殼牌氣化爐渣灰系統(tǒng)常見問題分析與總結

時紀偉,代彩玲

(河南中原大化有限公司,河南濮陽 457000)

殼牌氣化爐以煤粉為原料,原料與空分來的氧氣混合后反應生成合成氣,再將合成氣送至其他用戶(制甲醇,或用于合成氨等)。其主要流程是:從煤廠來的原煤與一定比例的石灰石(助熔劑)送入磨煤機,磨合格后的煤粉進入到煤粉加壓進料系統(tǒng),煤粉通過加壓后以氮氣為載體,加入一定比例的氧氣送入到氣化爐四個燒嘴,再由燒嘴噴入反應室內(nèi)反應,反應生成的合成氣被來自濕洗單元的低溫合成氣激冷后,再通過中壓換熱器冷卻到340℃以下進入到除灰單元。在除灰單元中,灰被過濾分離出來進入灰系統(tǒng),而合成氣則進入濕洗單元,濕洗后一部分合成氣送到用戶,一部分返回到氣化爐激冷段;在氣化爐反應室中還有一部反應殘留物,那就是煤渣,剛反應出來的渣是高溫流體狀的,渣通過擋渣屏,由渣口進入到渣浴系統(tǒng)進行冷卻,由于是高溫流體進入到低溫循環(huán)渣水中,這些高溫流體融熔渣立即變成細小顆粒渣,就是我們通常所說的渣。渣通過除渣系統(tǒng)送到外界。

1 渣系統(tǒng)

這個系統(tǒng)主要包括從渣的生成到渣的處理兩個階段。渣系統(tǒng)常見的問題主要是氣化爐的垮渣和除渣系統(tǒng)的堵渣,其中除渣系統(tǒng)的堵渣是垮渣出現(xiàn)后造成的。對于這兩個問題,放在一起作以下討論。

1.1 垮渣過程及分析

(1)經(jīng)過

在一次裝置運行中,除渣系統(tǒng)突然不能順利下渣,隨后的一個多小時操作人員通過向上頂渣的方式仍不見好轉,之后出現(xiàn)13PD0065壓差突然降至-55 kPa,造成氣化系統(tǒng)停車。

(2)現(xiàn)象

第一階段 在停車前的16 h左右出現(xiàn)了破渣機油泵壓力首次達到3.9 MPa,在現(xiàn)場帶回來的渣中發(fā)現(xiàn)有很多細渣,當時我們以為渣樣取不及時或者是太提前了,接下來幾次下渣也是這樣的現(xiàn)象,其中有一次渣的顆粒比較大,沒有大塊渣的出現(xiàn),不過之后破渣機油壓保持在2.0 MPa左右維持一定的時間后,油壓降至正常值0.8 MPa。

第二階段 在停車的2h之前又出現(xiàn)了一次破渣機油壓上升到4.0 MPa以上,渣樣仍然以細渣為主,之后油壓保持在2.0 MPa左右。

第三階段 在停車前的1 h左右,破渣機油壓一直在3.0 MPa以上,隨后出現(xiàn)了一次油壓高達15.0 MPa,將近破渣機跳車值,幾分鐘之后破渣機油壓又一次達到此值持續(xù)7 min,這時主控操作人員手動將破渣機閘板閥打開,以便讓大塊渣通過,幾分鐘之后就出現(xiàn)13PD0065壓差突然降至 -55 kPa,造成氣化系統(tǒng)聯(lián)鎖(13UZ0001)停車。

(3)現(xiàn)象分析

第一階段 油壓首次達到3.9 MPa的高值,渣樣大部分為細渣,由此我們初步判斷出可能會有垮渣出現(xiàn),不過此時分析渣的情況則完全可以認為氧煤比控制太低,主控人員在此情況下已經(jīng)做了調(diào)整,但力度不夠,以后也沒有做漸進性調(diào)整,由于系統(tǒng)負荷較高,氧煤比調(diào)整不得當或力度不夠,使得工況慢慢惡化。

第二階段 同第一階段一樣,不過不同的是主控已經(jīng)開始提高氧煤比,比例也不是很合適,此時的油壓及渣狀態(tài)比第一階段更壞。

第三階段 發(fā)展到此階段,出現(xiàn)垮渣現(xiàn)象已經(jīng)不能避免了,因為此時氣化爐膜式壁上已經(jīng)出現(xiàn)了部分垮渣現(xiàn)象,出現(xiàn)了大的渣塊,下渣系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞,造成下渣不順利甚至不能下渣。在第三階段,破渣機油壓兩次出現(xiàn)15 MPa時,已經(jīng)完全堵塞,且13PD0065壓差達-55 kPa的條件已經(jīng)形成,最后出現(xiàn)壓差低導致了13UZ0001聯(lián)鎖停車。

(4)其他情況的垮渣

氣化系統(tǒng)點火時的垮渣,這個情況好多廠家都出現(xiàn)過,我公司也出現(xiàn)過兩次。其主要原因有以下幾點:點火及點火后的幾個小時內(nèi)氧煤比控制不穩(wěn)定,造成反應溫度高低不均勻而形成了大的渣塊;前期點火溫度過高,氣化爐膜式壁上原來掛上的渣層被熔化成大渣塊。還有一種說法是,膜式壁上的渣層有裂縫,在停車時或停車檢修期間裂縫中進入一部水,點火時由于溫度太高,水瞬間變成蒸汽將渣層爆裂而產(chǎn)生渣塊。此種情況的垮渣造成的后果也很嚴重,一種情況是,除渣單元通過程序將大渣塊從收渣容器順利下到排渣容器中,再由排渣容器下到撈渣機中,但從排渣容器到撈渣機的排放很難進行,一般都是將排渣容器與收渣容器隔離開后,在排渣口處用鐵棍將大渣塊捅出來,如果處理時間太長,則必須停車處理;另一種情況是,大渣塊直接堵在破渣機處,或下不到排渣容器中,需停車處理。

運行中的突然垮渣很少出現(xiàn),只出現(xiàn)過一例。懷疑是煤與石灰石比例嚴重失衡,石灰石加入過量引起的。其他原因不明。

1.2 除渣系統(tǒng)(圖1)堵渣

圖1 除渣系統(tǒng)流程簡圖

氣化爐垮渣后,大塊的渣下到V-1402中,再通過14XV0009、14XV0010下V1403中,在這個過程中,大塊的渣很容易堵在 V1402和V1403中繼而造成降負荷或者是停車處理。在V1402中的堵渣一般來說可通過頂渣的方法來疏通,即將V1403用氮氣充壓高于V1402一定的壓力,然后將14XV0009/10打開,用兩者之間的壓力差來沖破渣的堵塞狀態(tài)。在V1402中的渣一般用這種方法都能破堵,而在V1403中則較難破堵。堵在V1403中時,先將壓力泄至常壓再將14XV0015/16打開(注意此時上下兩個不同壓力的容器必須相隔離開),現(xiàn)場人員在14XV0015/16閥門處用能彎曲的長鐵桿或儀表風管捅渣,若人力仍不能疏通則必須用高壓水破渣,注意在有渣出來的時候操作人員應迅速離開以免受到傷害。

在因垮渣的停車過程中,氣化爐泄壓要平穩(wěn)緩慢,下渣口上下的壓差要均衡,否則,溫度特別高的渣塊掉入渣池(水)中時,由于溫差大,會產(chǎn)生巨大的能量轉移[2],瞬間產(chǎn)生大量蒸汽并同時讓氣化爐升壓,壓力有時會高達1 MPa左右,氣化爐在此瞬時壓力的沖擊下,易造成內(nèi)件損壞。在打開氣化爐人孔進行清理時,一定要清理干凈,不要讓大渣塊掉入渣池中,否則會造成下次開車時堵塞。

2 灰系統(tǒng)

灰系統(tǒng)也是由兩部分組成的,氣化爐輸灰段和除灰系統(tǒng)。在這兩部分中,輸灰系統(tǒng)的積灰比較難處理,一般都會造成整個系統(tǒng)停車,除灰系統(tǒng)則比較好處理。

2.1 輸灰系統(tǒng)

氣化爐輸灰段也即氣化爐合成氣冷卻器部分,該段是由幾個中壓換熱器和一個過熱蒸汽換熱器組成,其中的過熱蒸汽換熱器上部有一個十字架,十字架下部由盤管繞成彈簧狀,中間是實心的水泥,盤管之間有環(huán)隙,合成氣從盤管的環(huán)隙中通過,而氣化爐的堵灰就在此十字架處。

積灰的原因及過程簡述如下。

(1)氣化爐反應溫度過高。據(jù)飛灰的特性,在溫度過高的情況下飛灰的粘度會增高,很容易粘在十字架的實心處及環(huán)隙附近的管壁上。

(2)系統(tǒng)升降負荷幅度過大。在系統(tǒng)負荷的升降過程中,氧煤比的調(diào)節(jié)是程序控制的,若負荷變化幅度過大,程序調(diào)節(jié)無法與負荷變化相一致時,容易造成氧煤比波動,氣化爐溫度將很難控制,易在十字架處形成初始粘灰,在之后的運行當中十字架處的壓差會慢慢升高,直至出現(xiàn)明顯積灰。

(3)煤質(zhì)變化。與氣化爐垮渣一樣,煤質(zhì)的變化同樣易引起積灰,不同的煤種其灰含量,熱值及CaO含量也不相同。新煤種進入氣化爐中時,氧煤比不能很好地把握,也容易造成積灰。

(4)石灰石加入量。石灰石是一種助熔劑,它的加入量直接影響氣化爐內(nèi)的反應溫度和飛灰的粘度。

(5)激冷氣流量。200℃激冷氣是用來冷卻氣化爐所產(chǎn)生的高溫合成氣的,如果激冷氣流量太低,會造成冷卻后的合成氣溫度過高,飛灰粘度增加而形成積灰。

(6)氣化爐負荷。由于激冷氣壓縮機普遍設計太小,所以氣化爐負荷不能太高,否則激冷氣的流量不夠,其后果同(5)。

2.2 除灰系統(tǒng)(流程示意如圖2)

最關鍵的裝置是飛灰過濾器(S1501),其他設備(V1502,V1504,V1505)出現(xiàn)問題則比較容易解決。眾所周知,飛灰過濾器是一個將灰和合成氣分離的裝置。它是由24組濾棒和厚壁容器組成的,濾棒是一種能讓氣體通過而灰不能通過的設備,是由一種燒結金屬通過特定的工藝加工制造而成,由于承受壓差的能力有限而易損壞。

圖2 除灰系統(tǒng)流程圖

除灰系統(tǒng)常見的問題有: (1)濾棒損壞; (2)灰橋結及粘壁;(3)反吹系統(tǒng)故障;(4)閥門故障。現(xiàn)針對這四種情況作重點討論。

2.2.1 濾棒損壞

濾棒損壞一般緣于壓差過大。造成壓差過大的原因有:濾棒粘灰,超高壓氮氣反吹時會形成高壓差;泄壓時或者其他狀況下帶水進入濾棒;反吹程序及閥門故障。

以上幾情況的解決辦法:針對反吹氣的壓力,我們通常控制其與氣化爐的壓力成一定的比例,不過這個比例的保持還要在其他系統(tǒng)充壓用氮氣時有所控制,保證這個比例在正常的允許范圍之內(nèi),最終的目的是,不能讓反吹壓力太高或太低,如果太高則容易將濾棒直接吹壞;如果太低就容易讓濾棒粘灰,待反吹氣壓力恢復時氣體不能有效通過而壓差過大。泄壓時的帶水或其他情況下的帶水會使濾棒上的灰和水粘結在一起造成濾棒的微孔堵塞,反吹氣體不能順利通過,造成壓差過大而損壞濾棒。一般來說,帶水的情況有后系統(tǒng)泄壓時閥門開度過大,濕洗系統(tǒng)的水及除渣系統(tǒng)的水在一定的形態(tài)下進入濾棒。

設計的平衡管線管口安裝位置不正確也會造成濾棒的損壞。一般來說,平衡管線在S1501處的管口應在濾棒的下方,不能正對濾棒。其原因為,當V1501與V1502連通時或是V1501架橋時,平衡管線的兩位閥要打開,而這個兩容器的壓力不相同,所產(chǎn)生的壓差由平衡管線平衡;當壓差過大時,打開平衡閥的瞬間氣流會沖擊濾棒,可能將某幾個濾棒吹壞,造成停車及重大經(jīng)濟損失。而我公司該設計管口正對著濾棒。針對這種情況,我們在平衡管線上做了一個允許閥門開關的壓差聯(lián)鎖保護,當?shù)陀诨蚋哂谀硞€值時,不允許開平衡管線閥門。這樣,能有效防止閥門誤動作或人為誤操作而對濾棒造成損壞。

2.2.2 灰橋結及粘壁

這個問題大概是各個類似系統(tǒng)的通病。灰的橋結與粘壁都會造成堵灰,若時間過久,必然會停車檢修。

橋結是指灰在容器內(nèi)(V1501)的空間里結成一層灰層而阻止新灰的順利下降。其結果是灰層越來越厚,并最終占據(jù)容器里的大部分或全部空間,若不及時處理或處理不得當,就會造成停車。此種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是灰的粘度太高,煤質(zhì)變化大,添加劑石灰石與煤的配比不合適,煤粉顆粒太小,氣化反應溫度過低等。此問題的解決方法也主要是針對這幾個因素來解決,比如調(diào)節(jié)煤質(zhì),粒度,反應溫度,配比。主要根據(jù)各個廠家的具體情況來調(diào)整。

粘壁是指灰剛開始在容器上粘上較薄的一層,后來越粘越厚的現(xiàn)象。這種情況就像列管換熱器堵塞一樣,剛開始污垢粘一層,漸漸越來越厚而管徑也越來越小。不管是容器還是換熱器,這樣的情形如果不及時處理,最終也會導致容器或列管堵死。這在各個廠家也經(jīng)常出現(xiàn)。其主要原因是,容器及器壁在準備開車時沒有充分加熱到設定溫度,飛灰粘度過高等。顯然,預備開車時及時升溫,開車后控制飛灰粘度、反應溫度等是解決此種情況的主要方法。

2.2.3 反吹系統(tǒng)故障

反吹系統(tǒng)故障主要有以下三種情況。

反吹閥門不動作,或動作不靈敏。反吹閥故障會造成反吹氣不能進入反吹系統(tǒng),粘在濾棒上的灰不能及時被吹下來,其后灰會在濾棒上變厚,造成濾棒上下的壓差過大而損壞。對于這種情況,應做到及早發(fā)現(xiàn)并解決,之后慢慢打開出問題的反吹截止閥,不能一次性打開,否則易造成反吹壓力過大而損壞濾棒。

反吹閥門氣源不足。這種情況一般會造成閥門動作太慢,反吹力度不夠而粘灰。只要及時調(diào)節(jié)氣源壓力即可。

主控閥門反饋信號報警而現(xiàn)場閥運行無異常。這主要是程序問題,及時發(fā)現(xiàn)并解決之,不造成程序混亂即可。

2.2.4 閥門故障

與除灰系統(tǒng)有關聯(lián)的閥門,大多數(shù)都出現(xiàn)過卡澀,打不開或關不死的現(xiàn)象。究其原因,主要是由于高壓的細灰很容易將閥門磨損,或是進入閥門本體,從而形成了各個廠家都出現(xiàn)過的閥門卡澀,打不開或關不死的現(xiàn)象。現(xiàn)階段我公司將容易出現(xiàn)故障的閥門進行了更換,都由原來的球閥換成了現(xiàn)在的盤閥。這種盤閥的主要特點是,①開關速度快。閥板在動作當中的自轉,與閥座之間不停的摩擦,產(chǎn)生一個自研磨的過程,密封表面始終可以優(yōu)質(zhì)光潔,摩擦阻力減小,加上軸擺桿的杠桿原理,氣缸作用力增大,氣缸伸縮加快,使得閥板迅速開啟或關閉,大大降低了閥門開啟或關閉的瞬時磨損。并且,出料閥的開啟速度快,可以使物料呈噴射狀態(tài)輸送出去,降低堵塞的概率。②不易堵灰。通常閥門開啟當中閥腔內(nèi)滯留的物料是作擠壓式運動的,碰上粉煤灰潮濕的時候,很容易堵塞,特別是電除塵檢修以后。而旋轉類的閥門腔內(nèi)物料是沿閥腔內(nèi)壁作圓弧形移動,移動一周以后又進入了輸料管中。③耐磨。如特點①所示產(chǎn)生的研磨,可以使因為各種原因造成的密封面缺陷,通過研磨保持密封面光潔,避免了內(nèi)泄漏而產(chǎn)生沖刷磨損。并且閥門的密封面不是通常所使用的低成本的噴涂式,而是采用了高強度耐磨合金鑲嵌而成,這樣使得密封面可以研磨幾十年不磨穿(高強度合金莫氏硬度達到7、洛氏硬度達到64～68)。④耐高溫。閥門密封面材料一般是橡膠、合金或者陶瓷,氣力輸灰系統(tǒng)溫度最高達到450℃,在這種工況下,橡膠軟化,磨損相當快;而陶瓷材料為鑲嵌的特殊結構,熱膨脹系數(shù)和金屬相差幾十倍以上,容易產(chǎn)生脫落或者擠碎的現(xiàn)象。所以,采用了高溫狀態(tài)下晶體結構不發(fā)生變化,硬度不降低,耐磨性能不變差,而且熱膨脹系數(shù)要和金屬差不多的進口高強度合金。目前,在裝置運行當中,這些盤閥的應用已基本解決了我公司下灰閥門卡澀,打不開或關不死的問題。

與所有廠家一樣,另一個閥門故障的原因就是閥門與閥門之間存在憋壓。眾所周知,閥門之間憋壓會嚴重影響到閥門的正常開關,憋壓太高甚至會直接損壞閥門。因此,我們在閥門之間設置泄壓管線,就成功解決了由于憋壓造成的閥門故障。

3 氧煤比的變化及調(diào)節(jié)

氧煤比的變化及調(diào)節(jié)直接決定了氣化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因煤種煤質(zhì)的不均勻變化而難以判斷氣化爐內(nèi)的反應情況,是整個氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運行所面臨的最大挑戰(zhàn)。因此,找到氧煤比變化所影響的氣化系統(tǒng)的各種參數(shù)的變化規(guī)律,是解決氣化系統(tǒng)反應穩(wěn)定性的主要方法。這些參數(shù)主要有水汽系統(tǒng)的兩個密度,合成氣出口溫度,反應室中計算溫度,十字架處的壓差,反應室蒸汽產(chǎn)量,激冷段進出口溫度,渣樣,渣口處的三個溫度,渣冷卻循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度,破渣機處壁溫,破渣機油壓變化趨勢,反應室壓差,濕洗系統(tǒng)的兩個溫度,循環(huán)氣壓縮機進口溫度等。氧煤比的變化一般都會引起這些參數(shù)的一個或某幾個變化,由此可根據(jù)這些參數(shù)的變化情況對氧煤比進行相應的調(diào)節(jié)。例如上面所提到的堵渣中的破渣機油壓的變化,反應室壓差13PD0065的變化;積灰中的十字架處的壓差等。因煤質(zhì)的變化對于氧煤比的影響最大,所以在煤質(zhì)變化前后,要根據(jù)以上參數(shù)的變化作出準確而迅速的判斷。

4 結 語

綜上所述,無論是垮渣還是積灰現(xiàn)象的發(fā)生,都是有規(guī)可循的,只要處理好各方面的問題,就能減少垮渣和積灰現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]張敏華,于峰,姜浩錫.乙醇氣相羰基化合成丙酸的研究[J].化學反應工程與工藝,2004,20(4):327～331.

[2]楊世銘.傳熱學 [M].北京:高等教育出版社,1980.