作者：李  忠

（安徽晉煤中能化工股份有限公司  安徽臨泉  236400）

摘  要：介紹了北大先鋒變壓吸附制氧技術(shù)的原理及其在間歇式固定層造氣爐增氧制氣中的應(yīng)用情況，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，概述了采用增氧制氣后對相關(guān)工藝參數(shù)的調(diào)整情況。采用增氧制氣后，提高了單爐發(fā)氣量，降低了灰渣中的殘?zhí)己浚瑴p少了二氧化碳排放量，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：變壓吸附  造氣  節(jié)能

安徽晉煤中能化工股份有限公司（以下簡稱中能公司）2套合成氨裝置共有33臺(tái)造氣爐，其中Φ 2 800 mm錐形爐3臺(tái)、Φ 2 800 mm直筒爐30臺(tái)，采用間歇式固定層制氣工藝。2011年9月，2#合成氨裝置的11臺(tái)造氣爐于利用航天爐深冷空分裝置多余的氧氣（體積分?jǐn)?shù)為99.9%，壓力5.1 MPa，流量2 000 m3/h）進(jìn)行增氧制氣改造，節(jié)能效果明顯（噸氨塊煤消耗下降25 kg，造氣系統(tǒng)停運(yùn)1臺(tái)440 kW造氣風(fēng)機(jī)及1臺(tái)Φ 2 800 mm直筒爐）。為此，2012年1#合成氨裝置3#造氣系統(tǒng)的7臺(tái)造氣爐也進(jìn)行了增氧制氣改造，同樣利用航天爐深冷空分裝置多余的氧氣（流量約1 100 m3/h），亦取得了較好的節(jié)能效果。2013年4月，中能公司決定新增1套變壓吸附制氧裝置，1#合成氨裝置的22臺(tái)造氣爐全部改用增氧制氣，同時(shí)將原航天爐深冷空分裝置多余的氧氣全部供2#合成氨裝置的11臺(tái)造氣爐使用。

1  制氧技術(shù)的選擇

目前，主要的制氧技術(shù)有深冷空分、變壓吸附和膜分離3種。中能公司通過多方考察，對3種制氧技術(shù)進(jìn)行了綜合對比（表1）。

表1  3種制氧技術(shù)綜合對比

中能公司根據(jù)綜合對比結(jié)果及造氣系統(tǒng)對氧氣含量的要求，選擇了操作簡單、開停車方便、占地面積小、維修費(fèi)用低、自動(dòng)化程度高且操作彈性較大、運(yùn)行穩(wěn)定性較高的變壓吸附制氧（簡稱VPSA制氧）工藝。經(jīng)多家廠商競標(biāo)，最終與北京北大先鋒科技有限公司（以下簡稱北大先鋒公司）牽手合作，采用該公司的制氧技術(shù)。北大先鋒公司是國內(nèi)最早的VPSA制氧裝置供應(yīng)商之一，也是目前國內(nèi)唯一能大規(guī)模、穩(wěn)定生產(chǎn)高效鋰基分子篩制氧吸附劑的廠商，其低成本VPSA制氧新技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，裝置的穩(wěn)定性和制氧單位電耗都達(dá)到了先進(jìn)水平。

2  VPSA制氧工藝

2.1 VPSA制氧的基本原理

原料空氣經(jīng)過濾器去除雜質(zhì)后進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)增壓，然后通過管道和氣動(dòng)切換閥門進(jìn)入吸附劑床層，原料空氣中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附劑吸附；凈化后的空氣在吸附塔內(nèi)繼續(xù)上升，經(jīng)PU-8型高效鋰基制氧吸附劑（北大先鋒公司提供）的過程中氮?dú)庵饾u被吸附，從而在吸附塔頂部富集得到氧氣；產(chǎn)品氧氣從吸附塔頂部引出并進(jìn)入氧氣緩沖罐，再經(jīng)增壓后供造氣系統(tǒng)使用。為了連續(xù)獲得氧氣，一般配置2臺(tái)或2臺(tái)以上的吸附塔，1臺(tái)吸附塔在較高壓力下吸附空氣中的氮?dú)?，在吸附塔出口端獲得產(chǎn)品氧氣；其他的吸附塔在較低壓力下解吸或升壓，以便在下個(gè)周期內(nèi)吸附原料空氣中的氮?dú)猓粠着_(tái)吸附塔輪流切換，從而達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氧的目的。對于VPSA制氧工藝，每個(gè)周期都必須完成吸附、順向放壓、真空解吸、真空清洗、均壓、升壓等步驟［1］。

吸附：空氣經(jīng)吸附塔床層，氮?dú)獗晃?；?dāng)吸附塔達(dá)到一定壓力后，產(chǎn)品氧氣流入氧氣緩沖罐。

順向放壓：吸附結(jié)束后，吸附塔上部氣體中含氧量相對較高，將其順向放氣至低壓吸附塔。

真空解吸：順向放壓結(jié)束后，吸附塔壓力仍較高，需通過抽真空的方法使吸附塔壓力進(jìn)一步降低，使解吸的氮?dú)獬槌龇趴铡?/span>

真空清洗：在吸附塔抽真空達(dá)到最低解吸壓力前，將氧氣從頂部通入吸附塔，同時(shí)對吸附塔底部繼續(xù)抽真空，使吸附的氮?dú)膺M(jìn)一步解吸。

均壓：吸附塔再生結(jié)束后，將完成吸附的吸附塔內(nèi)氣體從頂部通入吸附塔，同時(shí)對吸附塔底部繼續(xù)抽真空。

升壓：均壓后，吸附塔壓力仍較低，利用氧氣緩沖罐中的產(chǎn)品氣從頂部進(jìn)入吸附塔，同時(shí)從吸附塔底部引入空氣，對吸附塔進(jìn)行升壓。

以上各步驟循環(huán)進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)空氣中的氧氮分離，從而得到符合要求的產(chǎn)品氧氣。各工作步驟的切換靠氣動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)，氣動(dòng)閥門根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

2.2 VPSA制氧裝置主要設(shè)備參數(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

VPSA制氧裝置主要設(shè)備參數(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別見表2和表3。

表2  VPSA制氧裝置主要設(shè)備參數(shù)

表3  VPSA制氧裝置主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表2可知，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。VPSA制氧裝置自開車以來，運(yùn)行一直比較平穩(wěn)。

3  造氣增氧制氣流程

1#合成氨裝置共有22臺(tái)造氣爐，分為3套造氣系統(tǒng)，其中1#～3#造氣系統(tǒng)分別有8臺(tái)、7臺(tái)和7臺(tái)造氣爐，每套造氣系統(tǒng)中3～4臺(tái)造氣爐分為1個(gè)小系統(tǒng)。各套系統(tǒng)利用蝶閥控制及DCS控制系統(tǒng)吹風(fēng)排隊(duì)功能，可實(shí)現(xiàn)相互串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)3～5臺(tái)造氣爐為一個(gè)單獨(dú)運(yùn)行系統(tǒng)。造氣增氧流程：來自VPSA制氧裝置的氧氣通過總管分別分配至1#～3#富氧緩沖罐，然后由富氧緩沖罐出口管分成2根支管，其中一根為上加氮加氧總管，然后單爐設(shè)置1只DN250 mm液壓閥，與上加氮空氣混合入爐；另一根為空氣加氧總管，分2條支路，經(jīng)1只DN250 mm液壓閥分別對2套系統(tǒng)空氣總管進(jìn)行加氧。

造氣增氧設(shè)備的設(shè)置：①每套造氣系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)氧氣緩沖罐；②每套運(yùn)行系統(tǒng)風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置1只加氧液壓閥及1只截止閥，同時(shí)要求加氧液壓閥與DCS控制進(jìn)行聯(lián)鎖；③每套造氣系統(tǒng)設(shè)置1根上加氮加氧總管，單爐上加氧閥與此管相聯(lián)，且上加氮加氧閥門前、后均應(yīng)設(shè)置截止閥，液壓閥由DCS控制。設(shè)置以上閥門結(jié)合DCS控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)每臺(tái)造氣爐單獨(dú)選擇上加氮加氧、空氣加氧，避免單爐爐況波動(dòng)及氧含量升高。

4  增氧制氣工藝的選擇及調(diào)整

4.1 增氧制氣工藝的選擇

目前，國內(nèi)固定層增氧氣化工藝主要有富氧連續(xù)氣化工藝、加氮增氧間歇?dú)饣に嚰按碉L(fēng)增氧間歇?dú)饣に嚒?/span>

4.1.1 固定層富氧連續(xù)氣化工藝

采用富氧連續(xù)氣化工藝的爐上溫度450～550 ℃，比間歇?dú)饣碉L(fēng)及上行溫度高200～280 ℃，煤氣顯熱損失較大；同時(shí)，生成的煤氣中φ（CO2）高達(dá)16%～18%，比采用間歇?dú)饣に嚨陌胨簹庵笑眨–O2）增加8%～10%。由于半水煤氣中的CO2含量增加，降低了壓縮機(jī)出力率，加重了脫碳系統(tǒng)的負(fù)荷，造成合成氨裝置綜合電耗上升。由于富氧連續(xù)氣化技術(shù)綜合節(jié)能效果不明顯，未能得到普遍應(yīng)用。

4.1.2 固定層加氮增氧間歇?dú)饣に?/span>

間歇?dú)饣に嚥僮鞯钠渌に嚄l件不變，僅在上吹階段加入空氣與富氧混合后的富氧空氣進(jìn)入氣化爐，φ（O2）一般為35%～40%，能穩(wěn)定并減緩上吹階段氣化層溫度的下降速率，以提高入爐蒸汽分解率、縮短吹風(fēng)時(shí)間及減少吹風(fēng)氣生成量，從而降低爐渣中的殘?zhí)己?，以達(dá)到降低塊煤消耗的目的。中能公司2#合成氨裝置富氧制氣即采用此工藝，節(jié)能效果較明顯。

4.1.3 固定層吹風(fēng)增氧間歇?dú)饣に?/span>

間歇?dú)饣に嚥僮鞯钠渌に嚄l件不變，僅將吹風(fēng)階段空氣氣化劑改為富氧氣化劑，即將φ（O2）為25%～28%的富氧空氣代替空氣進(jìn)入氣化爐，可縮短吹風(fēng)時(shí)間、減少吹風(fēng)氣生成量、減少吹風(fēng)氣帶出的潛熱和顯熱損失、降低爐渣中的殘?zhí)己?，以達(dá)到降低塊煤消耗的目的。

中能公司根據(jù)近幾年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)論證：富氧連續(xù)氣化工藝經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益并不明顯，且目前在固定層氣化工藝中使用的較少，大多已停用；加氮增氧工藝與吹風(fēng)增氧工藝都可縮短吹風(fēng)時(shí)間、減少吹風(fēng)氣生成量、減少吹風(fēng)氣帶出的潛熱和顯熱損失，其不同之處在于加氮增氧工藝在上吹階段較穩(wěn)定并減緩了氣化層溫度下降速率，進(jìn)而提高了入爐蒸汽分解率，但從安全角度考慮，混合后氧含量受限制，從而制約加入的富氧氣體總量，減少吹風(fēng)氣生成總量受限；在吹風(fēng)增氧工藝中，隨著氧含量的提高，灰渣層中未完全氣化的碳的活性提高，氣化更加完全，可大幅降低爐渣中的殘?zhí)己?。為此，中能公司決定將比較成熟的上加加氧與空氣加氧工藝相接合，待工藝穩(wěn)定后，再作優(yōu)化調(diào)整。

4.2 循環(huán)時(shí)間及時(shí)間分配

4.2.1 循環(huán)時(shí)間

循環(huán)時(shí)間的選擇主要取決于燃料性質(zhì)及各閥門的動(dòng)作速度，循環(huán)時(shí)間的長短對穩(wěn)定氣化層溫度和煤氣產(chǎn)量有一定的影響。循環(huán)時(shí)間過長，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)氣化溫度波動(dòng)大，產(chǎn)氣量變化大，因此循環(huán)時(shí)間短些為宜。但由于受閥門起落速度及燃料煤性質(zhì)的影響，各企業(yè)選擇的循環(huán)時(shí)間大多不同。若閥門起落時(shí)間長，短循環(huán)則會(huì)造成閥門動(dòng)作頻繁、閥待現(xiàn)象嚴(yán)重，不但影響塊煤消耗，同時(shí)影響單爐發(fā)氣量。筆者認(rèn)為，因各企業(yè)所采用的閥門動(dòng)作速度不同，循環(huán)時(shí)間不應(yīng)盲目調(diào)整。目前，中能公司1#合成氨裝置的造氣系統(tǒng)采用的循環(huán)時(shí)間為135 s。

4.2.2 吹風(fēng)負(fù)荷

吹風(fēng)負(fù)荷的確定需綜合考慮原料煤的質(zhì)量、工藝狀況、設(shè)備情況等因素。生產(chǎn)1 m3半水煤氣需要0.95～1.05 m3空氣，工藝控制合理或使用優(yōu)質(zhì)煤時(shí)取低限，使用劣質(zhì)煤或工藝差時(shí)取高限。若晝夜溫差大，空氣密度變化就大，羅茨鼓風(fēng)機(jī)在同等條件下出力不同，單位時(shí)間入爐風(fēng)量相差較大，因此，各企業(yè)的吹風(fēng)負(fù)荷大多不同。但其共同點(diǎn)是隨著氣溫下降，空氣中氧含量增加，吹風(fēng)時(shí)間也必然隨之縮短。中能公司采用增氧制氣后，空氣中φ（O2）由原21%提高至25%，同時(shí)也提高了上加氮氧含量并延長了上加氮時(shí)間，因此吹風(fēng)時(shí)間所占比例有了大幅下降，即以塊煤為原料的吹風(fēng)時(shí)間所占比例由原25.2%下降至20.0%，以型煤為原料時(shí)從20.0%下降至17.7%。

4.2.3 上、下吹時(shí)間

一般情況下，上吹階段的燃料層溫度較高，上吹時(shí)間較長，上吹制氣的產(chǎn)量和質(zhì)量較好；但上吹時(shí)間過長，會(huì)消耗大量氣化層熱量，且氣化層上移，對以后的制氣不利。因此，在上、下吹制氣時(shí)間分配上，下吹制氣時(shí)間比上吹制氣時(shí)間長。采用VPSA裝置增氧制氣工藝后，在對爐況調(diào)整過程中，結(jié)合上、下行煤氣溫度情況，中能公司以塊煤為原料的上吹時(shí)間所占比例由原29.6%提高至34.8%，以型煤為原料時(shí)從原33.3%提高至35.5%，下吹時(shí)間所占比例未變。

4.2.4 上加氮的選擇

為使造氣爐維持相對較高的氣化層溫度、獲得較高的蒸汽分解率和有利于精確調(diào)節(jié)氫氮比，吹風(fēng)時(shí)間不宜過長，應(yīng)更多地采用上加氮來提高氣化強(qiáng)度。采用富氧制氣后，上加氮顯得更為重要，其不僅能提高造氣爐的氣化強(qiáng)度，而且能減少風(fēng)壓及富氧壓力的波動(dòng)。目前，中能公司1#合成氨裝置的造氣系統(tǒng)上加氮時(shí)間為30 s。

4.3 蒸汽溫度

中能公司采用增氧制氣初期，蒸汽溫度未進(jìn)行調(diào)整，一般控制在190～220 ℃，出現(xiàn)了爐底結(jié)疤懸空現(xiàn)象，爐況不穩(wěn)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。經(jīng)分析，由于空氣和上加氮氧含量的升高，在吹風(fēng)及上加氮期間，造氣爐內(nèi)未完全反應(yīng)的碳在造氣爐底部進(jìn)行反應(yīng)，造成爐底溫度較高，且易出現(xiàn)爐底結(jié)疤懸空現(xiàn)象。中能公司通過增大上吹時(shí)間所占比例及降低蒸汽溫度等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，問題已完全消除。目前，中能公司蒸汽溫度一般控制在170～190 ℃。

4.4 氧氣壓力

中能公司采用增氧制氣初期，氧氣壓力不穩(wěn)定。經(jīng)討論，決定關(guān)小上加氮手輪閥，延長上加氮時(shí)間，以單系統(tǒng)上加氮連續(xù)運(yùn)行方式來穩(wěn)定上加氮氧含量及壓力。同時(shí)，利用DCS吹風(fēng)排隊(duì)功能，將單系統(tǒng)吹風(fēng)時(shí)間盡量排滿，避免出現(xiàn)空風(fēng)、重風(fēng)現(xiàn)象，以此來穩(wěn)定吹風(fēng)階段的氧壓力及含量。

4.5 氧氣聚積的預(yù)防

空氣加氧時(shí)易出現(xiàn)氧聚積的問題。目前，大多數(shù)企業(yè)采用1臺(tái)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)4臺(tái)造氣爐，如循環(huán)時(shí)間為135 s，各爐吹風(fēng)時(shí)間加吹凈時(shí)間為27 s，即4臺(tái)造氣爐完全吹風(fēng)時(shí)間為108 s，剩余的27 s為造氣爐不吹風(fēng)時(shí)間，平均分配給4臺(tái)造氣爐為6.75 s，即各爐吹風(fēng)間隔時(shí)間為6.75 s，此時(shí)部分氧氣易聚積在空氣總管內(nèi)，在下一循環(huán)的吹風(fēng)初期，就有高濃度的氧入爐，不但會(huì)造成造氣爐運(yùn)行不穩(wěn)定，而且會(huì)危及安全生產(chǎn)。中能公司利用吹風(fēng)排滿及防止氧聚積的專利技術(shù)，成功避免了上述情況。

5  增氧工藝實(shí)施前、后的生產(chǎn)使用對比

表4  增氧工藝實(shí)施前、后造氣工藝數(shù)據(jù)對比

增氧工藝實(shí)施前、后造氣工藝數(shù)據(jù)對比見表4。

從表4工藝數(shù)據(jù)可看出：VPSA增氧工藝投運(yùn)后，吹風(fēng)氣中的CO2含量增加，吹風(fēng)效率提高，吹風(fēng)時(shí)間減少，制氣時(shí)間相應(yīng)增加，吹風(fēng)氣生成量大幅減少；上、下行煤氣溫度均有所降低，說明氣化層更加集中；由于爐溫的提高，單爐發(fā)氣量提高了15%～18%，蒸汽利用率也得到大幅提高；而爐渣殘?zhí)己肯陆?，則說明煤的利用率提高；上、下行溫度的下降，表明顯熱損失減少，為節(jié)能降耗打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

增氧工藝實(shí)施前、后合成氨消耗數(shù)據(jù)對比見表5。

表5  增氧工藝實(shí)施前、后合成氨消耗數(shù)據(jù)對比

由表5數(shù)據(jù)對比可看出，采用VPSA制氧裝置后，噸氨塊煤消耗平均下降了46 kg、電耗下降了9.5 kW·h，節(jié)能效果比較明顯。

6  經(jīng)濟(jì)效益分析

該項(xiàng)目總投資2 900.00萬元，按合成氨日產(chǎn)量1 050 t、氧氣產(chǎn)量9 000 m3/h、年運(yùn)行時(shí)間350 d、制氧電耗0.38 kW·h/m3、電價(jià)0.55元/（kW·h）、φ（O2）83%、利率8%計(jì)，則生產(chǎn)1 m3純氧的可變成本、固定成本和全部成本分別為0.209，0.071和0.280元/m3；生產(chǎn)氧氣的日成本為9 000×0.83×24×0.280=50 198.40（元）；若扣除原深冷空分裝置供氧1 100 m3/h后，增加的氧氣日成本為（9 000×0.83-1 100×0.999）×24×0.28=42 813.79（元）。

目前，中能公司外購塊煤和煤末價(jià)格分別為1 100元/t和550元/t，按外購塊煤含煤末質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%、塊煤入爐率86%計(jì)，則實(shí)際入爐煤價(jià)格=（1 100-14%×550）÷86%=1 189.53（元/t）。

日節(jié)煤費(fèi)用=46×1 050×1 189.53/1 000=57 454.30（元）。

日節(jié)電費(fèi)用=9.5×1 050×0.55=5 486.25（元）。

日節(jié)省費(fèi)用合計(jì)=57 454.30+5 486.25-42 813.79=20 126.76（元），則月節(jié)約費(fèi)用在60萬元左右。

7  結(jié)語

中能公司固定層增氧工藝與北大先鋒公司的VPSA制氧工藝的結(jié)合，經(jīng)過近1年運(yùn)行優(yōu)化，通過提高固定層造氣爐上加氮及入爐空氣中氧含量，改善了碳與氧氣的反應(yīng)條件；通過設(shè)備和工藝的配套改造，吹風(fēng)效率提高，吹風(fēng)時(shí)間縮短，從而提高了單爐發(fā)氣量，降低了灰渣中的殘?zhí)己亢驮鞖庀到y(tǒng)的生產(chǎn)成本，減少了二氧化碳排放量，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]石春發(fā).變壓吸附制氧技術(shù)在間歇式固定層造氣爐中的應(yīng)用[J].小氮肥，2014（10）：5-7.