中氮厂间歇式煤造气技改研究样本.doc

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中氮厂间歇式煤造气技改研究
      中国中氮企业煤造气工艺的流程和设备, 大都沿用30年代从美国和60年代从前苏联引进的。水煤气生产的每个循环分为六个过程: 送风、 蒸汽吹净、 上吹、 下吹、 二次上吹和蒸汽吹净。吹风气经过发生炉出口除尘器, 除去气体中部分粉尘后, 进入燃烧室, 加入二次空气进行燃烧, 燃烧气经上升管到废热锅炉, 温度降至250℃左右, 进入烟囱, 经除尘器除尘后放空。上行煤气经发生炉出口除尘器, 除去部分粉尘后进入燃烧室, 再经上升管进废热锅炉, 温度降至250℃左右, 从废热锅炉下部经煤气三方阀门进入洗涤器, 煤气温度降至40℃左右进入气柜。下行煤气经煤气三方阀门进入洗涤器, 温度降至40℃左右进气柜。这一流程存在许多不足, 导致中氮企业造气能耗居高不下。     30余年来, 许多企业对造气工序的设备作了大量的技术改造工作。如炉膛扩径改造, 造气炉夹套改造, 炉箅改造, 燃烧室增容及增加蓄热能力改造, 洗涤器改造, 管线及阀门改造等。同时也提出了优化的操作方法。这些工作为中氮造气工序积累了丰富的技改经验, 也为设备稳定运行和节能降耗作出了较大贡献。但当前中氮企业与先进的小氮企业造气能耗相比, 仍高10％～ 20％。究其原因, 一是一炉一个的燃烧室设计不合理, 由于燃烧室内没有助燃系统, 要求吹风气安全燃烧温度不低于650℃, 否则不能正常工作。大多中氮企业由于造气原料的不同, 吹风气温度不能控制在650℃以上, 操作既不稳定又不经济。二是煤气显热回收系统, 由于废热锅炉设计压力较高, 煤气显热未能充分回收, 造成能源浪费和洗涤器费水。邯钢化肥厂、 济南化肥厂、 鲁南化肥厂将原工艺的一炉一个燃烧室燃烧吹风气工艺, 改为多炉一个燃烧室吹风气集中燃烧工艺。改造后的工艺造气能耗降低10％以上。现介绍吹风气集中余热回收和上、 下行煤气显热回收工艺。
1  吹风气集中余热回收工艺   
    吹风气集中余热回收就是将两台以上造气炉的吹风气送入一台燃烧炉内, 在弛放气助燃系统的助燃工作条件下, 安全稳定燃烧。
    中氮企业在吹风气集中余热回收系统设计时, 应遵循如下原则: ①保证安全稳定运行, 即改变造气原料和改变造气操作指标仍能安全稳定运行; ②确保产出蒸汽合理有效利用; ③燃烧热量得到充分回收; ④系统运行寿命长; ⑤环保原则; ⑥经济性原则。
    吹风气集中余热回收工艺的主要设备如下。
1.1  燃烧炉
    燃烧炉必须具备可维持低浓度可燃气体燃烧的温度, 而且配风合理, 否则不能稳定运行甚至发生不同程度的爆炸。还要求必须达到自身热平衡, 要求有小的热损失, 大的蓄热能力, 足够的燃烧空间和停留时间。当前成功运行的燃烧炉有两种, 一种是上燃蓄热式燃烧炉, 这种燃烧炉格子砖的层数和数量对其稳定运行起着重要作用。另一种是中燃式燃烧炉, 这种燃烧炉全部取消了格子砖, 采取分区燃烧, 即: 混合燃烧区、 高温燃烧区和煤粉燃烧区。位于燃烧炉下部的旋风式煤粉燃烧区使吹风气夹带的煤粉、 焦油、 挥发分等90％以上的参与燃烧, 这样就产生了”倒温差”现象, 即炉出口温度高于上部温度。
1.2  高温空气预热器
    设置高温空预器可增加不同原料造气吹风气回收系统的适应能力。空预器要求耐高温、 并考虑足够的热膨胀。GWKY型高温空预器采用波纹不锈钢无缝管, 在传热过程中由于波纹作用破坏了表面边界层, 具有传热系数高、 表面冷凝效果好等优点。该项技术可使设备的使用寿命较普通不锈钢换热器提高3～5倍。设备两侧均设有膨胀节, 解决了热胀冷缩对设备的损坏。
1.3  锅炉
    中氮企业吹风气系统锅炉大都选用中压余热锅炉, 输出的蒸汽入蒸汽管网, 用于发电。
1.4  软水加热器和第一空气预热器
    这两台设备均为低温预热回收设备, 选用这两台设备时主要考虑设备的低温腐蚀。一般选用热管换热设备, 一是利用热管的热源分汇特点, 设计壁面温度在露点以上, 避免了露点腐蚀; 二是热管换热的两流体均走管外, 气侧能够翅片化, 强化传热。
2  上、 下行煤气显热回收工艺
    当前, 中氮肥￠3000mm以上造气炉显热回收工艺使用的废热锅炉, 大都是最早从美国引进的塞米· 索尔维式废热锅炉, 随燃烧炉直径的不同, 废锅换热面积有480、 588、 600、 675、 900m2。该废热锅炉工作压力一般为0.8～2.5MPa, 设计煤气出口温度为250℃。该废锅列管管束经过两端固定的管板连接在一起, 工作时, 工艺气走管程, 水、 汽走壳程。该设备在实际应用中存在如下问题。
    (1)由于工艺气含有大量的灰尘, 废热锅炉气体的流通面积小, 气体流速较大, 灰尘的冲刷动能较大, 冲刷磨损是设备损坏、 泄漏的主要原因之一。
    (2)该废热锅炉是列管结构, 气水相隔一层管壁。管壁温度接近水的温度, 其值较低。管壁温度在露点以下时, 煤气中的硫化物对管子腐蚀极为严重。为避免露点腐蚀, 被迫提高废锅工作压力。废热锅炉工作压力高, 壳程水、 气温度高, 导致工艺气出口温度高, 进洗气塔的温度高。一方面余热不能得到合理的回收, 另一方面造成洗气费水、 费电。
    现已有部分厂家将原吹风气单炉燃烧工艺改造为吹风气集中热回收工艺, 显热回收仍沿用原废热锅炉, 废热锅炉只走上行煤气, 入口煤气温度350℃左右, 出口180℃。这种工艺存在两点不足: 一是废热锅炉上行煤气出口温度高, 260℃左右的下行煤气余热未回收, 造成能源浪费、 洗气费水; 二是废热锅炉不能长周期稳定运行。
    实践证明, 热管式废热锅炉应用于该工艺系统, 具有运行稳定, 使用寿命长的特点。其方式有一台造气炉用一台热管废热锅炉和多台造气炉共用一台废锅的工艺。下面详细阐述多台造气炉共用一台废锅的工艺及设备。     
2.1  多台造气炉共用一台废锅的工艺流程
    工艺流程如图1, 各阶段气体走向如下。

    吹风气: 空气由炉底进入, 由煤气发生炉上部出来进入除尘器, 然后去吹风气回收系统。
    上行煤气: 由炉底进入, 上部出来依次进入除尘器、 安全水封、 废热锅炉(上、 下段气体温度降至140℃)、 洗气塔降温至40℃去气柜。
    下行煤气: 由炉上部进入, 下部出来, 依次进入安全水封、 废热锅炉(上、 下段气体温度降至140℃)、 洗气塔降温至40℃去气柜。
    此工艺热管联合式废热锅炉是系统中余热回收、 高产低耗、 确保设备正常运行的关键设备。
2.2  热管联合废热锅炉
2.2.1  热管联合废热锅炉的结构
    RLG型热管联合废热锅炉是气—汽型换热器、 气—液型换热器的组合设备。上段是气—汽型换热器, 即热管蒸汽过热器, 下段是气—液型换热器即热管废热锅炉。两段结构基本相同, 均由内筒、 外筒、 热管三部分构成。热管径向分布于内筒上, 被内筒分成两段, 插入段是光管, 内筒外侧热管段有翅片。
2.2.2  RLG热管联合废热锅炉的工作原理
    上、 下行煤气自外简体的顶部煤气入口进入, 经内外筒体之间, 由外筒底部煤气出口排出。蒸汽由上段内筒底部进入, 从上段内筒上部蒸汽出口排出。软水由下段内筒底部的软水入口进入, 从下段内筒上部的软水出口排出。煤气走内外套筒之间, 将热量传递给热管, 热管以极高的速度将热量传递给内筒的蒸汽和软水。
2.2.3  RLG热管联合废热锅炉特点
    (1)换热效率高
    300～400℃的上、 下行煤气经过热管联合废热锅炉, 温度降到140℃左右。同时经过热管联合废热锅炉上段(热管蒸汽过热器)的低温饱和蒸汽由120℃过热到200～220℃。
    (2)阻力低、 耐冲刷
    热管径向分布, 这种布置能够保证有足够大的流通面积, 以RLG—1300型热管联合废热锅炉为例, 其最小流通截面积2 m2, 相当于DN1600管道流通面积。煤气质量流速小于3kg／(m·s), 灰尘冲刷动能极低。这样就解决了灰尘冲刷、 磨损损坏设备的设计难点。由于煤气流速低, 设备的气体阻力非常小, 流通阻力一般不大于200Pa。   
    (3)耐腐蚀、 不易积灰
    热管的加热和冷凝段长度不等时, 热管传递一定的热量, 热管加热段和冷凝段表面的热流密度就不等。应用这一原理能够调整热管壁面温度, 使其避开煤气露点。一方面热管控制了露点腐蚀; 另一方面落在热管表面的灰是干灰, 干灰只是暂时落在热管表面, 不会长时间积留, 即不易积灰。
    (4)运行稳定、 使用寿命长   
    热管单管作业, 一根或部分热管损坏, 两流体不会发生混淆, 不会影响设备的运行。具有较长的设备连续运行周期。
    (5)承压效果好
    设备截面呈圆形, 承压效果好, 当煤气压力剧烈变化时, 不会发生变形而影响换热效果。
    (6)适用于各种原料的造气工艺
    它可适用于块煤、 焦炭、 煤球、 煤棒等制气工艺的余热回收。
2.2.4  吹风气集中回收的企业采用热管联合废锅的经济效益
    采用联合式热管废热锅炉的工艺可使上行煤气由350℃左右、 下行煤气由260℃左右降至140℃。较原工艺(只回收上行余热降至180℃), 吨氨多产蒸汽150kg, 洗涤器节水45 t。直接经济效益12.35元。一家年产100kt合成氨的企业直接经济效益123.5万元／a。