1、间歇式造气炉操作要点作者/来源：李彤松(河南心连心化工有限公司 新乡 453731) 日期：2007-5-26在化肥生产中，造气炉操作的好坏，直接关系到整个系统生产的稳定程度，关系到全厂经济效益及能耗的高低。因此保证造气的稳定生产就显得格外重要。本文就造气操作中应特别注意的炉温、气化剂和炉条机问题进行探讨。1 造气炉炉内温度控制造气炉炉内温度控制是造气生产的核心。它的标准是炉内最高温度均匀地逼近或达到原料煤的灰熔点，使蒸汽分解率尽可能地高。所谓“均匀”，是指炉内径向温差极小，并且最高温度区域基本固定于炭层中、下部合适位置。用通俗的说法是炉温控制达到了该标准就是造气生产“火候已到”。为了便于表达
2、，把这种情况称之为“火候型”，是造气生产唯一需要的类型。当炉温没有逼近或达到煤的灰熔点，这就是造气生产“火候未到”，称之为“火力不足型”。这种生产类型是开“太平车”，存在炉子制气质量差、消耗高的缺点，是造气生产不该有的类型。当炉温超过煤的灰熔点，称之为“过火型”。这种生产类型是开“危险车”，炉子制气量差、消耗高，严重时炉况恶化，甚至需停炉打疤，这也是造气生产不该有的类型。由于气体分布不均匀等原因造成炉内径向温差大，炉内温度局部过热和局部偏低等现象发生，这种情况称之为“火力不均衡型”。此时炉子发气量差、消耗高。这里需要指出的是，当“火候型”状态受到影响，炉内最高温度区域离开了适宜位置，这种情况也
3、称为“火力不均衡型”，不过它同上述因气体分布不均匀引起的有所区别。日常生产中必须随时了解炉况属于哪种类型，要学会控制好“火候”，使造气生产始终稳定在“火候型”状态，此时造气生产条件是最佳的。判断造气生产炉温的方法如下。1.1 火候型在外界条件稳定的情况下，炉内炭层会随着生产的进行稳定下降，加煤之后，炉内空程高度是一致的。这是“火候型”炉子必备的条件。如果此时炉子发气量很好，投煤量少，蒸汽耗量不大，蒸汽分解率高(可从气体成分及吹风气回收时间，包括上、下吹加氮时间加以判断)，那么可优先考虑属“火候型”生产状况。一般来说，炉内温度越高，炉内物料粘结力越大，自然使炉条机运转电流越大。日常生产中，可确定
4、一个与“火候型”生产情况相对应的电流值作为参照点，根据电流变化情况来初步确定类型。同时要考虑单炉吹风时入炉风压的变化，此判断方法与炉条机电流变化判断方法相类似，但要把管道设备因积灰堵塞而引起的阻力增大同因炉温升高引起炉内阻力增大区别开来。“火候型”炉况生产时，气体带出物比较少，带出物颜色浅，颗粒细小，很少有块煤或煤球的碎块带出。灰渣颜色灰白或灰黄，灰中残炭少且颗粒细小。多数灰渣是拳头大的渣块，渣块中的残碳量少，燃烧不完全的块煤或煤球极少。“火候型”炉况生产时，应该加强巡回检查，仔细观察有无不稳定因素存在，把生产稳定在最佳水平上。1.2 火力不足型在外界条件稳定的情况下，炉内炭层随着生产的进行能
5、稳定地下降，加煤之后，炉内空程高度能大体一致，然而炉子发气量不大，投煤量多，蒸汽耗量大，蒸汽分解率不高，那么可视为“火力不足型”。处于“火候型”炉况生产的炉子，当炉内炭层下降减慢，加煤之后炉内空程高度缩小时，随着生产进行，炭层是逐渐升高的，此时炉子发气量变差，蒸汽分解率明显降低，生产中被迫加快炉条机转速以降低炭层高度。这是“火候型”向“火力不足型”转化的现象。“火候型”向“火力不足型”转化时，因炉温下降，炉内阻力降低，入炉蒸汽流量会自然增大，气体带出物比较多，炉温越低带出物越多，带出物颜色黑。颗粒有细小的，有粗的，也有较多块煤或者煤球的碎块带出。严重时会有块度大的煤或整球带出。灰渣颜色灰黑，灰
6、中残碳多且颗粒粗。渣块少而小，甚至几乎未见渣块，燃烧不完全的块煤或煤球量多。炉温越低，则残碳越高，燃烧不完全的块煤或煤球越多，甚至有比较完整、仅表面着火而发白的块煤或煤球出现。“火力不足型”生产状况产生的主要原因往往是吹风总量不够。吹风总量是指吹风、回收并含上、下吹加氮过程中入炉空气的总量。造成入炉总风量不足之原因颇多，主要为操作工技术水平差或责任心差所造成。1.3 过火型 “过火型”炉况时，炭层升降情况不稳定。当炉内结疤较重时，炭层降不下来；投煤量不变时，炭层上升很快。此时炉子发气量差，且气体质量差，吹风气回收量(包括上、下吹加氮)大大减少，氮气含量高。当“火候型”炉子炭层下降速度加快，加煤
7、之后炉内空程增加，随着生产进行，炭层是逐渐下降的。这时炉子发气量变差，蒸汽分解率明显降低，生产中迫使投煤量增加，否则时间长了炉内炭层要“烧枯”，即“火候型”向“过火型”转化的现象。“火候型”向“过火型”转化时，因炉温偏高，炉内阻力增大，入炉蒸汽流量自然减少，气体带出物比较少，带出物颜色更浅，颗粒细小，很少有块煤或煤球的碎块带出。同“火候型”区别是带出物含碳量低；灰渣颜色发白或发黄，碎渣及灰中的残碳少而细小；其大多数灰渣以大的疤块形式出现，疤块坚硬而且包结在内的残碳较多。炉温偏高较多时，常有大块疤留在炉内排不出或炉箅破碎不掉而仍悬挂在炉壁上。其燃烧不完全的块煤或煤球混杂在灰渣中随着大块疤一起排出
8、。有时温度偏高不多，新换炉箅破渣能力相当强时，会出现灰渣状况接近于“火候型”现象。但是，只要疤块硬而多，细灰相对少，颜色相对白，则仍可视作“过火型”。“过火型”炉况生产主要原因是吹风总量过度(有时是由于蒸汽供应不足或蒸汽压力偏低等使入炉蒸汽总量减少)。遇到“过火型”炉况生产，就要适当减少吹风总量或按实际生产情况适当加大蒸汽用量，使生产转入“火候型”状态。日常生产中，在增加吹风气回收量时要防止回收过度(或回收量增加较多时可适当减少吹风量)，避免炉温过高。1.4 火力不均衡型由气体分布不匀引起的“火力不均衡型”炉况时，炭层升降混杂，有升有降，炭层表面必然是半面凸、半面凹，或者周围凸、中间凹等。由“
9、火候型”生产状况转向炉内最高温度区域位置变化的“火力不均衡型”，因消耗的上升炉内炭层是下降的，迫使投煤量增加，以保持空程高度。如果情况进一步变坏，则会转化成气体分布不均匀形成的“火力不均衡型”状态。一般来说，炉温越高，半水煤气中 CO 含量越低。“过火型”生产时，N2 含量易升高，严重时无法回收吹风气。日常生产中也可以通过 H2N 2的变化情况来细心观察炉内情况向哪一种类型转化。“火力不均衡型”生产时，气体带出物比较多，颜色黑，颗粒粗细不一，也有较多的块煤或煤球碎块带出。严重时会有块度大的煤或煤球带出，情况与“火力不足型”相似，即灰渣颜色杂，形态杂。有“火候型”与“火力不足型”之混合，也有“过
10、火型”与“火力不足型”之混合，有时会有“火候型”与“过火型”之混合。情况不好时往往大块疤、小块疤、细灰及数量较多仅表面燃烧的块煤或煤球等混在一起排出。这类状况往往是炉内径向温差偏大之故，为气体分布不匀所致。另外，“火候型”炉子因炉内最高温度区域位置改变造成轴向温差发生很大变化而转为“火力不均衡型”，灰渣一般会出现残碳增多现象。此种情况不能把它看成是“火力不足型”炉子，以免判断失误。因气体分布不均匀而造成“火力不均衡”生产时，要采取果断措施，把炉况处理好。例如，加煤之前一定要把炭层表面扒平之后再加煤，这样可使炉内阻力均匀，防止或减轻气体分布不均匀之危害。只要处理及时，不会引起严重后果。如果处理不
11、及时，炭层内部、局部过热严重，会造成炉内局部范围结重疤，如用加快炉条机转速的办法破不了疤，就得停止制气、停止加煤，并在出灰时把炉内红炭扒掉(扒掉红炭可存放于备用吊斗内重新回用)，让疤块露出来，然后人工迅速打碎，把扒掉的红炭重新加入炉内，再加煤恢复生产。遇到此情况，千万不能拖延时间(例如用减少吹风量、加大蒸汽量、加快炉条机转速等办法来维持生产的做法均不可取)。由于上、下吹比例不当等原因引起“火候型”生产转向“火力不均衡型”生产时，只要处理及时，迅速调整上下吹比例，适当缩短加煤间隔时间，便可较快地恢复原状。对于最高温度区域上移式的“火力不均衡型”生产，如果处理不及时，容易引起炉内水夹套上部挂疤。如
12、发生这种情况，一定要及时扒掉红炭，露出挂疤，组织人工把疤打掉，再恢复生产。2 气化剂的控制2.1 空气(1)吹风。造气炉气化层温度一般都控制在 1 100以上，这时炭与氧的燃烧反应主要受氧外扩散控制，提高风速就可加快炭燃烧速度，迅速提高炉温。另一方面采用强风短吹，就缩短了二氧化碳在还原层的停留时间，可抑制二氧化碳还原反应的进行，减少化学能损失，使更多的热量蓄于炭层，有利于制气反应的进行。采用强风短吹，在入炉风量一定的情况下吹风时间可相应缩短，有效制气时间随之增加，若蒸汽总量不变，则意味着反应气体在气化层停留时间延长，从而使蒸汽分解率相应提高。(2)加氮。合成氨工艺要求在制气循环中配入一定量的氮
13、气，以制备符合要求的半水煤气。配氮通常是在制气循环中采取直接加氮，或上吹加氮或上、下吹均匀加氮等方式来实现。不同的加氮方式会对每一制气循环中的炉温波动、制气强度有不同的影响。在造气炉操作中，炉温受原料煤软化温度的限制，不可能提得很高。若采用“吹净”和“回收”的加氮方式，那么在送风总量一定时连续吹风时间就长，这时炭层温升大，为防止结疤，就必须降低吹风起始温度，现在采用该法加氮的企业已很少。而在制气过程中加氮，吹风时间可缩短，这就延长了有效制气时间，而且加氮空气中的氧与炭反应放出的热量还补偿了制气反应消耗的部分热量，结果使气化层温度下降幅度减小，平均制气温度提高。显然这对于提高气化强度及蒸汽分解率
14、是十分有利的。造气炉气化层温度在 1 000以上时，制气反应速率随温度的提高迅速提高。如 1 300时，蒸汽在气化层停留时间为 1 s，蒸汽分解率达到 75，是 1 200时的 3 倍左右，是 1 100时的 6 倍。显然，延长最高温度下的制气时间，是提高气化强度及蒸汽分解率的有效措施。在上吹蒸汽流量一定的情况下，适当确定上吹加氮量及加氮时间，便可使上吹开始后一段时间内炉温基本保持不变或仅略有下降，达到延长最高温度下的制气时间和提高气化强度以及蒸汽分解率的目的。以煤气炉(2 650mm)的发气量 3 300m3h(标态)、半水煤气平均含氮量 21为例，其每小时加氮空气量则为：设上吹蒸汽流量为
15、3th，上吹蒸汽分解率为 65，则维持炉温不变时的加氮空气量应为：加氮时间 8776 3568775 084=13.417.3，即在上吹开始 13.417.3的时间内，可维持炉温基本不变。由此可见，半水煤气中需要的氮气集中在上吹时加入，可延长在最高温度下的制气时间，使整个上吹时间的炉温下降幅度较小，转入下吹的炉温仍能处在较高温度范围内。这无疑对提高炉子的平均制气温度和气化强度，降低蒸汽消耗是有益的。如果采用吹风直接加氮法，那么应根据加氮时鼓风机的风量来确定上行蒸汽流量，以便维持加氮时总的热量平衡。若炭与水蒸气反应吸收的热量不能抵消氧与炭反应放出的热量，那么上吹开始后炉温仍将继续上升。这时，为防
16、止造气炉结疤，仍需以压低吹风的起始温度为代价。显然采用吹风直接加氮，上吹制气更需要采用“强汽短吹”，而下吹制气应用“弱汽长吹”，以维持高限温度操作及合适的气化层位置。(3)上吹放空及吹净。由于在每一制气循环的吹风过后，煤气炉内和上行管道以及除尘器、蒸汽过热器及废热锅炉内都充满了吹风气，所以一般在上吹制气时这部分吹风气就被带进了气柜。如果上吹采用部分放空的方式，将这部分吹风气放掉，而半水煤气中缺少的氮气再以加氮空气的形式补入，那么就相当于增加了吹风量。如以煤气炉、上行管、除尘器、废锅等设备内残存 15 m3、平均温度 400的吹风气，若按每小时实际制气 22 个循环(每循环为 150 s)计，若
17、则每小时可多补入氮空气量为：若忽略微压影响，这对于提高平均制气温度及气化强度都是有利的。如按空气量与半水煤气量 11计，则每小时产气量可提高 130m3左右。上吹放空多长时间，应根据实际系统空间体积的大小和上行温度的高低以及上吹蒸汽流量的大小来确定。若上吹放空的时间太长，则高质量的煤气会被放掉，其结果有可能得不偿失。同样，在制气结束后，系统内残存着煤气与蒸汽的混合气，应将“吹净”这部分气体送入气柜。吹净的时间应以能够将系统残存煤气全部送入气柜为标准。可根据实际系统的体积大小，吹风气的温度及鼓风机的风量来计算。总之，合理确定上吹放空和吹净的时间，就可减少吹风气进入气柜的数量。半水煤气中需要的氮气
18、就可全部以氮空气的方式在制气过程中加入，达到最大限度地提高制气温度并提高蒸汽分解率，得到较高的气化强度及较低蒸汽消耗的效果。2.2 蒸汽2.2.1 控制好炉内蓄热与蒸汽的关系蒸汽与碳的分解反应是在高温下进行的。在造气炉中，其气化层区域的平均温度一般均高于 1 000，也就是说入炉蒸汽除了分解反应必须吸热外，还要吸收炉内的蓄热来提高自身的温度。如果采用低热焓的蒸汽入炉，在其反应前就要吸收较多的热量，使气化层温度迅速下降，气化层的厚度也迅速减薄，对蒸汽分解反应很不利。若采用高热焓的过热蒸汽就可明显改善蒸汽的分解反应。当入炉蒸汽为湿蒸汽、干蒸汽、150过热蒸汽以及 300过热蒸汽的 4 种情况时，以
19、热量守恒观点来分析对炉内蓄热和制气反应所产生的影响。当入炉蒸汽表压为 0.04MPa、每台炉每小时入炉蒸汽流量为 3 1 时，入炉蒸汽带入的焓分别列于表1。从表 1 可知，当采用 300过热蒸汽时，由于入炉蒸汽比干饱和蒸汽每小时多 1 149 MJ 的热焓，明显减少了入炉蒸汽为提高自身温度所需的热量，相对提高了气化层温度，提高了蒸汽分解反应速度，使炉内的蓄热尽可能用于蒸汽分解反应。采用过热蒸汽制气时，炉顶和炉底煤气温度会有所上升。根据笔者的观察，炉气温度的变化并不很大，通过粗略估算可知，蒸汽带入热量的 50用于蒸汽分解反应，则用于反应的热量也要达到 575 MJ(h台)。蒸汽与碳的分解反应(以
20、 1 kmol 碳计)可按下式进行：H2O+C=CO+H2+122.7 MJ (1)2H2O+C=CO2+2H2+80.4MJ (2)在造气炉内，这两个反应所需热量比例因实际反应条件不同而有所区别。现按(1)式与(2)式为 82计算，则生成 2kmol 的(CO+H 2)所需的热量为 114.2MJ，按 575MJ 用于蒸汽分解反应计算，可以生成 10.07 kmol 的(CO+H 2)，即为 225.6m3(标态)的(CO+H 2)。由于蒸汽分解量的增大，促使煤气中的(CO+H 2)比例升高，可在制气过程中增加加氮空气量。加氮空气中的氧与碳反应放出大量的热量，进一步增加了炉内的蓄热，补充了气
21、化层的热量，反过来又促进了蒸汽分解反应的进行，又增加了(CO+H 2)比例。由于增产(CO+H 2)与增加加氮两者之间有着相互促进的作用，形成了制气的良性循环。因此就上述情况，按反复累计增产计算，每台炉可增产(CO+H 2)450m3h(标态)左右，即相当于增加半水煤气 660m3(标态)，并且单耗也有一定幅度的下降。是否能取得上述甚至更好的效果，还与合理的操作方法有关，只要充分利用高热焓过热蒸汽的焓，并合理利用增加加氮空气所产生的热量，取得较大幅度的增产和节能是完全有可能的。2.2.2 控制低入炉压力蒸汽手轮后的蒸汽压力要低，应严格稳定在 0.020.03kPa，因为蒸汽压力低了，促使大开蒸
22、汽手轮才能满足入炉蒸汽总量，这样便可使入炉蒸汽大截面进入炉膛，覆盖面大，蒸汽在气化层内分布得均匀，气流冲击少，减轻粉化，不易偏流，蒸汽在炉内停留时间长，分解率高，煤气中的氢含量高，CO 高达33(体积分数)以上；CO 2低至 5(体积分数)以下。2.2.3 合理控制蒸汽流量煤气炉生产半水煤气的关键是制取(CO+H 2)，因为半水煤气中氮的获得只要通过生产过程中的加氮就能得到满足。蒸汽与碳的分解反应就是为了生产(CO+H 2)，所以单位时间内所分解的蒸汽量就决定了产气量的大小。而蒸汽分解率的高低也与产气量有关，但与蒸汽的利用率关系更密切。所以单位时间内的蒸汽分解量与入炉蒸汽的分解率两者既相关又不
23、完全统一。为了增产节能，在煤气发生炉的生产过程中要考虑的是在较大的蒸汽分解率的情况下，产出合成氨生产系统所需的半水煤气数量。众所周知，反应温度对蒸汽分解的反应速度有很大关系。前人曾以活性焦炭与蒸汽分解反应速度的关系做过实验，蒸汽的分解率与温度、反应时间之间的关系曲线见图 1。图 1 中显示，反应温度对蒸汽分解反应速度的影响是非常大的。但间歇式造气炉生产过程中，随着制气反应的进行，气化层温度必将逐渐下降，从而影响了蒸汽分解反应的速度。为了提高蒸汽分解率，在反应温度较低时相应减少蒸汽流量，增加其反应时间，这就是采用入炉蒸汽自调的理论基础。为便于说明，现将图 1 中部分数据列于表 2(以 1 m3h
24、 蒸汽为基准)。从表 2 可知，反应温度高、蒸汽与碳的接触时间长，则蒸汽分解率高。如果单纯为了提高蒸汽分解率可采用较小的蒸汽流量，并随气化层温度下降蒸汽流量也随之减得更小，使其始终处于很高的蒸汽分解率状态下进行生产。由于入炉蒸汽流量较小，为了充分利用炉内的蓄热，使气化层的温度下降至上述所提到的最低适宜温度(下限)的时间势必较长。由于单位时间入炉的蒸汽量较小，单位时间被分解的蒸汽数量等于单位时间入炉蒸汽量与蒸汽分解率的乘积，所以过分强调蒸汽分解率，则可能使单位时间内的产气量有所下降。因此，在实际生产过程中，既要考虑具有较高的蒸汽分解率，又要考虑合成氨生产系统对半水煤气的需求量。由表 2 可见，当
25、反应温度为 1 300时，其反应时间为 1 s，则被分解的蒸汽量为 0.720V；若反应时间改为 2s，则被分解的蒸汽量降为 0.470V，下降幅度较大，而损失的蒸汽量(包括其带走炉内显热)增加了 0.250V；若反应时间延长至 3 s 时，则被分解的蒸汽量进一步下降至 0.330 V，而蒸汽损失量仅比 2s时减少 0.027V，所以在高温时蒸汽用量的减少对产气量的影响很大，而蒸汽损失量的增加相对较少。当反应温度为 1 100时，其反应时间为 1s，则被分解的蒸汽量为 0.140 V，而蒸汽损失量为0.860V；若反应时间改为 2s，则被分解的蒸汽量为 0.115y，仅减少了 0.025V，但
26、蒸汽损失量却减少很多(0.475 V)；若反应时间控制在 3 s 时，则被分解的蒸汽为 0.103 V，仅比 1s 时减少了 0.037V，但损失的蒸汽量却减少了 0.630V。由此可见，在反应温度较低时，蒸汽用量的减少对产气量的影响较小，而对蒸汽损失量的影响很大。综上分析，在提高气化层温度、增加炉内蓄热量的同时，必须供给足够的蒸汽用量。在总蒸汽用量一定的情况下，根据炉内气化层温度变化的规律，来合理分配制气各阶段的蒸汽流量，使煤气发生炉的生产既可获得较大的产气量，又可相对提高蒸汽利用率。整个制气循环的蒸汽用量及其分配与各企业的客观条件和对产气量的需求不同而很难统一，现将大致的分配情况介绍如下。
27、在采用“前期持续高温”加氮的这段制气时间里，虽然反应温度很高，但由于系统加氮，所以气流速度较快，因此蒸汽流量也要适当，这样为了维持高温，加氮量也不必过大，既有利于确保一定的蒸汽分解率，又可使持续高温时间延长。当加氮结束后，气化层温度仍处于高温，又无加氮时对炉内气流速度的影响，所以这时的蒸汽用量在整个制气阶段应该是最大的，随后再随炉内气化层温度下降逐渐减少蒸汽用量。至于入炉蒸汽总量应与煤种、吹风量、过热蒸汽温度以及产气量的要求等条件相适应。采用入炉蒸汽自调主要是合理分配各阶段的蒸汽用量，只要应用得合理，对增产节能有一定程度的帮助，但不要认为能大幅度地减少蒸汽总用量，以防炉内热量的失衡或影响产量。3 炉条机负荷的控制炉条机是用来控制渣层薄厚的。它的运行负荷一定要适当，过快会把气化层拉乱，过慢则排灰渣不及时，造成炭层高，气化不良。炉条机负荷的调整，最好在保证灰渣层厚度的基础上，产生多少渣，排出多少渣。对制气过程中产生的高温半熔的软状灰渣，利用炉条机的转动搅拌使其分割成块状均匀地平行下移排出，始终保持炉内气化层的稳定，保证炉子在最佳气化温度状况下运行。造气生产是一个复杂的生产过程，只有根据生产设备的特性和具体的生产现状、用气或汽量的大小，科学合理地制定出生产工艺，才能保证产气量大，能耗低。
