壳牌煤气化渣池液位波动原因及措施分析

侯刘涛,郭 零

(河南龙宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称龙宇煤化工)一期煤气化项目核心装置为荷兰壳牌气化炉,采用壳牌SCGP(Shell Coal Gasification Process)煤气化工艺,壳牌提供基础工艺包,由中国五环工程有限公司设计。自2008年4月建成投产以来,装置连续运行突破322d,先后5次荣获壳牌最佳运行奖。但在其运行的过程中,仍存在一些困扰装置长周期、安全、稳定运行的因素,如输气管道冲刷磨损、合成气冷却器十字支撑积灰、渣屏结渣等问题。本文从入炉煤煤质、渣池液位控制、炉温控制等方面讨论渣屏结渣原因,并列出针对性操作,避免装置因渣屏结渣导致渣池液位波动,而出现装置跳车现象。

1 渣系统工艺流程

龙宇煤化工壳牌气化炉采用粉煤加压气化技术,其主要以无烟粉煤为原料,通过纯氧气化,生成以H2+CO为主要成分的粗合成气,为后工段生产提供原料气,设计有效气产量13.2万Nm3/h。气化装置共分8个单元,分别是磨煤与干燥系统、粉煤加压及输送系统、气化与水汽系统、渣处理系统、干法除灰系统、湿洗系统、初步水处理系统和公用工程。其中,气化炉渣处理是冷却、造粒和排放的过程。气化炉容器底部安装有“水浴”(渣池V-1401),渣池的上部通过喷淋环为气化炉提供连续喷淋水,浸湿飞灰和渣池空间夹杂的未被气化的煤粉。当液态渣进入V-1401时被固化并分散成颗粒,直径超250mm的粗渣块经破渣机(X-1401)破碎后进入渣收集罐(V-1402),后经顺控程序进入渣锁斗(V1403),V1403通过排查程序每间隔1小时排渣1次,最后经捞渣机(X-1402)通过渣运输皮带(X-1403和X-1404)输送至渣场。所需的渣池喷淋水由渣池循环泵(P-1401A/B)从V-1401中取液,使之形成自上而下循环,迫使渣向V-1402排入。另外,渣池水循环还装配有冷却器(E-1401A/B),除去渣冷却中产生的热量,并通过控制渣池液位对液态渣进行冷却,同时防止合成气窜至低压系统,渣池系统工艺流程见图1。

图1 渣池系统工艺流程

2 渣池液位波动现象及原因分析

2.1 渣池液位波动现象

Shell牌气化炉运行期间出现多次排渣不畅甚至堵渣现象,严重影响了装置的长周期、安全、稳定运行。

在气化炉运行过程中,因炉温控制不当或煤质变化较大,均可能出现大渣块或炉膛垮渣,导致渣系统运行波动,出现破渣机油压波动,甚至破渣机油压高联锁跳车。一般情况下,手动干预顺控进行排堵可以排除故障,同时通过调整气化炉工艺参数、优化工况,确保装置安全运行。

本次堵渣过程及工艺指标变化的情况如下:V-1403与V1402连通时,V1401液位14LI0001降至43%(控制指标50%～60%),在收渣过程中液位大幅波动降至28%。在解除跳车联锁后再次收渣的过程中,渣池液位瞬间到-0.74%,持续时间约5min,在此期间落渣管温度14TY10001由68℃降至59℃。

通过V1403充压至4.6MPa后,进行3次排堵,渣系统运行恢复正常,2h后落渣管温度再次由67℃快速下降至56℃,同时气化炉合成气经过热器换热后,温度13TY0016由583℃上涨至598℃,蒸汽产量13FY0047由3.8kg/s快速降低至3.2kg/s,固含量由2%上涨到3.5%。落渣口压差13PDY10065由-0.8kPa降低至-6.45kPa,手动打开吹扫气阀门,压差变化不明显。调整气化炉负荷由100%降至95%运行,V1403再次充压至5.0MPa,进行排堵操作,但渣未下来,将V1403进行泄压至3.1MPa,进行2次下压操作,渣正常排放至V1403。在下压操作过程中,渣池循环泵P1401、排水增压泵P1402流量均出现不同程度地下降。

2.2 渣池液位波动原因分析及应对措施

结合以往检修检查问题,本次渣池液位波动主要是由于渣屏处结渣脱落导致,大块渣脱落导致渣池锥底出现严重架桥的情况(前期检修检查发现渣屏脱落渣块见图2),落渣管存在部分架空现象。由于渣池液位计为差压式液位计,上部测量位置在环形空间,下液位测点在落渣管位置,由于大渣块架桥落渣管,导致渣池液位正压侧测量受到干扰,同时P1401泵抽液致使渣池液位正压侧测量受到干扰,渣池液位波动,出现假液位。

图2 前期渣屏脱落渣块

2.2.1渣屏结渣原因分析

(1)煤质影响。入炉煤的黏温特性较差,熔渣的黏度变化对温度变化敏感,一般情况下,入炉煤煤质较差时,为了保证装置的稳定运行,需要提高氧煤比来提高炉温,降低渣的黏度。由于落渣口下方受渣池喷淋水的影响,渣快速降温,熔渣黏度发生明显变化[1],针对降温速率对煤灰黏温特性的影响,研究表明:当熔渣进入渣口下方时,由于降温速度过快,熔渣没有足够时间长大,会随着气化炉旋流黏附在渣屏上,之后逐渐形成晶体,当积累到一定厚度或受气化炉压力波动等因素影响时,渣块脱落,严重时导致气化炉停工。煤质问题是煤气化装置能否长周期、稳定、运行的关键问题之一。

(2)气化炉内流场影响。壳牌气化炉内置4个煤烧嘴,4个径向均布的煤烧嘴进入气化炉反应室,每个烧嘴烧嘴与径向的夹角为4°～6°,在气流的离心力作用下,使得炉内气固相混合充分,反应充分,煤粉和氧气在1 400～1 600 ℃的高温环境下发生一系列化学反应,生成合成气、渣和飞灰。在高温下呈液态并附着在固化渣层上的炉渣,在重力作用下,向下流至气化炉底部的渣池,被冷却水淬激成细小的颗粒排出。在烧嘴安装过程中,若烧嘴的径向倾角偏大,炉膛内的流场会相应发生改变,气流的离心力增加,会影响落渣口至渣池处气流的流畅,导致渣屏处渣受到较大的离心力,在离心力作用下致使渣屏处积渣。

(3)渣池液位控制。在正常运行中,渣池液位控制在50%～55%。若渣池液位控制较高,渣池上部水汽上升至落渣口空间减少,熔渣降温速度较快,在煤的黏温特性较差时,渣黏度发生明显变化,熔渣会随着气流黏附在渣屏,长时间会导致渣屏积渣。

2.2.2渣池液位波动操作应对措施

为避免因渣池液位波动导致装置停车,需采取以下措施。

(1)出现渣池液位波动时,排查排渣系统运行状态,及时解除渣池液位14LIC0001HHLL的ESD联锁并确认。通过参数判断是否存在排渣不畅,需要进行排堵时,解除13PDY10065的ESD联锁并确认。

(2)检查破渣机油压14PI0401是否出现波动、落渣管温度14TY10001是否出现快速下降情况、炉温是否正常,此时应适当提高气化炉温度。

(3)进行排堵,顺控暂停进行手动操作排堵,正常联通时14PDI0013/14压差在280kPa,约3min左右压差降低到230kPa,14PDI0020压差由20kPa降低到0kPa,判断排渣正常。

(4)在渣池出现忽高忽低大幅波动时,渣池液位有可能出现假液位,此时应该保持装置正常运行时外排阀门状态,14XV23/24/25至少一个阀门保持开位,严禁出现渣池高液位。若渣池液位过高,甚至到达落渣口位置时,将直接造成落渣口严重堵渣,此时13PDY10065会出现明显上涨趋势,避免落渣口堵渣导致装置损坏设备。

3 结语

壳牌煤气化装置渣系统堵渣是运行中经常遇见的问题,一般情况下通过排堵可以排除故障,在排堵过程中不会出现渣池液位大幅度波动的情况。本次出现渣池液位大幅度波动、落渣口压差波动等现象,主要是渣屏结渣引起的。通过操作调整避免了装置因渣池液位波动停车,为同类问题的处理提供经验。同时,渣屏结渣是较多壳牌煤气化装置遇到的难题,在今后的生产中仍需不断地总结分析。