殼牌煤氣化渣池液位波動(dòng)原因及措施分析

侯劉濤,郭 零

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱龍宇煤化工)一期煤氣化項(xiàng)目核心裝置為荷蘭殼牌氣化爐,采用殼牌SCGP(Shell Coal Gasification Process)煤氣化工藝,殼牌提供基礎(chǔ)工藝包,由中國(guó)五環(huán)工程有限公司設(shè)計(jì)。自2008年4月建成投產(chǎn)以來(lái),裝置連續(xù)運(yùn)行突破322d,先后5次榮獲殼牌最佳運(yùn)行獎(jiǎng)。但在其運(yùn)行的過(guò)程中,仍存在一些困擾裝置長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的因素,如輸氣管道沖刷磨損、合成氣冷卻器十字支撐積灰、渣屏結(jié)渣等問(wèn)題。本文從入爐煤煤質(zhì)、渣池液位控制、爐溫控制等方面討論渣屏結(jié)渣原因,并列出針對(duì)性操作,避免裝置因渣屏結(jié)渣導(dǎo)致渣池液位波動(dòng),而出現(xiàn)裝置跳車現(xiàn)象。

1 渣系統(tǒng)工藝流程

龍宇煤化工殼牌氣化爐采用粉煤加壓氣化技術(shù),其主要以無(wú)煙粉煤為原料,通過(guò)純氧氣化,生成以H2+CO為主要成分的粗合成氣,為后工段生產(chǎn)提供原料氣,設(shè)計(jì)有效氣產(chǎn)量13.2萬(wàn)Nm3/h。氣化裝置共分8個(gè)單元,分別是磨煤與干燥系統(tǒng)、粉煤加壓及輸送系統(tǒng)、氣化與水汽系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)、干法除灰系統(tǒng)、濕洗系統(tǒng)、初步水處理系統(tǒng)和公用工程。其中,氣化爐渣處理是冷卻、造粒和排放的過(guò)程。氣化爐容器底部安裝有“水浴”(渣池V-1401),渣池的上部通過(guò)噴淋環(huán)為氣化爐提供連續(xù)噴淋水,浸濕飛灰和渣池空間夾雜的未被氣化的煤粉。當(dāng)液態(tài)渣進(jìn)入V-1401時(shí)被固化并分散成顆粒,直徑超250mm的粗渣塊經(jīng)破渣機(jī)(X-1401)破碎后進(jìn)入渣收集罐(V-1402),后經(jīng)順控程序進(jìn)入渣鎖斗(V1403),V1403通過(guò)排查程序每間隔1小時(shí)排渣1次,最后經(jīng)撈渣機(jī)(X-1402)通過(guò)渣運(yùn)輸皮帶(X-1403和X-1404)輸送至渣場(chǎng)。所需的渣池噴淋水由渣池循環(huán)泵(P-1401A/B)從V-1401中取液,使之形成自上而下循環(huán),迫使渣向V-1402排入。另外,渣池水循環(huán)還裝配有冷卻器(E-1401A/B),除去渣冷卻中產(chǎn)生的熱量,并通過(guò)控制渣池液位對(duì)液態(tài)渣進(jìn)行冷卻,同時(shí)防止合成氣竄至低壓系統(tǒng),渣池系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 渣池系統(tǒng)工藝流程

2 渣池液位波動(dòng)現(xiàn)象及原因分析

2.1 渣池液位波動(dòng)現(xiàn)象

Shell牌氣化爐運(yùn)行期間出現(xiàn)多次排渣不暢甚至堵渣現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了裝置的長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

在氣化爐運(yùn)行過(guò)程中,因爐溫控制不當(dāng)或煤質(zhì)變化較大,均可能出現(xiàn)大渣塊或爐膛垮渣,導(dǎo)致渣系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng),出現(xiàn)破渣機(jī)油壓波動(dòng),甚至破渣機(jī)油壓高聯(lián)鎖跳車。一般情況下,手動(dòng)干預(yù)順控進(jìn)行排堵可以排除故障,同時(shí)通過(guò)調(diào)整氣化爐工藝參數(shù)、優(yōu)化工況,確保裝置安全運(yùn)行。

本次堵渣過(guò)程及工藝指標(biāo)變化的情況如下:V-1403與V1402連通時(shí),V1401液位14LI0001降至43%(控制指標(biāo)50%～60%),在收渣過(guò)程中液位大幅波動(dòng)降至28%。在解除跳車聯(lián)鎖后再次收渣的過(guò)程中,渣池液位瞬間到-0.74%,持續(xù)時(shí)間約5min,在此期間落渣管溫度14TY10001由68℃降至59℃。

通過(guò)V1403充壓至4.6MPa后,進(jìn)行3次排堵,渣系統(tǒng)運(yùn)行恢復(fù)正常,2h后落渣管溫度再次由67℃快速下降至56℃,同時(shí)氣化爐合成氣經(jīng)過(guò)熱器換熱后,溫度13TY0016由583℃上漲至598℃,蒸汽產(chǎn)量13FY0047由3.8kg/s快速降低至3.2kg/s,固含量由2%上漲到3.5%。落渣口壓差13PDY10065由-0.8kPa降低至-6.45kPa,手動(dòng)打開(kāi)吹掃氣閥門(mén),壓差變化不明顯。調(diào)整氣化爐負(fù)荷由100%降至95%運(yùn)行,V1403再次充壓至5.0MPa,進(jìn)行排堵操作,但渣未下來(lái),將V1403進(jìn)行泄壓至3.1MPa,進(jìn)行2次下壓操作,渣正常排放至V1403。在下壓操作過(guò)程中,渣池循環(huán)泵P1401、排水增壓泵P1402流量均出現(xiàn)不同程度地下降。

2.2 渣池液位波動(dòng)原因分析及應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合以往檢修檢查問(wèn)題,本次渣池液位波動(dòng)主要是由于渣屏處結(jié)渣脫落導(dǎo)致,大塊渣脫落導(dǎo)致渣池錐底出現(xiàn)嚴(yán)重架橋的情況(前期檢修檢查發(fā)現(xiàn)渣屏脫落渣塊見(jiàn)圖2),落渣管存在部分架空現(xiàn)象。由于渣池液位計(jì)為差壓式液位計(jì),上部測(cè)量位置在環(huán)形空間,下液位測(cè)點(diǎn)在落渣管位置,由于大渣塊架橋落渣管,導(dǎo)致渣池液位正壓側(cè)測(cè)量受到干擾,同時(shí)P1401泵抽液致使渣池液位正壓側(cè)測(cè)量受到干擾,渣池液位波動(dòng),出現(xiàn)假液位。

圖2 前期渣屏脫落渣塊

2.2.1渣屏結(jié)渣原因分析

(1)煤質(zhì)影響。入爐煤的黏溫特性較差,熔渣的黏度變化對(duì)溫度變化敏感,一般情況下,入爐煤煤質(zhì)較差時(shí),為了保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,需要提高氧煤比來(lái)提高爐溫,降低渣的黏度。由于落渣口下方受渣池噴淋水的影響,渣快速降溫,熔渣黏度發(fā)生明顯變化[1],針對(duì)降溫速率對(duì)煤灰黏溫特性的影響,研究表明:當(dāng)熔渣進(jìn)入渣口下方時(shí),由于降溫速度過(guò)快,熔渣沒(méi)有足夠時(shí)間長(zhǎng)大,會(huì)隨著氣化爐旋流黏附在渣屏上,之后逐漸形成晶體,當(dāng)積累到一定厚度或受氣化爐壓力波動(dòng)等因素影響時(shí),渣塊脫落,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致氣化爐停工。煤質(zhì)問(wèn)題是煤氣化裝置能否長(zhǎng)周期、穩(wěn)定、運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

(2)氣化爐內(nèi)流場(chǎng)影響。殼牌氣化爐內(nèi)置4個(gè)煤燒嘴,4個(gè)徑向均布的煤燒嘴進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室,每個(gè)燒嘴燒嘴與徑向的夾角為4°～6°,在氣流的離心力作用下,使得爐內(nèi)氣固相混合充分,反應(yīng)充分,煤粉和氧氣在1 400～1 600 ℃的高溫環(huán)境下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),生成合成氣、渣和飛灰。在高溫下呈液態(tài)并附著在固化渣層上的爐渣,在重力作用下,向下流至氣化爐底部的渣池,被冷卻水淬激成細(xì)小的顆粒排出。在燒嘴安裝過(guò)程中,若燒嘴的徑向傾角偏大,爐膛內(nèi)的流場(chǎng)會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變,氣流的離心力增加,會(huì)影響落渣口至渣池處氣流的流暢,導(dǎo)致渣屏處渣受到較大的離心力,在離心力作用下致使渣屏處積渣。

(3)渣池液位控制。在正常運(yùn)行中,渣池液位控制在50%～55%。若渣池液位控制較高,渣池上部水汽上升至落渣口空間減少,熔渣降溫速度較快,在煤的黏溫特性較差時(shí),渣黏度發(fā)生明顯變化,熔渣會(huì)隨著氣流黏附在渣屏,長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致渣屏積渣。

2.2.2渣池液位波動(dòng)操作應(yīng)對(duì)措施

為避免因渣池液位波動(dòng)導(dǎo)致裝置停車,需采取以下措施。

(1)出現(xiàn)渣池液位波動(dòng)時(shí),排查排渣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)解除渣池液位14LIC0001HHLL的ESD聯(lián)鎖并確認(rèn)。通過(guò)參數(shù)判斷是否存在排渣不暢,需要進(jìn)行排堵時(shí),解除13PDY10065的ESD聯(lián)鎖并確認(rèn)。

(2)檢查破渣機(jī)油壓14PI0401是否出現(xiàn)波動(dòng)、落渣管溫度14TY10001是否出現(xiàn)快速下降情況、爐溫是否正常,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高氣化爐溫度。

(3)進(jìn)行排堵,順控暫停進(jìn)行手動(dòng)操作排堵,正常聯(lián)通時(shí)14PDI0013/14壓差在280kPa,約3min左右壓差降低到230kPa,14PDI0020壓差由20kPa降低到0kPa,判斷排渣正常。

(4)在渣池出現(xiàn)忽高忽低大幅波動(dòng)時(shí),渣池液位有可能出現(xiàn)假液位,此時(shí)應(yīng)該保持裝置正常運(yùn)行時(shí)外排閥門(mén)狀態(tài),14XV23/24/25至少一個(gè)閥門(mén)保持開(kāi)位,嚴(yán)禁出現(xiàn)渣池高液位。若渣池液位過(guò)高,甚至到達(dá)落渣口位置時(shí),將直接造成落渣口嚴(yán)重堵渣,此時(shí)13PDY10065會(huì)出現(xiàn)明顯上漲趨勢(shì),避免落渣口堵渣導(dǎo)致裝置損壞設(shè)備。

3 結(jié)語(yǔ)

殼牌煤氣化裝置渣系統(tǒng)堵渣是運(yùn)行中經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題,一般情況下通過(guò)排堵可以排除故障,在排堵過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)渣池液位大幅度波動(dòng)的情況。本次出現(xiàn)渣池液位大幅度波動(dòng)、落渣口壓差波動(dòng)等現(xiàn)象,主要是渣屏結(jié)渣引起的。通過(guò)操作調(diào)整避免了裝置因渣池液位波動(dòng)停車,為同類問(wèn)題的處理提供經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),渣屏結(jié)渣是較多殼牌煤氣化裝置遇到的難題,在今后的生產(chǎn)中仍需不斷地總結(jié)分析。