朱紹良

(呼倫貝爾金新化工有限公司, 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506)

1 預(yù)干燥單元運(yùn)行現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

呼倫貝爾金新化工有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)金新化工)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目引用殼牌下行激冷粉煤氣化爐工藝,產(chǎn)能為60 000 m3/h有效氣。碎煤設(shè)計(jì)消耗質(zhì)量流量為51.7 t/h,預(yù)干燥單元核心設(shè)備管式干燥機(jī)額定質(zhì)量流量為51.7 t/h,最大質(zhì)量流量為57 t/h。

金新化工原料煤設(shè)計(jì)煤種為高水分褐煤,收到基全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%。為了滿(mǎn)足磨煤干燥單元進(jìn)料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%的設(shè)計(jì)要求,隨機(jī)配套了褐煤預(yù)干燥單元進(jìn)行碎煤的前處理。預(yù)干燥單元的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 碎煤預(yù)干燥工藝流程簡(jiǎn)圖

原煤倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)的粒徑≤13 mm的原料褐煤(全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%)通過(guò)稱(chēng)重給煤機(jī)準(zhǔn)確計(jì)量后輸送至管式干燥機(jī)列管內(nèi)進(jìn)行預(yù)干燥。管式干燥機(jī)列管內(nèi)部裝有螺旋翅片,主要起降低流動(dòng)速度、延長(zhǎng)換熱時(shí)間的作用。管式干燥機(jī)殼側(cè)使用0.4 MPa、180 ℃低壓過(guò)熱蒸汽,用于碎煤加熱。加熱后的80～90 ℃碎煤從管式干燥機(jī)尾端落料口由埋刮板輸送機(jī)輸送至下游料倉(cāng)。碎煤加熱后,蒸汽水分、一次風(fēng)、少量密封氮?dú)獾幕旌蠚怏w通過(guò)一次風(fēng)機(jī)引流至布袋除塵器,煤塵回收后通過(guò)旋轉(zhuǎn)給料機(jī)進(jìn)入下游料倉(cāng)。

預(yù)干燥單元分為A、B 2套裝置,自2016年6月18日氣化爐點(diǎn)火投煤成功運(yùn)行起,至2016年12月31日,預(yù)干燥單元A線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間共計(jì)46 d,停車(chē)6次,其中正常停運(yùn)2次,故障停運(yùn)4次;B線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間共計(jì)67 d,停車(chē)5次,其中正常停運(yùn)0次,故障停運(yùn)5次。2套裝置累計(jì)故障停運(yùn)9次,包括5次管式干燥機(jī)故障、2次磨煤系統(tǒng)故障、2次布袋除塵器閃燃;其中,磨煤系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)閥卡澀引起的1次停車(chē)是由管式干燥機(jī)列管導(dǎo)流翅片脫落導(dǎo)致的。造成該裝置停車(chē)的原因主要包括系統(tǒng)閃燃、管式干燥機(jī)本體列管與管板間內(nèi)漏,以及列管堵塞。

2 預(yù)干燥單元安全隱患防范

預(yù)干燥單元為半敞開(kāi)式干燥系統(tǒng),由風(fēng)機(jī)自管式干燥機(jī)前端管板吸入的新鮮空氣作為載氣,攜帶碎煤受熱后蒸發(fā)出的水分并排出系統(tǒng)外,從而達(dá)到干燥碎煤的目的。正常運(yùn)行過(guò)程中,管式干燥機(jī)管側(cè)為水汽、細(xì)煤粉與空氣的混合物,通過(guò)控制系統(tǒng)中水汽分壓(混合氣體露點(diǎn)),使系統(tǒng)氧含量較低,達(dá)不到煤粉自燃條件,從而保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。然而在開(kāi)停車(chē)及事故斷煤的情況下,由于水汽分壓失調(diào),極易引起系統(tǒng)高溫過(guò)氧而使煤粉自燃,風(fēng)機(jī)將已經(jīng)自燃的煤粉吸入布袋除塵器,導(dǎo)致布袋除塵器發(fā)生閃燃事故。在實(shí)際操作過(guò)程中,可以通過(guò)避免過(guò)氧和快速降溫2種手段防止預(yù)干燥系統(tǒng)閃燃[1-2]。

金新化工原料褐煤在空氣中的自燃點(diǎn)為100 ℃;在氧體積分?jǐn)?shù)為13%的環(huán)境中,金新化工原料褐煤粉塵的燃點(diǎn)為440 ℃。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),金新化工原料褐煤粉塵溫度在115 ℃以下,只要?dú)怏w粉塵混合物中的氧體積分?jǐn)?shù)在16%以下,都是安全的。因此,斷料工況下,由于預(yù)干燥系統(tǒng)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(tǒng)氮?dú)庋a(bǔ)入量與總風(fēng)量的體積分壓比。不同工況下系統(tǒng)混合氣氧含量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。無(wú)論在何種工況下,只要氧含量控制達(dá)到要求,預(yù)干燥系統(tǒng)就是相對(duì)安全的。

表1 不同工況下系統(tǒng)混合氣氧含量計(jì)算值

由表1可以看出:工況穩(wěn)定時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率控制露點(diǎn)在67～73 ℃時(shí),一次風(fēng)水汽分壓較高,同時(shí)在防爆氮?dú)怅P(guān)閉的情況下,系統(tǒng)氧體積分?jǐn)?shù)始終維持在10%～14%,此時(shí)風(fēng)量在無(wú)大幅度波動(dòng)的情況下,系統(tǒng)是安全的。當(dāng)系統(tǒng)停車(chē)或異常斷煤時(shí),由于管式干燥機(jī)中煤量較少,導(dǎo)致水汽分壓快速下降,通過(guò)操作降低風(fēng)量,打開(kāi)防爆氮?dú)?可以將氧體積分?jǐn)?shù)維持在16%以下;同時(shí),為了防止管式干燥機(jī)管側(cè)氧量過(guò)高導(dǎo)致碎煤自燃,可通過(guò)給煤機(jī)前端DN80氮?dú)夤芫€(xiàn)向管式干燥機(jī)內(nèi)補(bǔ)氮,以防止煤粉在管式干燥機(jī)內(nèi)自燃后火星吹入布袋發(fā)生閃燃。

在惰性化條件一定的情況下,停車(chē)或斷料過(guò)程中,盡快降低系統(tǒng)溫度也是防止閃燃的有效方法。當(dāng)空氣環(huán)境中溫度≥100 ℃時(shí),原料褐煤在特定金屬圓筒內(nèi)將發(fā)生自燃。通過(guò)管式干燥機(jī)內(nèi)部列管溫度與出口溫度的線(xiàn)性關(guān)系得到,當(dāng)管式干燥機(jī)出口溫度低于85 ℃時(shí),若管式干燥機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度低于100 ℃,則系統(tǒng)安全。因此,在正常停車(chē)過(guò)程中規(guī)定管式干燥機(jī)出口溫度必須低于85 ℃斷煤[3-4]。

極端情況發(fā)生時(shí),即系統(tǒng)事故斷料,操作人員必須盡快切斷系統(tǒng)熱源,將管式干燥機(jī)殼側(cè)蒸汽放空,適當(dāng)降低管式干燥機(jī)轉(zhuǎn)速,使系統(tǒng)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(jī)事故停機(jī),除了上述快速降溫操作外,還需要盡快現(xiàn)場(chǎng)判別停機(jī)原因,必要時(shí)手動(dòng)盤(pán)車(chē),防止管式干燥機(jī)熱態(tài)長(zhǎng)時(shí)間停止導(dǎo)致主驅(qū)動(dòng)軸變形損壞。

通過(guò)上述分析得到,預(yù)干燥系統(tǒng)安全防范措施分2種:(1)通過(guò)降低系統(tǒng)風(fēng)量、維持系統(tǒng)水汽分壓、增加污氮?dú)庋a(bǔ)入量保障系統(tǒng)惰性環(huán)境,防止氧含量失控。(2)斷料停車(chē)過(guò)程中應(yīng)盡快降低系統(tǒng)溫度,防止干燥列管內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到原料褐煤的自燃溫度而產(chǎn)生火花后帶入布袋除塵器。

3 管式干燥機(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行探討

金新化工原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目自2016年6月18日點(diǎn)火成功起,至2016年12月31日,預(yù)干燥單元最長(zhǎng)運(yùn)行記錄只有32 d。排除正常計(jì)劃停運(yùn)及布袋閃燃安全事故停運(yùn)外,由于系統(tǒng)自身缺陷停運(yùn)次數(shù)為7次,占系統(tǒng)總停運(yùn)次數(shù)的63%。

3.1 存在的問(wèn)題

該項(xiàng)目采用北京電力設(shè)備總廠(chǎng)的ZGG5×8型管式干燥機(jī)(外形尺寸為8 000 mm×5 350 mm)。在日常運(yùn)行過(guò)程中,管式干燥機(jī)殼側(cè)蒸汽壓力逐步升高、主電機(jī)電流緩慢升高、干煤側(cè)出口溫度逐漸降低為主要運(yùn)行惡化參數(shù)。待系統(tǒng)停運(yùn)后檢查,以上惡化工況主要是由于管式干燥機(jī)前后端管板與列管之間在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生泄漏造成的。由于管式干燥機(jī)列管與管板之間是脹接后點(diǎn)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(yùn)行后熱應(yīng)力的作用極易互相拉扯,使換熱管與管板焊接處脫開(kāi)導(dǎo)致殼側(cè)蒸汽或冷凝液進(jìn)入管側(cè)。密封性變差后,為了維持管式干燥機(jī)出口一次風(fēng)溫度,必將耗損更多低壓過(guò)熱蒸汽,導(dǎo)致殼側(cè)蒸汽壓力在運(yùn)行過(guò)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(cè)干燥后碎煤相互作用產(chǎn)生濕的焦?fàn)罨旌衔锒氯泄?列管堵塞情況見(jiàn)圖2。部分列管堵塞后,導(dǎo)致機(jī)體一端質(zhì)量加劇,從而使管式干燥機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電流波動(dòng)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(jī)干燥管堵塞情況

因此,預(yù)干燥單元運(yùn)行瓶頸總結(jié)為:由于管式干燥機(jī)列管與管板脹接處焊接密封處理不足,導(dǎo)致在運(yùn)行及增減負(fù)荷過(guò)程中泄漏,不斷提高殼側(cè)低壓蒸汽壓力不僅無(wú)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(jī)電流峰值升高、出料溫度降低等問(wèn)題。針對(duì)上述運(yùn)行瓶頸,在干燥機(jī)停運(yùn)檢修期間,設(shè)置了針對(duì)性檢修項(xiàng)目及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表2。

表2 管式干燥機(jī)停車(chē)檢修項(xiàng)目及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

3.2 優(yōu)化措施

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

在管式干燥機(jī)預(yù)熱過(guò)程中,要求機(jī)體溫升速率不能超過(guò)0.5 K/min,管式干燥機(jī)機(jī)體熱膨脹量小于15 mm為宜。嚴(yán)格按升溫速率控制蒸汽量增幅,使預(yù)熱過(guò)程中殼側(cè)加熱蒸汽壓力始終維持在100 kPa以下,可避免在開(kāi)停車(chē)過(guò)程中管式干燥機(jī)受熱應(yīng)力影響發(fā)生泄漏。系統(tǒng)正常運(yùn)行期間,由于加減負(fù)荷需要,加熱蒸汽量將會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng),操作人員應(yīng)盡量減緩增減負(fù)荷的速率,避免過(guò)快增減負(fù)荷造成蒸汽壓力波動(dòng)較大使管式干燥機(jī)機(jī)體泄漏。

管式干燥機(jī)操作過(guò)程中,通過(guò)過(guò)熱蒸汽向碎煤傳熱,放出的熱量使碎煤受熱、水分蒸發(fā)。因此,在蒸汽還未大量產(chǎn)生相變的情況下,單位質(zhì)量蒸汽釋放熱量越多,干燥效果越好。管式干燥機(jī)在正常負(fù)荷運(yùn)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(guò)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(fā)生相變的情況下,單純的蒸汽溫度提升對(duì)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(dá)到同等換熱效果,且部分蒸汽通過(guò)換熱后發(fā)生相變可以有效防止殼側(cè)壓力過(guò)高而導(dǎo)致管式干燥機(jī)泄漏。表3為金新化工殼牌裝置預(yù)干燥單元同負(fù)荷、不同蒸汽溫度下的運(yùn)行工況比較。

表3 預(yù)干燥單元不同工況參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上述分析,預(yù)干燥單元操作過(guò)程中,可以通過(guò)以下3點(diǎn)參數(shù)優(yōu)化降低管式干燥機(jī)檢維修頻率,以達(dá)到預(yù)干燥單元長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo):

(1) 開(kāi)車(chē)過(guò)程中,嚴(yán)格按0.5 K/min升溫速率對(duì)管式干燥機(jī)進(jìn)行預(yù)熱,防止升溫速率變化劇烈的情況發(fā)生。

(2) 在正常運(yùn)行過(guò)程中,加熱蒸汽溫度控制在150～170 ℃。溫度過(guò)高導(dǎo)致殼側(cè)壓力升高,干燥機(jī)易發(fā)生泄漏,溫度過(guò)低則蒸汽在管式干燥機(jī)入口端會(huì)發(fā)生水擊,對(duì)管式干燥機(jī)本體損害較大。

(3) 盡量?jī)?yōu)化其他參數(shù),例如高負(fù)荷情況下適當(dāng)增加管式干燥機(jī)轉(zhuǎn)速,防止管式干燥機(jī)由于填充度增加而導(dǎo)致瞬間負(fù)載過(guò)高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從安全和穩(wěn)定2個(gè)方面分析目前預(yù)干燥單元無(wú)法長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題。安全運(yùn)行主要通過(guò)嚴(yán)格的溫度控制和充足的惰性化條件達(dá)成;另外,提升檢維修質(zhì)量和工藝參數(shù)的優(yōu)化同步進(jìn)行,可減少預(yù)干燥單元停車(chē)檢修頻率,達(dá)到預(yù)干燥單元安穩(wěn)長(zhǎng)滿(mǎn)優(yōu)的運(yùn)行要求。