馬耀東，董懿，馬紹斌，楊文清，楊曉民，杜小剛

(甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肅 華亭 744100)

0 引言

甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇公司煤制甲醇裝置自2010年開車以來，甲醇裝置正常生產(chǎn)期間兩套空分系統(tǒng)正常運(yùn)行、氣化雙爐正常運(yùn)行。當(dāng)上游生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或出現(xiàn)生產(chǎn)中斷時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成單套或兩套空分系統(tǒng)停運(yùn)。單臺(tái)空分局部故障造成突發(fā)性停車，造成氣化爐單爐緊急停車，不但影響2～3天甲醇產(chǎn)量，還會(huì)造成大量人力物力的消耗、生產(chǎn)系統(tǒng)工藝調(diào)整難度大、精餾產(chǎn)品質(zhì)量不合格、設(shè)備泄漏點(diǎn)增多等問題。因此，在空分單套裝置發(fā)生緊急停車事故時(shí)，實(shí)現(xiàn)氣化雙爐不被迫停車已成為制約企業(yè)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的關(guān)鍵所在，本文將通過理論分析的方式，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行探討分析。

1 空分裝置工藝流程簡(jiǎn)述

1.1 機(jī)組崗位生產(chǎn)原理

熱電鍋爐生產(chǎn)的9.8 MPa蒸汽通過高壓蒸汽管網(wǎng)送至空分界區(qū)，汽輪機(jī)按照既定程序進(jìn)行暖機(jī)、升速、過臨界、升額定轉(zhuǎn)速一系列操作，高壓蒸汽對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子做功后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至4 588 r/min，同時(shí)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，空氣通過自潔式過濾器后在導(dǎo)葉的控制下進(jìn)入壓縮機(jī)低壓缸，在壓縮機(jī)葉輪的離心作用下進(jìn)入缸體擴(kuò)壓器中，從而使氣體壓力升高，經(jīng)過擴(kuò)壓器后的介質(zhì)氣體經(jīng)彎道、回流器進(jìn)入下一級(jí)繼續(xù)壓縮。壓力提高的同時(shí)，介質(zhì)氣體溫度也要升高[2]，為了盡可能實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，在壓縮機(jī)的段間設(shè)置段間冷卻器，以降低壓縮機(jī)段間出口氣體的溫度，冷卻后的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)中壓缸，進(jìn)行兩段壓縮后送至分餾崗位預(yù)冷系統(tǒng)。

1.2 分餾崗位生產(chǎn)原理

來自機(jī)組中壓缸的空氣進(jìn)入預(yù)冷系統(tǒng)，通過冷卻水及冷凍水的分段洗滌，除去壓縮空氣中存在的固體粉塵及降低壓縮空氣進(jìn)入純化系統(tǒng)的溫度。洗滌后的空氣送入純化系統(tǒng)，先利用活性氧化鋁的親水性能對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥，再利用13x分子篩的吸附性能，脫除壓縮空氣中的二氧化碳及碳?xì)浠衔铩?/p>

通過純化系統(tǒng)凈化后的空氣分成兩股：一股直接進(jìn)入分餾塔低壓板式換熱器；另一股去空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，一段取出一股儀表空氣，二段取出一股送至膨脹機(jī)，三段高壓空氣送入高壓板式換熱器參與精餾。

空氣中氧氣、氮?dú)?、氬氣的沸點(diǎn)分別為-183 ℃、-196 ℃、-185.7 ℃，它們?cè)诳諝庵械恼急确謩e為20.950%、73.000%、0.934%。在精餾塔內(nèi)，利用膨脹機(jī)做功，使高壓空氣得到部分冷凝，為精餾塔提供冷源，上升氣體和下流液體在塔板上進(jìn)行接觸換熱，污氮?dú)鈴纳纤敳克统鲋令A(yù)冷系統(tǒng)水冷塔及純化系統(tǒng)分子篩再生，氧氣在上塔底部逐漸冷凝下來后經(jīng)氧泵送出至用戶，下塔頂部氮?dú)饨?jīng)主冷凝蒸發(fā)器冷凝為液氮后為下塔提供冷源，下塔中上部抽出一股氮?dú)?2 000 Nm3/h送至用戶。

2 氣化裝置工藝流程簡(jiǎn)述

2.1 氣化爐系統(tǒng)

來自702裝置料漿貯槽濃度為61%以上的合格煤漿，由高壓煤漿泵P1301加壓送至703工段氣化爐，與來自空分裝置純度為99.6%的氧氣，經(jīng)燒嘴進(jìn)入氣化爐進(jìn)行反應(yīng)。

煤漿和O2經(jīng)三流道工藝燒嘴充分混合后噴入氣化爐，在約6.5 MPaG，1 350 ℃高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成以CO、H2、CH4為主要成分的工藝氣。工藝氣和熔融態(tài)灰渣一起進(jìn)入氣化爐激冷室，熔融態(tài)灰渣遇水冷卻固化，在重力作用下落入激冷室底部。后經(jīng)破渣機(jī)破碎進(jìn)入鎖斗系統(tǒng)，鎖斗內(nèi)粗渣由撈渣機(jī)撈出后由汽車外運(yùn)進(jìn)行環(huán)保處理，黑水由渣池泵送入真空閃蒸器進(jìn)一步濃縮或直接送入澄清槽。為便于撈渣機(jī)檢修，鎖斗排渣管線經(jīng)改造，可通過切換排渣管線將鎖斗內(nèi)粗渣排放至其他渣池。

洗滌過的工藝氣進(jìn)入碳洗塔，在碳洗塔工藝氣中大部分固體顆粒與工藝氣分離。工藝氣穿過三層塔板，與合成車間輸送的高壓冷凝液或熱密封水接觸，進(jìn)一步洗滌，最后工藝氣在碳洗塔塔頂經(jīng)過除沫器除去氣體中的霧沫，送至變換工段進(jìn)行變換反應(yīng)。

3 理論計(jì)算及處置措施

3.1 從空分裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)能及氣化裝置反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行理論計(jì)算，從理論層面論證操作方法的可行性

3.1.1 核算單套空分裝置最大氧氣供給量

煤制甲醇分公司單套空分裝置設(shè)計(jì)氧氣供給量為43 000 Nm3/h，氧氣最大供給量為47 300 Nm3/h，設(shè)計(jì)溫度為36 ℃，在保證氧氣最大供給量時(shí)，核算不同壓力下氧氣流速數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同壓力下氧氣流速數(shù)據(jù)

根據(jù)GB 16912—2008 規(guī)定[1]，氧氣壓力在3.0 MPa至10.0 MPa之間，最高允許流速p×v≤45 MPa·(m/s)。單套空分裝置在氧氣最大供給量(47 300 Nm3/h)時(shí)，最高氧氣流速為20.02 MPa·(m/s)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以上數(shù)值參數(shù)為事故狀態(tài)下的瞬時(shí)參數(shù)(供參考)。在實(shí)際工況出現(xiàn)異常的情況下，氧氣瞬時(shí)流量會(huì)急劇增加，達(dá)到約60 000 Nm3/h，氧氣壓力也會(huì)降低至7.0 MPaG左右，此過程會(huì)持續(xù)約1～2 min，此時(shí)操作人員應(yīng)密切關(guān)注氧氣流量和壓力的變化，在配合氣化爐降負(fù)荷的過程中要盡可能縮短該過程。但原則上，在工況穩(wěn)定后外送氧氣量不應(yīng)超過45 150 Nm3/h(系統(tǒng)設(shè)計(jì)值)。

3.1.2 核算氣化裝置異常過程氧氣消耗量

氣化爐投料時(shí)氧氣流量設(shè)計(jì)值為21 735 Nm3/h，單臺(tái)空分裝置跳車時(shí)，短時(shí)間內(nèi)氣化雙爐運(yùn)行所需氧氣流量為43 470 Nm3/h，氣化爐運(yùn)行氧煤比為435 Nm3/m3，可保證氣化爐安全運(yùn)行。

3.1.3 核算氣化裝置正常運(yùn)行過程氧氣消耗量

為了維持氣化爐液態(tài)排渣，氣化爐運(yùn)行氧煤比相比投料氧煤比高35 Nm3/m3，故氣化爐運(yùn)行氧煤比為470～510 Nm3/m3，為保證空分單臺(tái)裝置跳車兩臺(tái)氣化爐正常運(yùn)行，單臺(tái)空分外送氧氣流量必須大于47 000 Nm3/h。通過以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算數(shù)據(jù)表明，單套43 000 Nm3/h空分裝置工況下氣化雙爐運(yùn)行具備一定的可行性。

3.2 編制操作法，并計(jì)算該操作法各工藝環(huán)節(jié)氧氣消耗總量

為避免單套空分裝置局部故障引起氣化爐單爐停車對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成較大影響和損失，同時(shí)依據(jù)以上可行性分析，提出了單套43 000 Nm3/h空分裝置運(yùn)行工況下氣化雙爐運(yùn)行的應(yīng)急方案及相關(guān)注意事項(xiàng)，明確了方案的應(yīng)用范圍。

3.2.1 空分裝置應(yīng)急處置措施

(1)由于一套空分送氧量瞬間中斷，將會(huì)導(dǎo)致另一套運(yùn)行的空分裝置外送氧氣量瞬間增加，氧氣管網(wǎng)壓力迅速降低，氧泵負(fù)荷迅速增加，分餾工況發(fā)生變化。此時(shí)，空分機(jī)組崗位盡可能提升增壓機(jī)二、三段壓力(分別控制不低于2.75 MPaG和6.75 MPaG，必要時(shí)適當(dāng)提高機(jī)組轉(zhuǎn)速，同時(shí)根據(jù)工況變化及時(shí)調(diào)節(jié)高壓板式換熱器的污氮取出量，以緩解因氧氣采出量過大而造成的氧氣管線迅速降溫的現(xiàn)象。

(2)在單套空分裝置調(diào)整工況及外送氧氣量的同時(shí)，及時(shí)監(jiān)控相關(guān)各工藝指標(biāo)，控制正常指標(biāo)范圍內(nèi)，如出現(xiàn)指標(biāo)超標(biāo)情況，及時(shí)分析原因進(jìn)行調(diào)整，保證裝置運(yùn)行的平穩(wěn)。

(3)如果出現(xiàn)異常的空分裝置送氧量短時(shí)間無法恢復(fù)，單套空分裝置持續(xù)供氧量較大，導(dǎo)致以下任一現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)立即減少氧氣外送量，保證在運(yùn)裝置工況正常。

①氧氣管線溫度TI-292低至5 ℃并仍有下降趨勢(shì)；

②主冷液位持續(xù)下降并低于2 650 mm；

③氧氣純度降低至99.6%以下；

④高、低壓板換出口溫度TI301A1/A2、TI301A3-A8平均溫度低于10 ℃并仍有下降趨勢(shì)；

⑤主塔工況大幅度波動(dòng)(上下塔壓力、阻力、下塔液位、流量等工藝參數(shù)出現(xiàn)異常并超過正常工藝指標(biāo)控制范圍)，無法維持系統(tǒng)正常運(yùn)行；

⑥生產(chǎn)過程中發(fā)生其他故障，影響安全生產(chǎn)時(shí)必須降負(fù)荷或做停車處理。

3.2.2 氣化裝置應(yīng)急處置措施

(1)在確保兩臺(tái)氣化爐氧氣爐頭壓力與氣化爐爐膛壓力差值必須穩(wěn)定且大于0.3 MPa(根據(jù)單套空分工況下氣化雙爐運(yùn)行該指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值為0.36 MPa)的情況下，對(duì)兩臺(tái)氣化爐同時(shí)進(jìn)行快速減負(fù)荷操作，總負(fù)荷降至100 m3/h(單爐50 m3/h)，確保不發(fā)生因氧氣系統(tǒng)壓力突降造成煤漿或工藝氣反竄至氧氣管線發(fā)生事故。

(2)高壓煤漿泵快速進(jìn)行減負(fù)荷操作，在進(jìn)行減負(fù)荷操作時(shí)，注意控制氣化爐氧煤比例。

(3)通過調(diào)節(jié)高壓煤漿泵轉(zhuǎn)速將高壓煤漿泵轉(zhuǎn)速流量降低至50 m3/h，同時(shí)調(diào)節(jié)氧氣流量調(diào)節(jié)閥，避免因流量調(diào)節(jié)閥未及時(shí)調(diào)節(jié)造成氧煤比過高，引起氣化爐ESD聯(lián)鎖跳車。

(4)氣化爐負(fù)荷降低至最低負(fù)荷后(約50 m3/h)，對(duì)氣化爐水平衡進(jìn)行調(diào)整，控制碳洗塔進(jìn)水量(160～220 m3/h)，調(diào)整氣化爐系統(tǒng)各項(xiàng)工藝指標(biāo)正常。

(5)氣化嚴(yán)格按比例對(duì)煤漿泵轉(zhuǎn)速及氧氣流量進(jìn)行調(diào)整，并在2 min內(nèi)將煤漿泵轉(zhuǎn)速降至675 r/min。如表3所示。

表3 氣化爐降負(fù)荷參考表

4 應(yīng)急處置

4.1 空分裝置應(yīng)急處置

(1)單套43 000 Nm3/h空分發(fā)生故障后，兩臺(tái)氣化爐氧氣爐頭壓力與氣化爐爐膛壓力差值小于0.3 MPa時(shí)，需立即選擇性對(duì)一臺(tái)氣化爐進(jìn)行停車操作。

(2)單套43 000 Nm3/h空分裝置發(fā)生故障后，氣化爐盡快連續(xù)減負(fù)荷操作，3 min之內(nèi)氣化爐氧煤比不能達(dá)到435 Nm3/m3以上時(shí)，需立即選擇性對(duì)一臺(tái)氣化爐進(jìn)行停車操作。

4.2 氣化裝置應(yīng)急處置

(1)兩臺(tái)氣化爐減負(fù)荷至50 m3/h后，氣化爐氧煤比必須控制合理，若在30 min以內(nèi)氣化爐氧煤比指標(biāo)不能達(dá)到指標(biāo)值(470～510 m3/m3)時(shí)，需立即選擇性對(duì)一臺(tái)氣化爐進(jìn)行停車操作。

(2)兩臺(tái)氣化爐減負(fù)荷至50 m3/h，雙爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不得超過8 h，超過8 h則選擇性對(duì)一臺(tái)氣化爐進(jìn)行停車操作。

(3)兩臺(tái)氣化爐減負(fù)荷至50 m3/h后，必須確保氣化爐爐膛溫度(最高值)大于1 250 ℃，防止?fàn)t膛溫度過低造成渣口堵塞。

5 結(jié)語

在單套43 000 Nm3/h空分裝置運(yùn)行工況下，氣化爐保持雙爐運(yùn)行的操作方法無論從理論討論分析，還是從實(shí)踐檢驗(yàn)，均證明該操作方法可行，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，減少了氣化爐非計(jì)劃停車的次數(shù)，降低了因系統(tǒng)停車造成的人力物力消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。