水煤漿水冷壁氣化裝置實(shí)用性技術(shù)創(chuàng)新改造總結(jié)

裴 雙

(陽(yáng)泉煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

0 引 言

陽(yáng)泉煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬企業(yè)山西陽(yáng)煤豐喜泉稷能源有限公司(簡(jiǎn)稱泉稷公司)原設(shè)計(jì)的焦?fàn)t氣綜合利用生產(chǎn)尿素聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目，其產(chǎn)能為合成氨300 kt/a、尿素520 kt/a、LNG 63 kt/a，現(xiàn)生產(chǎn)裝置原料氣采用焦?fàn)t氣+粗合成氣，其中，氣化裝置配套2臺(tái)單噴嘴水煤漿水冷壁氣化爐(晉華爐2.0技術(shù)，兩開(kāi)無(wú)備)，單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)投煤量750 t/d，氣化爐設(shè)計(jì)操作壓力4.8 MPa、操作溫度1 300 ℃。自2015年12月氣化裝置投料以來(lái)，由于其在工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備設(shè)計(jì)等方面存在一些缺陷，導(dǎo)致氣化裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題。為此，泉稷公司基于工藝操作及設(shè)備檢維修經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)氣化裝置進(jìn)行了一系列實(shí)用性技術(shù)創(chuàng)新改造，實(shí)現(xiàn)了氣化裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 氣化裝置運(yùn)行中存在的五大問(wèn)題

經(jīng)總結(jié)與梳理，泉稷公司氣化裝置運(yùn)行中主要存在工藝設(shè)計(jì)缺陷、設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷、制漿系統(tǒng)缺少提濃設(shè)備致水煤漿濃度低、絮凝劑和分散劑加入量在線監(jiān)測(cè)不完善、鎖斗排渣系統(tǒng)不清潔環(huán)保五大類問(wèn)題，具體如下。

1.1 工藝設(shè)計(jì)缺陷

1.1.11臺(tái)中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)配套2臺(tái)氣化爐的設(shè)計(jì)缺陷

泉稷公司水煤漿水冷壁氣化裝置原設(shè)計(jì)思路為1臺(tái)中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)配套2臺(tái)氣化爐——正常運(yùn)行時(shí)氣化爐兩開(kāi)無(wú)備，操作壓力為3.5～4.0 MPa，每臺(tái)氣化爐分別設(shè)有環(huán)腔密封保護(hù)氮?dú)?，主要作用為防止主水冷壁鰭片泄漏后氣化爐內(nèi)高溫高壓粗合成氣倒竄進(jìn)入設(shè)備殼體而引發(fā)嚴(yán)重事故，2臺(tái)氣化爐的環(huán)腔保護(hù)氮?dú)馔ㄟ^(guò)同1臺(tái)中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)提供，原設(shè)計(jì)的氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)忾y為手動(dòng)控制閥，氮?dú)馔ㄟ^(guò)中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)提壓后流經(jīng)手動(dòng)閥進(jìn)入氣化爐。

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，氣化爐單爐檢修放空時(shí)，由于待檢修氣化爐壓力持續(xù)降低導(dǎo)致其與在運(yùn)氣化爐壓力不同，且氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)鈮毫H能依靠手動(dòng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)很難保證壓力均衡，調(diào)節(jié)滯后會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)氣化爐內(nèi)高溫高壓的粗合成氣從氣化爐下封板空隙進(jìn)入環(huán)腔而腐蝕主水冷壁外管，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)氣化爐內(nèi)的高溫高壓粗合成氣倒流進(jìn)入待檢修氣化爐，存在嚴(yán)重的安全隱患。泉稷公司氣化裝置運(yùn)行3 a后，2臺(tái)氣化爐的主水冷壁分別出現(xiàn)過(guò)因高溫粗合成氣腐蝕而發(fā)生泄漏的現(xiàn)象，最后被迫對(duì)主水冷壁進(jìn)行了更換，而更換1次主水冷壁耗時(shí)約15 d，需要消耗大量的人力、物力及財(cái)力，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1.1.2氣化爐高壓氮?dú)夥种Ч芫€設(shè)計(jì)缺陷

氣化爐系統(tǒng)使用高壓氮?dú)馍婕暗拈y門主要有總氧氣程控閥(HV13001)、主氧氣調(diào)節(jié)閥(FV13007)、燃料氣管道氮吹閥(XV13064)及氧氣均壓遙控閥(HV13029)，這些閥門全部參與SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖，其目的是避免開(kāi)車/停車操作時(shí)可燃物質(zhì)與助燃物(氧氣)發(fā)生接觸而引起著火、爆炸等安全事故。原設(shè)計(jì)氧氣均壓遙控閥(HV13029)與總氧氣程控閥(HV13001)互鎖，同時(shí)燃料氣管道氮吹閥(XV13064)配有手動(dòng)閥的吹掃副線，正常運(yùn)行時(shí)該副線手動(dòng)閥微開(kāi)以防止水煤漿通過(guò)燒嘴頭部倒流進(jìn)入燃料氣至燒嘴的盲腸管線而發(fā)生堵塞。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，氣化爐高壓氮?dú)夥种Ч芫€的設(shè)計(jì)及操作沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分爐控制，實(shí)際操作中存在安全隱患：每次單爐停車檢修放空時(shí)，由于待檢修氣化爐壓力的持續(xù)降低，導(dǎo)致待檢修氣化爐與在運(yùn)氣化爐壓力不同，而原設(shè)計(jì)的氧氣均壓遙控閥(HV13029)后的止回閥不可能一直起到有效的密封作用，停車期間高壓氮?dú)獯祾卟襟E執(zhí)行完畢后，由于高壓氮?dú)夤芫€的壓力瞬間降低，導(dǎo)致殘留在總氧氣程控閥(HV13001)后至主氧氣調(diào)節(jié)閥(FV13007)之間的高壓氧氣通過(guò)止回閥倒流進(jìn)入高壓氮?dú)夤芫€，同理，在運(yùn)氣化爐內(nèi)的部分高溫高壓粗合成氣也會(huì)通過(guò)燃料氣管道氮吹閥(XV13064)之副線閥倒流進(jìn)入高壓氮?dú)夤芫€，可燃物與助燃物同時(shí)進(jìn)入高壓氮?dú)夤芫€，在氣化爐開(kāi)車點(diǎn)火階段可能產(chǎn)生著火爆炸事故。

1.2 設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷

1.2.1合成氣洗滌塔關(guān)聯(lián)管線設(shè)計(jì)缺陷

泉稷公司氣化裝置中的合成氣洗滌塔氣體分布器與支管采用一次性焊接，且氣體分布器及支管空隙較小，同時(shí)合成氣洗滌塔底部黑水管線設(shè)計(jì)有彎頭，這種設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致檢修不徹底——每次設(shè)備檢修時(shí)氣體分布器及支管內(nèi)的灰垢無(wú)法徹底清理，這些灰垢最終會(huì)隨著黑水堵在黑水管線彎頭處或進(jìn)入高壓閃蒸罐錐底而發(fā)生堵塞，導(dǎo)致黑水無(wú)法正常流動(dòng)，氣化爐被迫切氣，黑水閃蒸系統(tǒng)停車泄壓進(jìn)行人工清理，此種情況下恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間約需8 h，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，泉稷公司每年平均會(huì)出現(xiàn)2次因該問(wèn)題引起的氣化爐切氣事故。

1.2.2真空閃蒸罐下液管設(shè)計(jì)缺陷

真空閃蒸罐下液原設(shè)計(jì)直接排至沉降槽，存在設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)法滿足氣化爐連投需要——每次氣化爐連投時(shí)，由于不打開(kāi)人孔清理灰垢，投料時(shí)高壓閃蒸罐及真空閃蒸罐內(nèi)壁灰垢在熱脹冷縮作用下會(huì)發(fā)生脫落，脫落的灰垢通過(guò)真空閃蒸罐下液管線直接排至沉降槽，造成沉降槽底部局部堵塞、細(xì)灰漿排出不暢、沉降槽上部灰水濁度不合格，甚至導(dǎo)致沉降槽耙灰器一直提升至最高位置，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)耙灰器過(guò)扭矩聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，刮料無(wú)法進(jìn)行，2臺(tái)氣化爐被迫停車；處理時(shí),必須先將沉降槽2 200 m3的料液排空，才能將沉積在沉降槽底部的細(xì)灰人工清理干凈，同時(shí)污水處理系統(tǒng)處理難度大，且每次恢復(fù)開(kāi)車時(shí)還需給沉降槽重新補(bǔ)充大量的一次水，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年平均至少出現(xiàn)1次因該問(wèn)題引起的氣化爐停車事故。

1.3 制漿系統(tǒng)缺少提濃設(shè)備致水煤漿濃度低

泉稷公司原設(shè)計(jì)的制漿系統(tǒng)采用棒磨機(jī)制漿工藝，共有2臺(tái)φ3.3 m×5.8 m的棒磨機(jī)(兩開(kāi)無(wú)備)，以神木煤為原料，棒磨機(jī)處理原料煤2×25 t/h，原料煤全水12.5%，折合干煤量為43.75 t/h，由于缺少專用的提濃設(shè)備，正常生產(chǎn)時(shí)水煤漿濃度一直保持在60%左右；通過(guò)與高濃度水煤漿氣化各種工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，發(fā)現(xiàn)低濃度水煤漿氣化存在“霧化性能差，煤氣化的比煤耗、比氧耗偏高及(粗合成氣中)有效氣成分偏低”等問(wèn)題，嚴(yán)重影響水煤漿氣化裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1.4 絮凝劑和分散劑加入量在線監(jiān)測(cè)不完善

泉稷公司氣化車間渣水框架二樓設(shè)置有絮凝劑槽和分散劑槽，原設(shè)計(jì)的絮凝劑槽和分散劑槽分別設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)磁翻板液位計(jì)，絮凝劑和分散劑分別通過(guò)絮凝劑計(jì)量泵和分散劑計(jì)量泵(設(shè)計(jì)流量均為50 L/h)進(jìn)行添加控制，計(jì)量泵出口未設(shè)計(jì)流量計(jì)。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的影響——由于計(jì)量泵設(shè)計(jì)流量不大，導(dǎo)致每小時(shí)絮凝劑槽和分散劑槽磁翻板液位計(jì)液位下降很小，且由于計(jì)量泵出口沒(méi)有設(shè)置流量計(jì)，絮凝劑和分散劑加入量不準(zhǔn)確，無(wú)法保證其均勻地加入系統(tǒng)內(nèi)，使得黑水/灰水管線及設(shè)備結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.5 鎖斗排渣系統(tǒng)不清潔環(huán)保

泉稷公司原設(shè)計(jì)的氣化粗渣來(lái)源于鎖斗排渣，鎖斗定期排放的粗渣和黑水先去往渣池，粗渣由抓斗抓取至堆灰場(chǎng)，經(jīng)自然風(fēng)干晾曬后由卡車外運(yùn)二次處理。由于粗渣含水量較大，運(yùn)輸車輛沿途滲漏黑水、灑落粗渣，環(huán)保壓力較大。

2 優(yōu)化改造方案及效果

2.1 針對(duì)工藝設(shè)計(jì)缺陷的優(yōu)化改造

2.1.1氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)忾y自動(dòng)化控制改造

經(jīng)技術(shù)人員商討，系統(tǒng)檢修期間，在各氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)忾y前分別增設(shè)1臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，每次單臺(tái)氣化爐停車檢修放空時(shí)根據(jù)2臺(tái)氣化爐遠(yuǎn)傳壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制。改造后，氣化爐環(huán)腔保護(hù)氮?dú)庹{(diào)節(jié)快速有效，且對(duì)在運(yùn)氣化爐不會(huì)產(chǎn)生任何影響，每次單臺(tái)氣化爐停車檢修放空時(shí)其環(huán)腔氮?dú)庠傥闯霈F(xiàn)過(guò)倒流現(xiàn)象，避免了粗合成氣進(jìn)入環(huán)腔而腐蝕主水冷壁外管，確保了主水冷壁的使用壽命，保證了產(chǎn)品產(chǎn)量任務(wù)的完成。

改造前，每年氣化爐主水冷壁因高溫粗合成氣腐蝕發(fā)生泄漏而需檢修(更換)主水冷壁(主水冷壁1套備件費(fèi)用400萬(wàn)元，使用壽命約3 a，更換1次主水冷壁耗時(shí)約15 d)2次。改造后，避免了檢修(更換)主水冷壁帶來(lái)的減產(chǎn)損失和檢修(更換)費(fèi)用，以單臺(tái)氣化爐日產(chǎn)450 t合成氨、合成氨售價(jià)2 100元/t(含增值稅稅率13%，下同)、合成氨平均生產(chǎn)成本約1 697.06元/t計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益為(450×15)×(2100÷1.13-1697.06)×2÷10000+(400÷3×2)=484萬(wàn)元。

2.1.2氣化爐高壓氮?dú)夥种Ч芫€優(yōu)化改造

經(jīng)泉稷公司氣化車間技術(shù)骨干仔細(xì)研究，系統(tǒng)檢修期間，在每臺(tái)氣化爐的高壓氮?dú)夥种Ч芫€根部分別增設(shè)1臺(tái)手動(dòng)控制閥，在停車吹掃結(jié)束后將對(duì)應(yīng)的分支閥關(guān)閉即可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)氣化爐的分爐控制，徹底隔絕在運(yùn)氣化爐內(nèi)高溫高壓的粗合成氣通過(guò)燃料氣管道氮吹閥(XV13064)之副線閥倒流進(jìn)入高壓氮?dú)夤芫€；同時(shí)及時(shí)修正工藝操作方案，在成功引氧結(jié)束后，將氧氣均壓遙控閥(HV13029)前的手動(dòng)控制閥關(guān)閉以徹底隔絕氧氣，新增的高壓氮?dú)夥种Ч芫€根部手動(dòng)閥及氧氣均壓遙控閥(HV13029)前的手動(dòng)控制閥只需在氣化爐點(diǎn)火前打開(kāi)即可滿足工藝要求。改造后，氣化爐開(kāi)/停車階段多次安排專人對(duì)高壓氮?dú)夤芫€內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果顯示未檢測(cè)到可燃?xì)怏w或氧氣，徹底消除了安全隱患。

2.2 針對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷的優(yōu)化改造

2.2.1合成氣洗滌塔關(guān)聯(lián)管線改造

系統(tǒng)檢修期間，在合成氣洗滌塔氣體分布器各支管根部增設(shè)1對(duì)配對(duì)法蘭，既方便拆卸及恢復(fù)，又能確保將灰垢徹底清理干凈；同時(shí)，將合成氣洗滌塔底部黑水管線彎頭改造成三通管件，三通管件朝地面的一端設(shè)計(jì)成盲法蘭蓋，這樣氣化爐連投前只需打開(kāi)盲法蘭蓋及合成氣洗滌塔錐底根部閥就可將合成氣洗滌塔內(nèi)脫落的垢片提前排出，并能用一次水對(duì)黑水管線進(jìn)行反沖洗，將合成氣洗滌塔內(nèi)及管線內(nèi)脫落的垢片清理干凈，徹底消除安全隱患。

改造前，每年因垢片堵塞致氣化爐切氣事故平均為2次，每次清理時(shí)間約8 h，以單臺(tái)氣化爐日產(chǎn)合成氨450 t、剛開(kāi)車階段生產(chǎn)負(fù)荷為60%計(jì)，每年氣化爐切氣事故影響合成氨產(chǎn)量(450×60%÷24)×8×2=180 t。改造后，每年避免2次切氣事故，按合成氨平均售價(jià)2 100元/t(含稅)、平均生產(chǎn)成本1 697.06元/t計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益為180×(2100÷1.13-1697.06)÷10000=2.9萬(wàn)元。

2.2.2真空閃蒸罐下液管線改造

系統(tǒng)檢修期間，將真空閃蒸罐下液總管的直角彎頭改造成三通球閥，三通球閥另一端通往渣池，每次氣化爐連投前，先將三通球閥內(nèi)的黑水切至渣池，待高壓閃蒸罐及真空閃蒸罐的灰垢排至渣池后再將真空閃蒸罐下液切至沉降槽，如此即可解決之前氣化爐連投時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。本項(xiàng)技改實(shí)施迄今已有2 a，氣化爐連投時(shí)沉降槽再未出現(xiàn)過(guò)上述各種問(wèn)題。

改造前，氣化爐連投時(shí)因沉降槽問(wèn)題導(dǎo)致氣化爐停車頻率為1次/a，每次停車處理至恢復(fù)生產(chǎn)至少需要2 d時(shí)間，共影響合成氨產(chǎn)量約1 350 t。改造后，避免了因沉降槽問(wèn)題導(dǎo)致的氣化爐停車減產(chǎn)損失以及開(kāi)車時(shí)沉降槽需額外補(bǔ)加2 200 m3一次水的費(fèi)用，按合成氨平均售價(jià)2 100元/t(含稅)、平均生產(chǎn)成本1 697.06元/t、一次水單價(jià)2.8元/t(稅后)計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益為50×(2100÷1.13-1697.06)+(2200×2.8)〗 ÷10000=22.4萬(wàn)元。

2.3 水煤漿提濃優(yōu)化改造

為提高水煤漿的濃度，系統(tǒng)檢修期間，泉稷公司在氣化裝置煤漿制備系統(tǒng)增設(shè)了1套煤漿提濃系統(tǒng)——新增1臺(tái)CEXM250A型細(xì)磨機(jī)、1臺(tái)CECXM560A型超細(xì)磨機(jī)及其附屬設(shè)備，徹底解決了水煤漿濃度偏低的問(wèn)題，降低了合成氨生產(chǎn)原料煤?jiǎn)魏?，提高了氣化效率。本?xiàng)技改完成后，在投煤量不變的情況下，煤漿濃度提高約4.09個(gè)百分點(diǎn)，粗合成氣中有效氣含量提高約2.21個(gè)百分點(diǎn)，有效氣量增加約2 214 m3/h，年合成氨產(chǎn)量增加約7 776 t，由此噸氨原料煤耗由1.44 t降至 1.39 t，年增產(chǎn)合成氨的效益約7776×(2100÷1.13-1697.06)÷10000=125.46萬(wàn)元。

2.4 絮凝劑和分散劑加入量在線監(jiān)測(cè)改造

針對(duì)絮凝劑和分散劑加入量在線監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善的問(wèn)題，系統(tǒng)檢修期間，分別在絮凝劑槽和分散劑槽增加1個(gè)遠(yuǎn)傳液位監(jiān)控，信號(hào)統(tǒng)一引至中央控制室，通過(guò)對(duì)絮凝劑槽和分散劑槽液位曲線的監(jiān)控來(lái)保證絮凝劑和分散劑的均勻添加，消除系統(tǒng)潛在的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)因素。改造后，每次檢修時(shí)拆除黑水管線和黑水閃蒸系統(tǒng)設(shè)備檢查，發(fā)現(xiàn)其垢片厚度基本上在可控范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)局部結(jié)垢嚴(yán)重的現(xiàn)象。

2.5 鎖斗排渣系統(tǒng)優(yōu)化改造

針對(duì)外運(yùn)粗渣含水量大及污染問(wèn)題，系統(tǒng)檢修期間，新增1臺(tái)撈渣機(jī)，同時(shí)為節(jié)約投資，通過(guò)研究撈渣機(jī)工作原理及氣化爐排渣程序，泉稷公司在工藝上合理地調(diào)整了2臺(tái)氣化爐的間隔排渣時(shí)間及靜置時(shí)間，編制了2臺(tái)氣化爐共用1臺(tái)撈渣機(jī)的專項(xiàng)技改方案，首次打破了國(guó)內(nèi)水煤漿氣化爐撈渣機(jī)與氣化爐“單對(duì)單”(即1臺(tái)水煤漿氣化爐配套1臺(tái)撈渣機(jī))的設(shè)計(jì)配套規(guī)范，節(jié)省投資約100萬(wàn)元。迄今該撈渣機(jī)已投用3 a，徹底解決了粗渣水滲漏至道路的污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了綠色清潔生產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

泉稷公司從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，圍繞單噴嘴水煤漿水冷壁氣化裝置原始設(shè)計(jì)缺陷，基于安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，從“工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、煤漿提濃、在線監(jiān)測(cè)、環(huán)保設(shè)施”等五方面實(shí)施了晉華爐系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新改造，其成功應(yīng)用確保了氣化裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行，大大提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。這些技術(shù)創(chuàng)新思維來(lái)源于日常工藝操作及設(shè)備檢維修等經(jīng)驗(yàn)與摸索，可為單噴嘴水煤漿水冷壁氣化裝置工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供一些參考與借鑒，并對(duì)水煤漿加壓氣化裝置的優(yōu)化技改及運(yùn)行維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。