陳倩倩，何曉方，孫東柏，姜良建，傅 超

(萬(wàn)華化學(xué)(寧波)有限公司， 浙江寧波 315812)

1 氣化爐工藝反應(yīng)原理

煤漿槽內(nèi)的煤漿(含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%～65%)經(jīng)過(guò)2臺(tái)高壓煤漿泵與O2一起通過(guò)工藝燒嘴進(jìn)入氣化爐(操作壓力為5.8～6.5 MPa，操作溫度為1 100～1 300 ℃)進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，制備以CO(體積分?jǐn)?shù)為43%～51%)、H2(體積分?jǐn)?shù)為30%～40%)為主要成分的粗合成氣。水煤漿、O2進(jìn)入氣化室后，相繼進(jìn)行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化6個(gè)物理和化學(xué)過(guò)程[1]，洗滌水進(jìn)入分布環(huán)，經(jīng)一排孔與環(huán)縫噴出。環(huán)縫洗滌水沿管壁流下，保護(hù)洗滌冷卻管不致超溫；一排孔軸線與洗滌冷卻管中心線呈30°，洗滌水與來(lái)自氣化室下渣口的粗合成氣進(jìn)行混合，以強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞?？傊?，在洗滌冷卻管中洗滌水與粗合成氣混合，對(duì)粗合成氣及其所含灰渣進(jìn)行降溫,使合成氣增濕、灰渣被水浸潤(rùn)。

合成氣經(jīng)洗滌冷卻管下端擴(kuò)口進(jìn)入鼓泡床，床中設(shè)有氣泡橫向分割單元，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)合成氣的洗滌、降溫、增濕的目的，絕大部分灰渣轉(zhuǎn)移到水相后沉降[2]。小粒徑的灰渣穿過(guò)靜態(tài)破渣器柵格空間進(jìn)入破渣器下部，絕大部分的灰渣沉降或被鎖斗循環(huán)水帶至鎖斗工序。

2 氣化爐概況

某氣化爐日處理1 216 t煤(干基)，由氣化室與洗滌冷卻室兩部分組成；氣化室操作壓力為6.5 MPa，氣化溫度為1 300 ℃，洗滌冷卻室的壓力與氣化室相同，操作溫度為247 ℃。

來(lái)自空分工序的O2純度為99.6%，溫度為25 ℃，壓力為8.11 MPa，體積流量為32 796 m3/h，均分成4股，通過(guò)4個(gè)燒嘴進(jìn)入氣化室。煤漿含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，溫度為50 ℃，壓力為7.88 MPa，質(zhì)量流量為81.7 t/h，均分成4股，由2臺(tái)煤漿給料泵通過(guò)4個(gè)燒嘴進(jìn)入氣化室。通過(guò)洗滌冷卻水分布環(huán)加入洗滌冷卻室的水質(zhì)量流量為263.1 t/h，溫度為246.51 ℃，壓力為7.00 MPa。出洗滌冷卻室進(jìn)蒸發(fā)熱水塔的黑水及固體物質(zhì)量流量為146.3 t/h，含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%，溫度為247.21 ℃，壓力為6.48 MPa。出洗滌冷卻室進(jìn)鎖斗的渣水質(zhì)量流量為42.6 t/h，含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%，溫度為148.00 ℃，壓力為6.48 MPa。

3 氣化爐液位計(jì)介紹

該氣化爐液位計(jì)(見(jiàn)圖1)為雙法蘭壓差式液位計(jì)[3]，通過(guò)測(cè)量正負(fù)相壓差經(jīng)變送器傳至集散控制系統(tǒng)(DCS)和緊急停車(ESD)系統(tǒng)，操作人員根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量值判斷激冷室內(nèi)工藝氣冷卻情況，ESD系統(tǒng)則在液位低低情況下發(fā)出指令自動(dòng)觸發(fā)緊急停車聯(lián)鎖,實(shí)現(xiàn)氣化爐的停車。法蘭壓差式液位計(jì)的測(cè)量原理主要為U形管原理，即上法蘭和氣相空間相通，下法蘭和液相空間相通，并采用單晶硅差壓敏感元件或全密封電容使壓力測(cè)量有很高的測(cè)量精度，同時(shí)保證了優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。壓力經(jīng)毛細(xì)管內(nèi)的灌充硅油(或其他液體)傳遞至變送器的主體，然后由變送器將壓力或壓差轉(zhuǎn)換為4～20 mA的直流信號(hào)輸出。

ρ1—激冷水密度;ρ0—變送器膜盒中的填充液密度。

4 氣化爐液位波動(dòng)原因

4.1 取壓管堵塞

粗合成氣和熔融狀態(tài)的渣進(jìn)入激冷室的水浴中，激冷室中含有大量的灰渣介質(zhì)[4]?；以L(zhǎng)期在下法蘭取壓管及測(cè)量膜表面沉積，致使液位計(jì)指示出現(xiàn)偏差。

4.2 沖洗水手閥泄漏

為避免液位計(jì)取壓管堵塞，原始設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了1股高壓熱密封水(SW)作為沖洗水。該SW的壓力為6.8 MPa，溫度為130 ℃，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于存在振動(dòng)腐蝕及熱脹冷縮，容易造成變送器信號(hào)線接頭松動(dòng)，沖洗水手閥、根部閥內(nèi)漏，導(dǎo)致液位計(jì)指示偏差。

4.3 測(cè)量膜沖蝕

在液位計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，使用SW對(duì)液位計(jì)膜盒進(jìn)行沖洗，沖洗水壓力較高，膜盒表面受到較大的沖刷力，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，導(dǎo)致膜盒的測(cè)量膜損壞，造成液位計(jì)指示偏差。

4.4 膜盒腐蝕

原始設(shè)計(jì)時(shí)氣化爐液位計(jì)采用316L膜盒。氣化爐產(chǎn)生的高溫、高壓氣體經(jīng)過(guò)激冷室的冷卻、洗滌后送至洗滌塔，合成氣中的H2具有很強(qiáng)的滲透性，H分子進(jìn)入膜盒膜片內(nèi)部會(huì)引起不同程度的氫脆；水中含有一定量的Cl-，水質(zhì)差時(shí)Cl-質(zhì)量濃度高于800 mg/L，對(duì)膜盒產(chǎn)生腐蝕；再加上高壓沖洗水對(duì)膜盒的沖洗產(chǎn)生一個(gè)橫向剪切力，這個(gè)力會(huì)在與H2的共同作用下對(duì)膜盒膜片產(chǎn)生腐蝕。在短時(shí)間內(nèi)這種現(xiàn)象不是很明顯，日積月累下液位計(jì)膜盒會(huì)出現(xiàn)明顯腐蝕。將氣化爐液位計(jì)膜盒改為316L+鍍金膜盒以避免氫脆現(xiàn)象。

4.5 真空狀態(tài)

氣化爐烘爐階段，氣化爐內(nèi)的水直接排入鎖斗，然后由鎖斗排入沉渣池，此時(shí)氣化爐內(nèi)沒(méi)有液態(tài)水，爐內(nèi)為真空狀態(tài)。真空狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)膜盒膜片緩慢變形，最終造成液位計(jì)指示偏差。

4.6 氣化爐工藝原因

氣化爐壓力波動(dòng)大，操作溫度控制過(guò)高，致使氣化爐內(nèi)氣泡過(guò)多，進(jìn)而造成液位計(jì)波動(dòng)[2]。氣化爐超負(fù)荷運(yùn)行，合成氣流速增加，會(huì)造成合成氣帶水，進(jìn)而造成液位計(jì)指示降低或波動(dòng)。

5 氣化爐液位波動(dòng)對(duì)工藝的影響

(1) 報(bào)警率上升，聯(lián)鎖率下降。

在工藝條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，氣化爐液位計(jì)波動(dòng)時(shí)工藝人員會(huì)聯(lián)系儀表人員對(duì)液位計(jì)膜盒進(jìn)行手動(dòng)沖洗，沖洗條件為將ESD系統(tǒng)中的“氣化爐液位低低引發(fā)氣化爐停車”聯(lián)鎖摘除，這會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖率下降。液位計(jì)頻繁在低報(bào)值(15%左右)波動(dòng)時(shí)，造成報(bào)警率升高，頻繁報(bào)警，中控對(duì)報(bào)警疲乏，忽視其他異常報(bào)警，存在安全隱患。

(2) 液位計(jì)指示不準(zhǔn)，影響操作人員判斷，錯(cuò)過(guò)最佳處理時(shí)間。

液位計(jì)不準(zhǔn)，存在空罐風(fēng)險(xiǎn)?？展迺r(shí)高壓竄低壓風(fēng)險(xiǎn)高，造成閃蒸罐超壓，設(shè)備管道損壞。實(shí)際液位較低時(shí)，下降管水浴效果差，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致下降管變形，縮短使用壽命。實(shí)際液位低會(huì)使熔渣沉降過(guò)程縮短，含有大量灰渣顆粒的黑水進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)，使整個(gè)灰水系統(tǒng)的灰分增加，增加了設(shè)備及管道堵塞的可能性，影響系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

液位計(jì)指示不準(zhǔn)，實(shí)際液位較高時(shí)會(huì)造成合成氣帶水，增加后工段系統(tǒng)負(fù)荷，如果處理不當(dāng)，易造成液態(tài)水進(jìn)入變換爐造成催化劑粉化事故。

(3) 液位計(jì)沖洗過(guò)程存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

氣化爐運(yùn)行過(guò)程中液位計(jì)指示低會(huì)導(dǎo)致氣化爐聯(lián)鎖停車，沖洗前會(huì)將聯(lián)鎖摘除。目前氣化爐運(yùn)行為2開(kāi)1備，液位計(jì)沖洗為儀表人員手動(dòng)沖洗，如果溝通不到位會(huì)造成沖洗系統(tǒng)及位號(hào)錯(cuò)誤，導(dǎo)致正常運(yùn)行系統(tǒng)(未摘除聯(lián)鎖)因液位計(jì)指示低低(三選二)造成停車。

液位計(jì)沖洗用水為系統(tǒng)SW，沖洗人員操作不當(dāng)會(huì)造成鍋爐水泵(P0203)出口壓力下降，導(dǎo)致泵自啟動(dòng)事故，影響系統(tǒng)SW使用。如果沖洗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成SW使用量增大，增加運(yùn)行成本。

在沖洗液位計(jì)時(shí)存在3個(gè)液位同時(shí)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，氣化爐液位計(jì)指示低低(三選二)不僅會(huì)聯(lián)鎖氣化爐停車，還會(huì)導(dǎo)致鎖渣系統(tǒng)停車，一旦沖洗液位計(jì)時(shí)液位達(dá)到聯(lián)鎖值，會(huì)導(dǎo)致鎖渣程序運(yùn)行異常。

6 具體開(kāi)展工作

根據(jù)氣化爐液位波動(dòng)原因分析及日常檢修經(jīng)驗(yàn)得出氣化爐液位計(jì)常見(jiàn)故障現(xiàn)象原因及處理方法(見(jiàn)表1),并開(kāi)展一系列具體工作。

表1 氣化爐液位計(jì)故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表

6.1 制定氣化爐液位計(jì)預(yù)防性沖洗計(jì)劃

氣化爐液位計(jì)在初期運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，后期運(yùn)行開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，異常情況時(shí)才會(huì)進(jìn)行沖洗。制定液位計(jì)預(yù)防性沖洗計(jì)劃，如1周沖洗1次，提高運(yùn)行穩(wěn)定性,減緩堵塞。鑒于氣化爐液位計(jì)定期沖洗后期液位仍存在堵塞情況，遂常開(kāi)液位計(jì)沖洗水，每個(gè)液位計(jì)上下法蘭沖洗水手閥打開(kāi)，使現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子體積流量計(jì)保持0.4 m3/h。

6.2 完善氣化爐液位計(jì)沖洗標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序

氣化爐液位計(jì)沖洗頻繁，但在實(shí)際工作中，對(duì)這一操作并無(wú)明確規(guī)定，不同人員的操作方法存在差異。工藝人員與設(shè)備人員共同編制相關(guān)氣化爐液位計(jì)沖洗標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，固化操作，避免因人為因素導(dǎo)致異常的產(chǎn)生。

6.3 改善沖洗水

SW沖洗水閥頻繁出現(xiàn)內(nèi)漏，出現(xiàn)閥門內(nèi)漏或泄漏點(diǎn)后，無(wú)法切出處理。氣化爐2開(kāi)1備，1套沖洗水內(nèi)漏時(shí)無(wú)法切出。

在總管分支處增加總閥，單套氣化爐液位計(jì)沖洗水內(nèi)漏時(shí)進(jìn)行切出更換。將SW總閥由截止閥更換為球閥，提高密封性，減少內(nèi)漏。

6.4 控制系統(tǒng)結(jié)垢

工藝人員根據(jù)生產(chǎn)需要，會(huì)對(duì)氣化爐負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于負(fù)荷調(diào)整后激冷水量的調(diào)整與藥劑的使用量沒(méi)有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)水質(zhì)波動(dòng)大。

制定氣化爐負(fù)荷相關(guān)對(duì)應(yīng)表(見(jiàn)表2)，減小負(fù)荷波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。增加沉渣池泵出口流量計(jì)，控制出口流量，保證系統(tǒng)水質(zhì)。制定澄清槽排污制度，減少系統(tǒng)內(nèi)污泥存留，改善系統(tǒng)水質(zhì)。提升汽提壓力溫度，降低系統(tǒng)氨氮含量。

表2 氣化爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)表

經(jīng)過(guò)以上措施,2019年灰水水質(zhì)得到很大改善,懸浮物含量、氨氮含量明顯降低(見(jiàn)圖2)。

圖2 2018年與2019年灰水改善對(duì)比柱狀圖

6.5 優(yōu)化氣化爐操作

氣化爐壓力波動(dòng)大，操作溫度控制過(guò)高，致使氣化爐內(nèi)氣泡過(guò)多，進(jìn)而造成液位計(jì)波動(dòng)。針對(duì)這一難點(diǎn)制定氣化爐負(fù)荷與壓力對(duì)應(yīng)表(見(jiàn)表3)，避免氣化爐低壓力運(yùn)行。

表3 氣化爐壓力與負(fù)荷對(duì)應(yīng)表

6.6 校正氣化爐液位計(jì)指示

該氣化爐液位計(jì)形式為雙法蘭差壓式液位計(jì)，通過(guò)壓差Δp計(jì)算液柱高度h，計(jì)算公式為：

Δp=ρhg

(1)

式中：g為重力加速度；ρ為該溫度、壓力下的被測(cè)量液體的密度。

原始設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，密度以純水(250 ℃、6.0 MPa、800 kg/m3)的密度計(jì)；但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中氣化爐內(nèi)被測(cè)液體中含有大量氣泡，密度遠(yuǎn)低于800 kg/m3，導(dǎo)致計(jì)算出的液柱高度低于實(shí)際值。該公司聯(lián)系華東理工大學(xué)對(duì)氣化爐內(nèi)被測(cè)液體的密度重新進(jìn)行計(jì)算，得到混合流體密度為561.42 kg/m3,將氣化爐液位密度(即工藝氣冷凝后水的密度)修改為560 kg/m3(儀表組態(tài)參數(shù)修訂),相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 離開(kāi)氣化爐洗滌冷卻室進(jìn)入混合器的氣體參數(shù)

洗滌冷卻室內(nèi)液位計(jì)安裝高度見(jiàn)圖3。液位計(jì)取壓點(diǎn)之間(液相、氣相) 的距離為3 800 mm，液位計(jì)取壓口距離氣化爐直段焊縫高度為850 mm。洗滌冷卻室內(nèi)徑為3 188 mm，洗滌冷卻管外徑為948 mm。N10液位計(jì)零點(diǎn)位置距離氣化爐直段焊縫高度1 750 mm，其信號(hào)為壓差信號(hào)Δp，單位為 Pa。

圖3 氣化爐液位計(jì)安裝圖示

6.7 氣化爐增加液位低保護(hù)邏輯

氣化爐液位計(jì)LT-0703LT-0704LT-0706指示低低時(shí)存在氣化爐工藝氣通過(guò)排水管道竄蒸發(fā)熱水塔，存在超壓的風(fēng)險(xiǎn)，而這一異?？赡茉斐扇藛T傷亡，風(fēng)險(xiǎn)很大。遂在氣化爐排水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)處增加電磁閥，并在DCS中新增控制邏輯。當(dāng)氣化爐液位計(jì)LT-0703LT-0704LT-0706指示低低時(shí)聯(lián)鎖氣化爐排水閥門電磁閥失電關(guān)閉，當(dāng)蒸發(fā)熱水塔壓力(PI-0802)達(dá)到1.15 MPa時(shí)聯(lián)鎖氣化爐至蒸發(fā)熱水塔閥門(PV-0801-1/-2/-3/-4),電磁閥失電關(guān)閉。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)氣化爐液位計(jì)波動(dòng)的問(wèn)題，在運(yùn)行初期對(duì)氣化爐液位計(jì)進(jìn)行預(yù)防性沖洗可以明顯緩解取壓管堵塞現(xiàn)象。同時(shí),氣化爐液位計(jì)沖洗水處于常開(kāi)狀態(tài)后，氣化爐液位計(jì)堵塞現(xiàn)象進(jìn)一步得到改善。但是氣化爐液位計(jì)波動(dòng)與儀表自身情況和工藝條件息息相關(guān)，在異常處理過(guò)程中，工藝人員必須密切關(guān)注工藝氣出口溫度以及氣化爐排水流量與壓力，明確液位計(jì)失效后工藝控制措施，確保液位計(jì)失靈時(shí)氣化爐仍處于可控狀態(tài)。