煤氣化高壓氧氣波動的影響分析及對策

楊 奎,尹 興

(貴州黔希化工有限責任公司, 貴州畢節 551500)

氧氣是煤氣化裝置關鍵反應物之一,它與煤、水蒸氣發生作用,生成由CO、H2、CO2、H2S等組成的合成氣。粉煤氣化過程中,質量分數大于99.6%、設計壓力為5.00 MPa、溫度為35 ℃、體積流量為17 500 m3/h的氧氣進入燒嘴后,此時條件下的氧氣(4.17 MPa、203 ℃)非常危險。當氧氣系統或氣化爐內有異常情況時,需要迅速切斷氧氣開關閥,防止過多氧氣進入爐內;同時,也防止高壓的合成氣或煤粉返串到氧氣通道內,防止燃燒和爆炸情況發生[1]。因此,氧氣系統上的閥門具有非常關鍵的作用,要求在極短的時間內能被切斷,隔離系統與氣化爐。在正常安全生產過程中,操作人員不能操作氧氣系統中的兩位切斷閥(17XV-X001、17XV-X002、17XV-X004、17XV-X005、17XV-X006、17XV-X018、17XV-X120),一旦開關兩位切斷閥將觸發停車。操作人員只能通過調節高壓氧氣流量調節閥(17FV-X103)來滿足工藝要求,在緊急情況下開關氧氣流量調節閥開度來維持系統安穩運行。

1 高壓氧氣波動的原因

(1) 17FV-X103的定位器可能存在問題,導致閥門開關振蕩或滯后,高壓氧氣流量發生波動。

(2) 高壓氧氣壓力突增突降導致氧氣流量突增突降。比如,空分至氣化主氧路有泄漏點、高壓氧氣調節放空閥突開突關,以及儀表失真備泵啟動、氧管放空閥內漏、一臺氣化爐運行另一臺突然停車。

(3) 氣化爐壓力突漲(氣、水路不暢有堵塞)或突降(水、氣路泄漏,外送閥突然關放空閥開),導致高壓氧氣流量波動。

(4) 高壓氧氣在進入氣化爐反應前經高溫高壓鍋爐水換熱至203 ℃,通過溫壓補償調節系統確保入爐高壓氧氣溫度、流量的穩定。高壓氧氣溫壓補償系統的失靈或人為誤操作,必將引起高壓氧氣參數的變化[2-3]。

2 高壓氧氣波動對氣化爐的危害風險

(1) 高壓氧氣壓力速降速升,易造成爐內欠氧或過氧,同時,操作人員急忙調整氧氣調節閥的開度,更易造成系統波動觸發氣化爐停車或爆燃過氧爆炸風險。

(2) 高壓氧氣壓力波動過程,易引起系統壓力跟隨速變,導致爐壁掛渣脫落,可能發生超溫、汽包補水困難、燒壞內件、內件變形脫落、堵渣、帶水等情況。

(3) 在高壓氧氣波動過程中,崗位操作人員不清楚下一步會如何變化,不能有效采取相應的處理措施。高壓氧氣的波動給氣化裝置安穩運行增大了不確定性的管控風險。

(4) 上游工序導致高壓氧氣波動,若調度未及時通知崗位操作人員做好應對措施,崗位知悉晚且因被動調整,易出現誤判誤調整,給裝置帶來更大風險,可能造成更大的安全事故。

(5) 在此工況下系統水平衡、熱平衡被破壞,系統更易局部超溫、帶水、觸發聯鎖停車,甚至將大量的水帶入變換系統損壞觸媒。若切放火炬可能瞬間超過火炬設計處理能力,使火炬系統位移或下火雨,引起安全環保等事故。

3 高壓氧氣波動的對策

(1) 當氧氣系統部分檢測儀表失真時,操作人員盲操誤調將引起工況大幅度波動,甚至可能往相反的方向調控,必將引起爐況波動或渣口堵渣過氧超溫等現象。此時應翻氧氣系統的單張DCS畫面或換臺電腦確認,同時關注氣化爐參數變化,包括渣口壓差、合成氣出口溫度、盤管密度、汽包產蒸汽量、有效氣組分等,并進一步確認后再調整;否則,按減氧處理[4-5]。

(2) 當煤質突變引起有效氣量大增大減時,操作人員大量加煤加氧或減煤減氧,必將引起爐況波動或渣口堵渣過氧超溫等現象,應嚴格遵守氣化爐負荷少量多次緩慢加減原則。當氣化爐壓力控制(17PT-X068)小于4.05 MPa,高壓氧氣體積流量(17FT-X103AB)小于18 500 m3/h,合成氣出口溫度(17TT-X011)小于220 ℃(3選2)時,密切關注氣化爐有效氣組分、渣口壓差、盤管密度等參數,應告知調度氣化爐負荷不能再提。

(3) 爐況安穩情況下,高壓氧氣流量調節閥靈敏度精確度不高,小范圍開關不動作,開到一定閥位后調節閥突然全開,氧氣流量增加許多,可能會過氧超溫損壞設備。調整氧氣流量調節閥時,每次小鍵加減0.1%閥位并停留一會兒再開0.1%閥位,不能急于求成,更不能大鍵加減1%閥位[6]。

(4) 正常工況下,高壓氧氣壓力穩定在5.00～5.02 MPa。若高壓氧氣壓力振蕩,氧氣流量突增突降,氧氣壓力緩慢升降時,維持穩定的氧量或氧煤比。隨氧氣壓力升降,對17FV-X103進行0.1%閥位的加減;若氧氣壓力突增,氧氣體積流量每上漲500 m3/h,對17FV-X103減少1%閥位;若氧氣流量繼續上漲,再減1%閥位直到維持生產穩定負荷時的高壓氧氣流量;若氧氣壓力突降,不能忙于及時調整而是查看氧氣系統參數是否正常,在無異常情況下可以緩慢加0.1%閥位,直到恢復負荷維持氧煤比的穩定;否則,需排查清楚原因再對高壓氧氣進行調整[7]。

(5) 在正常生產過程中,17PT-X068為3.95～4.02 MPa(3選2)振蕩導致氧氣流量突增突降,這時應根據氣化爐壓力變化對氧氣流量進行微調整來維持氧煤比的穩定。不能急著對氧量煤量猛加猛減,這樣操作爐況更不穩定,更易超溫、過氧或低溫,應立即核對排查氣化爐系統參數是否異常并及時消除引起氧量猛增猛降的隱患。第一時間未查找到原因時,應防止氣化爐超溫、過氧,應大鍵減氧以降低氣化爐負荷。經處理氣化爐系統還不穩定,則將合成氣切至火炬放空;否則,氣化爐停車[8]。

(6) 正常安全生產過程中,當單條煤線瞬間斷煤時,氧煤比大于1.20,聯鎖保護立即觸動,氧閥門自動減3%閥位;氧煤比大于1.38,將3條煤線角閥瞬間開至100%。當氧氣體積流量大于18 800 m3/h時,將氧氣流量調節閥自動減2個閥位,否則將觸發氧氣流量聯鎖。若煤線不能及時處理,操作人員應手動調整其余兩條正常煤線角閥和氧氣調節閥,控制氧煤比至正常范圍(比斷煤前氧煤比低0.10～0.05)。聯系部門領導或技術管理人員處理,避免爐子處于長期高溫或低溫操作。當2～3條煤線幾乎同時出現煤量波動或降低時,應考慮粉煤給料罐缺煤,第一時間下煤,接著快速泄壓、快速充壓后再次下料,否則氣化爐應及時降負荷大鍵減氧,快速跟隨氧煤比調整氧氣調節閥閥位。當氧氣流量降至6 000 m3/h,煤線無法及時恢復正常,氣化爐停車處理。

(7) 當某臺高壓氧氣調節閥有問題時,應盡量保持負荷的穩定,避免調整引起波動。若高壓氧氣調節閥發生波動時,氧氣流量及調節閥閥后氧氣壓力存在明顯變化,此時,需重點關注氧氣流量、氧煤比,以及爐況(爐溫、盤管密度、合成氣出口溫度、合成氣組分及有效氣量)變化情況。若在短時間內未得到恢復,需結合氣化爐爐況及時人工干預,應根據氧流量從開始下降到上升所需時長、從峰值恢復至之前的流量所需時長、波谷值到波峰值最大波動量等規律,調節高壓氧氣閥位上下限位。在高壓氧氣調節閥完全失控的情況下,氧氣流量不可控、氣化爐超溫(盤管密度<500 mg/m3、合成氣出口溫度>230 ℃、氧煤比>1.20等條件異常)時,立即按下正常停車按鈕或緊急停車按鈕。

4 引起高壓波動的預防措施

(1) 設計期間,嚴格按最高標準規范設計,盡量少設彎頭和分岔頭,減少其可能存在的風險,從本質上將風險降至最低。

(2) 建設期間,應根據設計溫度、壓力、流速標準選防腐蝕、防火、防銹材料和施工工藝,嚴格把控焊接100%檢測合格和強度嚴密性試驗。氧管經吹掃脫脂清洗后,需確保管內清潔度及光滑度,避免管道內有油質、焊渣、毛刺及其它雜物,在使用過程中引發危險。

(3) 安裝計量或檢測儀表時,應考慮安全性、準確性、靈敏性及防火防爆要求,關鍵參數設入安全儀表系統(SIS),出現異常時能第一時間識別并做出相應的動作,確保裝置安全。

(4) 定期維護檢查氧管系統,禁止非調節閥作調節使用,嚴格執行氧氣系統投用前閥門確認單,避免手動調節造成對閥的沖擊,以及急速的操作引起事故。

(5) 操作人員要熟悉氧氣系統的設備知識和危險性,并熟練掌握異常情況下的處置措施。

(6) 在高壓氧氣系統投用前,對相應的閥、儀表進行多次調試或測試,確保投用時開關動作靈敏,檢測數據精準,聯鎖動作準時。

5 結語

煤氣化高壓氧氣為氧化劑,高壓氧氣系統的安全穩定對氣化裝置安穩長滿優起決定性的作用,也是正常安全生產中關鍵控制指標和操作頻次相對多的點。針對裝置出現的問題,提出有效的管控措施,確保氣化裝置運行安全;當出現異常波動時,能及時判斷并采取措施,保持氣化裝置安全穩定運行狀態。