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案例頻道文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）03-074-04中圖分類號：TP277
★高磊，張新凱（伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆伊犁835100）
★方向明（浙江浙能長興發電有限公司，浙江湖州313000）
★吳浩，梁橋冠（浙江赫能環境科技有限公司，浙江杭州310000）
關鍵詞：魯奇爐；粗煤氣；預處理；稀釋法；氧電池
隨著工業化進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用。然而，煤炭的燃燒會產生大量的污染物，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，以及對環境的影響降到最低，粗煤氣的實時在線監測變得尤為重要。然而，傳統的手動監測方法存在分析數據不準確，使得在線分析儀表無法正常工作等問題。因此，開發一種高效、精準、安全的在線自動監測系統成為了當前工業界煤炭燃燒過程中亟需解決的問題[1]。
1 現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與血紅蛋白結合，導致氧氣運輸受阻，引發中毒，對人體的呼吸系統和心血管系統造成嚴重影響。煤炭中含有硫分，在燃燒過程中生成二氧化硫會進入到粗煤氣中，一旦排放到空氣中，會引發酸雨等環境問題[2]。煤炭燃燒過程中高溫下的氮氣與氧氣反應生成氮氧化物，成為粗煤氣中的一種污染物，對空氣質量和臭氧層有不良影響，同時也會對人體的呼吸系統造成刺激和損害。粗煤氣中含有可燃氣體如甲烷和氫氣，這些氣體具有爆炸性，在空氣中遇到火源或電火花時，會引發嚴重的火災和爆炸，威脅人身安全以及產生嚴重地財產損失。粗煤氣會取代空氣中的氧氣，導致氧氣含量不足，長時間處于粗煤氣環境中，人們可能因缺氧而窒息[3]。并且，粗煤氣具有高粘度、易結晶、有腐蝕性等特點，氣體成分復雜，易形成堵塞、腐蝕，引起分析系統污染，導致分析數據不準確、在線分析儀表無法正常工作。此難點一直未被攻克，全球魯奇爐出口粗煤氣均為人工取樣分析。另外，根據相關規定，水煤氣（半水煤氣）的含氧量需要嚴格控制，一般設自動分析儀定期抽查再由人工進行分析。正常情況下，總管煤氣含量應小于0.6%；單臺爐系統煤氣含量達到1%時，該爐必須停車。為此，必須對魯奇爐出口粗煤氣進行實時檢測，在避免其排放造成空氣環境污染及人身安全危害的同時，減少對檢測設備的傷害，降低資金投入，同時需要經過實時監測，控制水煤氣的含氧量避免因停工造成企業和工廠經濟損失[4]。
1.2 魯奇爐的采樣現狀
魯奇爐正常運行時，加壓氣化A/B/C各框架內兩名中心化驗室人員需要每小時對粗煤氣進行一次人工取樣分析。此過程從取樣、分析、到出報告單，整個過程大約需要30分鐘，工作量大且分析數據滯后。魯奇爐開車過程大概需要13小時，在調整工況時，每10分鐘需對粗煤氣進行一次人工取樣分析。多臺魯奇爐同時開車時，人工取樣頻繁，并且存在分析數據嚴重滯后現象。此前中心化驗車間粗煤氣人工分析員每個班配備5~6人，實行四班三倒制，共24人左右，才可滿足現場手工取樣的需求。同行業的新疆慶華能源、新業能化大唐克旗煤制天然氣、廣匯新能源等均為類似情況。為解決魯奇爐對粗煤氣采樣困難的問題，必須設計一款粗煤氣在線檢測的系統，以減少人力使用成本和避免數據采樣不及時造成的數據分析滯后等問題。
2 魯奇爐出口粗煤氣實時在線自動監測系統的結構
為解決粗煤氣中存在的有害雜質、魯奇爐對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濟損失等問題，本項目研究設計了一套科學的粗煤氣預處理系統，并選用合理的分析測量方法，實現了粗煤氣的凈化以及粗煤氣中微量氧及二氧化碳的連續監測。該系統取代了傳統的離線檢測，能夠幫助工藝控制人員通過實時在線監測數據及時調整工藝，減少手工化驗帶來的數據遲滯性，同時可減少人員在框架內部滯留的時間[5]。
2.1 魯奇爐出口粗煤氣實時在線自動監測系統的作用
該系統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行或在進入分析儀之前進行，能夠保證分析儀在最短的滯后時間內得到有代表性的工藝樣品，樣品的狀態（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需的操作條件，為后續氣體分析測量提供更好的氣體環境[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，易于操作和維護并能長期可靠工作。
樣品處理需要完成壓力調節、溫度調節、流量調節、除塵、除水、除濕、去除有害物等工作。壓力調節主要通過降壓、抽吸和穩壓等步驟，將粗煤氣降低到所需要的較低壓力，并通過減少系統內的氣壓，使其低于大氣壓力，產生負壓或真空的環境；同時在給定的范圍內保持氣體壓力恒定，保證氣體的壓力處于合適的范圍內。通過溫度調節，該系統將高溫的粗煤氣降低到合適的溫度范圍，保證粗煤氣在后續處理和使用過程中不超過安全限制或設備的溫度承受能力；同時，通過保溫操作，維持粗煤氣在一定溫度范圍內，保證粗煤氣在輸送、存儲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]。采用快速回路技術保證粗煤氣的基本運行參數，實現快速響應和調節，適應系統中的不同變化，應用分析回流完成對粗煤氣成分的監測和控制，通過一定的技術手段，分析粗煤氣的成分，根據分析結果采取相應的控制措施，適應特定應用的要求。
氣體分析系統采用探桿內稀釋法，以高純氮作為稀釋氣，進一步降低了露點及對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，并對粗煤氣中存在的CO2和O2進行測量，CO2采用紅外法，O2采用電化學法。
2.2 魯奇爐出口粗煤氣實時在線自動監測系統的整體結構
樣品處理在樣品取出之后立即進行或在進入分析儀之前進行。為了便于區分，習慣上把前者叫做樣品前處理，而把后者叫做樣品的預處理。前處理對取出的樣品進行初步處理，使樣品適合于傳輸，縮短了樣品的傳送時間，減少了滯后，減輕了后處理的負擔，如減壓、降溫、除塵、除水、汽化等。后處理對樣品做進一步處理和調節，如溫度、壓力、流量的調節，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應著粗煤氣前處理系統和粗煤氣后處理系統，氣體分析測量采用氣體分析系統來完成，其結構如圖1所示。
圖1 魯奇爐出口粗煤氣實時在線自動監測系統的整體結構
樣品前處理系統中設有冷凝除油裝置，可高效除去粗煤氣中的焦油、粉塵等，同時不產生二次污染；樣品預處理系統中設有粗煤氣密封洗滌裝置，可通過二元洗滌系統除去樣氣中的焦油、粉塵等雜質，洗滌后的粗煤氣再經過重力二次分離進入后系統。氣體分析系統對樣品中的CO2和O2含量的檢測，分別采用紅外法和電化學法。
2.3 樣品預處理系統
粗煤氣實時在線監測系統預處理系統包括冷凝除油系統、洗滌穩壓及凈化系統和保護控制系統。
冷凝除油系統主要用循環水作為降溫介質，使油、水、粉塵等雜質附著在除油裝置內表面，靠重力作用流回至粗煤氣工藝管線。該系統能夠除去粗煤氣中90%以上的焦油、粉塵等，同時不產生二次污染。冷凝除油裝置出口設置雙級減壓閥和限流孔板，保證后系統不超壓，經過冷凝除油系統處理過后的樣品進入到洗滌穩壓及凈化系統。
洗滌穩壓系統主要通過洗滌除去大量的煤焦油、粉塵、水、碳銨結晶等雜質，并保證系統的壓力穩定，若系統超壓，氣體擊穿水封通過排放管去排放總管排放。經過洗滌穩壓系統處理后的樣品一部分進入到凈化系統，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。
凈化系統包括氣稀釋系統、油過濾器、氣體爬升段、氣液分離器、干燥劑罐等。氣稀釋系統是稀釋探頭內置的音速小孔，該系統能夠保證稀釋空氣和煙氣流量比的恒定，從而實現稀釋比的恒定。油過濾器能夠有效過濾經過洗滌后樣氣中的油等雜質。氣體爬升段可減緩經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入氧表氣體。
保護控制系統包括水洗罐安全閥、水封、氧電池單向閥：安全閥可保證水洗罐內壓力超過安全閥設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，空氣不會進入到氧表中，保護了氧電池。
2.4 氣體分析系統
氣體分析系統對CO2和O2的監測，分別采用紅外法和電化學法。CO2的測量方法采用GFC NDIR氣體過濾相關紅外法，即紅外光源發出的紅外光經過測量室后聚焦在一個紅外檢測器上，光路中的每種氣體都會吸收與之對應的特定波長的紅外光，檢測室中的氣體會對紅外光產生吸收，經過氣體吸收后，參比能量和測量能量之比即可得到，可計算出氣體濃度。O2含量的測量采用電化學氧氣分析儀，通過疏水膜擴散進入傳感器里的氣體在感應電極發生氧化/還原反應，陰極和陽極間會產生一個與氧濃度成正比的電流，通過檢測這個電流，就反應出氣體中的O2含量。
3 系統應用及成果描述
3.1 投運效果展示
該系統投入運行后，煤氣組份含量變化可以及時顯示到DCS，工藝根據DCS反饋的煤氣組份含量變化調整相關工藝參數，穩定操作，使工況處于最佳狀況，為生產的安、穩、長、優創造了可靠的條件。圖2、圖3分別展示了A2氣化爐氧氣流量變化與CO2測量值及化驗室取樣對比、氣化爐運行不穩時在線CO2與化驗室一致。從圖2中可以看出工藝在調整氣化爐負荷時，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行狀況不穩定時粗煤氣CO2組份變化能很快反映出來，及時發現異常現象，證明該系統在正常運行后，能夠有效地提高出口氣體中的有效成分，同時能夠降低蒸汽的消耗量，幫助企業獲取更好的經濟效益。
圖2 A2氣化爐氧氣流量變化與CO2測量值及化驗室取樣對比
圖3 氣化爐運行不穩時在線CO2與化驗室一致
3.2 成果描述
該系統正常投運后，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，年預計可節省蒸汽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，每年預計少產廢水86400噸，可節省廢水處理費475.2萬元。未投運前，氣化爐開車并網前需要化驗人員分析3個樣（約0.5h），合格后才能并網。投入運行后，粗煤氣在線分析數據正常即可直接并網，每次啟爐約節約3t/次，每年預計可節省煤炭12600噸，約277.2萬元。此外，未投運前，需要更多的化驗人員相互配合，每個班配備5~6人，實行四班三倒制，共24人左右。而在投運后，人工工作量大幅度減少，不需要配備大量化驗人員，僅需配置3人，實行四班三倒制，共計9人左右，大大減少了員工薪資的支出，約162萬元。
4 結語
為了充分解決粗煤氣中含有的有害物質以及氣體分析系統存在的數據分析不及時問題，本文研究設計了一套魯奇爐出口粗煤氣實時在線自動監測系統，該系統能夠幫助降低粗煤氣中污染氣體的含量，并且通過及時的氣體檢測，可減少人員在框架內部滯留的時間，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提供了更好的經濟效益，同時避免了造成環境的過度污染。
作者簡介：
高 磊（1983-）男，山東人，中級工程師，本科，現就職于伊犁新天煤化工有限責任公司，研究方向為從事煤化工系統控制與測量技術。
張新凱（1989-），男，新疆人，新疆人，中級工程師，本科，現就職于伊犁新天煤化工有限責任公司，研究方向為煤制氣氣化爐感知測量。
方向明（1975-）男，浙江人，助理工程師，現就職于浙江浙能長興發電有限公司，研究方向為燃煤電廠鍋爐運行控制優化。
吳 浩（1992-），男，安徽人，現就職于浙江赫能環境科技有限公司，研究方向為污染源氣體環境與過程分析。
梁橋冠（1989-），男，浙江人，中級工程師，現就職于浙江赫能環境科技有限公司，研究方向為水質在線分析儀表開發應用。
參考文獻：
[1] 劉洋, 王祺. 吸排車在煉鐵粗煤氣系統輸灰工藝中的設計及應用[J]. 科技信息, 2011 (25) : 459 + 447.
[2] 張紹延. 快鍋改燒殼牌煤氣化裝置粗煤氣的分析論證與設計應用[J]. 化肥設計, 2009, 47 (05) : 17 - 19 + 28.
[3] 李書平. 計算機輔助設計(CAD)在煤氣設計行業的應用[J]. 城市煤氣, 1996 (08) : 21 - 22 + 24.
[4] 楊磊, 劉素艷, 曹永恒. 煤氣化變換裝置設備腐蝕定性分析及解決措施[J]. 氮肥與合成氣, 2023, 51 (10) : 28 - 32.
[5] 郭零. 大型煤氣化裝置粗煤氣中氮氣含量波動分析[J]. 河南化工, 2023, 40 (07) : 36 - 38.
[6] 徐煜, 李淑華, 普繞華. 文丘里洗滌器在凈化粗煤氣中的應用及優化[J].云南化工, 2023, 50 (06) : 114 - 116.
[7] 翟宏偉. 煤化工粗煤氣流量計的應用與改造[J]. 化工管理, 2022 (32) : 126 - 128.
[8] 王西明, 王峰, 俞華棟, 等. 現代煤化工耦合可再生能源的可行性分析[J]. 現代化工, 2022, 42 (06) : 6 - 8 + 15.
摘自《自動化博覽》2024年3月
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號