時紀(jì)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(yīng)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(jī),磨合格后的煤粉進(jìn)入到煤粉加壓進(jìn)料系統(tǒng),煤粉通過加壓后以氮?dú)鉃檩d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(yīng)室內(nèi)反應(yīng),反應(yīng)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(jìn)入到除灰單元。在除灰單元中,灰被過濾分離出來進(jìn)入灰系統(tǒng),而合成氣則進(jìn)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(yīng)室中還有一部反應(yīng)殘留物,那就是煤渣,剛反應(yīng)出來的渣是高溫流體狀的,渣通過擋渣屏,由渣口進(jìn)入到渣浴系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,由于是高溫流體進(jìn)入到低溫循環(huán)渣水中,這些高溫流體融熔渣立即變成細(xì)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(yùn)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(zhuǎn),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(jī)油泵壓力首次達(dá)到3.9 MPa,在現(xiàn)場帶回來的渣中發(fā)現(xiàn)有很多細(xì)渣,當(dāng)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(jī)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(jī)油壓上升到4.0 MPa以上,渣樣仍然以細(xì)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(jī)油壓一直在3.0 MPa以上,隨后出現(xiàn)了一次油壓高達(dá)15.0 MPa,將近破渣機(jī)跳車值,幾分鐘之后破渣機(jī)油壓又一次達(dá)到此值持續(xù)7 min,這時主控操作人員手動將破渣機(jī)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(dá)到3.9 MPa的高值,渣樣大部分為細(xì)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(rèn)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(jìn)性調(diào)整,由于系統(tǒng)負(fù)荷較高,氧煤比調(diào)整不得當(dāng)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?yàn)榇藭r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(jī)油壓兩次出現(xiàn)15 MPa時,已經(jīng)完全堵塞,且13PD0065壓差達(dá)-55 kPa的條件已經(jīng)形成,最后出現(xiàn)壓差低導(dǎo)致了13UZ0001聯(lián)鎖停車。

(4)其他情況的垮渣

氣化系統(tǒng)點(diǎn)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(diǎn):點(diǎn)火及點(diǎn)火后的幾個小時內(nèi)氧煤比控制不穩(wěn)定,造成反應(yīng)溫度高低不均勻而形成了大的渣塊;前期點(diǎn)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(jìn)入一部水,點(diǎn)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(yán)重,一種情況是,除渣單元通過程序?qū)⒋笤鼔K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(jī)中,但從排渣容器到撈渣機(jī)的排放很難進(jìn)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(jī)處,或下不到排渣容器中,需停車處理。

運(yùn)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(yán)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(fù)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?dú)獬鋲焊哂赩1402一定的壓力,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(fēng)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(yīng)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(zhuǎn)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(dá)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(jìn)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(shí)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(yīng)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(shí)心處及環(huán)隙附近的管壁上。

(2)系統(tǒng)升降負(fù)荷幅度過大。在系統(tǒng)負(fù)荷的升降過程中,氧煤比的調(diào)節(jié)是程序控制的,若負(fù)荷變化幅度過大,程序調(diào)節(jié)無法與負(fù)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(yùn)行當(dāng)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(jìn)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(yīng)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(fù)荷。由于激冷氣壓縮機(jī)普遍設(shè)計(jì)太小,所以氣化爐負(fù)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(guān)鍵的裝置是飛灰過濾器(S1501),其他設(shè)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(shè)備,是由一種燒結(jié)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(jié)及粘壁;(3)反吹系統(tǒng)故障;(4)閥門故障?，F(xiàn)針對這四種情況作重點(diǎn)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?dú)夥创禃r會形成高壓差;泄壓時或者其他狀況下帶水進(jìn)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?？刂破渑c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?dú)鈺r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(fù)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(jié)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(jìn)入濾棒。

設(shè)計(jì)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(yīng)在濾棒的下方,不能正對濾棒。其原因?yàn)?當(dāng)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(dāng)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(jì)損失。而我公司該設(shè)計(jì)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(guān)的壓差聯(lián)鎖保護(hù),當(dāng)?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(jié)及粘壁

這個問題大概是各個類似系統(tǒng)的通病?；业臉蚪Y(jié)與粘壁都會造成堵灰,若時間過久,必然會停車檢修。

橋結(jié)是指灰在容器內(nèi)(V1501)的空間里結(jié)成一層灰層而阻止新灰的順利下降。其結(jié)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(dāng),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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)備開車時沒有充分加熱到設(shè)定溫度,飛灰粘度過高等。顯然,預(yù)備開車時及時升溫,開車后控制飛灰粘度、反應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(bào)警而現(xiàn)場閥運(yùn)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(guān)聯(lián)的閥門,大多數(shù)都出現(xiàn)過卡澀,打不開或關(guān)不死的現(xiàn)象。究其原因,主要是由于高壓的細(xì)灰很容易將閥門磨損,或是進(jìn)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(guān)不死的現(xiàn)象?，F(xiàn)階段我公司將容易出現(xiàn)故障的閥門進(jìn)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(diǎn)是,①開關(guān)速度快。閥板在動作當(dāng)中的自轉(zhuǎn),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(guān)閉,大大降低了閥門開啟或關(guān)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(dāng)中閥腔內(nèi)滯留的物料是作擠壓式運(yùn)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(zhuǎn)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(jìn)入了輸料管中。③耐磨。如特點(diǎn)①所示產(chǎn)生的研磨,可以使因?yàn)楦鞣N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(qiáng)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(qiáng)度合金莫氏硬度達(dá)到7、洛氏硬度達(dá)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(dá)到450℃,在這種工況下,橡膠軟化,磨損相當(dāng)快;而陶瓷材料為鑲嵌的特殊結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jìn)口高強(qiáng)度合金。目前,在裝置運(yùn)行當(dāng)中,這些盤閥的應(yīng)用已基本解決了我公司下灰閥門卡澀,打不開或關(guān)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(yán)重影響到閥門的正常開關(guān),憋壓太高甚至?xí)苯訐p壞閥門。因此,我們在閥門之間設(shè)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(yùn)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(yīng)情況,是整個氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)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(yīng)室中計(jì)算溫度,十字架處的壓差,反應(yīng)室蒸汽產(chǎn)量,激冷段進(jìn)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(jī)處壁溫,破渣機(jī)油壓變化趨勢,反應(yīng)室壓差,濕洗系統(tǒng)的兩個溫度,循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。例如上面所提到的堵渣中的破渣機(jī)油壓的變化,反應(yīng)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(zhǔn)確而迅速的判斷。

4 結(jié) 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?xì)庀圄驶铣杀岬难芯縖J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2004,20(4):327～331.

[2]楊世銘.傳熱學(xué) [M].北京:高等教育出版社,1980.