作者：石春发（云南云天化国际化工有限公司红磷分公司   云南开远  661600）

摘要：本文重点对间歇式固定床增氧制气应用情况，以及在使用过程出现问题浅，分析出现问题的原因，并对采取的措施进行了探讨。

关键词：增氧制气、VPSA、出现问题、原因分析、采取措施。

Application of fixed bed batch aeration gas making

Chun Fa Shi

（The cloud in Yunnan sky turns an international chemical engineering limited company red Lin branch   Yunnan  kaiyuan  661600)

Abstract   This paper focuses on the Application of fixed bed batch aeration gas making, and gas making problems cause analysis on the problems appeared are analyzed, and the measures adopted are discussed.

Keywords   VPSA oxygen gas   Problems   Cause analysis   Take measures

1 前言

云南云天化股份有限公司红磷分公司是属云天化集团下属一个单位，公司现拥有一套年产8万吨合成氨装置，初始建设规模为设计为年产3万吨合成氨，于1997年7月开工建设，1999年9月投产，造气采用固定床间歇式气化法，有φ2610煤气发生炉4台，原料主要使用焦炭；2001年随着公司不断发展，年产3万吨合成氨规模不能满足公司生产需求，于2001年12月完成了 “3改8”工程改造，液氨由年产3万吨能力提升到年产8万吨，φ2610煤气发生炉由4台增加为9台，仍然使用焦炭制气。

近年来随着焦炭价格的不断上涨，使得合成氨生产成本不断增加，为了提高现有合成氨生产装置的整体水平、增强企业竞争力、降低液氨生产成本、增加企业经济效益，红磷分公司对原料路线进行调整并对系统进行了优化改造，改造后原料从焦炭改为了煤棒。在本次技改中，为提高造气效率，降低成本，针对云南煤灰熔点低、活性低的特点，决定采用进行增氧制气的改造。国内制氧技术主要有三种，分别为深冷空分法、VPSA或PSA变压吸附法以及膜分离方法，通过对比详细对比考查以及红磷公司成功应用经验，技改时决定采用北京北大先锋科技有限公司的VPSA制氧技术来提高造气炉中的氧含量。

2 VPSA制氧装置使用情况

我公司新上的一套VPSA制氧装置能力为1000Nm3/h (折100%纯氧)，由北京北大先锋科技有限公司承建，该套装置于2012年8月开始建设，2013年3月投入使用。

2.1 VPSA制氧工艺流程简介

北大先锋建设的该套装置采用两塔工艺流程，氧气设计产量1120Nm3/h，氧气纯度90%，VPSA产出的氧气经增压风机加压至39KPa后输送至造气炉，制氧工艺流程如下：

2.2 北大先锋VPSA制氧工艺主要设备

2.3 VPSA制氧装置运行情况及主要技术经济指标

北大先锋承建的VPSA制氧装置自开车后运行平稳，以下为主要几个技术经济指标：

从VPSA制氧装置几个技术经济指标看，完全达到设计要求。

3 增氧制气应用情况

3.1 半水煤气成分的对比

半水煤气消耗成分是衡量煤气质量的因素，从半水煤气各成分可以间接看出造气炉状况的好坏，下表为我公司采用VPSA富氧造气前后半水煤气成分的变化。

从理论上讲，采用富氧造气后，随着空气中氧含量和上加氮过程中氧含量升高，制气温度提高，CO2含量会降低，CO和H2含量将升高，但从半水煤气成分上看，CO2略微升高了，而CO和H2含量略微降低了。为此经过查找，主要原因是采用富氧造气后，吹风效率提高了（从吹风气中CO2含量可看出），为保证半水煤气中氮含量，在加氮时间不变情况下，带入半水煤气中CO2相对较多，从而导致采用富氧造气后半水煤气中，CO2含量升高，CO和H2含量降低。

3.2 单炉发气量对比

在采用富氧造气前，我公司单炉发气量为4500Nm3/h左右，在采用富氧造气后，我公司单炉发气量5500Nm3/h左右。

3.3 采用富氧造气前后消耗对比

我公司采用VPSA装置富氧造气后，无论是液氨产量、原料消耗都有很大的改观，以下为我公司采用北大先锋VPSA装置富氧造气前后能耗对比：

从上表看，采用VPSA富氧造气后，日产量平均每天增加25吨，吨氨型煤消耗降低了28kg，吨氨电耗升高了37kwh。

3.4 经济效益分析

我公司自VPSA制氧装置投用后，取得了很好的效果，从原料消耗、电耗和增产效果、粗略计算经济效益：

1) 吨氨耗型煤降低28kg，无烟粉煤价格以780元/吨、型煤加工费100元/吨，吨氨可节约24.64元；电耗增加37度，每度以0.35元计算，每吨增加成本12.95元，此两项，吨氨可接约成本11.69元，液氨产量8万吨计，每年可节约93.52万元。

2) 每天增加液氨产量25吨，以年生产330日计算，每年可增产液氨8250吨，液氨市场价格2700元计算，每年可增加2227.5万元的产值。

4 间歇式固定床增氧制气出现问题及原因浅析

云南云天化股份有限公司红磷分公司造气增氧制气装置是2012年3月份投入使用，在投入使用的当天，效果体现就很明显，单炉发气量就从4500Nm3/h左右增加到5500Nm3/h左右，吨氨煤棒消耗从约1.8吨下降至约1.75吨左右，造气成渣率明显上升，炉渣残碳明显下降，但随着生产的稳定，随着我公司对造气增氧制气不断了解，发觉间歇式固定床气化增氧制气在运行过程中也暴露出半水煤气中CO2含量上升、吹风气中CO含量升高、入炉空气中氧含量波动大等几个问题，以下对所暴露出的问题原因浅析：

4.1 吹风气中CO2含量上升原因浅析

在固定床间歇式造气炉中，吹风阶段原理是碳与空气中的氧发生反应产生热量，其目的是提高气化层温度并积蓄热量为制气过程创造条件。在通常情况下，吹风气中CO2含量是衡量吹风效率的关键指标之一，吹风气中CO2越高，证明吹风效率越高，反之则证明吹风效率越低。我公司采用增氧制气后，吹风气中CO2含量升高了约4%，但随之CO含量也升高了近1%，下表为增氧制气前后吹风气中主要成分对比表：

从上表看，采用增氧制气后，吹风气中CO含量升高了3.9%，CO含量升高了0.9%，为什么会出现以上现象呢？经过理论分析，原来在吹风阶段，除了碳与氧反应生成CO2或CO以及CO与O2反应生成CO2两个反应外，还有一个CO2的还原反应，具体反应方程式如下：

CO2+C=2CO

此反应可看作是可逆反应，根据反应方程式，随着吹风气中CO2含量升高，反应就会向右进行，CO含量必然会升高，通过理论进行粗略计算，根据以上反应方程式，其平衡常数计算公式为:

在实际情况下，可以粗略的认为增氧制气前后在造气炉内空气流速、温度、压力不变，因此可以认为增氧制气前后平衡常数基本不变。根据上述设定条件和表1中增氧制气前的CO2和CO含量及增氧制气后CO2含量，计算增氧制气后CO含量：

计算增氧前平衡常数：

根据增氧制气后CO2含量计算增氧制气后CO含量：

理论计算结果为5.5%，与分析结果5.8%相近。以上理论计算是假设增氧制气前后气体流速、造气炉炉温不变的情况下计算的；在实际运行中，造气炉炉温实际上比增氧制气前高，而以上反应为吸热反应，随着温度的升高，反应是向右进行的，所以分析结果比理论计算结果高是符合实际的，在此也充分证明采用增氧制气后吹风气内CO含量增高主要原因是吹风效率提高后吹风气中CO2含量升高导致的。

4.2 半水煤气中CO2含量上升原因浅析

半水煤气中CO2含量半水煤气中无效气体成分，但其含量的高低还间接反映造气炉炉温的情况，从理论上讲，采用增氧制气后，随着空气中氧含量和上加氮过程中氧含量升高，造气炉制气温度较采用增氧制气前高，半水煤气中CO2含量应该降低；但实际情况是，采用增氧制气后半水煤气中CO2反而升高了（详细数据见3.1）。

从以上分析结果看出，我公司采用增氧后半水煤气中CO2含量较增氧制气前上升了1%。为什么会产生以上现象呢，经过查找分析，认为主要原因是采用增氧制气后，入炉空气中氧含量升高了，吹风效率提高了，吹风气中CO2含量也提高了，在吹风气回收加氮时间不变情况下，带入半水煤气中CO2相对较多，从而导致采用增氧制气后半水煤气中CO2升高。通过理论粗略计算进行验证：

根据表2 采用增氧制气前半水煤气成分，增氧制气前每1000Nm3半水煤气中氮含量为210.7 Nm3。其中上加氮补充氮气12%（根据我公司上加氮时间和流量折算出来的），折合气体量25.28 Nm3，吹风气补充氮气88%，折合气体量185.42 Nm3。

根据表1增氧制气前后吹风气气体主要成分对比

计算增氧制气前补充氮气需要吹风气量：185.42÷0.792=234.12Nm3

计算增氧制气后补充氮气需要吹风气量：185.42÷0.745=248.89Nm3

根据表1增氧制气前后吹风气气体成分对比

计算增氧制气前吹风气补充氮气带入CO2量：234.12×0.152=35.59Nm3

计算增氧制气前吹风气补充氮气带入CO2量：248.89×0.191=47.54Nm3

计算增氧制气后吹风气补充氮气带入CO2增加量：47.54－35.59=11.95Nm3

从以上计算结果看出，增氧制气后每1000Nm3半水煤气中多带入CO2 11.95，折合百分比为1.195%，这与分析结果基本一致，也充分证明了上述原因分析的结果。

4.3 入炉空气中氧含量波动较大

我公司采用的制氧装置是VPSA制氧工艺，装置设计产量为1000Nm3/h（100%），实际运行为1200 Nm3/h左右，造气分1#、2#两套系统，每套系统各配一台造气风机，制氧装置所产氧气分别送到两套系统空气总管内。在采用增氧制气后，发觉入炉空气氧含量波动较大，23%～27%之间波动，为什么会产生这种现象，经分析，主要原因是我公司采用的是间歇式造气炉，造气使用的空气量存在波动，而制氧装置所配入的氧气产量是一定的，当1#、2#造气系统同时有两台造气炉处在吹风阶段时，入炉空气中氧含量较低，当1#、2#系统只有一台造气炉处在吹风阶段时，入炉空气中氧含量较高。

5 造气增氧制气存在问题及解决思路

针对间歇式造气炉增氧制气存在的问题及原因分析，结合在生产中实际情况，提出以下解决思路。

5.1 吹风气中CO含量上升

吹风气中CO含量上升，主要原因是由于CO2还原反应是一个可逆、吸热反应，当反应物中CO2含量升高，则会导致生产物中CO含量升高；但它同时也是一个动力学控制的反应，即CO2还原反应不是瞬间就发生，而是需要一定的时间，据相关资料，在1100℃时，采用无烟煤时，在100% CO2浓度下，还原40% CO2需要使用约5S时间[2]，因此从理论上讲，提高造气炉内吹风气流速就可以减缓CO2还原成CO的现象发生。在实际操作过程中，还是只能回到强吹风的思路上，可以在保证碳层不吹翻的情况下尽可能的加大吹风阀的开度，减少吹风时间来调节，我公司在加大吹风阀手轮开启度后，吹风时间从21S减到18S，分析结果显示，半水煤气中CO含量可降低约0.2%。当然随着炉温升高，吹风效率提高，吹风气中CO2含量上升，吹风气中CO上升是不可避免，但是采取以上思路进行调节后，可以减少吹风气中CO含量的上升幅度。

5.2 半水煤气中CO2含量上升

从本文中原因分析，采用增氧制气后半水煤气中CO2升高主要原因是由于吹风气中CO2含量升高，氮含量降低，回收吹风气补氮时带入CO2所致，从理论上看，可通过加大上吹加氮方式补充氮气可以减少吹风半水煤气中CO2含量，在我公司，也基本上是采用此方法来减少半水煤气中CO2含量，从实践上看，我公司上加氮时间从10s，增加到15秒，半水煤中CO含量可降低约0.2%左右。

5.3 空气中氧含量波动

空气中氧含量波动主要还是由于间歇式造气炉使用空气量不稳定导致的，若要稳定，目前能采取的方法主要是调节好吹风时间和循环时间，做好吹风排队，尽量稳定造气系统空气使用量，以我公司为例，常开六台造气炉，两套系统各开三台，吹风时间在18～20s，循环时间为120s，六台造气炉吹风时间刚好是循环时间，这样刚好可以稳定入炉空气使用量，氧含量波动也相对较小了，从实践中看，通过调整，氧含量波动可以控制在2%以内。

6 结束语

在间歇式制气的合成氨工艺中，采用增氧制气后，可以极大提高造气炉单炉发气量，同时提高蒸汽分解率，降低造气消耗，鉴于以上优势，越来越多的间歇式制气合成氨装置采用了增氧制气，同时也出现了一些新的问题，本文针对目前存在的问题提出有效的优化措施，如何能彻底解决上述问题还需进一步探讨。

参考文献

[1]梅安华主编.小合成氨厂工艺与设计手册[M].北京:化工工业出版社,1995.

[2]中国氮肥工业协会.水煤气工[M].北京:化工工业出版社,2010.6