殼牌粉煤加壓氣化裝置預干燥單元安全穩定運行探討

朱紹良

(呼倫貝爾金新化工有限公司, 內蒙古呼倫貝爾 021506)

1 預干燥單元運行現狀及存在的問題

呼倫貝爾金新化工有限公司(簡稱金新化工)位于內蒙古自治區呼倫貝爾市陳巴爾虎旗,年平均氣溫為-0.4 ℃,冬季極端低溫為-53 ℃。金新化工原料及產品結構調整項目引用殼牌下行激冷粉煤氣化爐工藝,產能為60 000 m3/h有效氣。碎煤設計消耗質量流量為51.7 t/h,預干燥單元核心設備管式干燥機額定質量流量為51.7 t/h,最大質量流量為57 t/h。

金新化工原料煤設計煤種為高水分褐煤,收到基全水質量分數為33.5%。為了滿足磨煤干燥單元進料水分質量分數低于20%的設計要求,隨機配套了褐煤預干燥單元進行碎煤的前處理。預干燥單元的工藝流程見圖1。

圖1 碎煤預干燥工藝流程簡圖

原煤倉內存儲的粒徑≤13 mm的原料褐煤(全水質量分數為33.5%)通過稱重給煤機準確計量后輸送至管式干燥機列管內進行預干燥。管式干燥機列管內部裝有螺旋翅片,主要起降低流動速度、延長換熱時間的作用。管式干燥機殼側使用0.4 MPa、180 ℃低壓過熱蒸汽,用于碎煤加熱。加熱后的80～90 ℃碎煤從管式干燥機尾端落料口由埋刮板輸送機輸送至下游料倉。碎煤加熱后,蒸汽水分、一次風、少量密封氮氣的混合氣體通過一次風機引流至布袋除塵器,煤塵回收后通過旋轉給料機進入下游料倉。

預干燥單元分為A、B 2套裝置,自2016年6月18日氣化爐點火投煤成功運行起,至2016年12月31日,預干燥單元A線運行時間共計46 d,停車6次,其中正常停運2次,故障停運4次;B線運行時間共計67 d,停車5次,其中正常停運0次,故障停運5次。2套裝置累計故障停運9次,包括5次管式干燥機故障、2次磨煤系統故障、2次布袋除塵器閃燃;其中,磨煤系統旋轉閥卡澀引起的1次停車是由管式干燥機列管導流翅片脫落導致的。造成該裝置停車的原因主要包括系統閃燃、管式干燥機本體列管與管板間內漏,以及列管堵塞。

2 預干燥單元安全隱患防范

預干燥單元為半敞開式干燥系統,由風機自管式干燥機前端管板吸入的新鮮空氣作為載氣,攜帶碎煤受熱后蒸發出的水分并排出系統外,從而達到干燥碎煤的目的。正常運行過程中,管式干燥機管側為水汽、細煤粉與空氣的混合物,通過控制系統中水汽分壓(混合氣體露點),使系統氧含量較低,達不到煤粉自燃條件,從而保障系統的安全運行。然而在開停車及事故斷煤的情況下,由于水汽分壓失調,極易引起系統高溫過氧而使煤粉自燃,風機將已經自燃的煤粉吸入布袋除塵器,導致布袋除塵器發生閃燃事故。在實際操作過程中,可以通過避免過氧和快速降溫2種手段防止預干燥系統閃燃[1-2]。

金新化工原料褐煤在空氣中的自燃點為100 ℃;在氧體積分數為13%的環境中,金新化工原料褐煤粉塵的燃點為440 ℃。根據數據分析和運行經驗,金新化工原料褐煤粉塵溫度在115 ℃以下,只要氣體粉塵混合物中的氧體積分數在16%以下,都是安全的。因此,斷料工況下,由于預干燥系統中缺少碎煤干燥后的水汽,即水汽分壓降低,則氧含量控制主要參考系統氮氣補入量與總風量的體積分壓比。不同工況下系統混合氣氧含量的計算結果見表1。無論在何種工況下,只要氧含量控制達到要求,預干燥系統就是相對安全的。

表1 不同工況下系統混合氣氧含量計算值

由表1可以看出:工況穩定時,通過調節風機頻率控制露點在67～73 ℃時,一次風水汽分壓較高,同時在防爆氮氣關閉的情況下,系統氧體積分數始終維持在10%～14%,此時風量在無大幅度波動的情況下,系統是安全的。當系統停車或異常斷煤時,由于管式干燥機中煤量較少,導致水汽分壓快速下降,通過操作降低風量,打開防爆氮氣,可以將氧體積分數維持在16%以下;同時,為了防止管式干燥機管側氧量過高導致碎煤自燃,可通過給煤機前端DN80氮氣管線向管式干燥機內補氮,以防止煤粉在管式干燥機內自燃后火星吹入布袋發生閃燃。

在惰性化條件一定的情況下,停車或斷料過程中,盡快降低系統溫度也是防止閃燃的有效方法。當空氣環境中溫度≥100 ℃時,原料褐煤在特定金屬圓筒內將發生自燃。通過管式干燥機內部列管溫度與出口溫度的線性關系得到,當管式干燥機出口溫度低于85 ℃時,若管式干燥機內環境溫度低于100 ℃,則系統安全。因此,在正常停車過程中規定管式干燥機出口溫度必須低于85 ℃斷煤[3-4]。

極端情況發生時,即系統事故斷料,操作人員必須盡快切斷系統熱源,將管式干燥機殼側蒸汽放空,適當降低管式干燥機轉速,使系統水汽分壓緩慢降低,保證在氧含量不可控之前溫度降低至85 ℃以下的安全范圍。若管式干燥機事故停機,除了上述快速降溫操作外,還需要盡快現場判別停機原因,必要時手動盤車,防止管式干燥機熱態長時間停止導致主驅動軸變形損壞。

通過上述分析得到,預干燥系統安全防范措施分2種:(1)通過降低系統風量、維持系統水汽分壓、增加污氮氣補入量保障系統惰性環境,防止氧含量失控。(2)斷料停車過程中應盡快降低系統溫度,防止干燥列管內環境溫度達到原料褐煤的自燃溫度而產生火花后帶入布袋除塵器。

3 管式干燥機長周期穩定運行探討

金新化工原料及產品結構調整項目自2016年6月18日點火成功起,至2016年12月31日,預干燥單元最長運行記錄只有32 d。排除正常計劃停運及布袋閃燃安全事故停運外,由于系統自身缺陷停運次數為7次,占系統總停運次數的63%。

3.1 存在的問題

該項目采用北京電力設備總廠的ZGG5×8型管式干燥機(外形尺寸為8 000 mm×5 350 mm)。在日常運行過程中,管式干燥機殼側蒸汽壓力逐步升高、主電機電流緩慢升高、干煤側出口溫度逐漸降低為主要運行惡化參數。待系統停運后檢查,以上惡化工況主要是由于管式干燥機前后端管板與列管之間在運行過程中發生泄漏造成的。由于管式干燥機列管與管板之間是脹接后點焊固定的,而換熱管壁厚只有3 mm,因此管板與換熱管間由于運行后熱應力的作用極易互相拉扯,使換熱管與管板焊接處脫開導致殼側蒸汽或冷凝液進入管側。密封性變差后,為了維持管式干燥機出口一次風溫度,必將耗損更多低壓過熱蒸汽,導致殼側蒸汽壓力在運行過程中緩慢上升,壓力升高后,管板與換熱管間泄漏情況必將加劇。而泄漏處的冷凝液與管側干燥后碎煤相互作用產生濕的焦狀混合物堵塞列管,列管堵塞情況見圖2。部分列管堵塞后,導致機體一端質量加劇,從而使管式干燥機轉動過程中電流波動較大。而換熱面積逐漸減小,使出料端溫度緩慢降低。

圖2 管式干燥機干燥管堵塞情況

因此,預干燥單元運行瓶頸總結為:由于管式干燥機列管與管板脹接處焊接密封處理不足,導致在運行及增減負荷過程中泄漏,不斷提高殼側低壓蒸汽壓力不僅無法使物料換熱效果提升,而且使泄漏情況加劇惡化,從而衍生出換熱管堵塞、管式干燥機電流峰值升高、出料溫度降低等問題。針對上述運行瓶頸,在干燥機停運檢修期間,設置了針對性檢修項目及驗收標準,見表2。

表2 管式干燥機停車檢修項目及驗收標準

3.2 優化措施

管式干燥機列管與管板之間是通過熱脹接加密封焊的形式連接的,受機體溫度和壓力變化影響較大。因此,控制管式干燥機機體溫度變化速率和運行過程中殼側蒸汽壓力是保障其長周期運行的重要因素。

在管式干燥機預熱過程中,要求機體溫升速率不能超過0.5 K/min,管式干燥機機體熱膨脹量小于15 mm為宜。嚴格按升溫速率控制蒸汽量增幅,使預熱過程中殼側加熱蒸汽壓力始終維持在100 kPa以下,可避免在開停車過程中管式干燥機受熱應力影響發生泄漏。系統正常運行期間,由于加減負荷需要,加熱蒸汽量將會產生壓力波動,操作人員應盡量減緩增減負荷的速率,避免過快增減負荷造成蒸汽壓力波動較大使管式干燥機機體泄漏。

管式干燥機操作過程中,通過過熱蒸汽向碎煤傳熱,放出的熱量使碎煤受熱、水分蒸發。因此,在蒸汽還未大量產生相變的情況下,單位質量蒸汽釋放熱量越多,干燥效果越好。管式干燥機在正常負荷運行工況下,蒸汽壓力約為0.4 MPa(表壓);0.4 MPa(表壓)飽和蒸汽溫度約為152 ℃,其氣化潛熱為2 108 kJ/kg,焓值為2 748 kJ/kg。在壓力不變的情況下,180 ℃過熱蒸汽汽化潛熱為2 108 kJ/kg,焓值為2 812 kJ/kg,其顯熱只增加了64 kJ/kg。在不發生相變的情況下,單純的蒸汽溫度提升對換熱效果作用并不明顯,而加熱蒸汽溫度偏高于飽和溫度即可達到同等換熱效果,且部分蒸汽通過換熱后發生相變可以有效防止殼側壓力過高而導致管式干燥機泄漏。表3為金新化工殼牌裝置預干燥單元同負荷、不同蒸汽溫度下的運行工況比較。

表3 預干燥單元不同工況參數對比

通過上述分析,預干燥單元操作過程中,可以通過以下3點參數優化降低管式干燥機檢維修頻率,以達到預干燥單元長周期穩定運行的目標:

(1) 開車過程中,嚴格按0.5 K/min升溫速率對管式干燥機進行預熱,防止升溫速率變化劇烈的情況發生。

(2) 在正常運行過程中,加熱蒸汽溫度控制在150～170 ℃。溫度過高導致殼側壓力升高,干燥機易發生泄漏,溫度過低則蒸汽在管式干燥機入口端會發生水擊,對管式干燥機本體損害較大。

(3) 盡量優化其他參數,例如高負荷情況下適當增加管式干燥機轉速,防止管式干燥機由于填充度增加而導致瞬間負載過高。

4 結語

本文主要從安全和穩定2個方面分析目前預干燥單元無法長周期運行的問題。安全運行主要通過嚴格的溫度控制和充足的惰性化條件達成;另外,提升檢維修質量和工藝參數的優化同步進行,可減少預干燥單元停車檢修頻率,達到預干燥單元安穩長滿優的運行要求。