中能化工三期航天爐氣化裝置開車運行總結(jié)

童維風

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽臨泉 236400）

0 引 言

安徽晉煤中能化工股份有限公司（簡稱中能化工）600kt／a合成氨原料路線改造項目——三期航天爐氣化裝置于2017年3月14日成立項目小組，2017年7月開工建設；2019年5月氣化裝置進入單體試車階段，期間處理了一些試車過程中暴露出的問題。2020年5月空分裝置開車，5月26日空分裝置產(chǎn)出合格的氮氣和氧氣，5月31日06：51氣化裝置一次開車投料成功，當日19：37氨合成系統(tǒng)接氣產(chǎn)出產(chǎn)品，三期航天爐生產(chǎn)系統(tǒng)全流程打通；之后經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，氣化裝置于2020年6月20日加至設計負荷運行，設計負荷下氣化裝置各項工藝指標及運行參數(shù)正常，總體上運行平穩(wěn)。以下對三期航天爐氣化裝置試車、開車工作及有關情況作一總結(jié)。

1 三期航天爐氣化裝置簡況

1.1 航天爐簡介

三期航天爐氣化裝置采用HTL-4／S-32／38-II／Y型氣化爐，此種航天爐開工燒嘴與煤燒嘴各自獨立，點火開工采用一體化油燒嘴，輸煤（干煤粉）氣體及保護氣為CO2，燒嘴氧路保護氣為N2；氣化爐設計操作壓力4.0MPa，設計水氧比（汽氧比）0.1kg／kg；單臺氣化爐設計有效氣（CO＋H2）產(chǎn)量2520km3／d。

1.2 氣化裝置的設計特點

三期航天爐氣化裝置由磨煤及干燥單元、粉煤加壓及輸送單元、氣化單元、渣水處理單元、公共單元組成，相較于中能化工一期、二期航天爐（HTL-4／S-28型氣化爐）氣化裝置，三期航天爐氣化裝置最大的不同在于：一是點火開工采用單獨的一體化油燒嘴，點火開工高效且便捷；二是合成氣洗滌系統(tǒng)增設了旋風分離器除塵，粗合成氣除塵洗滌更徹底；三是渣水系統(tǒng)采用三級閃蒸，熱量回收利用更合理。

2 試車中發(fā)現(xiàn)的問題及優(yōu)化改進

2.1 磨煤及干燥單元

（1）中能化工三期航天爐氣化裝置使用的MPS245HP-IIA型中速磨機大多應用在電廠、鍋爐廠，原始設計中磨機沒有設置磨輥軸承溫度監(jiān)測點，而航天爐對粉煤粒度的要求相對于電廠、鍋爐廠要嚴格一些，對磨機運行的穩(wěn)定性也要求較高，即需對磨機各部位的運行情況進行實時監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。試車時發(fā)現(xiàn)這一問題后，通過與磨機生產(chǎn)廠家進行溝通，并結(jié)合中能化工一期、二期航天爐氣化裝置磨機磨輥溫度監(jiān)測點的設置，在三期航天爐氣化裝置磨機磨輥上增設了測溫點，并使用耐高溫的儀表線。技改后，溫度點一旦出現(xiàn)異常能及時發(fā)現(xiàn)并停機處理，再結(jié)合磨機通用檢查周期對磨輥進行定期檢查并及時消缺，從而可有效避免影響生產(chǎn)運行事故的發(fā)生。

（2）磨煤及干燥單元之輸送系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)卸料閥、纖維篩、螺旋輸送機。原料煤中的雜物通過研磨干燥后被循環(huán)風帶入纖維篩中進行分離，隨著運行周期的延長，纖維篩內(nèi)部的雜物越積越多，會影響粉煤管線的穩(wěn)定輸送，故需定期清理纖維篩，而清理過程中雜物可能進入系統(tǒng)造成二次污染，導致粉煤輸送管線流量波動，影響航天爐工況。為此，在纖維篩出口管線上增設1個插板閥，插板閥上增設1個檢查手孔，清理纖維篩前關閉插板閥，清理完成后打開插板閥上部手孔，將掉落的雜物清理干凈后關閉手孔，之后打開插板閥，粉煤輸送系統(tǒng)正常投運。

（3）輸送系統(tǒng)纖維篩的主要作用是在粉煤輸送的過程中捕集其中夾雜的陶瓷片及雜草纖維等，以確保粉煤的清潔，保證粉煤管線的穩(wěn)定運行。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)三期航天爐裝置磨煤單元的纖維篩篩面距離設備殼體有近4cm的距離，由于間隙過大，極易導致系統(tǒng)內(nèi)脫落的陶瓷片及纖維雜物掉進設備內(nèi)部并被送至粉煤加壓放料環(huán)節(jié)，一旦這些雜物進入粉煤給料罐，可能會引起輸煤管線流量的波動而影響氣化爐的工況，甚至可能卡阻粉煤流量調(diào)節(jié)閥，造成粉煤管線斷流。于是，采用扁鐵對篩面幫邊的方式進行加寬處理，保證設備殼體與幫邊的距離在1cm之內(nèi)。技改后，粉煤輸送系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性顯著提高。

2.2 粉煤加壓及輸送單元

（1）粉煤鎖斗在開車前的帶料試運行期間，每次泄壓粉煤儲罐料位均會不同程度上漲，期間料位最高時粉煤儲罐中粉煤達10t，判斷為粉煤鎖斗放料不暢，因粉煤放不盡，在泄壓時隨泄壓氣體進入粉煤儲罐過濾器，經(jīng)分離后粉煤進入粉煤儲罐，造成粉煤儲罐料位上漲。為查找粉煤鎖斗放料不暢的原因，對相關數(shù)據(jù)進行收集，發(fā)現(xiàn)粉煤給料罐的3個壓力點示數(shù)不一致，據(jù)此判斷是16PI1127／16PI1128所在管線出現(xiàn)了堵塞。于是，對粉煤加壓及輸送單元進行泄壓，拆開粉煤鎖斗與粉煤給料罐平衡管，發(fā)現(xiàn)有異物堵塞管線，進行了清理。異物清理后，粉煤給料罐的3個壓力點示數(shù)一致，粉煤鎖斗放料順暢，泄壓時粉煤儲罐料位也不再上漲。

（2）粉煤給料罐是為航天爐提供穩(wěn)定粉煤輸送的重要設備，其需與氣化爐保持穩(wěn)定的壓差，一般控制在約0.7MPa。粉煤給料罐頂部設置有過濾器，當粉煤給料罐與氣化爐的壓差高時，通過過濾器泄壓調(diào)節(jié)閥進行泄壓；當粉煤給料罐與氣化爐的壓差低時，通過補氣調(diào)節(jié)閥對過濾器進行吹掃的同時對粉煤給料罐充氣補壓，以穩(wěn)定粉煤給料罐與氣化爐的壓差。粉煤給料罐頂部過濾器濾芯一旦堵塞，就會影響粉煤給料罐的泄壓和充壓，導致粉煤給料罐與氣化爐的壓差出現(xiàn)波動，進而引起航天爐工況不穩(wěn)定。為此，增設了粉煤給料罐頂部過濾器副線，過濾器出現(xiàn)故障時投用副線，從而可確保粉煤給料罐頂部過濾器故障時航天爐的安全、穩(wěn)定運行。

2.3 氣化單元

（1）三期航天爐氣化裝置設計氧負荷為30900m3／h，設計投料時氧負荷為12000m3／h、氧流量低低跳車聯(lián)鎖值為6000m3／h，而氧流量計的量程為50000m3／h，對于正常生產(chǎn)負荷來說，氧流量計的量程偏大，量程大就意味著小流量的計量和示數(shù)會不準確——調(diào)試過程中氧負荷在13000m3／h以下時氧流量計示數(shù)為0，氧負荷在13000～15000m3／h時氧流量計示數(shù)波動大、不穩(wěn)定。對于此問題，流量計廠家進行過調(diào)試處理，但效果不明顯。分析認為，三期航天爐氣化裝置氧流量計選擇的是渦街流量計，其對配管要求很高，而管道施工過程中未能充分考慮氧流量計的使用需求，導致氧流量計投用后小流量時顯示不準確或不能正常顯示。為確保安全順利開車，經(jīng)與設計院溝通，將航天爐投料時氧負荷調(diào)整為13500m3／h，同時增加氧流量低低與氧閥開度低共同作用觸發(fā)跳車聯(lián)鎖。調(diào)整后，氣化裝置的順利開車得到有效保障。

（2）氣化裝置正常生產(chǎn)時，高壓灰水泵出口壓力為4.8MPa，洗滌塔操作壓力為3.6MPa，兩者壓差為1.2MPa。但在氣化裝置開車期間，洗滌塔通過調(diào)節(jié)閥（17LV-1008）補高壓灰水，而此時洗滌塔為常壓，高壓灰水泵出口與洗滌塔之間的壓差高達4.8MPa，導致17LV-1008調(diào)節(jié)閥開度小、高壓灰水補水管線振動大。為此，試車期間進行了如下操作優(yōu)化：開車期間關小調(diào)節(jié)閥17LV-1008前手閥，確保調(diào)節(jié)閥開度在50%以上，待洗滌塔壓力上升、與高壓灰水泵出口之壓差降低后，逐漸全開17LV-1008前手閥。優(yōu)化操作后，17LV-1008及管道的安全穩(wěn)定運行得以保證，確保了氣化裝置的平穩(wěn)開車。

（3）中能化工三期航天爐產(chǎn)生的粗合成氣出激冷室后進入文丘里洗滌器，增濕除塵后粗合成氣進入旋風分離器進一步除塵后，旋風分離器錐部的黑水送往高壓閃蒸器，旋風分離器中上部相對清潔的黑水送往激冷水泵進口，以平衡旋風分離器的液位。中能化工一期、二期航天爐氣化裝置無旋風分離器流程，洗滌塔運行時水質(zhì)較差，黑水含固量較高，而中能化工三期航天爐氣化裝置旋風分離器出口黑水水質(zhì)與一期和二期航天爐氣化裝置洗滌塔出口黑水水質(zhì)相當，因此，將三期航天爐氣化裝置旋風分離器中上部黑水送至激冷水泵進口，勢必污染激冷水，影響激冷水泵及航天爐的穩(wěn)定運行。為此，試車水循環(huán)期間將旋風分離器黑水進激冷水泵進口調(diào)節(jié)閥關閉，關閉手閥，取消了此路水，通過增加旋風分離器排水來維持系統(tǒng)水平衡。優(yōu)化改進后，取樣及拆檢情況表明，三期航天爐氣化裝置激冷水系統(tǒng)較為清潔，為氣化裝置的長周期運行奠定了基礎。

2.4 渣水處理單元

（1）經(jīng)沉降槽澄清后的灰水，一部分進入灰水槽循環(huán)利用，另一部分經(jīng)外排水緩沖罐后送至污水處理系統(tǒng)，以改善灰水水質(zhì)。外排水緩沖罐屬常壓設備，機械加工部分由中能化工自行設計加工，沉降槽灰水溢流至外排水緩沖罐管設計為DN400，外排水緩沖罐出口管設計為DN200，外排水緩沖罐頂部放空管設計為DN100。在開車前的水循環(huán)初期，外排水泵流量均正常，但隨著系統(tǒng)水溫的不斷升高，外排水緩沖罐經(jīng)常出現(xiàn)液位偏低而灰水槽液位偏高的情況，導致灰水系統(tǒng)失衡。為此，對外排水緩沖罐放空管進行技改——將放空管由DN100改成DN400。技改后，外排水緩沖罐再也沒有出現(xiàn)過液位偏低的現(xiàn)象，穩(wěn)定了灰水系統(tǒng)的運行。

（2）航天爐氣化裝置運行中，氣化爐燃燒過程產(chǎn)生的部分細灰、細渣通過氣化灰水循環(huán)系統(tǒng)最終進入沉降槽絮凝沉降處理，沉降槽底部沉降的稠化淤漿通過沉降槽底流泵送至壓濾機。在氣化裝置開停車過程中，由于系統(tǒng)溫度、壓力的劇烈變化，系統(tǒng)中的垢片會大量脫落，垢片隨著水循環(huán)進入沉降槽，繼而進入底流泵葉輪處，造成底流泵頻繁檢修和損壞，影響淤漿的正常排出，最終影響氣化裝置的穩(wěn)定運行。為此，在沉降槽底流泵進口設置過濾器，用于過濾系統(tǒng)的垢片等雜物；當過濾器壓差升高時，直接通過過濾器手孔清理垢片等雜物。技改后，底流泵故障率有效降低，減少了拆檢底流泵的繁重工作，穩(wěn)定了系統(tǒng)的運行。

（3）真空閃蒸系統(tǒng)中，真空閃蒸罐閃蒸氣經(jīng)冷凝器冷凝后進入真空閃蒸分離罐，未凝氣通過真空閃蒸泵抽出放空，1個真空閃蒸分離罐配置2臺真空閃蒸泵（一開一備）；在真空閃蒸泵入口處，2臺泵并聯(lián)管處各設有1個手閥，但2臺真空閃蒸泵出口處未設置手閥，未凝氣直接進總管后放空。但由于放空氣為微正壓，使得放空過程中備用的真空閃蒸泵內(nèi)也會進入一部分熱氣，造成備用泵的侵蝕，影響備用泵的使用壽命；此外，一旦出現(xiàn)機泵需要檢修時，此種設計方式使得停下的檢修泵不易切除隔離，影響安全檢修。于是，在2臺真空閃蒸泵出口各增設了1個手閥，正常生產(chǎn)時備用泵出口手閥關閉，檢修時將檢修泵進出口手閥均關閉即可，確保了真空閃蒸泵的良好備用與安全檢修。

3 氣化裝置開車過程及控制要點

3.1 氣化裝置開車過程簡介

2020年5月20日三期空分裝置完成前期的查漏、裸冷、珠光砂裝填等工作；5月21日，三期空分裝備準備冷態(tài)沖轉(zhuǎn)，直至達到額定轉(zhuǎn)速；5月22日，按程序進行空分裝置的空壓機加載、預冷系統(tǒng)啟動、純化系統(tǒng)投用、增壓機加載、冷箱吹掃；5月23日，工質(zhì)露點合格，啟動膨脹機，系統(tǒng)降溫積液；5月24日，主冷下塔積液，并對液氧泵進行預冷；5月25日，系統(tǒng)外供中抽氣，系統(tǒng)進入調(diào)純階段；5月26日，空分裝置開始外供0.45MPa和15kPa的氮氣，氧氣純度合格，空分裝置全線產(chǎn)品合格，具備供氣條件。

2020年5月25日，氣化裝置磨煤系統(tǒng)進入最后的調(diào)試階段，所有設備運行以排除異常和故障，進行輸煤系統(tǒng)調(diào)試，檢查氧氣系統(tǒng)氣密性，氣化系統(tǒng)、渣水系統(tǒng)建立水循環(huán)，同時系統(tǒng)升壓至1.0MPa標定主氧流量計；5月26日，空分裝置供出合格氮氣后，磨煤系統(tǒng)進行惰性化（置換）；5月27日，投用磨煤系統(tǒng)氧表在線分析，系統(tǒng)氧含量合格，啟動磨機磨煤，標定粉煤流量計，同時濕試粉煤鎖斗放料程序；5月28日，粉煤流量計、粉煤儲罐稱重、放射源料位計標定完成；5月29日，啟動閥門校驗，開工氧氣、霧化氮氣流量標定驗證，并對開車程序濕試，對存在的問題進行處理。5月30日，對開車程序再次進行驗證后，當日16：00開始引氧氣，3.0MPa下放空提純；21：40引氧結(jié)束，22：10啟動吹掃程序，23：40啟動開工程序，23：53一次點火成功。5月31日06：51氣化爐一次性投料成功，經(jīng)過近8h的掛渣后，當日17：05變換系統(tǒng)接氣，19：37氨合成系統(tǒng)接氣成功，打通系統(tǒng)全流程產(chǎn)出產(chǎn)品，至此，三期航天爐氣化裝置順利投運。

3.2 開車過程中的控制要點

（1）一體化油燒嘴點火控制。中能化工一期、二期航天爐氣化裝置采用燃料氣點火開工，三期航天爐氣化裝置采用的是一體化油（柴油）燒嘴點火開工，柴油需要霧化后才容易著火燃燒，因此一體化油燒嘴點火開工的工藝設計和操作過程均有別于燃料氣燒嘴點火，中能化工根據(jù)設計院給定的參數(shù)進行標定控制，實現(xiàn)了一次性點火成功，紅外火檢和攝像頭火檢檢測火焰均較為穩(wěn)定。

（2）投料后氧負荷的控制。氣化爐升壓至1.0MPa時，氣化爐各運行參數(shù)正常，具備投料條件；啟動投煤程序，投煤成功后，氧流量瞬時達到13500m3／h，氧流量波動較大，氧流量在15000m3／h以下時系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，不易控制，及時加氧至15000m3／h以上，氧流量相對穩(wěn)定；之后采用先加煤、再加氧的方式，并遵循少量多次調(diào)節(jié)控制的原則逐步提高氧負荷，優(yōu)化氧煤比，提高爐溫，控制適宜的粗合成氣組分，逐漸將氧流量調(diào)整至額定負荷，各運行參數(shù)正常，氣化爐運行總體穩(wěn)定。

（3）航天爐掛渣階段的控制。航天爐爐膛內(nèi)的水冷壁盤管上設有抓釘，抓釘上設置耐火材料用于保護水冷壁的安全運行，由于僅僅依靠耐火材料不足以起到保護水冷盤管的作用，航天爐設計中采用以渣抗渣的原理確保氣化爐能在較高的溫度下安全運行，故原始開車期間航天爐爐膛要經(jīng)歷掛渣的過程。航天爐掛渣時要使用合適的煤種，掛渣所用原料煤灰渣流溫區(qū)間＞70℃、煤灰粘度在10～100Pa·s、灰分在8% ～12%、揮發(fā)分在32% ～38%為宜，通過優(yōu)化氧煤比控制爐膛最高溫度在1000℃以下，并在設計負荷的60%以下運行8h以上，這樣才能使航天爐爐膛掛渣良好，為今后氣化裝置的安全穩(wěn)定運行奠定基礎。

（4）水氧比控制。中能化工三期航天爐設計水氧比為0.1kg／kg，控制水氧比的主要目的是微調(diào)爐溫和微調(diào)粗合成氣組分，正常運行期間一般不需要調(diào)整，除非確實有必要；一般來說，航天爐水氧比調(diào)整主要是在其所用煤種發(fā)生了變化或航天爐低負荷下運行時間過長的情況下。實際生產(chǎn)中，若細渣生成量過大，可適當降低航天爐水氧比；調(diào)整航天爐水氧比時要兼顧考慮氧煤比，若提高航天爐水氧比而未提高氧煤比，會導致航天爐水冷壁產(chǎn)生蒸汽較少及粗合成氣中的CH4含量增高。中能化工三期航天爐氣化裝置開車運行后，根據(jù)航天爐的氧負荷，控制水氧比在0.1kg／kg，爐溫總體穩(wěn)定，細渣量適中，粗合成氣中有效氣（CO＋H2）含量≥90%，氣體成分較好。

4 氣化裝置的穩(wěn)定運行情況

4.1 主要工藝參數(shù)

三期航天爐氣化裝置穩(wěn)定運行后，氣化爐入爐粉煤量51t／h，氧負荷穩(wěn)定在31000m3／h，水氧比控制在0.1kg／kg；氣化爐上錐段溫度300℃、爐膛溫度500℃，主盤管介質(zhì)密度800 kg／m3；粗合成氣產(chǎn)量130000m3／h（干氣），粗合成氣組分為CO26%、CO66%、H224%、CH4600×10－6；汽包產(chǎn)汽量4t／h。

4.2 煤種調(diào)整及控制

三期航天爐氣化裝置設計開車煤種為靈通精煤，氣化爐爐膛掛渣完成后，為提高煤種的適應性，對煤種進行了調(diào)整——逐漸將靈通精煤的比例降至30%、坤能煤的比例提高至70%；后期又對不同煤種進行過試燒，氣化爐各運行參數(shù)正常，氣化爐工況總體穩(wěn)定。

4.3 主要能耗指標

三期航天爐氣化裝置穩(wěn)定運行后，在31000 m3／h的正常氧負荷工況下，氣化爐運行穩(wěn)定，合成氨產(chǎn)量穩(wěn)定在1200t／d以上；經(jīng)測算，噸氨煤耗約1290kg、電耗約200kW·h、汽耗約1100kg。

5 結(jié)束語

實踐表明，中能化工在一期、二期航天爐（HTL-4／S-28型氣化爐）氣化裝置運行總結(jié)的基礎上，三期航天爐（HTL-4／S-32／38-II／Y型氣化爐）氣化裝置在原始設計時就作了一些優(yōu)化，尤其是旋風分離器等的應用，之后通過試車、開車過程中的不斷優(yōu)化改進，三期航天爐氣化裝置在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，其各項消耗指標明顯優(yōu)于一期、二期航天爐氣化裝置，且三期航天爐的操作彈性更大、煤種的適應性更廣。相信通過今后不斷的運行總結(jié)與優(yōu)化，三期航天爐氣化裝置將為中能化工增添新的利潤點，有力地提升企業(yè)的市場競爭力。