摘要：針對發生爐煤氣生產過程中出現的密封性不好、氣化過程不穩定等問題，從煤氣生產系統的密封方式、煤氣濃度監測及加煤系統煤氣泄漏治理、煤氣發生爐爐體結構、煤氣生產控制方法、煤氣發生爐蒸汽系統等方面提出了改進措施。運行實踐表明，具有良好的安全生產、節能減排、經濟方面的效益。
關鍵詞：發生爐煤氣；煤氣發生爐；密封；煤氣泄漏
Improvement of Producer Gas Production System
LU Xiu-mei，ZHU Zheng-bing，GA0 Yun-long
Abstract：Aimed at the problems such as poor tightness and unstable gasification process occurred during producer gas production，the improvement measures are proposed in terms of sealing mode of gas production system，monitoring of gas concentration，treatment of gas leakage from coal charge system，body structure of gas producer，control method of gas production，steam system of gas producer and so on. The operation practice shows that excellent benefits in terms of safety production，energy saving and emission reduction and economy are obtained.
Key words：producer gas；gas producer；sealing；gas leakage
1 概述
中國是一個以煤為主要能源的國家，煤炭資源十分豐富，而石油資源相對比較貧乏。近年來，隨著國家能源結構的調整，煤炭在中國一次能源消費結構中的比例雖有所下降，但在目前和未來相當長一個時期內，煤炭在常規能源的生產和消費中的主導地位不會改變。據專家預測，到2050年，煤炭在中國一次能源消費結構中的比例仍將占50%以上。隨著石油價格的上升和環保要求的得高，煤炭潔凈利用是必由之路，作為煤轉化核心的氣化技術前景廣闊。但在進行煤轉化的過程中，由于設備、工藝方面存在的限制和密封問題，造成氣化環境惡劣，存在煤氣中毒、爆炸和火災的風險。因此，研究、開發、改進氣化技術和設備，改善氣化環境，安全、環保、穩定、低耗地進行煤的轉化，越來越受到業界的關注和重視[1～4]。
目前，國內外煤炭氣化成熟的設備和技術已較多，在安全、環保、經濟性方面也做了許多有益的探索及應用[5～10]。云南鋁業股份有限公司炭素廠主要生產電解鋁用炭素陽極，炭素廠由5個車間組成，分別是煅燒車間、成型車間、焙燒車間、煤氣車間、組裝車間。煤氣車間生產的煤氣主要為煅燒車間、成型車間、焙燒車間提供燃料。煤氣車間采用的氣化設備是濟南某工業煤氣發生爐廠生產的BG3.0-93型固定床煤氣發生爐，該發生爐的設計煤氣產量為6000～8000m3/h，生產單位體積煤氣的煤耗為0.33kg/m3。工藝流程是冷煤氣流程，以無煙煤為主要原料，以空氣和水蒸氣的混合物作為氣化劑，生成的煤氣經單豎管、洗滌塔洗滌后對煤氣進行除塵、降溫處理，然后送給用戶。
該4臺煤氣發生爐于1998年12月投入運行，基本上達到了設計的技術參數。由于使用年限較長、設備工藝落后以及原料更改等原因，在生產過程中存在煤氣泄漏嚴重、生產過程穩定性差、經濟性差等問題。為了保證安全、穩定、經濟地進行生產，達到安全環保要求，延長煤氣發生爐的使用壽命，進一步提高煤氣質量和產量，降低能耗，我們對煤氣生產系統從以下5個方面進行了創新和改進，取得了顯著的成績。
2 煤氣生產系統的密封方式
在煤氣生產過程中，系統的密封性能決定著煤氣生產環境中煤氣濃度以及發生煤氣中毒、火災、爆炸等事故的概率。在實際生產過程中，出現煤氣泄漏的點主要是煤氣發生爐探火孔。在探火作業時，原設計用高壓蒸汽在探火孔環形通道內高速流動形成汽膜，由汽膜對煤氣進行密封，高壓蒸汽流向爐內。采用1根蒸汽環管(DN 40mm)，經11根支管(DN 20mm)供給探火孔作密封用，由于蒸汽壓力不足，密封效果較差。改造前、后探火孔蒸汽密封方式見圖1、2。
改造方案是：將原來的蒸汽環管從中間截斷成兩半，一半沿用原來的探火蒸汽管和閥門，只是將兩端用堵頭堵住，主要用來密封5、6、7、8、11號探火孔；用1根直徑為40mm的無縫鋼管從蒸汽總管引至另一半環管上，加裝1個DN 40mm的截止閥作為控制用，這一半環管主要用來密封1、2、3、4、9、10號探火孔。經過這一改進后，提高了密封煤氣的蒸汽壓力，解決了在探火時因蒸汽壓力較低而造成密封效果較差、煤氣泄漏嚴重的問題。
3 煤氣濃度監測及加煤系統煤氣泄漏治理
加煤作業的操作程序是打開煤氣發生爐加煤系統下閥，將中間料倉內的煤加入煤氣發生爐內，然后關閉加煤系統下閥，再打開煤氣發生爐加煤系統上閥，將煤氣發生爐上部料倉的煤加至中間料倉內，然后再關閉加煤系統上閥，如此重復。此時，由于煤氣發生爐加煤系統上閥、下閥的開閉之間有一定的時間間隔，在打開加煤系統下閥時，部分煤氣會流至中間料倉內，而在打開加煤系統上閥時，此部分煤氣會流至煤氣發生爐上部料倉。另外，加煤系統下閥和上閥由于長期動作而導致密封不嚴，也會有一部分煤氣泄漏至煤氣發生爐上部料倉內。原設計在煤氣發生爐上部料倉安裝有一根直徑為325mm、高度為6m的無縫鋼管作為放散管，由于其抽力僅為4.28Pa，難以將加煤時以及加煤系統上閥、下閥密封不嚴時泄漏至煤氣發生爐上部料倉的煤氣及時排出，再加上煤氣發生爐上部料倉四周均有高度為1200mm的擋墻，煤氣不易擴散，造成此區域煤氣體積分數高達1000×10-6以上，而在運煤作業時，必須有操作工在此區域內作業，導致此區域內的作業人員經常出現煤氣中毒現象。另外，煤氣發生爐操作面原設計為封閉式，通風僅靠窗子和安裝于墻上的4臺軸流風機，通風效果極差，泄漏出來的煤氣不易擴散，容易造成人員中毒。煤氣發生爐操作面由于沒有在線煤氣濃度監測系統，操作人員無法實時對煤氣濃度進行監測，必須持移動式煤氣濃度監測儀器進入現場監測方可了解煤氣濃度情況。一方面，對監測人員的安全不利；另一方面，由于無法實時了解煤氣濃度情況，人員易進入危險區域而不自知，無法較好地預防煤氣中毒事件的發生。因此，我們主要從泄漏煤氣的監測、操作面的通風和放散管的強制抽排等方面進行改造。
① 煤氣發生爐上部料倉放散管改造
將原來的4臺煤氣發生爐料倉放散管下部各截去一段后，分別安裝了4臺風壓為378Pa、風量為7657m3/h、功率為1.5kW的防爆型管道軸流風機，用于強制將泄漏至煤氣發生爐上部料倉的煤氣進行抽排。
② 煤氣發生爐操作面及上部料倉通風
將原來煤氣發生爐操作面南、北向的墻體全部拆除，以強化通風效果；將煤氣發生爐上部料倉四周的擋墻由高度為1200mm拆除至高度為600mm。因防止雨水進入煤氣發生爐料倉，故保留了高度為600mm的擋墻用于阻擋雨水。
③ 煤氣泄漏區域煤氣濃度監測
在煤氣發生爐操作面安裝了2個煤氣濃度監測探頭，在煤氣發生爐上部料倉高度為600mm的擋墻內的區域安裝了2個煤氣濃度監測探頭，在煤氣發生爐操作面安全通道上安裝了1個煤氣濃度監測探頭，在排送機房安裝了2個煤氣濃度監測探頭。其中，煤氣發生爐操作面、煤氣發生爐料倉以及煤氣發生爐操作面安全通道上所安裝的煤氣濃度監測探頭統一接至煤氣發生爐控制室內進行實時監測；煤氣排送機房內安裝的2個煤氣濃度監測探頭統一引至煤氣排送機控制室內進行實時監測。通過這一改造，操作人員可以實時對各區域的煤氣濃度進行了解，在煤氣濃度超標時，能采取相應的防護和處理措施，增強了應對煤氣中毒事件的能力。
④ 改造效果
改造后，在啟動軸流風機時，煤氣發生爐上部料倉處煤氣體積分數由1000×10-6左右降至30×10-6左右；煤氣發生爐操作面煤氣體積分數由50×10-6左右降至10×10-6左右。對煤氣發生爐上部料倉、煤氣發生爐操作面以及煤氣排送機房這3個可能存在煤氣泄漏的區域實現了煤氣濃度實時監測。
4 煤氣發生爐爐體結構的改進
4.1 存在的問題
① 在煤氣發生爐運行過程中，由于爐出口煤氣溫度為480～600℃，爐出口擋板經常出現燒損、脫落現象。
② 在進行空氣和蒸汽的混合時，由于空氣和蒸汽接觸表面積較小、接觸時間短，尤其是負荷較大時，因流速較快，接觸時間更短，造成了空氣和蒸汽混合不夠充分，最終導致煤氣發生爐內的氣化不完全，氣化效果差。
③ 煤氣發生爐水夾套須定期進行排污，以避免水夾套內污物積存過多而導致受熱面受熱不均。但由于排污采用截止閥控制，打開緩慢、阻力大。
④ 飽和管上裝有1塊0.5mm厚的退火鋁板作為防爆板，用于爐底部發生爆炸時泄壓。一方面，發生爐爐底爆炸時由于該防爆板采用平裝方式(見圖3)，爆炸波和鋁片易傷到人；另一方面，蒸汽凝結水易對鋁板造成腐蝕，導致鋁板使用壽命縮短。
4.2 改進措施
① 提高爐出口擋板的耐溫性
在爐出口擋板下部先用直徑為6mm的不銹鋼鋼筋每隔40mm焊1個倒Y形鉚鉤，該鉚鉤高度為30mm，然后用耐火材料澆鑄厚度為30mm的耐火層。通過以上改造，達到了用耐火材料對爐出口擋板提供保護的目的。
② 強化氣化劑的混合程度
改變蒸汽進入飽和管的方式，首先在飽和管外部加1根管徑為100mm的環形管，環形管上接1段長度為200mm、直徑為200mm的緩沖管，使蒸汽在緩沖管內得到緩沖，然后將蒸汽由6根直徑為40mm的支管引入飽和管，在每根支管上分別鉆12個直徑為14mm的孔(靠飽和管內壁一側不鉆孔)，支管末端出口用盲板堵住。改造后飽和管結構見圖4。通過以上改造，實現了蒸汽和空氣的充分混合，提高了氣化劑的品質，從而改善了爐內氣化狀況。
③ 改變排污方式
由于原設計所選用的排污閥為截止閥，開啟比較緩慢，無法在短時間內形成較大的抽排力使發生爐水夾套內沉積的雜質排出。因此，我們在原有的排污閥(截止閥)下面再安裝1個快開閥(球閥)，在進行排污時，先將截止閥全開后，再快速將球閥全部打開，在短時間內形成較大的抽力，將沉積在發生爐水夾套底部的雜質徹底排出。
④ 改變飽和管防爆板位置
在原設計的防爆板的位置處安裝1個DN 480mm、90°的彎管，再在此彎管上安裝防爆板(見圖4)，從而將平裝式的防爆板變成了立裝式，在發生爆炸時，爆炸波和防爆板碎片都垂直向上，不會傷及到人或設備。
5 煤氣生產控制方法的改進
5.1 存在問題
① 在生產過程中，應定期將煤氣發生爐產生的灰渣排出，改造前操作工除渣采用時間短、爐箅頻率快、渣量大的方式。采用此種方式進行除渣，容易導致渣和爐箅、風帽之間的剪切力、摩擦力在高溫下損壞爐箅、風帽，造成爐箅、風帽使用壽命縮短。
② 煤氣發生爐生產所用的風是從風帽與上爐箅、上爐箅與中爐箅、中爐箅與下爐箅3個間隙中通入，風帽與上爐箅、上爐箅與中爐箅、中爐箅與下爐箅的布風比例為30%：30%：40%。煤氣發生爐的邊探火孔正對著中爐算與下爐箅間隙處，中探火孔正對著上爐箅，從煤氣發生爐探火情況可以看出，邊探火孔處燃燒較好甚至出現過熱結渣現象，而中探火孔處燃燒較差甚至沒有灰層，由于沒有灰層保護而導致風帽、上爐箅經常燒損，從而影響爐內氣化料層的穩定及氣化反應的進行。從實際統計來看，風帽、上爐箅、中爐箅僅能使用3個月左右。
③ 在進行煤氣發生爐的生產負荷調節時，每臺煤氣發生爐有1個就地進風蝶閥，靠調節進風蝶閥的開度來調節負荷大小。由于無就地壓力表和就地空氣流量表，在進行負荷調節時，經常會出現調節不準確的問題，甚至導致煤氣發生爐出現負壓生產的情況，嚴重影響了煤氣生產的安全、穩定。另外，由于進風蝶閥較為分散(每臺發生爐1個，且距離較遠)，導致無法同時對2臺及2臺以上的煤氣發生爐進行負荷調節，更加造成了調節過程的不穩定性。
④ 車間生產控制各個崗位采用分散控制的方式，造成崗位設置較多，人員較為分散；而司爐崗位在有人員休假或其他事情時，人員明顯不足，存在一定的安全隱患。
5.2 改進措施
① 在除渣控制方法上，打破常規，要求操作工采用長時間、爐箅低頻率、小渣量的除渣方式。
② 根據每次停爐檢修時上、中、下爐箅的磨損情況，將上、中爐箅由原來整個圓周面上的厚度均為25mm改為外圓周面厚度為40mm，以一定角度向中心面逐漸減小到厚度為20mm，這主要是為了延長爐箅的使用壽命。將上爐箅和風帽間的高度由原來的120mm改為140mm，從而使煤氣發生爐風帽與上爐箅、上爐箅與中爐箅、中爐箅與下爐箅的布風比例改為35%：30%：35%。通過以上改進，延長了煤氣發生爐爐箅的磨損時間，煤氣生產的運行工況得到了改善。
③ 對煤氣發生爐負荷的控制方式，改為在進入每臺煤氣發生爐空氣支管的蝶閥后面安裝1臺電動調節閥，將電動調節閥的調節信號引入司爐控制室，在司爐控制室進行生產負荷控制。在正常運行時，空氣蝶閥處于全開狀態，用電動調節閥來控制空氣流量。熱備用或冷備用時，將空氣蝶閥和電動調節閥均關閉。這樣，一方面，可以在控制室根據負荷變化情況及時、準確地對生產負荷進行調節；另一方面，也可以對多臺煤氣發生爐同時進行調節。這不僅增強了煤氣生產的安全性，對平衡各臺煤氣發生爐的生產負荷也十分有利。
④ 對控制較為分散的問題，利用原料輸送閑置的PLC點，將循環水泵崗位需要監測的參數引至司爐控制室，用計算機進行參數的集中監控，并用工業攝像機對循環水泵運行現場進行實時圖像監控，主要監控循環水泵及管道是否漏水。循環泵崗位人員只需每1h巡視1次循環水泵就能保證循環水泵正常運行。從而可以將循環水泵崗位人員經過培訓以后調整至司爐控制室，解決了人員不足所帶來的安全生產隱患。
6 蒸汽系統的改進
外來蒸汽的壓力一般在0.8MPa左右，經過減壓閥減壓后最低保持在0.15MPa左右。煤氣發生爐自產蒸汽的壓力一般在0.045MPa左右，設計壓力不超過0.075MPa，經過汽包匯集后與減壓后的外供蒸汽一起進入爐前蒸汽總管。改造前煤氣發生爐蒸汽系統見圖5。由于兩者壓力之差，導致外供蒸汽流入煤氣發生爐汽包，造成煤氣發生爐的自產蒸汽無法進入爐前蒸汽總管，汽包安全閥長年處于開啟放散狀態，從而使大量的蒸汽浪費，存在汽包壓力持續超過設計要求的不安全因素。
針對以上問題，我們對蒸汽系統進行了改進：①重新布置1根長度為40m、外徑為108mm的無縫鋼管作為自產蒸汽的主管道(即新增自產蒸汽主管)。②將4臺煤氣發生爐汽包的出汽管與原主管分開后，接到新增自產蒸汽主管上。③在新增自產蒸汽主管至每臺煤氣發生爐飽和管之間加1個DN 100mm的截止閥(8號閥)。④將原來旁通閥(4號閥)由截止閥改為閘閥。改造后煤氣發生爐蒸汽系統見圖6。
這樣，在正常運行時，8號閥全開，將自產蒸汽全部用于煤氣生產，4號閥全關。不足部分通過主路上的2號閥來調節外來蒸汽進行補充。在生產負荷較小時，將8號閥關閉，4號閥全部打開，5號閥關閉，靠2號閥來調節白產蒸汽供入煤氣發生爐內的蒸汽量。
7 與當前同類研究相比的獨創點
① 安全環保性增強。通過該項技術的實施，煤氣生產現場的煤氣泄漏得到了控制，煤氣濃度明顯降低，對各區域的煤氣濃度實現了實時監測控制，煤氣泄漏對環境的污染得到了顯著的改善。
② 節能減排效果顯著，煤氣發生爐爐箅使用壽命明顯延長。在改造前，生產單位體積煤氣的煤耗高達263g/m3(2007年數據)，灰渣含碳質量分數為27.58%(2007年數據)，煤氣發生爐自產蒸汽長年處于無法回收利用狀態，煤氣發生爐爐箅使用壽命較短，僅達到3個月左右。
改造后，生產單位體積煤氣的煤耗降至246g/m3，2009年共生產煤氣73816257m3，則2009年可節約無煙煤1254.88t，無煙煤的價格為726元/t，全年節約無煙煤的費用為91.10×104元。
改造后，煤氣發生爐自產蒸汽可以全部回收利用，每年可節約的費用為53.5×104元。
改造后，煤氣發生爐的風帽、上爐箅、中爐箅使用壽命均達到了10個月以上，由此減少的更換風帽、上爐箅、中爐箅的費用為10.58×104元。
以上3項合計，直接經濟效益為155.2×104元/a。
③ 在技術上完全依靠自主開發，獲得多項專利[11～13]。通過自主創新，將煤氣生產安全、穩定、經濟運行的理念變成了現實。完全依靠自身技術力量，自主開發，一批專業技術人員在技術開發過程中得到鍛煉和成長。
④ 有著巨大的行業推廣價值。主要表現在較低的投入就可以實現煤氣生產安全、環保、穩定、經濟運行，收益較大。
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(本文作者：魯秀梅 朱正兵 高云龍 云南鋁業股份有限公司炭素廠 云南昆明 650502)
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