壳牌气化炉渣灰系统常见问题分析与总结

2011-01-30时纪伟代彩玲

化工设计通讯 2011年4期

时纪伟,代彩玲

(河南中原大化有限公司,河南濮阳 457000)

壳牌气化炉以煤粉为原料,原料与空分来的氧气混合后反应生成合成气,再将合成气送至其他用户(制甲醇,或用于合成氨等)。其主要流程是:从煤厂来的原煤与一定比例的石灰石(助熔剂)送入磨煤机,磨合格后的煤粉进入到煤粉加压进料系统,煤粉通过加压后以氮气为载体,加入一定比例的氧气送入到气化炉四个烧嘴,再由烧嘴喷入反应室内反应,反应生成的合成气被来自湿洗单元的低温合成气激冷后,再通过中压换热器冷却到340℃以下进入到除灰单元。在除灰单元中,灰被过滤分离出来进入灰系统,而合成气则进入湿洗单元,湿洗后一部分合成气送到用户,一部分返回到气化炉激冷段;在气化炉反应室中还有一部反应残留物,那就是煤渣,刚反应出来的渣是高温流体状的,渣通过挡渣屏,由渣口进入到渣浴系统进行冷却,由于是高温流体进入到低温循环渣水中,这些高温流体融熔渣立即变成细小颗粒渣,就是我们通常所说的渣。渣通过除渣系统送到外界。

1 渣系统

这个系统主要包括从渣的生成到渣的处理两个阶段。渣系统常见的问题主要是气化炉的垮渣和除渣系统的堵渣,其中除渣系统的堵渣是垮渣出现后造成的。对于这两个问题,放在一起作以下讨论。

1.1 垮渣过程及分析

(1)经过

在一次装置运行中,除渣系统突然不能顺利下渣,随后的一个多小时操作人员通过向上顶渣的方式仍不见好转,之后出现13PD0065压差突然降至-55 kPa,造成气化系统停车。

(2)现象

第一阶段在停车前的16 h左右出现了破渣机油泵压力首次达到3.9 MPa,在现场带回来的渣中发现有很多细渣,当时我们以为渣样取不及时或者是太提前了,接下来几次下渣也是这样的现象,其中有一次渣的颗粒比较大,没有大块渣的出现,不过之后破渣机油压保持在2.0 MPa左右维持一定的时间后,油压降至正常值0.8 MPa。

第二阶段在停车的2h之前又出现了一次破渣机油压上升到4.0 MPa以上,渣样仍然以细渣为主,之后油压保持在2.0 MPa左右。

第三阶段在停车前的1 h左右,破渣机油压一直在3.0 MPa以上,随后出现了一次油压高达15.0 MPa,将近破渣机跳车值,几分钟之后破渣机油压又一次达到此值持续7 min,这时主控操作人员手动将破渣机闸板阀打开,以便让大块渣通过,几分钟之后就出现13PD0065压差突然降至 -55 kPa,造成气化系统联锁(13UZ0001)停车。

(3)现象分析

第一阶段油压首次达到3.9 MPa的高值,渣样大部分为细渣,由此我们初步判断出可能会有垮渣出现,不过此时分析渣的情况则完全可以认为氧煤比控制太低,主控人员在此情况下已经做了调整,但力度不够,以后也没有做渐进性调整,由于系统负荷较高,氧煤比调整不得当或力度不够,使得工况慢慢恶化。

第二阶段同第一阶段一样,不过不同的是主控已经开始提高氧煤比,比例也不是很合适,此时的油压及渣状态比第一阶段更坏。

第三阶段发展到此阶段,出现垮渣现象已经不能避免了,因为此时气化炉膜式壁上已经出现了部分垮渣现象,出现了大的渣块,下渣系统出现堵塞,造成下渣不顺利甚至不能下渣。在第三阶段,破渣机油压两次出现15 MPa时,已经完全堵塞,且13PD0065压差达-55 kPa的条件已经形成,最后出现压差低导致了13UZ0001联锁停车。

(4)其他情况的垮渣

气化系统点火时的垮渣,这个情况好多厂家都出现过,我公司也出现过两次。其主要原因有以下几点:点火及点火后的几个小时内氧煤比控制不稳定,造成反应温度高低不均匀而形成了大的渣块;前期点火温度过高,气化炉膜式壁上原来挂上的渣层被熔化成大渣块。还有一种说法是,膜式壁上的渣层有裂缝,在停车时或停车检修期间裂缝中进入一部水,点火时由于温度太高,水瞬间变成蒸汽将渣层爆裂而产生渣块。此种情况的垮渣造成的后果也很严重,一种情况是,除渣单元通过程序将大渣块从收渣容器顺利下到排渣容器中,再由排渣容器下到捞渣机中,但从排渣容器到捞渣机的排放很难进行,一般都是将排渣容器与收渣容器隔离开后,在排渣口处用铁棍将大渣块捅出来,如果处理时间太长,则必须停车处理;另一种情况是,大渣块直接堵在破渣机处,或下不到排渣容器中,需停车处理。

运行中的突然垮渣很少出现,只出现过一例。怀疑是煤与石灰石比例严重失衡,石灰石加入过量引起的。其他原因不明。

1.2 除渣系统(图1)堵渣

图1 除渣系统流程简图

气化炉垮渣后,大块的渣下到V-1402中,再通过14XV0009、14XV0010下V1403中,在这个过程中,大块的渣很容易堵在 V1402和V1403中继而造成降负荷或者是停车处理。在V1402中的堵渣一般来说可通过顶渣的方法来疏通,即将V1403用氮气充压高于V1402一定的压力,然后将14XV0009/10打开,用两者之间的压力差来冲破渣的堵塞状态。在V1402中的渣一般用这种方法都能破堵,而在V1403中则较难破堵。堵在V1403中时,先将压力泄至常压再将14XV0015/16打开(注意此时上下两个不同压力的容器必须相隔离开),现场人员在14XV0015/16阀门处用能弯曲的长铁杆或仪表风管捅渣,若人力仍不能疏通则必须用高压水破渣,注意在有渣出来的时候操作人员应迅速离开以免受到伤害。

在因垮渣的停车过程中,气化炉泄压要平稳缓慢,下渣口上下的压差要均衡,否则,温度特别高的渣块掉入渣池(水)中时,由于温差大,会产生巨大的能量转移[2],瞬间产生大量蒸汽并同时让气化炉升压,压力有时会高达1 MPa左右,气化炉在此瞬时压力的冲击下,易造成内件损坏。在打开气化炉人孔进行清理时,一定要清理干净,不要让大渣块掉入渣池中,否则会造成下次开车时堵塞。

2 灰系统

灰系统也是由两部分组成的,气化炉输灰段和除灰系统。在这两部分中,输灰系统的积灰比较难处理,一般都会造成整个系统停车,除灰系统则比较好处理。

2.1 输灰系统

气化炉输灰段也即气化炉合成气冷却器部分,该段是由几个中压换热器和一个过热蒸汽换热器组成,其中的过热蒸汽换热器上部有一个十字架,十字架下部由盘管绕成弹簧状,中间是实心的水泥,盘管之间有环隙,合成气从盘管的环隙中通过,而气化炉的堵灰就在此十字架处。

积灰的原因及过程简述如下。

(1)气化炉反应温度过高。据飞灰的特性,在温度过高的情况下飞灰的粘度会增高,很容易粘在十字架的实心处及环隙附近的管壁上。

(2)系统升降负荷幅度过大。在系统负荷的升降过程中,氧煤比的调节是程序控制的,若负荷变化幅度过大,程序调节无法与负荷变化相一致时,容易造成氧煤比波动,气化炉温度将很难控制,易在十字架处形成初始粘灰,在之后的运行当中十字架处的压差会慢慢升高,直至出现明显积灰。

(3)煤质变化。与气化炉垮渣一样,煤质的变化同样易引起积灰,不同的煤种其灰含量,热值及CaO含量也不相同。新煤种进入气化炉中时,氧煤比不能很好地把握,也容易造成积灰。

(4)石灰石加入量。石灰石是一种助熔剂,它的加入量直接影响气化炉内的反应温度和飞灰的粘度。

(5)激冷气流量。200℃激冷气是用来冷却气化炉所产生的高温合成气的,如果激冷气流量太低,会造成冷却后的合成气温度过高,飞灰粘度增加而形成积灰。

(6)气化炉负荷。由于激冷气压缩机普遍设计太小,所以气化炉负荷不能太高,否则激冷气的流量不够,其后果同(5)。

2.2 除灰系统(流程示意如图2)

最关键的装置是飞灰过滤器(S1501),其他设备(V1502,V1504,V1505)出现问题则比较容易解决。众所周知,飞灰过滤器是一个将灰和合成气分离的装置。它是由24组滤棒和厚壁容器组成的,滤棒是一种能让气体通过而灰不能通过的设备,是由一种烧结金属通过特定的工艺加工制造而成,由于承受压差的能力有限而易损坏。

图2 除灰系统流程图

除灰系统常见的问题有: (1)滤棒损坏; (2)灰桥结及粘壁;(3)反吹系统故障;(4)阀门故障。现针对这四种情况作重点讨论。

2.2.1 滤棒损坏

滤棒损坏一般缘于压差过大。造成压差过大的原因有:滤棒粘灰,超高压氮气反吹时会形成高压差;泄压时或者其他状况下带水进入滤棒;反吹程序及阀门故障。

以上几情况的解决办法:针对反吹气的压力,我们通常控制其与气化炉的压力成一定的比例,不过这个比例的保持还要在其他系统充压用氮气时有所控制,保证这个比例在正常的允许范围之内,最终的目的是,不能让反吹压力太高或太低,如果太高则容易将滤棒直接吹坏;如果太低就容易让滤棒粘灰,待反吹气压力恢复时气体不能有效通过而压差过大。泄压时的带水或其他情况下的带水会使滤棒上的灰和水粘结在一起造成滤棒的微孔堵塞,反吹气体不能顺利通过,造成压差过大而损坏滤棒。一般来说,带水的情况有后系统泄压时阀门开度过大,湿洗系统的水及除渣系统的水在一定的形态下进入滤棒。

设计的平衡管线管口安装位置不正确也会造成滤棒的损坏。一般来说,平衡管线在S1501处的管口应在滤棒的下方,不能正对滤棒。其原因为,当V1501与V1502连通时或是V1501架桥时,平衡管线的两位阀要打开,而这个两容器的压力不相同,所产生的压差由平衡管线平衡;当压差过大时,打开平衡阀的瞬间气流会冲击滤棒,可能将某几个滤棒吹坏,造成停车及重大经济损失。而我公司该设计管口正对着滤棒。针对这种情况,我们在平衡管线上做了一个允许阀门开关的压差联锁保护,当低于或高于某个值时,不允许开平衡管线阀门。这样,能有效防止阀门误动作或人为误操作而对滤棒造成损坏。

2.2.2 灰桥结及粘壁

这个问题大概是各个类似系统的通病。灰的桥结与粘壁都会造成堵灰,若时间过久,必然会停车检修。

桥结是指灰在容器内(V1501)的空间里结成一层灰层而阻止新灰的顺利下降。其结果是灰层越来越厚,并最终占据容器里的大部分或全部空间,若不及时处理或处理不得当,就会造成停车。此种现象产生的原因主要是灰的粘度太高,煤质变化大,添加剂石灰石与煤的配比不合适,煤粉颗粒太小,气化反应温度过低等。此问题的解决方法也主要是针对这几个因素来解决,比如调节煤质,粒度,反应温度,配比。主要根据各个厂家的具体情况来调整。

粘壁是指灰刚开始在容器上粘上较薄的一层,后来越粘越厚的现象。这种情况就像列管换热器堵塞一样,刚开始污垢粘一层,渐渐越来越厚而管径也越来越小。不管是容器还是换热器,这样的情形如果不及时处理,最终也会导致容器或列管堵死。这在各个厂家也经常出现。其主要原因是,容器及器壁在准备开车时没有充分加热到设定温度,飞灰粘度过高等。显然,预备开车时及时升温,开车后控制飞灰粘度、反应温度等是解决此种情况的主要方法。

2.2.3 反吹系统故障

反吹系统故障主要有以下三种情况。

反吹阀门不动作,或动作不灵敏。反吹阀故障会造成反吹气不能进入反吹系统,粘在滤棒上的灰不能及时被吹下来,其后灰会在滤棒上变厚,造成滤棒上下的压差过大而损坏。对于这种情况,应做到及早发现并解决,之后慢慢打开出问题的反吹截止阀,不能一次性打开,否则易造成反吹压力过大而损坏滤棒。

反吹阀门气源不足。这种情况一般会造成阀门动作太慢,反吹力度不够而粘灰。只要及时调节气源压力即可。

主控阀门反馈信号报警而现场阀运行无异常。这主要是程序问题,及时发现并解决之,不造成程序混乱即可。

2.2.4 阀门故障

与除灰系统有关联的阀门,大多数都出现过卡涩,打不开或关不死的现象。究其原因,主要是由于高压的细灰很容易将阀门磨损,或是进入阀门本体,从而形成了各个厂家都出现过的阀门卡涩,打不开或关不死的现象。现阶段我公司将容易出现故障的阀门进行了更换,都由原来的球阀换成了现在的盘阀。这种盘阀的主要特点是,①开关速度快。阀板在动作当中的自转,与阀座之间不停的摩擦,产生一个自研磨的过程,密封表面始终可以优质光洁,摩擦阻力减小,加上轴摆杆的杠杆原理,气缸作用力增大,气缸伸缩加快,使得阀板迅速开启或关闭,大大降低了阀门开启或关闭的瞬时磨损。并且,出料阀的开启速度快,可以使物料呈喷射状态输送出去,降低堵塞的概率。②不易堵灰。通常阀门开启当中阀腔内滞留的物料是作挤压式运动的,碰上粉煤灰潮湿的时候,很容易堵塞,特别是电除尘检修以后。而旋转类的阀门腔内物料是沿阀腔内壁作圆弧形移动,移动一周以后又进入了输料管中。③耐磨。如特点①所示产生的研磨,可以使因为各种原因造成的密封面缺陷,通过研磨保持密封面光洁,避免了内泄漏而产生冲刷磨损。并且阀门的密封面不是通常所使用的低成本的喷涂式,而是采用了高强度耐磨合金镶嵌而成,这样使得密封面可以研磨几十年不磨穿(高强度合金莫氏硬度达到7、洛氏硬度达到64～68)。④耐高温。阀门密封面材料一般是橡胶、合金或者陶瓷,气力输灰系统温度最高达到450℃,在这种工况下,橡胶软化,磨损相当快;而陶瓷材料为镶嵌的特殊结构,热膨胀系数和金属相差几十倍以上,容易产生脱落或者挤碎的现象。所以,采用了高温状态下晶体结构不发生变化,硬度不降低,耐磨性能不变差,而且热膨胀系数要和金属差不多的进口高强度合金。目前,在装置运行当中,这些盘阀的应用已基本解决了我公司下灰阀门卡涩,打不开或关不死的问题。

与所有厂家一样,另一个阀门故障的原因就是阀门与阀门之间存在憋压。众所周知,阀门之间憋压会严重影响到阀门的正常开关,憋压太高甚至会直接损坏阀门。因此,我们在阀门之间设置泄压管线,就成功解决了由于憋压造成的阀门故障。

3 氧煤比的变化及调节

氧煤比的变化及调节直接决定了气化系统运行的稳定性。因煤种煤质的不均匀变化而难以判断气化炉内的反应情况,是整个气化系统稳定运行所面临的最大挑战。因此,找到氧煤比变化所影响的气化系统的各种参数的变化规律,是解决气化系统反应稳定性的主要方法。这些参数主要有水汽系统的两个密度,合成气出口温度,反应室中计算温度,十字架处的压差,反应室蒸汽产量,激冷段进出口温度,渣样,渣口处的三个温度,渣冷却循环水调节阀开度,破渣机处壁温,破渣机油压变化趋势,反应室压差,湿洗系统的两个温度,循环气压缩机进口温度等。氧煤比的变化一般都会引起这些参数的一个或某几个变化,由此可根据这些参数的变化情况对氧煤比进行相应的调节。例如上面所提到的堵渣中的破渣机油压的变化,反应室压差13PD0065的变化;积灰中的十字架处的压差等。因煤质的变化对于氧煤比的影响最大,所以在煤质变化前后,要根据以上参数的变化作出准确而迅速的判断。