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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）03-074-04中圖分類號(hào)：TP277

★高磊，張新凱（伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆伊犁835100）

★方向明（浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江湖州313000）

★吳浩，梁橋冠（浙江赫能環(huán)境科技有限公司，浙江杭州310000）

關(guān)鍵詞：魯奇爐；粗煤氣；預(yù)處理；稀釋法；氧電池

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和能源需求的不斷增長，煤炭作為一種重要的能源資源得到了廣泛的應(yīng)用。然而，煤炭的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，特別是粗煤氣，其中含有大量的有毒有害氣體。為了確保煤炭的燃燒過程安全、高效，以及對(duì)環(huán)境的影響降到最低，粗煤氣的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測變得尤為重要。然而，傳統(tǒng)的手動(dòng)監(jiān)測方法存在分析數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，使得在線分析儀表無法正常工作等問題。因此，開發(fā)一種高效、精準(zhǔn)、安全的在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)成為了當(dāng)前工業(yè)界煤炭燃燒過程中亟需解決的問題^[1]。

1　現(xiàn)階段研究的不足及粗煤氣的危害

1.1　粗煤氣的危害

魯奇爐出口粗煤氣由于不充分燃燒，常含有一氧化碳，吸入高濃度的一氧化碳會(huì)與血紅蛋白結(jié)合，導(dǎo)致氧氣運(yùn)輸受阻，引發(fā)中毒，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。煤炭中含有硫分，在燃燒過程中生成二氧化硫會(huì)進(jìn)入到粗煤氣中，一旦排放到空氣中，會(huì)引發(fā)酸雨等環(huán)境問題^[2]。煤炭燃燒過程中高溫下的氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)生成氮氧化物，成為粗煤氣中的一種污染物，對(duì)空氣質(zhì)量和臭氧層有不良影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)造成刺激和損害。粗煤氣中含有可燃?xì)怏w如甲烷和氫氣，這些氣體具有爆炸性，在空氣中遇到火源或電火花時(shí)，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸，威脅人身安全以及產(chǎn)生嚴(yán)重地財(cái)產(chǎn)損失。粗煤氣會(huì)取代空氣中的氧氣，導(dǎo)致氧氣含量不足，長時(shí)間處于粗煤氣環(huán)境中，人們可能因缺氧而窒息^[3]。并且，粗煤氣具有高粘度、易結(jié)晶、有腐蝕性等特點(diǎn)，氣體成分復(fù)雜，易形成堵塞、腐蝕，引起分析系統(tǒng)污染，導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、在線分析儀表無法正常工作。此難點(diǎn)一直未被攻克，全球魯奇爐出口粗煤氣均為人工取樣分析。另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，水煤氣（半水煤氣）的含氧量需要嚴(yán)格控制，一般設(shè)自動(dòng)分析儀定期抽查再由人工進(jìn)行分析。正常情況下，總管煤氣含量應(yīng)小于0.6%；單臺(tái)爐系統(tǒng)煤氣含量達(dá)到1%時(shí)，該爐必須停車。為此，必須對(duì)魯奇爐出口粗煤氣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，在避免其排放造成空氣環(huán)境污染及人身安全危害的同時(shí)，減少對(duì)檢測設(shè)備的傷害，降低資金投入，同時(shí)需要經(jīng)過實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制水煤氣的含氧量避免因停工造成企業(yè)和工廠經(jīng)濟(jì)損失^[4]。

1.2　魯奇爐的采樣現(xiàn)狀

魯奇爐正常運(yùn)行時(shí)，加壓氣化A/B/C各框架內(nèi)兩名中心化驗(yàn)室人員需要每小時(shí)對(duì)粗煤氣進(jìn)行一次人工取樣分析。此過程從取樣、分析、到出報(bào)告單，整個(gè)過程大約需要30分鐘，工作量大且分析數(shù)據(jù)滯后。魯奇爐開車過程大概需要13小時(shí)，在調(diào)整工況時(shí)，每10分鐘需對(duì)粗煤氣進(jìn)行一次人工取樣分析。多臺(tái)魯奇爐同時(shí)開車時(shí)，人工取樣頻繁，并且存在分析數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后現(xiàn)象。此前中心化驗(yàn)車間粗煤氣人工分析員每個(gè)班配備5~6人，實(shí)行四班三倒制，共24人左右，才可滿足現(xiàn)場手工取樣的需求。同行業(yè)的新疆慶華能源、新業(yè)能化大唐克旗煤制天然氣、廣匯新能源等均為類似情況。為解決魯奇爐對(duì)粗煤氣采樣困難的問題，必須設(shè)計(jì)一款粗煤氣在線檢測的系統(tǒng)，以減少人力使用成本和避免數(shù)據(jù)采樣不及時(shí)造成的數(shù)據(jù)分析滯后等問題。

2　魯奇爐出口粗煤氣實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為解決粗煤氣中存在的有害雜質(zhì)、魯奇爐對(duì)粗煤氣采樣困難以及控制水煤氣的含氧量避免停工造成經(jīng)濟(jì)損失等問題，本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)了一套科學(xué)的粗煤氣預(yù)處理系統(tǒng)，并選用合理的分析測量方法，實(shí)現(xiàn)了粗煤氣的凈化以及粗煤氣中微量氧及二氧化碳的連續(xù)監(jiān)測。該系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的離線檢測，能夠幫助工藝控制人員通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整工藝，減少手工化驗(yàn)帶來的數(shù)據(jù)遲滯性，同時(shí)可減少人員在框架內(nèi)部滯留的時(shí)間^[5]。

2.1　魯奇爐出口粗煤氣實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的作用

該系統(tǒng)需要完成粗煤氣的取樣及處理，以及粗煤氣的檢測功能，為此將整個(gè)功能分為兩部分：樣本處理和氣體分析測量。樣本處理在樣品取出之后立即進(jìn)行或在進(jìn)入分析儀之前進(jìn)行，能夠保證分析儀在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到有代表性的工藝樣品，樣品的狀態(tài)（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需的操作條件，為后續(xù)氣體分析測量提供更好的氣體環(huán)境^[6]。并且樣本處理能夠使分析儀得到的樣品與工藝管線或設(shè)備中物料的組成和含量一致，保證了工藝樣品的消耗量最少，易于操作和維護(hù)并能長期可靠工作。

樣品處理需要完成壓力調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、除塵、除水、除濕、去除有害物等工作。壓力調(diào)節(jié)主要通過降壓、抽吸和穩(wěn)壓等步驟，將粗煤氣降低到所需要的較低壓力，并通過減少系統(tǒng)內(nèi)的氣壓，使其低于大氣壓力，產(chǎn)生負(fù)壓或真空的環(huán)境；同時(shí)在給定的范圍內(nèi)保持氣體壓力恒定，保證氣體的壓力處于合適的范圍內(nèi)。通過溫度調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)將高溫的粗煤氣降低到合適的溫度范圍，保證粗煤氣在后續(xù)處理和使用過程中不超過安全限制或設(shè)備的溫度承受能力；同時(shí)，通過保溫操作，維持粗煤氣在一定溫度范圍內(nèi)，保證粗煤氣在輸送、存儲(chǔ)或處理過程中保持適宜的溫度，防止粗煤氣的溫度損失或過快的溫度變化，降低了能源消耗^[7]。采用快速回路技術(shù)保證粗煤氣的基本運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和調(diào)節(jié)，適應(yīng)系統(tǒng)中的不同變化，應(yīng)用分析回流完成對(duì)粗煤氣成分的監(jiān)測和控制，通過一定的技術(shù)手段，分析粗煤氣的成分，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的控制措施，適應(yīng)特定應(yīng)用的要求。

氣體分析系統(tǒng)采用探桿內(nèi)稀釋法，以高純氮作為稀釋氣，進(jìn)一步降低了露點(diǎn)及對(duì)分析儀有害氣體的濃度。稀釋后配置分子篩及氧化鋅吸附過濾器，并對(duì)粗煤氣中存在的CO₂和O₂進(jìn)行測量，CO₂采用紅外法，O₂采用電化學(xué)法。

2.2　魯奇爐出口粗煤氣實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

樣品處理在樣品取出之后立即進(jìn)行或在進(jìn)入分析儀之前進(jìn)行。為了便于區(qū)分，習(xí)慣上把前者叫做樣品前處理，而把后者叫做樣品的預(yù)處理。前處理對(duì)取出的樣品進(jìn)行初步處理，使樣品適合于傳輸，縮短了樣品的傳送時(shí)間，減少了滯后，減輕了后處理的負(fù)擔(dān)，如減壓、降溫、除塵、除水、汽化等。后處理對(duì)樣品做進(jìn)一步處理和調(diào)節(jié)，如溫度、壓力、流量的調(diào)節(jié)，過濾、除濕、去除有害物等，安全泄壓、限流和流路切換一般也包括在該單元之中^[8]。樣品前處理和樣品后處理分別對(duì)應(yīng)著粗煤氣前處理系統(tǒng)和粗煤氣后處理系統(tǒng)，氣體分析測量采用氣體分析系統(tǒng)來完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魯奇爐出口粗煤氣實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

樣品前處理系統(tǒng)中設(shè)有冷凝除油裝置，可高效除去粗煤氣中的焦油、粉塵等，同時(shí)不產(chǎn)生二次污染；樣品預(yù)處理系統(tǒng)中設(shè)有粗煤氣密封洗滌裝置，可通過二元洗滌系統(tǒng)除去樣氣中的焦油、粉塵等雜質(zhì)，洗滌后的粗煤氣再經(jīng)過重力二次分離進(jìn)入后系統(tǒng)。氣體分析系統(tǒng)對(duì)樣品中的CO₂和O₂含量的檢測，分別采用紅外法和電化學(xué)法。

2.3　樣品預(yù)處理系統(tǒng)

粗煤氣實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)包括冷凝除油系統(tǒng)、洗滌穩(wěn)壓及凈化系統(tǒng)和保護(hù)控制系統(tǒng)。

冷凝除油系統(tǒng)主要用循環(huán)水作為降溫介質(zhì)，使油、水、粉塵等雜質(zhì)附著在除油裝置內(nèi)表面，靠重力作用流回至粗煤氣工藝管線。該系統(tǒng)能夠除去粗煤氣中90%以上的焦油、粉塵等，同時(shí)不產(chǎn)生二次污染。冷凝除油裝置出口設(shè)置雙級(jí)減壓閥和限流孔板，保證后系統(tǒng)不超壓，經(jīng)過冷凝除油系統(tǒng)處理過后的樣品進(jìn)入到洗滌穩(wěn)壓及凈化系統(tǒng)。

洗滌穩(wěn)壓系統(tǒng)主要通過洗滌除去大量的煤焦油、粉塵、水、碳銨結(jié)晶等雜質(zhì)，并保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，若系統(tǒng)超壓，氣體擊穿水封通過排放管去排放總管排放。經(jīng)過洗滌穩(wěn)壓系統(tǒng)處理后的樣品一部分進(jìn)入到凈化系統(tǒng)，另一部分多余的氣體從稀釋探頭多于氣體排放管線去排放總管。

凈化系統(tǒng)包括氣稀釋系統(tǒng)、油過濾器、氣體爬升段、氣液分離器、干燥劑罐等。氣稀釋系統(tǒng)是稀釋探頭內(nèi)置的音速小孔，該系統(tǒng)能夠保證稀釋空氣和煙氣流量比的恒定，從而實(shí)現(xiàn)稀釋比的恒定。油過濾器能夠有效過濾經(jīng)過洗滌后樣氣中的油等雜質(zhì)。氣體爬升段可減緩經(jīng)過洗滌后樣氣的流速，保證了樣氣從水洗中帶出油并依靠自身重力作用回流到洗滌器中。從氣體洗滌器出來樣氣經(jīng)過氣液離器分離其中夾帶的液珠，并將液相留在分離器。干燥劑罐中填充脫脂棉和氧化鋅，可去除樣品中的H₂S，保證了樣品不帶水分進(jìn)入氧表氣體。

保護(hù)控制系統(tǒng)包括水洗罐安全閥、水封、氧電池單向閥：安全閥可保證水洗罐內(nèi)壓力超過安全閥設(shè)定壓力后安全閥起跳，氣體從安全閥快速排至排放總管；水封可保證樣氣壓力大于水封罐液位后，氣體排放至排放總管；單向閥可保證氧氣中斷時(shí)，空氣不會(huì)進(jìn)入到氧表中，保護(hù)了氧電池。

2.4　氣體分析系統(tǒng)

氣體分析系統(tǒng)對(duì)CO₂和O₂的監(jiān)測，分別采用紅外法和電化學(xué)法。CO₂的測量方法采用GFC NDIR氣體過濾相關(guān)紅外法，即紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過測量室后聚焦在一個(gè)紅外檢測器上，光路中的每種氣體都會(huì)吸收與之對(duì)應(yīng)的特定波長的紅外光，檢測室中的氣體會(huì)對(duì)紅外光產(chǎn)生吸收，經(jīng)過氣體吸收后，參比能量和測量能量之比即可得到，可計(jì)算出氣體濃度。O₂含量的測量采用電化學(xué)氧氣分析儀，通過疏水膜擴(kuò)散進(jìn)入傳感器里的氣體在感應(yīng)電極發(fā)生氧化/還原反應(yīng)，陰極和陽極間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與氧濃度成正比的電流，通過檢測這個(gè)電流，就反應(yīng)出氣體中的O₂含量。

3　系統(tǒng)應(yīng)用及成果描述

3.1　投運(yùn)效果展示

該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，煤氣組份含量變化可以及時(shí)顯示到DCS，工藝根據(jù)DCS反饋的煤氣組份含量變化調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，穩(wěn)定操作，使工況處于最佳狀況，為生產(chǎn)的安、穩(wěn)、長、優(yōu)創(chuàng)造了可靠的條件。圖2、圖3分別展示了A2氣化爐氧氣流量變化與CO₂測量值及化驗(yàn)室取樣對(duì)比、氣化爐運(yùn)行不穩(wěn)時(shí)在線CO₂與化驗(yàn)室一致。從圖2中可以看出工藝在調(diào)整氣化爐負(fù)荷時(shí)，氣化爐出口粗煤氣CO₂組份變化很快；從圖3中可以看出氣化爐運(yùn)行狀況不穩(wěn)定時(shí)粗煤氣CO₂組份變化能很快反映出來，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，證明該系統(tǒng)在正常運(yùn)行后，能夠有效地提高出口氣體中的有效成分，同時(shí)能夠降低蒸汽的消耗量，幫助企業(yè)獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 A2氣化爐氧氣流量變化與CO₂測量值及化驗(yàn)室取樣對(duì)比

圖3 氣化爐運(yùn)行不穩(wěn)時(shí)在線CO₂與化驗(yàn)室一致

3.2　成果描述

該系統(tǒng)正常投運(yùn)后，汽氧比有明顯下降，汽氧比每下降0.1可減少蒸汽用量10.8t/h，年預(yù)計(jì)可節(jié)省蒸汽86400噸，約648萬元，提高了粗煤氣有效氣的成份，廢水減少1.5t/h，每年預(yù)計(jì)少產(chǎn)廢水86400噸，可節(jié)省廢水處理費(fèi)475.2萬元。未投運(yùn)前，氣化爐開車并網(wǎng)前需要化驗(yàn)人員分析3個(gè)樣（約0.5h），合格后才能并網(wǎng)。投入運(yùn)行后，粗煤氣在線分析數(shù)據(jù)正常即可直接并網(wǎng)，每次啟爐約節(jié)約3t/次，每年預(yù)計(jì)可節(jié)省煤炭12600噸，約277.2萬元。此外，未投運(yùn)前，需要更多的化驗(yàn)人員相互配合，每個(gè)班配備5~6人，實(shí)行四班三倒制，共24人左右。而在投運(yùn)后，人工工作量大幅度減少，不需要配備大量化驗(yàn)人員，僅需配置3人，實(shí)行四班三倒制，共計(jì)9人左右，大大減少了員工薪資的支出，約162萬元。

4　結(jié)語

為了充分解決粗煤氣中含有的有害物質(zhì)以及氣體分析系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)分析不及時(shí)問題，本文研究設(shè)計(jì)了一套魯奇爐出口粗煤氣實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠幫助降低粗煤氣中污染氣體的含量，并且通過及時(shí)的氣體檢測，可減少人員在框架內(nèi)部滯留的時(shí)間，保證了工藝控制人員的身體安全，為各類粗煤氣處理的企業(yè)提供了更好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)避免了造成環(huán)境的過度污染。

作者簡介：

高　磊（1983-）男，山東人，中級(jí)工程師，本科，現(xiàn)就職于伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)閺氖旅夯は到y(tǒng)控制與測量技術(shù)。

張新凱（1989-），男，新疆人，新疆人，中級(jí)工程師，本科，現(xiàn)就職于伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)槊褐茪鈿饣癄t感知測量。

方向明（1975-）男，浙江人，助理工程師，現(xiàn)就職于浙江浙能長興發(fā)電有限公司，研究方向?yàn)槿济弘姀S鍋爐運(yùn)行控制優(yōu)化。

吳　浩（1992-），男，安徽人，現(xiàn)就職于浙江赫能環(huán)境科技有限公司，研究方向?yàn)槲廴驹礆怏w環(huán)境與過程分析。

梁橋冠（1989-），男，浙江人，中級(jí)工程師，現(xiàn)就職于浙江赫能環(huán)境科技有限公司，研究方向?yàn)樗|(zhì)在線分析儀表開發(fā)應(yīng)用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年3月