殼牌粉煤加壓氣化裝置預(yù)干燥單元安全穩(wěn)定運行探討

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)干燥單元運行現(xiàn)狀及存在的問題

呼倫貝爾金新化工有限公司(簡稱金新化工)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)計要求,隨機配套了褐煤預(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圖1。

圖1 碎煤預(yù)干燥工藝流程簡圖

原煤倉內(nèi)存儲的粒徑≤13 mm的原料褐煤(全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%)通過稱重給煤機準(zhǔn)確計量后輸送至管式干燥機列管內(nèi)進(jìn)行預(yù)干燥。管式干燥機列管內(nèi)部裝有螺旋翅片,主要起降低流動速度、延長換熱時間的作用。管式干燥機殼側(cè)使用0.4 MPa、180 ℃低壓過熱蒸汽,用于碎煤加熱。加熱后的80～90 ℃碎煤從管式干燥機尾端落料口由埋刮板輸送機輸送至下游料倉。碎煤加熱后,蒸汽水分、一次風(fēng)、少量密封氮氣的混合氣體通過一次風(fēng)機引流至布袋除塵器,煤塵回收后通過旋轉(zhuǎn)給料機進(jìn)入下游料倉。

預(yù)干燥單元分為A、B 2套裝置,自2016年6月18日氣化爐點火投煤成功運行起,至2016年12月31日,預(yù)干燥單元A線運行時間共計46 d,停車6次,其中正常停運2次,故障停運4次;B線運行時間共計67 d,停車5次,其中正常停運0次,故障停運5次。2套裝置累計故障停運9次,包括5次管式干燥機故障、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次停車是由管式干燥機列管導(dǎo)流翅片脫落導(dǎo)致的。造成該裝置停車的原因主要包括系統(tǒng)閃燃、管式干燥機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)干燥單元為半敞開式干燥系統(tǒng),由風(fēng)機自管式干燥機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。正常運行過程中,管式干燥機管側(cè)為水汽、細(xì)煤粉與空氣的混合物,通過控制系統(tǒng)中水汽分壓(混合氣體露點),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)的安全運行。然而在開停車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)高溫過氧而使煤粉自燃,風(fēng)機將已經(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。在實際操作過程中,可以通過避免過氧和快速降溫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為440 ℃。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和運行經(jīng)驗,金新化工原料褐煤粉塵溫度在115 ℃以下,只要氣體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)氮氣補入量與總風(fēng)量的體積分壓比。不同工況下系統(tǒng)混合氣氧含量的計算結(jié)果見表1。無論在何種工況下,只要氧含量控制達(dá)到要求,預(yù)干燥系統(tǒng)就是相對安全的。

表1 不同工況下系統(tǒng)混合氣氧含量計算值

由表1可以看出:工況穩(wěn)定時,通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率控制露點在67～73 ℃時,一次風(fēng)水汽分壓較高,同時在防爆氮氣關(guān)閉的情況下,系統(tǒng)氧體積分?jǐn)?shù)始終維持在10%～14%,此時風(fēng)量在無大幅度波動的情況下,系統(tǒng)是安全的。當(dāng)系統(tǒng)停車或異常斷煤時,由于管式干燥機中煤量較少,導(dǎo)致水汽分壓快速下降,通過操作降低風(fēng)量,打開防爆氮氣,可以將氧體積分?jǐn)?shù)維持在16%以下;同時,為了防止管式干燥機管側(cè)氧量過高導(dǎo)致碎煤自燃,可通過給煤機前端DN80氮氣管線向管式干燥機內(nèi)補氮,以防止煤粉在管式干燥機內(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,停車或斷料過程中,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,原料褐煤在特定金屬圓筒內(nèi)將發(fā)生自燃。通過管式干燥機內(nèi)部列管溫度與出口溫度的線性關(guān)系得到,當(dāng)管式干燥機出口溫度低于85 ℃時,若管式干燥機內(nèi)環(huán)境溫度低于100 ℃,則系統(tǒng)安全。因此,在正常停車過程中規(guī)定管式干燥機出口溫度必須低于85 ℃斷煤[3-4]。

極端情況發(fā)生時,即系統(tǒng)事故斷料,操作人員必須盡快切斷系統(tǒng)熱源,將管式干燥機殼側(cè)蒸汽放空,適當(dāng)降低管式干燥機轉(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。若管式干燥機事故停機,除了上述快速降溫操作外,還需要盡快現(xiàn)場判別停機原因,必要時手動盤車,防止管式干燥機熱態(tài)長時間停止導(dǎo)致主驅(qū)動軸變形損壞。

通過上述分析得到,預(yù)干燥系統(tǒng)安全防范措施分2種:(1)通過降低系統(tǒng)風(fēng)量、維持系統(tǒng)水汽分壓、增加污氮氣補入量保障系統(tǒng)惰性環(huán)境,防止氧含量失控。(2)斷料停車過程中應(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 管式干燥機長周期穩(wěn)定運行探討

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

3.1 存在的問題

該項目采用北京電力設(shè)備總廠的ZGG5×8型管式干燥機(外形尺寸為8 000 mm×5 350 mm)。在日常運行過程中,管式干燥機殼側(cè)蒸汽壓力逐步升高、主電機電流緩慢升高、干煤側(cè)出口溫度逐漸降低為主要運行惡化參數(shù)。待系統(tǒng)停運后檢查,以上惡化工況主要是由于管式干燥機前后端管板與列管之間在運行過程中發(fā)生泄漏造成的。由于管式干燥機列管與管板之間是脹接后點焊固定的,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出口一次風(fēng)溫度,必將耗損更多低壓過熱蒸汽,導(dǎo)致殼側(cè)蒸汽壓力在運行過程中緩慢上升,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?列管堵塞情況見圖2。部分列管堵塞后,導(dǎo)致機體一端質(zhì)量加劇,從而使管式干燥機轉(zhuǎn)動過程中電流波動較大。而換熱面積逐漸減小,使出料端溫度緩慢降低。

圖2 管式干燥機干燥管堵塞情況

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

表2 管式干燥機停車檢修項目及驗收標(biāo)準(zhǔn)

3.2 優(yōu)化措施

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

在管式干燥機預(yù)熱過程中,要求機體溫升速率不能超過0.5 K/min,管式干燥機機體熱膨脹量小于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,可避免在開停車過程中管式干燥機受熱應(yīng)力影響發(fā)生泄漏。系統(tǒng)正常運行期間,由于加減負(fù)荷需要,加熱蒸汽量將會產(chǎn)生壓力波動,操作人員應(yīng)盡量減緩增減負(fù)荷的速率,避免過快增減負(fù)荷造成蒸汽壓力波動較大使管式干燥機機體泄漏。

管式干燥機操作過程中,通過過熱蒸汽向碎煤傳熱,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。管式干燥機在正常負(fù)荷運行工況下,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,且部分蒸汽通過換熱后發(fā)生相變可以有效防止殼側(cè)壓力過高而導(dǎo)致管式干燥機泄漏。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行工況比較。

表3 預(yù)干燥單元不同工況參數(shù)對比

通過上述分析,預(yù)干燥單元操作過程中,可以通過以下3點參數(shù)優(yōu)化降低管式干燥機檢維修頻率,以達(dá)到預(yù)干燥單元長周期穩(wěn)定運行的目標(biāo):

(1) 開車過程中,嚴(yán)格按0.5 K/min升溫速率對管式干燥機進(jìn)行預(yù)熱,防止升溫速率變化劇烈的情況發(fā)生。

(2) 在正常運行過程中,加熱蒸汽溫度控制在150～170 ℃。溫度過高導(dǎo)致殼側(cè)壓力升高,干燥機易發(fā)生泄漏,溫度過低則蒸汽在管式干燥機入口端會發(fā)生水擊,對管式干燥機本體損害較大。

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

4 結(jié)語

本文主要從安全和穩(wěn)定2個方面分析目前預(yù)干燥單元無法長周期運行的問題。安全運行主要通過嚴(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)干燥單元停車檢修頻率,達(dá)到預(yù)干燥單元安穩(wěn)長滿優(yōu)的運行要求。