陳倩倩，何曉方，孫東柏，傅 超

(萬華化學(xué)(寧波)有限公司， 浙江寧波 315812)

1 背景介紹

1.1 煤氣化工藝反應(yīng)流程

氣化工序大煤漿槽(V0701)內(nèi)的煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%～65%，經(jīng)過2臺高壓煤漿泵(P0701)后與林德高壓氧氣一起進(jìn)入工藝燒嘴，噴射進(jìn)入氣化爐(F0701)(操作壓力為5.8～6.5 MPa，溫度為1 100～1 300 ℃)，發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成以CO(體積分?jǐn)?shù)為43%～51%)、H2(體積分?jǐn)?shù)為30%～40%)、CO2(體積分?jǐn)?shù)為12%～20%)為主要成分的粗合成氣。粗合成氣與熔融狀態(tài)的渣通過燃燒室下部的渣口和激冷環(huán)后進(jìn)入下降管，之后進(jìn)入激冷室。合成氣經(jīng)激冷水冷卻后，通過激冷室上部的出口管進(jìn)入旋風(fēng)分離器(Y0701)和水洗塔(T0701)中進(jìn)行后續(xù)處理，灰渣經(jīng)過冷卻后凝固為固態(tài)，再通過靜態(tài)破渣器破碎后進(jìn)入鎖斗(V0707)，再定期排入渣池(V0709)。排渣流程及氣化爐結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖1。

圖1 排渣流程及氣化爐結(jié)構(gòu)示意簡圖

1.2 氣化爐堵渣異常

案例1：2018年11月29日中班，F(xiàn)0701A使用神華511(1127批次)煤時(shí)出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)處理后，12月2日白班F0701A持續(xù)堵渣，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。工藝人員手動停車后，對其檢修。

案例2:2019年2月3日，F(xiàn)0701B使用神華511(0103批次)煤時(shí)出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象。工藝人員使用高壓灰水多次反沖后無效，進(jìn)行氣化爐切氣降壓處理，氣化爐壓力降至2.0 MPa后，仍無法疏通排渣路線，工藝人員手動停車。

案例3:2020年1月1日，F(xiàn)0701C使用神華515(1027批次)煤時(shí)出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象。工藝人員現(xiàn)場堵渣處理后，避免停車。

案例4:2020年2月9日，F(xiàn)0701C使用神華515(0108批次)煤時(shí)出現(xiàn)堵渣現(xiàn)象。工藝人員及時(shí)聯(lián)系碼頭將原煤更換為神華515(1020批次)，3 h后氣化爐堵渣情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，避免停車。

1.3 氣化爐堵渣現(xiàn)象與判斷

經(jīng)過理論分析與氣化爐內(nèi)實(shí)際觀察，發(fā)現(xiàn)堵渣大多數(shù)發(fā)生在氣化爐渣口處，一旦堵渣，相關(guān)參數(shù)就會變化。

1.3.1 CO體積分?jǐn)?shù)升高

堵渣前后工藝氣中CO體積分?jǐn)?shù)變化見圖2。

圖2 堵渣前后工藝氣中CO體積分?jǐn)?shù)變化情況

由圖2可知:氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，合成氣中CO體積分?jǐn)?shù)為45%～48.5%；堵渣時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)為49%～53%。

氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，工藝氣各成分含量基本恒定不變。堵渣后，渣口流通面積減小，導(dǎo)致反應(yīng)物在燃燒室停留時(shí)間增加，更多的CO2參加副反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO。由在線觀察分析可知：CO2體積分?jǐn)?shù)降低，CO體積分?jǐn)?shù)升高且速率較快。合成氣中CO體積分?jǐn)?shù)顯著升高是判斷是否出現(xiàn)堵渣的重要參考依據(jù)[1]。

1.3.2 氣化爐渣口壓差波動

堵渣前后渣口壓差(PDI-0706)變化趨勢見圖3。

圖3 堵渣前后渣口壓差變化趨勢

由圖3可知:由于堵渣初期渣口未完全堵死，PDI-0706會出現(xiàn)不明顯波動,是體現(xiàn)氣化爐燃燒室與激冷室之間是否通暢的指標(biāo)。

1.3.3 鎖斗運(yùn)行異常

當(dāng)出現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)升高及PDI-0706波動時(shí)，工藝人員會通過提高氧煤比來升高爐溫，進(jìn)而使渣口的灰渣熔化排出。但在熔渣過程中，有可能出現(xiàn)大塊灰渣掉落，造成鎖斗堵塞。此時(shí)鎖斗運(yùn)行參數(shù)會出現(xiàn)異常。

(1) 鎖斗壓差(PDI-0709)下降，P0703出口流量(FI-0713)降低?；以氯赩0707中會導(dǎo)致循環(huán)水流動不暢，表現(xiàn)為FI-0713下降以及PDI-0709降低，最低時(shí)為-0.2 MPa。嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致鎖斗閥門(KV0709)聯(lián)鎖關(guān)閉，鎖斗循環(huán)無法建立。

(2) 排渣時(shí)V0707溫度變化不明顯，撈渣機(jī)(L0701)電流波動幅度下降。氣化爐正常排渣時(shí)，V0707上層溫度(TI-0711)會顯著上升；氣化爐處于集渣狀態(tài)時(shí)，鎖斗中的灰渣逐漸下沉，使V0707下層溫度(TI-0712)逐漸上升。發(fā)生堵渣時(shí)，由于氣化爐中的灰渣無法排入V0707中，導(dǎo)致TI-07111和TI-0712不會明顯上升。故可以通過TI-0712上升來判斷V0707是否出現(xiàn)堵渣。

氣化爐正常排渣過程中，V0707中的渣排至V0709后，L0701將固態(tài)的灰渣撈出。因氣化爐周期性排渣，所以L0701的電流也會出現(xiàn)周期性上漲。堵渣發(fā)生后，因灰渣堵在V0707中，無法全部進(jìn)入V0709，故L0701的電流波動幅度會明顯下降。

(3) 氣化爐正常排渣時(shí)，進(jìn)入V0709中的渣其粒度均勻，直徑在5 mm左右，表面光滑，灰量占總渣量的50%(體積分?jǐn)?shù))以上。

堵渣時(shí)，有少量拉絲現(xiàn)象，渣量適中或偏小，說明渣的流動性變差，渣口出現(xiàn)堵塞，呈不規(guī)則狀;拉絲較多甚至呈巖棉狀，無成型渣塊或渣粒，且數(shù)量偏多，說明渣口或下降管已堵塞且較嚴(yán)重;渣量較少,存在大塊且拉絲較多，說明在堵渣處理過程中有少量渣落下，處理效果不明顯。

1.4 堵渣后工藝處理措施

1.4.1 提溫熔渣處理

氣化爐出現(xiàn)堵渣后,工藝人員要緩慢提高氣化爐溫度進(jìn)行熔渣處理，避免大塊灰渣突然落下，使堵渣情況惡化。具體操作為中控人員調(diào)節(jié)氧氣流量，增大氧煤比使?fàn)t膛溫度升高，觀察各項(xiàng)參數(shù)(如PDI-0706、工藝氣成分等)的變化?，F(xiàn)場人員需要重點(diǎn)監(jiān)測氣化爐爐壁溫度及拱頂溫度，防止超溫現(xiàn)象，在爐壁溫度接近設(shè)計(jì)高限時(shí)必須停車處理。中控提溫過程中,灰渣易堵塞在氣化爐與鎖斗管道鎖渣閥之間，要做好應(yīng)對準(zhǔn)備。

1.4.2 V0707手動狀態(tài)處理

(1) 增大KV0708/KV0709之間反沖洗水量。

中控人員關(guān)閉除KV0708/KV0709以外的所有鎖渣閥，現(xiàn)場人員確認(rèn)KV0717前手閥全開后，中控人員打開KV0717及KV0708/KV0709之間的反沖洗水閥，用最大量向上反沖，一般持續(xù)10 min。沖洗后投用集渣，觀察沖洗效果。為保證達(dá)到最大沖洗水量，需要現(xiàn)場人員啟動備用泵(P0801)。同時(shí)中控人員需要將氣化爐液位計(jì)聯(lián)鎖摘除，避免沖洗過程中氣化爐液位計(jì)波動造成氣化爐異常停車。

(2) 間歇性鎖斗高壓反沖，提高F0701與V0707壓差。

中控人員將除KV0708以外所有鎖渣閥關(guān)閉；打開KV0717給鎖斗充壓，壓力至8 MPa以上后打開KV0709；待壓力降低后，關(guān)閉KV0709；重復(fù)上述操作10次以上后投用集渣，觀察處理效果。

若處理效果不佳，則打開KV0709，關(guān)閉KV0708，給V0707充壓后，打開KV0708，待壓力下降后，關(guān)閉KV0708。重復(fù)10次以上后投用集渣，觀察處理效果。

(3) 氣化爐降負(fù)荷，降壓后進(jìn)行反沖。

以上操作無效時(shí)需要降低氣化爐負(fù)荷，進(jìn)行氣化爐切氣降壓(至3.0～4.0 MPa)操作，目的是進(jìn)一步提高氣化爐與V0707之間壓差，提高反沖洗效果。降壓操作時(shí)，氣化爐運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高，中控人員應(yīng)關(guān)注大煤漿泵出口壓力以及流量變化，及時(shí)調(diào)整氧煤比。同時(shí),關(guān)注P0705入口溫度、入口流量及泵電流變化，防止低壓運(yùn)行時(shí)激冷水泵運(yùn)行異常。氣化爐長期未排渣，利用大量水進(jìn)行反沖時(shí)，沖洗水有可能通過燃燒室氣相出口進(jìn)入Y0701中，所以需要注意高壓閃蒸系統(tǒng)溫度和壓力。

1.5 氣化爐堵渣原因

1.5.1 氣化爐操作溫度

爐溫偏低導(dǎo)致灰渣流動性不好。根據(jù)灰渣的黏溫特性曲線可知：爐溫偏低時(shí)，灰渣的黏度較高、流動性較差[2]，在爐壁及渣口處無法順利流下，產(chǎn)生堆積；當(dāng)爐壁的灰渣積累到一定厚度時(shí)，在重力和流體沖刷的雙重作用下，大塊的灰渣會掉落，使渣口流通面積進(jìn)一步減小。

因氣化爐負(fù)荷調(diào)整過快引起爐溫波動較大，以及新煤的灰渣黏溫特性曲線發(fā)生變化導(dǎo)致溫度控制出現(xiàn)偏差，均會對氣化爐排渣情況造成影響。

1.5.2 原煤因素

由于操作要求略高于灰熔點(diǎn)30～50 ℃，灰分高、灰熔點(diǎn)高時(shí)[3-4]，溫度很難把握，而且灰渣含量較平時(shí)大。如溫度稍低，渣流動變慢，易在渣口聚集，影響排渣。

針對案例1，對異常原煤(1127批次)與正常原煤(1025批次)取樣并委外進(jìn)行黏溫特性分析發(fā)現(xiàn)：1127批次煤的黏溫特性曲線斜率較大；臨界溫度(牛頓流體流動狀態(tài))較1025批次煤高12 ℃，操作彈性差(見圖4)。

圖4 黏溫特性對比曲線圖

大塊灰渣掉落過程中造成破渣器損壞。案例1中,氣化爐堵渣停車后檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)破渣器頂部被砸斷，積渣較多。

2 改進(jìn)措施

2.1 原煤控制

制定煤使用流程：原煤到貨后,進(jìn)行原煤全分析、灰組分檢測、黏溫特性分析；根據(jù)數(shù)據(jù),由工程師制定爐溫控制標(biāo)準(zhǔn)；新煤試燒3 d后進(jìn)行新煤適用評估;差煤時(shí)需進(jìn)行摻兌。

2.2 統(tǒng)一氣化爐工藝操作標(biāo)準(zhǔn)

針對操作人員不固定、操作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況，工程師應(yīng)根據(jù)每批次煤的黏溫特性測試報(bào)告下達(dá)氣化爐操作溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，明確甲烷控制范圍，進(jìn)而穩(wěn)定氣化爐溫度，控制灰渣流動。

氣化爐調(diào)整負(fù)荷時(shí)間控制在10 min以內(nèi)，負(fù)荷調(diào)整時(shí)增減一個(gè)煤漿泵變頻，同時(shí)及時(shí)調(diào)整氧氣量，控制工藝氣甲烷體積分?jǐn)?shù)在200×10-6內(nèi)波動。防止氣化爐爐溫波動造成氣化爐堵渣。

根據(jù)氣化爐運(yùn)行情況，制定煤漿濃度及黏度控制標(biāo)準(zhǔn)，保證煤漿質(zhì)量。

2.3 氣化爐靜態(tài)破渣器改善

靜態(tài)破渣器工作原理：灰渣進(jìn)入洗滌水中后，粒徑大于150 mm的灰渣在重力和水的湍動作用下沿靜態(tài)破渣器柵格斜面向下滾動；借助水的湍動和靜態(tài)破渣器的棱角將其破碎，未被破碎的灰渣(一般量不大)被柵格攔截，堆積于靜態(tài)破渣錐的底部，通過檢修時(shí)將其清除。另外，在洗滌冷卻管與靜態(tài)破渣器之間的渣水因受氣泡的擾動而湍動得相當(dāng)劇烈，借助渣水的流動可以將灰渣松散地堆積在靜態(tài)破渣器柵格上(有利于細(xì)渣集體下沉)，大塊的灰渣在不斷擾動中與棱錐碰撞而破碎。

靜態(tài)破渣器可以破除蓬松的渣，但部分大塊的灰渣無法被破碎，會在靜態(tài)破渣器上堆積堵塞。

案例1中，F(xiàn)0701A停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)靜態(tài)破渣器上部被砸壞。為此將靜態(tài)破渣器由鐵環(huán)式改為鋼板式，減小其受力面積并增大壓強(qiáng)，更利于渣的破碎(見圖5和圖6)。同時(shí)增加靜態(tài)破渣器強(qiáng)度，避免損壞。

圖5 鐵環(huán)式靜態(tài)破渣器

圖6 鋼板式靜態(tài)破渣器

2.4 鎖斗反沖管線改造

鎖渣系統(tǒng)中,原始設(shè)計(jì)鎖斗反沖管道管徑為DN50，在實(shí)際使用過程中，當(dāng)鎖斗堵渣時(shí)，管道流量低，反沖效果不明顯。2019年大修時(shí)對反沖洗管道進(jìn)行以下變動：

(1) 將原有P0801至鎖斗管道管徑由DN50改為DN80，并在擴(kuò)徑后的管道上增加程控閥門，便于中控及時(shí)操作。

(2) 在高壓氮罐(V0702)處引出一股N132，接至KV0708/KV0709之間作為備用反沖管道，并配備程控閥與“8”字盲板、安全閥等安全附件。

(3) 增加超壓保護(hù)邏輯，在KV0708與KV0709同時(shí)關(guān)閉或KV0709打開時(shí)，當(dāng)PI0710B1大于7.1 MPa，N132反沖洗閥門(XV07102)聯(lián)鎖關(guān)閉。

制定原煤使用方案以及處理措施，堵渣現(xiàn)象得到改善。因?yàn)槭褂玫讓用阂约案鼡Q煤,氣化爐2018年堵渣多達(dá)13次,造成2次停車。后經(jīng)過改善，2019年堵渣次數(shù)明顯減少。

5 結(jié)語

要從多方面分析氣化爐堵渣原因，并進(jìn)行綜合改善。2016年至今，氣化爐堵渣頻繁出現(xiàn)，工藝人員把控原煤以解決原煤成分對氣化爐運(yùn)行的影響；及時(shí)關(guān)注氣化爐運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)參數(shù)變化下達(dá)爐溫控制指令；根據(jù)檢修進(jìn)度改善設(shè)備，進(jìn)一步減少氣化爐堵渣異常的發(fā)生；完善堵渣異常處理操作規(guī)程，使員工有章可循。只有在氣化爐運(yùn)行過程中不斷嘗試和改進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)裝置的高效生產(chǎn)，提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。