Nm³。

根據(jù)表1增氧制氣前后吹風(fēng)氣氣體主要成分對(duì)比

計(jì)算增氧制氣前補(bǔ)充氮?dú)庑枰碉L(fēng)氣量：185.42÷0.792=234.12Nm³

計(jì)算增氧制氣后補(bǔ)充氮?dú)庑枰碉L(fēng)氣量：185.42÷0.745=248.89Nm³

根據(jù)表1增氧制氣前后吹風(fēng)氣氣體成分對(duì)比

計(jì)算增氧制氣前吹風(fēng)氣補(bǔ)充氮?dú)鈳隒O₂量：234.12×0.152=35.59Nm³

計(jì)算增氧制氣前吹風(fēng)氣補(bǔ)充氮?dú)鈳隒O₂量：248.89×0.191=47.54Nm³

計(jì)算增氧制氣后吹風(fēng)氣補(bǔ)充氮?dú)鈳隒O₂增加量：47.54－35.59=11.95Nm³

從以上計(jì)算結(jié)果看出，增氧制氣后每1000Nm³半水煤氣中多帶入CO₂ 11.95，折合百分比為1.195%，這與分析結(jié)果基本一致，也充分證明了上述原因分析的結(jié)果。

3 入爐空氣中氧含量波動(dòng)較大

我公司采用的制氧裝置是VPSA制氧工藝，裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1000Nm³/h（100%），實(shí)際運(yùn)行為1200 Nm³/h左右，造氣分1#、2#兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)各配一臺(tái)造氣風(fēng)機(jī)，制氧裝置所產(chǎn)氧氣分別送到兩套系統(tǒng)空氣總管內(nèi)。在采用增氧制氣后，發(fā)覺入爐空氣氧含量波動(dòng)較大，23%～27%之間波動(dòng)，為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，經(jīng)分析，主要原因是我公司采用的是間歇式造氣爐，造氣使用的空氣量存在波動(dòng)，而制氧裝置所配入的氧氣產(chǎn)量是一定的，當(dāng)1#、2#造氣系統(tǒng)同時(shí)有兩臺(tái)造氣爐處在吹風(fēng)階段時(shí)，入爐空氣中氧含量較低，當(dāng)1#、2#系統(tǒng)只有一臺(tái)造氣爐處在吹風(fēng)階段時(shí)，入爐空氣中氧含量較高。

造氣增氧制氣存在問題及解決思路

針對(duì)間歇式造氣爐增氧制氣存在的問題及原因分析，結(jié)合在生產(chǎn)中實(shí)際情況，提出以下解決思路。

1 吹風(fēng)氣中CO含量上升

吹風(fēng)氣中CO含量上升，主要原因是由于CO₂還原反應(yīng)是一個(gè)可逆、吸熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)物中CO₂含量升高，則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)物中CO含量升高；但它同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)力學(xué)控制的反應(yīng)，即CO₂還原反應(yīng)不是瞬間就發(fā)生，而是需要一定的時(shí)間，據(jù)相關(guān)資料，在1100℃時(shí)，采用無煙煤時(shí)，在100% CO₂濃度下，還原40% CO₂需要使用約5S時(shí)間^[2]，因此從理論上講，提高造氣爐內(nèi)吹風(fēng)氣流速就可以減緩CO₂還原成CO的現(xiàn)象發(fā)生。在實(shí)際操作過程中，還是只能回到強(qiáng)吹風(fēng)的思路上，可以在保證碳層不吹翻的情況下盡可能的加大吹風(fēng)閥的開度，減少吹風(fēng)時(shí)間來調(diào)節(jié)，我公司在加大吹風(fēng)閥手輪開啟度后，吹風(fēng)時(shí)間從21S減到18S，分析結(jié)果顯示，半水煤氣中CO含量可降低約0.2%。當(dāng)然隨著爐溫升高，吹風(fēng)效率提高，吹風(fēng)氣中CO₂含量上升，吹風(fēng)氣中CO上升是不可避免，但是采取以上思路進(jìn)行調(diào)節(jié)后，可以減少吹風(fēng)氣中CO含量的上升幅度。

2 半水煤氣中CO₂含量上升

從本文中原因分析，采用增氧制氣后半水煤氣中CO₂升高主要原因是由于吹風(fēng)氣中CO₂含量升高，氮含量降低，回收吹風(fēng)氣補(bǔ)氮時(shí)帶入CO₂所致，從理論上看，可通過加大上吹加氮方式補(bǔ)充氮?dú)饪梢詼p少吹風(fēng)半水煤氣中CO₂含量，在我公司，也基本上是采用此方法來減少半水煤氣中CO₂含量，從實(shí)踐上看，我公司上加氮時(shí)間從10s，增加到15秒，半水煤中CO含量可降低約0.2%左右。

3 空氣中氧含量波動(dòng)

空氣中氧含量波動(dòng)主要還是由于間歇式造氣爐使用空氣量不穩(wěn)定導(dǎo)致的，若要穩(wěn)定，目前能采取的方法主要是調(diào)節(jié)好吹風(fēng)時(shí)間和循環(huán)時(shí)間，做好吹風(fēng)排隊(duì)，盡量穩(wěn)定造氣系統(tǒng)空氣使用量，以我公司為例，常開六臺(tái)造氣爐，兩套系統(tǒng)各開三臺(tái)，吹風(fēng)時(shí)間在18～20s，循環(huán)時(shí)間為120s，六臺(tái)造氣爐吹風(fēng)時(shí)間剛好是循環(huán)時(shí)間，這樣剛好可以穩(wěn)定入爐空氣使用量，氧含量波動(dòng)也相對(duì)較小了，從實(shí)踐中看，通過調(diào)整，氧含量波動(dòng)可以控制在2%以內(nèi)。

結(jié)束語

在間歇式制氣的合成氨工藝中，采用增氧制氣后，可以極大提高造氣爐單爐發(fā)氣量，同時(shí)提高蒸汽分解率，降低造氣消耗，鑒于以上優(yōu)勢(shì)，越來越多的間歇式制氣合成氨裝置采用了增氧制氣，同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的問題，本文針對(duì)目前存在的問題提出有效的優(yōu)化措施，如何能*解決上述問題還需進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)

[1]梅安華主編.小合成氨廠工藝與設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化工工業(yè)出版社,1995.

[2]中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì).水煤氣工[M].北京:化工工業(yè)出版社,2010.6