降低煤耗

降低中氮造气煤耗的途径
作者/来源：李永恒(株洲造气技术咨询站，湖南株州 412007) 日期：2009-3-20
0 前言
我国化肥工业兴起是从中氮肥开始的，早在1935年就从美国引进了UGI型煤气发生炉作为生产合成氨原料气的炉型，在以后我国化肥工业迅速发展的时期，中小型化肥厂都按此炉型和原有的工艺流程进行设计和仿制。

以煤焦为原料，采用间歇式固定层煤气炉生产合成氨原料气的中型氮肥厂，煤耗长期偏高，吨氨煤耗在1 500～2 000 kg，而技术先进的小氮肥企业吨氨入炉实物煤耗一般在1 100～1 200 kg，差距较大。

造成中氮厂造气煤耗偏高的原因是多方面的，企业可根据各自的具体情况选择改进措施。

1 原料应用的科学性
降低煤耗首先必须抓好原料的科学管理、科学应用这个环节，它是影响煤耗的关键所在。

1.1 原料性质的选择与搭配
选择原料时，大家都会选择冷热强度和化学活性好、含碳量高和灰熔点高的原料。

但实际上许多企业是无法选择到各方面性质都优良的优质原料。

有的优质煤虽然冷热强度好，但化学活性并不好；有的煤冷热强度不好，但化学活性很好。

这两种煤分别单独入炉气化，其气化强度都不会高。

因为冷热强度好而化学活性差的煤，煤气炉内气化层温度必须很高才能提高气化强度，而温度提得过高又会造成炉内结大块(疤块)，导致炉况失常，因此只能维持中负荷生产，煤气炉气化强度也就无法提高。

化学活性好而冷热强度不好的煤，入炉以后遇高温会产生爆裂，块煤就成了粉煤，导致炉膛床层阻力增大，煤气炉无法提高生产负荷(入炉空气量因床层阻力增大而减少)，直接影响煤气炉的气化强度。

煤气炉气化强度不高，煤耗必然上升。

近年有的企业将上述两种不同性质的原料互相搭配进行气化，取得了比较好的效果。

其原理是利用冷热强度好的煤在炉膛燃料层中起骨架作用，从而使化学活性好的煤在气化温度不是很高的情况下能有很好的气化效率，煤耗也必然会降下来。

某厂采用此种搭配方法后，φ2 400 mm炉单炉日产氨55 t左右，吨氨入炉实物煤耗1 000～1 100 kg。

1.2 入炉输送流程的改进
中氮厂原料从煤库到入炉，运输流程较长。

原煤用行车抓斗吊抓入大煤斗，大煤斗上部设置有一定倾斜角度的固定条筛，特大块从筛上返回煤库，原煤从煤斗下部进入皮带机，然后进入第二个条筛，不需要破碎的煤(φ80 mm以下)进入条筛下部皮带机，需要破碎的大块煤进入双辊颚式破碎机，破碎后的原煤与毋需破碎的原煤并入皮带机，再进入振动筛进行筛分和粒径分级(根据各厂对原料粒径的要求，振动筛可设置2～3层不同规格的筛网，一般可将粒径分成2～3个等级)，将φ8 mm以下的粉煤筛尽，再将φ8 mm以上的原煤分级后分别用皮带机送入各炉的煤仓。

上述流程在中氮肥厂还是最简单的，有的厂流程还要复杂。

中氮厂的炉型高，原料运输的皮带栈桥又高又长，与小氮厂相比，原煤运输路线长，设备多，增加了原煤的破碎率，特别是大块煤经过破碎机后，粉煤率增加15%～25%，这是造成中氮厂煤耗高的重要因素之一。

现在，有的中氮厂停用破碎机，改用小氮厂常用的人工小铁锤敲击大块煤的方法，取得了好的效果。

1.3 原料的合理加工
由于各厂原料购进渠道不同，使得各厂原煤的品种、产地和性质各异，许多企业到厂的原料很不理想，因此，如何对到厂后的原料进行合理加工，就显得非常重要。

1.3.1 清除煤矸石
有的原料煤中夹带许多无法气化的煤矸石，入炉前，清除煤中的煤矸石非常重要，要求将煤矸石降低到3%以下。

1.3.2 按煤块大小分级入炉
入炉煤的粒径选择很重要。

有的化肥厂对入炉煤的粒径没有严格的要求，而是采用“五世同堂”方法，从粉到特大块一起入炉，最大块粒径φ50～φ300 mm，这种入炉方式没有一点科学性，床层阻力不均，煤粒之间空隙全部被填满，阻力大，显然气化强度高不了，煤耗必然高。

南方有些厂因远离煤都，十分珍惜煤源，他们将煤的粒径分为4个等级入炉气化，即：φ8～φ16 mm、φ16～φ25mm、φ25～φ40 mm、φ40～φ60 mm。

这种按粒径分级入炉的方式使得炉内床层阻力均匀，有利于降低吹风阻力，对整体气化效率有好处。

1.3.3 筛净块煤中的煤粉
入炉块煤中含粉过多会增加床层阻力，影响吹风强度的提高，从而使气化强度和煤耗不同程度地受到影响。

为了降低块煤中含粉率，早在20世纪70年代就采取了各种措施，如：有的煤矿在原煤出售前就进行粒径分级与洗选，有的化肥厂对进厂块煤进行入炉前干燥、筛分(湿煤筛不干净)，还有的厂采用水洗工艺除去煤粉等，其目的就是将入炉煤的含粉率降低到2%以下。

目前有的企业选用弹性杆振动筛筛除煤粉，取得了好的效果，不论是干煤还是湿煤，都可以将煤粉控制在2%以下。

也有的企业为了降低入炉煤的含粉率，采取三级过筛制度，其中在第二级过筛时将煤中的矸石选出，应用效果也较好。

1.3.4 型煤加工
近年来，因煤炭供应紧张，许多企业被迫走粉煤成型道路，不论是采用煤球还是煤棒造气，也不论采用何种粘结剂和制作方法，最后都要求型煤的冷热强度一定要达到一级品，否则很难在煤气炉内产生好的气化效果。

影响型煤质量的因素很多，如：型煤制造设备的选型和制造厂的选择、粘结剂的选择、型煤生产流程的选择、型煤烘干系统的选型、型煤制造的现场生产管理等等，这些都会对型煤质量产生很大影响。

2 生产过程中的工艺控制
2.1 制定合理的工艺指标
煤气炉工艺指标的制定对煤耗的影响很大。

正确的工艺指标应该是来自于生产实践，而不是各厂互相照搬。

应根据各厂的流程、设备、原料等生产条件来制定出合理的工艺指标。

2.1.1 煤气炉系统温度
现在提倡炉上低温度操作，这样可以减少热损失，一般控制在200～300 ℃为宜。

炉下温度(中氮为炉箅温度)一般控制在250～300℃为宜。

入炉蒸汽温度选择过热蒸汽，最好达到180～220℃。

洗涤塔出气温度降到35～50℃为好。

2.1.2 循环时间与循环百分比
目前小氮肥厂循环时间选择在120～140s，中氮肥由于煤气炉所配自动阀直径大，循环时间不宜太短，宜选择在150～180s。

循环百分比的选择各厂差异很大。

吹风百分比的选择主要取决于吹风强度，吹风强度大则吹风时间和吹风百分比就短些，相对而言，上、下吹制气时间和百分比就长些。

而煤气炉的吹风强度又取决于风机的风压高低和风量大小，如果选择高风压、大风量的风机，可以将吹风百分比控制在20%以下。

上、下吹百分比的选择主要以维持炉上、炉下温度为准，即根据炉上、炉下温度偏差来调整上、下吹百分比。

有的企业由于蒸汽管网设计不合理，蒸汽总管压力不稳定，当煤气炉进行下吹制气时，因蒸汽总管压力偏低，而被迫超常规增加下吹百分比以达到炉温平衡。

一般而言，一次上吹、二次上吹百分比之和基本上等于下吹百分比，如果偏差太大，则说明蒸汽管网存在问题。

可见，循环时间和循环百分比选择不当也会引起气化强度降低和煤耗上升。

2.1.3 燃料层高度与吹风强度
燃料层高度控制在每个历史时期各不相同。

20世纪90年代以前，煤气炉所配风机的压力均在20kPa左右，燃料层总高度一般维持在1200～1400 mm(炉箅A层以上计算)。

而90年代以后，为了提高煤气炉的气化强度，逐渐选择高炭层操作，而采用高炭层操作必须要选择高风压风机。

目前高气化强度的企业，燃料层总高度都控制在1800～2200 mm。

高燃料层操作才能实现高吹风强度，从而实现高气化强度；有了高气化强度，煤耗才能降下来，这是一个互相关联的技术问题。

2.1.4 半水煤气中CO2的含量
半水煤气成分中的CO2含量间接反映了蒸汽的分解情况。

一般而言，在炉况正常的情况下，蒸汽分解率偏低，半水煤气中CO2的含量就偏高，反之则相反。

所以在制定煤气炉工艺指
标时，半水煤气中CO2含量是主要指标之一。

从CO2含量高低可以了解到蒸汽分解率和炉况情况，该指标被称为煤气炉的脉搏。

2.1.5 蒸汽压力
蒸汽压力一般指入炉蒸汽总管压力，蒸汽压力指标控制也有过几个历史时期的变化。

20世纪30～50年代，蒸汽压力通常控制在0.03～0.05MPa；60～80年代，通常控制在0.07 MPa
左右；80年代以后，一般控制在0.098MPa左右。

入炉蒸汽压力是否稳定将直接影响气化强度和煤耗。

而蒸汽压力的稳定与否主要与蒸汽管网配置的合理性有关。

管网蒸汽一般来自以下几个部分：一是供热部门锅炉来的蒸汽经减压后进入蒸汽缓冲罐；二是吹风气潜热回收系统锅炉所产蒸汽经减压后进入蒸汽缓冲罐；三是夹套锅炉和联合废锅所产蒸汽经蒸汽过热器进入蒸汽缓冲罐。

蒸汽从缓冲罐出来进入炉蒸汽总管，再从蒸汽总管分别进入各炉。

入炉蒸汽压力稳定与否与煤气炉台数、蒸汽管网各蒸汽来源的管径大小、缓冲罐的容积以及蒸汽减压阀的灵敏度都有着密切关系。

2.2 煤气炉排渣强度的控制
煤气炉的排渣强度是指炉膛单位截面积上单位时间内排出的炉渣量。

煤气炉的排渣强度过大，会使煤耗上升；排渣强度过小，煤气炉内灰渣层增厚，会使发气量下降。

理想的排渣强度是100～120 kg/(m2·h)。

2.3 降低系统阻力
煤气炉系统阻力大小也会影响煤耗高低，所以，降低系统阻力就是间接降低了煤耗。

(1)吹风的阻力大有利于吹风气中CO2还原成CO，使吹风气中的有效成分增加。

但吹风
阻力每增加1%，吨氨煤耗就会上升17 kg。

因此，降低吹风时的阻力有利于降低煤耗。

(2)煤气炉床层阻力过大，会影响煤气炉负荷的提高，减少煤气炉发气量，使煤耗上升。

(3)洗涤塔(箱)阻力、废锅阻力、煤气总管阻力、气柜阻力等过大，都会使煤气炉发气量减少，煤耗上升。

上述几种阻力越大，影响越大，故应尽量降低系统的阻力。

3 设备结构对煤耗的影响
造气工序中的各种设备是生产煤气的基础，其结构的合理性对煤耗影响极大。

选择理想的设备是降低煤耗的有效方法。

3.1 煤气炉的技术改造
近年来中小型氮肥厂在煤气炉改造方面都在盲目地扩大炉膛截面积，他们错误地认为，煤气炉截面积越大，气化强度就越高，但却忽视了以下几个问题。

3.1.1 煤气炉高径比的选择
小氮厂的煤气炉最早通用炉型是φ1 980 mm炉，高径比为2.03∶1，后来将炉膛逐渐扩大到φ2 260 mm、φ2 400 mm、φ2 600 mm、φ2 650 mm和φ2 800 mm，高径比逐渐下降到
1.44∶1。

中氮厂的煤气炉最早是φ2 745 mm炉，高径比为1.8∶1，后来将炉膛逐步扩大到φ3 000 mm、φ3 200 mm和φ3 300 mm，高径比也逐步下降到1.5∶1。

扩大煤气炉炉膛截面积是一种横向发展，在不增加炉膛高度的情况下，扩径越大，高径比就越小。

而增加炉膛高度是一种纵向发展，只有增加了炉膛有效高度，才能增加炭层高度，继而才能增加吹风强度，最终实现高气化强度。

因此，只扩大炉膛截面积，不增加炉膛高度，是无法提高煤气炉气化强度的。

3.1.2 自动阀门的阀径选择
有的企业在煤气炉炉膛截面积扩大后，没有对附属设备进行同步改造，特别是没有对阀门和管道直径进行相应改造，使改造步入了误区。

例如：小氮肥厂φ1 980 mm炉扩大到φ2800 mm，截面积增加了100%，而阀门和管道直径一般仅增加了50%左右；中氮厂将φ2 745 mm炉扩大到φ3 300 mm，炉膛截面积增加了45%，煤气三通阀却仍然使用φ750 mm，烟囱阀仍然使用
φ900 mm(如果是座板阀，阀门流通面积反而下降了38.84%)。

由此可见，改造中，只增加炉膛截面积，不同步增加阀门和管道的通流截面是明显失误。

笔者通过长期摸索，认为不同的炉型应用不同的原料和不同的介质，应选择适宜的阀门通道面积，使煤气炉炉膛截面与阀门通道截面积之比合理(见表1)。

3.1.3 入炉空气流速的选择
当改大炉膛截面积后，吹风强度必须增加，即入炉的空气量将增加，但若未改大炉底中心管尺寸，空气经中心管入炉的流速会越来越快，空气流速过快会影响空气量的增加。

以φ3 000 mm炉为例，若炉底中心管沿用原来φ2 745 mm炉的中心管，即φ740 mm，在入炉空气量为3 000m3/h的情况下，进入炉空气的流速为19.38 m/s，如此高的空气流速必然会影响吹风强度和气化强度，最终导致煤耗增加。

近年，已有个别厂认识到此问题的严重性，将中心管直径扩大到φ1 200 mm，取得了明显的效果，入炉空气流速从19.38 m/s下降到7.37 m/s。

3.1.4 炉渣过渡区的尺寸
煤气炉在炉况正常的情况下，燃料气化后生成的渣在炉底汇集，随着炉下灰盘的转动，灰盘边沿上的炉渣被灰犁刮入灰斗内。

在煤气炉结构原设计中，从工艺角度考虑，为使燃料层稳定、均衡地向下移动，因此设计了炉渣过渡区(炉渣进入灰斗之前的区域，即夹套底部灰盘外边沿呈圆周形的区域)。

炉渣过渡区的宽度是灰盘与炉膛直径差除以2。

例如：φ2 745 mm炉的灰盘直径为3 256 mm，则炉渣过渡区的宽度应该是255.5 mm，在原有灰盘直径不变的情况下将炉膛扩大到φ3000mm，其炉渣过渡区宽度从255.5 mm减少到128 mm，若炉膛再扩大到φ3 300 mm，其炉渣过渡区宽度为-22 mm，炉渣过渡区已全部消失(小氮肥厂炉型改造也同样存在此问题)。

炉渣过渡区的减少或消失会给煤气炉正常生产带来较大的危害，极易造成煤气炉漏生炭(垮炭、滑炭)，从而使煤耗上升。

最初设计φ1 980 mm炉型时，其灰盘直径的设计是有一定科学依据的，原因是φ1 980 mm炉型采用的炉箅是星型和伞型，都没有破渣能力，因此，其排渣口高度设计较高，为420 mm，因而φ1 980 mm炉的灰盘直径为2 820 mm，目前该炉型已扩大到φ2 260mm、φ2 400 mm、φ2 500 mm、φ2 600 mm、φ2 650 mm、φ2 800 mm，但灰盘直径仍然是2820 mm，尺寸极不合理。

3.1.5 炉膛筒型的选择
炉膛内应保持直筒炉型，即炉膛上、下直径相等。

长期生产实践表明，不论采用上小下大还是上大下小，都存在气化剂分布不均、燃料层移动失常的问题，不利于当前固定层煤气炉的气化操作，因此炉况很难正常，必然会造成煤耗上升。

3.1.6 炉箅的选择
不仅要选用理想的布风合理的专用炉箅，对炉箅制造厂也要进行考察和选择。

炉箅性能好坏对煤耗影响也很大。

3.2 余热锅炉的选择
火管锅炉和水管锅炉已经淘汰，但有的企业仍然在用，而且一些厂还自己制造，应用效果极差。

这些锅炉存在着使用寿命短、易堵塞、传热效果差、阻力大等缺点，严重影响造气生产能力的发挥。

目前大多数厂选用热管锅炉和套管锅炉，这两种锅炉的传热效果都较好，套管锅炉的阻力最小。

3.3 洗涤塔与气柜
各厂为了降低洗涤塔出口煤气温度，采取了各种不同的塔型，如在塔内放置各种填料、加孔板、加挡板，还有的厂采用2塔或3塔串联使用。

但这些方式只注重了冷却效果，而忽视了阻力问题，致使塔进口阻力高达8 kPa左右，显然影响了煤气炉的发气量，增加了煤耗。

现在，有些厂采用空塔喷淋或雾化冷却取得了很好的传质和冷却效果，而且阻力低；也有的厂在气柜出口煤气管上增加低温换热器，夏季可使煤气温度降低到20～25℃。

有的厂气柜配置过大，造成气柜阻力偏高。

实际上，不论气柜容量大与小，当气柜升起
时，其阻力(压力)都应以2～2.5kPa为佳，而洗涤塔的阻力应稍大于气柜阻力，保持在3～
4kPa为宜。

4 流程改造
中氮造气工艺流程一直沿用1935年从美国引进的UGI型煤气炉的老工艺流程(即：煤气炉→集尘器→燃烧室→废锅→洗气箱→洗涤塔→气柜)，70年来一直未变过。

该流程的缺点是：设备多、管道长、布局宽、系统阻力大、余热回收效率低、热损失大、气化强度低，煤耗高等。

工艺流程的布局与煤气炉的气化强度和煤耗有着密切的关系。

因此，改造中氮造气流程是降低中氮煤耗的有效措施之一。

河北工业大学金锡祥教授研制的余热集中回收流程问世后，被众多小氮肥厂应用，都取得明显的效益。

该流程的特点是：流程短、系统阻力小、余热回收效果好。

中氮厂造气流程改造时应注意以下几点：
(1)取消部分设备，即取消原来的燃烧室、火管废锅、洗气箱、煤气三通阀、蒸汽三通阀、二次空气阀；
(2)选择余热集中回收流程，即：煤气炉→旋风除尘器→联合废锅→洗涤塔→气柜；
(3)联合废锅可选用热管锅炉或套管，而且可以4台炉以上共用1台联合废锅，联合废锅的下部产蒸汽，上部将蒸汽过热；
(4)吹风气除尘后，经吹风气总管进入吹风气潜热回收装置中的燃烧炉。

4.1 空气系统的改造
取消二次空气管道和阀门。

单炉空气支管的管径前段为φ770 mm，后段为φ630 mm。

二次空气管取消后，全部改为φ770 mm。

原来Dg 600吹风阀改为Dg750座板阀。

取消原来空气支管上的孔板，改用阿流巴流量计，这样，在风机不更新的情况下，可增23%的风量。

4.2 煤气系统改造
原集尘器保留，新增旋风除尘器，上行煤气从旋风除尘器出来，经上行煤气阀进入煤气总管，下行煤气经除尘后经下行煤气阀进入煤气总管。

如果是4台炉共用1台联合废锅，则从4台炉共用的煤气总管出来进入联合废锅上部，从下部出来进入洗涤塔，再进气柜。

煤气不设水封，单炉用煤气总阀控制，煤气不倒流，在煤气总阀处设干式水封，单炉大修加水，封住煤气不倒流。

4.3 蒸汽系统改造
蒸汽系统的改造要根据各厂煤气炉应用的蒸汽等级而定。

目前大部分厂煤气炉使用的是饱和蒸汽，温度在120 ℃左右。

最好选择200 ℃以上的过热蒸汽制气，可以有效地提高蒸汽分解率和气化强度。

将夹套锅炉所产0.098 MPa低温饱和蒸汽引出，与联合废锅所产的蒸汽合并一起送入联合废锅上部进行过热；吹风气潜热回收系统所产蒸汽和经联合废锅过热后的蒸汽以及供热系统来的蒸汽并网后供煤气炉使用，最终使煤气炉入炉蒸汽总管压力恒定在0.1MPa，温度控制在180～220 ℃。

5 自动阀门问题
自动阀门的应用和选择是否合理、科学对低煤耗影响很大。

许多厂(特别是中氮厂)煤耗居高不下，与自动阀门应用不当有很大关系。

阀型、阀径、阀位、阀向、阀腔、阀速、阀缸、阀类、阀道、阀板、阀杆、阀锁等的选择及应用至关重要。

笔者根据多年的经验，对这些问题提出以下一些看法和建议。

(1)阀型在阀型的选择上，座板阀比闸板阀好，烟囱阀宜选择下开式座板阀。

(2)阀径阀径的选择见表1。

(3)阀位上、下行煤气阀应安装在除尘器之后，吹风阶段上行煤气阀与上吹蒸汽阀应处在关的位置。

(4)阀向座板阀应选择上进下出，下开式烟囱阀是下进上出。

(5)阀腔选择有阀板腔的座阀(不影响通道面积)。

(6)阀速φ600 mm以上阀门应在3 s开关到位，φ600 mm以下的阀门应在2 s开关到位。

阀门开关速度过慢会增加造气煤耗。

(7)阀缸阀门的油压缸选择要恰当，过大过小都会影响阀门的开关速度。

(8)阀道应用座板阀时，正确地测量和计算通道截面积非常重要。

(9)阀板阀门的严密性除了与阀板的结构、材质和密封圈材质有很大关系外，与设计、制造、应用也有很大关系。

如果阀板的结构和选材不合理，会造成阀门严重泄漏和损坏。

(10)阀杆不论是闸板阀还是座板阀，阀杆的材质极为重要。

碳钢阀杆会因磨蚀而使阀杆直径变细，造成阀门严重泄漏；而镀铬阀杆耐磨不耐腐蚀。

建议选用ZYB型不锈钢材质阀杆，既耐磨又耐腐蚀。

(11)阀锁设置阀门的“软件联锁”和“硬件联锁”是保证阀门正常运行的有效措施。

(12)阀类 20世纪60年代，煤气三通阀淘汰了从美国引进的克立斯阀。

但长期实践表明，煤气三通阀和蒸汽三通阀在应用中存在很多问题，它们也是造成中氮煤耗高的主要因素
之一，必须尽快淘汰。

另外，鼓风机进口设自控阀，吹风时打开，制气时关闭，以利于节电。

该阀最初用水压控制，后来改为油压控制，结构大都采用蝶阀(淘汰了美国引进的爱立斯阀)，具有结构简单、运行灵活的特点。

它通过平衡锤来控制，取消了动力源控制，既节能又方便。

现有的厂又将重锤控制改为双球滚动控制，效果更好。

6 结束语
一般而言，煤气炉提高了发气量(或气化强度)，煤耗都会下降。

目前技术改造搞得好的企业吨氨入炉实物煤耗在1100 kg左右。

影响造气煤耗高的因素很多，要想把煤耗降下来，首先必须在技术的选择、设计、设备的造型等多方面做细致的工作，全面、科学地对造气系统进行技术改造；其次，要加强造气系统的工艺控制和管理，严把操作关。

另外，煤耗高低还与后系统的生产状况有关，如：合成塔的合成效率，后系统的跑、冒、滴、漏等，这些都会影响煤耗高低。

综上所述，降低煤耗是个全方位的问题，特别是生产过程中的科学化管理。

严格的工艺、设备管理是降低煤耗的重中之重。