发生炉煤气生产系统的改进_工程实践

摘要

摘要：针对发生炉煤气生产过程中出现的密封性不好、气化过程不稳定等问题，从煤气生产系统的密封方式、煤气浓度监测及加煤系统煤气泄漏治理、煤气发生炉炉体结构、煤气生产控制

摘要：针对发生炉煤气生产过程中出现的密封性不好、气化过程不稳定等问题，从煤气生产系统的密封方式、煤气浓度监测及加煤系统煤气泄漏治理、煤气发生炉炉体结构、煤气生产控制方法、煤气发生炉蒸汽系统等方面提出了改进措施。运行实践表明，具有良好的安全生产、节能减排、经济方面的效益。

关键词：发生炉煤气；煤气发生炉；密封；煤气泄漏

Improvement of Producer Gas Production System

LU Xiu-mei，ZHU Zheng-bing，GA0 Yun-long

Abstract：Aimed at the problems such as poor tightness and unstable gasification process occurred during producer gas production，the improvement measures are proposed in terms of sealing mode of gas production system，monitoring of gas concentration，treatment of gas leakage from coal charge system，body structure of gas producer，control method of gas production，steam system of gas producer and so on. The operation practice shows that excellent benefits in terms of safety production，energy saving and emission reduction and economy are obtained.

Key words：producer gas；gas producer；sealing；gas leakage

1 概述

中国是一个以煤为主要能源的国家，煤炭资源十分丰富，而石油资源相对比较贫乏。近年来，随着国家能源结构的调整，煤炭在中国一次能源消费结构中的比例虽有所下降，但在目前和未来相当长一个时期内，煤炭在常规能源的生产和消费中的主导地位不会改变。据专家预测，到2050年，煤炭在中国一次能源消费结构中的比例仍将占50%以上。随着石油价格的上升和环保要求的得高，煤炭洁净利用是必由之路，作为煤转化核心的气化技术前景广阔。但在进行煤转化的过程中，由于设备、工艺方面存在的限制和密封问题，造成气化环境恶劣，存在煤气中毒、爆炸和火灾的风险。因此，研究、开发、改进气化技术和设备，改善气化环境，安全、环保、稳定、低耗地进行煤的转化，越来越受到业界的关注和重视^[1～4]。

目前，国内外煤炭气化成熟的设备和技术已较多，在安全、环保、经济性方面也做了许多有益的探索及应用^[5～10]。云南铝业股份有限公司炭素厂主要生产电解铝用炭素阳极，炭素厂由5个车间组成，分别是煅烧车间、成型车间、焙烧车间、煤气车间、组装车间。煤气车间生产的煤气主要为煅烧车间、成型车间、焙烧车间提供燃料。煤气车间采用的气化设备是济南某工业煤气发生炉厂生产的BG3.0-93型固定床煤气发生炉，该发生炉的设计煤气产量为6000～8000m³/h，生产单位体积煤气的煤耗为0.33kg/m³。工艺流程是冷煤气流程，以无烟煤为主要原料，以空气和水蒸气的混合物作为气化剂，生成的煤气经单竖管、洗涤塔洗涤后对煤气进行除尘、降温处理，然后送给用户。

该4台煤气发生炉于1998年12月投入运行，基本上达到了设计的技术参数。由于使用年限较长、设备工艺落后以及原料更改等原因，在生产过程中存在煤气泄漏严重、生产过程稳定性差、经济性差等问题。为了保证安全、稳定、经济地进行生产，达到安全环保要求，延长煤气发生炉的使用寿命，进一步提高煤气质量和产量，降低能耗，我们对煤气生产系统从以下5个方面进行了创新和改进，取得了显著的成绩。

2 煤气生产系统的密封方式

在煤气生产过程中，系统的密封性能决定着煤气生产环境中煤气浓度以及发生煤气中毒、火灾、爆炸等事故的概率。在实际生产过程中，出现煤气泄漏的点主要是煤气发生炉探火孔。在探火作业时，原设计用高压蒸汽在探火孔环形通道内高速流动形成汽膜，由汽膜对煤气进行密封，高压蒸汽流向炉内。采用1根蒸汽环管(DN 40mm)，经11根支管(DN 20mm)供给探火孔作密封用，由于蒸汽压力不足，密封效果较差。改造前、后探火孔蒸汽密封方式见图1、2。

改造方案是：将原来的蒸汽环管从中间截断成两半，一半沿用原来的探火蒸汽管和阀门，只是将两端用堵头堵住，主要用来密封5、6、7、8、11号探火孔；用1根直径为40mm的无缝钢管从蒸汽总管引至另一半环管上，加装1个DN 40mm的截止阀作为控制用，这一半环管主要用来密封1、2、3、4、9、10号探火孔。经过这一改进后，提高了密封煤气的蒸汽压力，解决了在探火时因蒸汽压力较低而造成密封效果较差、煤气泄漏严重的问题。

3 煤气浓度监测及加煤系统煤气泄漏治理

加煤作业的操作程序是打开煤气发生炉加煤系统下阀，将中间料仓内的煤加入煤气发生炉内，然后关闭加煤系统下阀，再打开煤气发生炉加煤系统上阀，将煤气发生炉上部料仓的煤加至中间料仓内，然后再关闭加煤系统上阀，如此重复。此时，由于煤气发生炉加煤系统上阀、下阀的开闭之间有一定的时间间隔，在打开加煤系统下阀时，部分煤气会流至中间料仓内，而在打开加煤系统上阀时，此部分煤气会流至煤气发生炉上部料仓。另外，加煤系统下阀和上阀由于长期动作而导致密封不严，也会有一部分煤气泄漏至煤气发生炉上部料仓内。原设计在煤气发生炉上部料仓安装有一根直径为325mm、高度为6m的无缝钢管作为放散管，由于其抽力仅为4.28Pa，难以将加煤时以及加煤系统上阀、下阀密封不严时泄漏至煤气发生炉上部料仓的煤气及时排出，再加上煤气发生炉上部料仓四周均有高度为1200mm的挡墙，煤气不易扩散，造成此区域煤气体积分数高达1000×10^-6以上，而在运煤作业时，必须有操作工在此区域内作业，导致此区域内的作业人员经常出现煤气中毒现象。另外，煤气发生炉操作面原设计为封闭式，通风仅靠窗子和安装于墙上的4台轴流风机，通风效果极差，泄漏出来的煤气不易扩散，容易造成人员中毒。煤气发生炉操作面由于没有在线煤气浓度监测系统，操作人员无法实时对煤气浓度进行监测，必须持移动式煤气浓度监测仪器进入现场监测方可了解煤气浓度情况。一方面，对监测人员的安全不利；另一方面，由于无法实时了解煤气浓度情况，人员易进入危险区域而不自知，无法较好地预防煤气中毒事件的发生。因此，我们主要从泄漏煤气的监测、操作面的通风和放散管的强制抽排等方面进行改造。

① 煤气发生炉上部料仓放散管改造

将原来的4台煤气发生炉料仓放散管下部各截去一段后，分别安装了4台风压为378Pa、风量为7657m³/h、功率为1.5kW的防爆型管道轴流风机，用于强制将泄漏至煤气发生炉上部料仓的煤气进行抽排。

② 煤气发生炉操作面及上部料仓通风

将原来煤气发生炉操作面南、北向的墙体全部拆除，以强化通风效果；将煤气发生炉上部料仓四周的挡墙由高度为1200mm拆除至高度为600mm。因防止雨水进入煤气发生炉料仓，故保留了高度为600mm的挡墙用于阻挡雨水。

③ 煤气泄漏区域煤气浓度监测

在煤气发生炉操作面安装了2个煤气浓度监测探头，在煤气发生炉上部料仓高度为600mm的挡墙内的区域安装了2个煤气浓度监测探头，在煤气发生炉操作面安全通道上安装了1个煤气浓度监测探头，在排送机房安装了2个煤气浓度监测探头。其中，煤气发生炉操作面、煤气发生炉料仓以及煤气发生炉操作面安全通道上所安装的煤气浓度监测探头统一接至煤气发生炉控制室内进行实时监测；煤气排送机房内安装的2个煤气浓度监测探头统一引至煤气排送机控制室内进行实时监测。通过这一改造，操作人员可以实时对各区域的煤气浓度进行了解，在煤气浓度超标时，能采取相应的防护和处理措施，增强了应对煤气中毒事件的能力。

④ 改造效果

改造后，在启动轴流风机时，煤气发生炉上部料仓处煤气体积分数由1000×10^-6左右降至30×10^-6左右；煤气发生炉操作面煤气体积分数由50×10^-6左右降至10×10^-6左右。对煤气发生炉上部料仓、煤气发生炉操作面以及煤气排送机房这3个可能存在煤气泄漏的区域实现了煤气浓度实时监测。

4 煤气发生炉炉体结构的改进

4.1 存在的问题

① 在煤气发生炉运行过程中，由于炉出口煤气温度为480～600℃，炉出口挡板经常出现烧损、脱落现象。

② 在进行空气和蒸汽的混合时，由于空气和蒸汽接触表面积较小、接触时间短，尤其是负荷较大时，因流速较快，接触时间更短，造成了空气和蒸汽混合不够充分，最终导致煤气发生炉内的气化不完全，气化效果差。

③ 煤气发生炉水夹套须定期进行排污，以避免水夹套内污物积存过多而导致受热面受热不均。但由于排污采用截止阀控制，打开缓慢、阻力大。

④ 饱和管上装有1块0.5mm厚的退火铝板作为防爆板，用于炉底部发生爆炸时泄压。一方面，发生炉炉底爆炸时由于该防爆板采用平装方式(见图3)，爆炸波和铝片易伤到人；另一方面，蒸汽凝结水易对铝板造成腐蚀，导致铝板使用寿命缩短。

4.2 改进措施

① 提高炉出口挡板的耐温性

在炉出口挡板下部先用直径为6mm的不锈钢钢筋每隔40mm焊1个倒Y形铆钩，该铆钩高度为30mm，然后用耐火材料浇铸厚度为30mm的耐火层。通过以上改造，达到了用耐火材料对炉出口挡板提供保护的目的。

② 强化气化剂的混合程度

改变蒸汽进入饱和管的方式，首先在饱和管外部加1根管径为100mm的环形管，环形管上接1段长度为200mm、直径为200mm的缓冲管，使蒸汽在缓冲管内得到缓冲，然后将蒸汽由6根直径为40mm的支管引入饱和管，在每根支管上分别钻12个直径为14mm的孔(靠饱和管内壁一侧不钻孔)，支管末端出口用盲板堵住。改造后饱和管结构见图4。通过以上改造，实现了蒸汽和空气的充分混合，提高了气化剂的品质，从而改善了炉内气化状况。

③ 改变排污方式

由于原设计所选用的排污阀为截止阀，开启比较缓慢，无法在短时间内形成较大的抽排力使发生炉水夹套内沉积的杂质排出。因此，我们在原有的排污阀(截止阀)下面再安装1个快开阀(球阀)，在进行排污时，先将截止阀全开后，再快速将球阀全部打开，在短时间内形成较大的抽力，将沉积在发生炉水夹套底部的杂质彻底排出。

④ 改变饱和管防爆板位置

在原设计的防爆板的位置处安装1个DN 480mm、90°的弯管，再在此弯管上安装防爆板(见图4)，从而将平装式的防爆板变成了立装式，在发生爆炸时，爆炸波和防爆板碎片都垂直向上，不会伤及到人或设备。

5 煤气生产控制方法的改进

5.1 存在问题

① 在生产过程中，应定期将煤气发生炉产生的灰渣排出，改造前操作工除渣采用时间短、炉箅频率快、渣量大的方式。采用此种方式进行除渣，容易导致渣和炉箅、风帽之间的剪切力、摩擦力在高温下损坏炉箅、风帽，造成炉箅、风帽使用寿命缩短。

② 煤气发生炉生产所用的风是从风帽与上炉箅、上炉箅与中炉箅、中炉箅与下炉箅3个间隙中通入，风帽与上炉箅、上炉箅与中炉箅、中炉箅与下炉箅的布风比例为30%：30%：40%。煤气发生炉的边探火孔正对着中炉算与下炉箅间隙处，中探火孔正对着上炉箅，从煤气发生炉探火情况可以看出，边探火孔处燃烧较好甚至出现过热结渣现象，而中探火孔处燃烧较差甚至没有灰层，由于没有灰层保护而导致风帽、上炉箅经常烧损，从而影响炉内气化料层的稳定及气化反应的进行。从实际统计来看，风帽、上炉箅、中炉箅仅能使用3个月左右。

③ 在进行煤气发生炉的生产负荷调节时，每台煤气发生炉有1个就地进风蝶阀，靠调节进风蝶阀的开度来调节负荷大小。由于无就地压力表和就地空气流量表，在进行负荷调节时，经常会出现调节不准确的问题，甚至导致煤气发生炉出现负压生产的情况，严重影响了煤气生产的安全、稳定。另外，由于进风蝶阀较为分散(每台发生炉1个，且距离较远)，导致无法同时对2台及2台以上的煤气发生炉进行负荷调节，更加造成了调节过程的不稳定性。

④ 车间生产控制各个岗位采用分散控制的方式，造成岗位设置较多，人员较为分散；而司炉岗位在有人员休假或其他事情时，人员明显不足，存在一定的安全隐患。

5.2 改进措施

① 在除渣控制方法上，打破常规，要求操作工采用长时间、炉箅低频率、小渣量的除渣方式。

② 根据每次停炉检修时上、中、下炉箅的磨损情况，将上、中炉箅由原来整个圆周面上的厚度均为25mm改为外圆周面厚度为40mm，以一定角度向中心面逐渐减小到厚度为20mm，这主要是为了延长炉箅的使用寿命。将上炉箅和风帽间的高度由原来的120mm改为140mm，从而使煤气发生炉风帽与上炉箅、上炉箅与中炉箅、中炉箅与下炉箅的布风比例改为35%：30%：35%。通过以上改进，延长了煤气发生炉炉箅的磨损时间，煤气生产的运行工况得到了改善。

③ 对煤气发生炉负荷的控制方式，改为在进入每台煤气发生炉空气支管的蝶阀后面安装1台电动调节阀，将电动调节阀的调节信号引入司炉控制室，在司炉控制室进行生产负荷控制。在正常运行时，空气蝶阀处于全开状态，用电动调节阀来控制空气流量。热备用或冷备用时，将空气蝶阀和电动调节阀均关闭。这样，一方面，可以在控制室根据负荷变化情况及时、准确地对生产负荷进行调节；另一方面，也可以对多台煤气发生炉同时进行调节。这不仅增强了煤气生产的安全性，对平衡各台煤气发生炉的生产负荷也十分有利。

④ 对控制较为分散的问题，利用原料输送闲置的PLC点，将循环水泵岗位需要监测的参数引至司炉控制室，用计算机进行参数的集中监控，并用工业摄像机对循环水泵运行现场进行实时图像监控，主要监控循环水泵及管道是否漏水。循环泵岗位人员只需每1h巡视1次循环水泵就能保证循环水泵正常运行。从而可以将循环水泵岗位人员经过培训以后调整至司炉控制室，解决了人员不足所带来的安全生产隐患。

6 蒸汽系统的改进

外来蒸汽的压力一般在0.8MPa左右，经过减压阀减压后最低保持在0.15MPa左右。煤气发生炉自产蒸汽的压力一般在0.045MPa左右，设计压力不超过0.075MPa，经过汽包汇集后与减压后的外供蒸汽一起进入炉前蒸汽总管。改造前煤气发生炉蒸汽系统见图5。由于两者压力之差，导致外供蒸汽流入煤气发生炉汽包，造成煤气发生炉的自产蒸汽无法进入炉前蒸汽总管，汽包安全阀长年处于开启放散状态，从而使大量的蒸汽浪费，存在汽包压力持续超过设计要求的不安全因素。

针对以上问题，我们对蒸汽系统进行了改进：①重新布置1根长度为40m、外径为108mm的无缝钢管作为自产蒸汽的主管道(即新增自产蒸汽主管)。②将4台煤气发生炉汽包的出汽管与原主管分开后，接到新增自产蒸汽主管上。③在新增自产蒸汽主管至每台煤气发生炉饱和管之间加1个DN 100mm的截止阀(8号阀)。④将原来旁通阀(4号阀)由截止阀改为闸阀。改造后煤气发生炉蒸汽系统见图6。

这样，在正常运行时，8号阀全开，将自产蒸汽全部用于煤气生产，4号阀全关。不足部分通过主路上的2号阀来调节外来蒸汽进行补充。在生产负荷较小时，将8号阀关闭，4号阀全部打开，5号阀关闭，靠2号阀来调节白产蒸汽供入煤气发生炉内的蒸汽量。

7 与当前同类研究相比的独创点

① 安全环保性增强。通过该项技术的实施，煤气生产现场的煤气泄漏得到了控制，煤气浓度明显降低，对各区域的煤气浓度实现了实时监测控制，煤气泄漏对环境的污染得到了显著的改善。

② 节能减排效果显著，煤气发生炉炉箅使用寿命明显延长。在改造前，生产单位体积煤气的煤耗高达263g/m³(2007年数据)，灰渣含碳质量分数为27.58%(2007年数据)，煤气发生炉自产蒸汽长年处于无法回收利用状态，煤气发生炉炉箅使用寿命较短，仅达到3个月左右。

改造后，生产单位体积煤气的煤耗降至246g/m³，2009年共生产煤气73816257m³，则2009年可节约无烟煤1254.88t，无烟煤的价格为726元/t，全年节约无烟煤的费用为91.10×10⁴元。

改造后，煤气发生炉自产蒸汽可以全部回收利用，每年可节约的费用为53.5×10⁴元。

改造后，煤气发生炉的风帽、上炉箅、中炉箅使用寿命均达到了10个月以上，由此减少的更换风帽、上炉箅、中炉箅的费用为10.58×10⁴元。

以上3项合计，直接经济效益为155.2×10⁴元/a。

③ 在技术上完全依靠自主开发，获得多项专利^[11～13]。通过自主创新，将煤气生产安全、稳定、经济运行的理念变成了现实。完全依靠自身技术力量，自主开发，一批专业技术人员在技术开发过程中得到锻炼和成长。

④ 有着巨大的行业推广价值。主要表现在较低的投入就可以实现煤气生产安全、环保、稳定、经济运行，收益较大。

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(本文作者：鲁秀梅朱正兵高云龙云南铝业股份有限公司炭素厂云南昆明 650502)