河南金大地四期晋华炉试运行总结

雷玉龙,茹亚宁,岳 军

(1.北京清创晋华科技有限公司,北京 100084;2.河南金大地化工有限责任公司,河南 漯河 462400)

河南金大地化工有限责任公司(以下简称“河南金大地”)位于河南省漯河市,是一家以生产合成氨、纯碱、氯化铵、小苏打、三聚氰胺为主的大型民营盐化工企业。2016 年,河南金大地合成氨搬迁改造项目(以下简称“三期项目”)开工建设,其中,气化炉选用清华大学6.5 MPa(g)、投煤量1 500 t/d的晋华炉3.0技术(合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁气化炉),2开1备,2019年2月投料运行,实践证明,晋华炉3.0气化技术经济性明显,大幅降低了合成氨成本。金大地公司2020年3月决定启动建设60万t/a小苏打项目(以下简称“四期项目”),由中国五环工程有限公司设计。四期项目设计年产60万t合成氨,新上2台与三期项目一致的晋华炉3.0装置,建成后四期气化装置与三期装置联合运行,气化炉4开1备。四期晋华炉气化装置2020年4月份土建开始动工,2021年12月装置开车投产,四期项目开车当月实现满负荷运行,产出合格合成氨产品。

1 气化装置概述

晋华炉是国内主流水煤浆气流床工艺技术之一,原料是水煤浆和纯氧,原料通过工艺烧嘴进入气化炉反应室后,在反应室内发生复杂的气化反应,生成以CO、H2、CO2为主的粗煤气,气化反应生成的高温粗煤气、熔渣等经气化炉下部的辐射废锅回收热量,产生高压饱和蒸汽,出废锅的粗合成气和熔渣进入激冷室完成冷却和洗涤过程[1]。冷却后的熔渣通过锁斗系统定期排入渣池,降温后的合成气经洗气塔进一步洗涤,送往后工段,含有细灰的黑水从洗气塔进入灰/黑水处理系统,经过减压闪蒸和热量回收、细灰沉降、过滤等处理后,返回洗涤系统循环利用[2]。

河南金大地四期项目采用2台晋华炉,气化压力为6.5MPa(g),气化炉直径φ3 600/φ4 200mm,气化炉设计投煤量1 500t/d,气化炉废锅设计副产7.0MPa(g)饱和蒸汽45.3t/h。四期项目新建空分装置氧气总管和合成气至变换总管,分别与三期项目氧气总管及合成气总管联通,三期和四期项目的气化炉4开1备联合运行。四期项目装置主要设备情况见表1。

表1 三期和四期项目装置主要设备

2 装置运行情况

四期晋华炉气化装置投料开车后,生产运行稳定,运行数据优于设计工况指标,四期气化炉运行周期比三期大幅延长。

2.1 所用煤种

河南金大地四期装置设计煤种与三期项目相同,工艺包设计选用榆家梁矿煤和晋城煤混煤作为设计煤种,混煤比例是榆家梁矿煤∶晋城煤=1∶1[3]。目前,金大地项目生产操作采用柠条塔煤和杭来湾煤混煤作为气化原料煤,煤质分析数据见表2。

表2 煤质分析数据

2.2 关键运行数据

河南金大地四期气化装置自2021年12月开车平稳运行至今,经过生产测算统计,晋华炉的关键运行数据见表3。

表3 晋华炉运行数据和设计值

从氨合成工段的氨产量推算,上表中运行数据为107%负荷工况数据,河南金大地四期项目开车后一直按照105%～110%负荷运行。从表3运行数据可以看出,气化装置的煤耗、氧耗、公用工程消耗等指标均优于设计值。

3 三期和四期项目对比及改进优化

3.1 激冷水泵

河南金大地三期合成氨项目气化炉为首套6.5MPa(g)、投煤量1500t/d的晋华炉3.0工业化装置,三期项目中激冷水泵流量设计偏小,带来激冷水水质差、合成气管口堵等问题。四期项目中激冷水泵能力进行了设计优化,额定流量提高到260m3/h,四期项目气化炉没有再发生三期项目出现的问题。

根据项目HAZOP分析结果,四期激冷水泵流量低,备泵自启联锁改至SIS系统操作,如发生停激冷水泵,需要在SIS系统上复位才能自启。

3.2 气化炉液位调节

三期项目气化炉激冷室容积设计偏小,激冷后的粗煤气是按照气液同出设计,由于激冷室水质较差,经常造成合成气管口堵塞的问题,后期技改增加了气化炉排黑水管道,由于管口和管径限制,气化炉按照定量外排黑水操作,一定程度上改善了激冷室水质,缓解了合成气管口堵塞问题。

四期项目气化炉设计上增大了激冷室容积,增强了激冷效果;增加气化炉排黑水去洗气塔管线,气化炉按照可调液位操作,改善了气化炉激冷室水质;增大了激冷水流量,提升了激冷室洗气除灰效率。四期项目气化炉开车后再没发生合成气管口积灰堵塞现象,为系统长周期运行奠定了基础。

三期项目气化炉是按照激冷室温度参与SIS停车联锁设计;四期项目气化炉更改为激冷室液位三选二参与SIS停车联锁,气化炉运行更加稳定可靠。

3.3 渣口及激冷室压差

三期项目气化炉渣口压差(PDT-1006A/B/C)的设计与激冷流程一样,正压侧取压点位于火焰检测器取压管线,测点为燃烧室压力,负压侧取压点为出气化炉粗煤气管线,测点为出气化炉粗煤气压力,测得的压差实际为粗煤气渣口压差和激冷室压差之和。气化炉在发生积渣堵塞激冷室合成气管口以及燃烧室渣口时,均会表现出压差增大现象,故无法准确判断燃烧室渣口实际压差的变化趋势。

为解决上述问题,四期项目气化炉在粗煤气出渣口进入废锅处新增加一个取压管线(见图1),渣口压差的负压侧取压点由粗煤气管线改至新增的取压管线上,同时新增粗煤气出渣口压力与出气化炉粗煤气管线的压力差(PDT-1007)。这样既能准确地测量燃烧室渣口压差,又能测量粗煤气经过废锅和激冷室的压差,方便操作人员更精确地判断气化炉内部情况。

图1 渣口压差优化示意

3.4 变换补加蒸汽

在原始开车初期,气化炉由于废锅管道外壁洁净无灰渣黏附,故废锅副产蒸汽量高于设计的稳定蒸汽量,造成出气化去变换工段的粗煤气水气比较低,无法满足全变换的反应深度要求,所以在开车初期需要在变换工段给粗煤气增湿,以提高其水气比。

三期项目和四期项目均在变换工段设计了补加蒸汽管线,不同的是三期项目变换补蒸汽管道接在进变换工段第一煤气水分离器之前的粗煤气管道上,由于从气化来的粗煤气是饱和状态,所以三期项目补加的蒸汽大部分变为冷凝液;四期项目变换补加蒸汽管线位置改为出煤气预热器至脱毒槽之前的管道上,此工况下的粗煤气经过变换气加热后,粗煤气中水是不饱和状态,所以在开车初期阶段四期项目变换补蒸汽量比三期大幅减少。

4 试生产时遇到的问题及解决方法

4.1 火焰检测器损坏

装置开车前,在5号气化炉试气密过程中,一个火焰检测器被高压冲击损坏,火检设备被打飞约10m,造成气化炉失压。

(1)原因分析:5号气化炉在开车前试气密时,中控操作员工也在调试气化炉点火联锁程序,由于未能在火焰检测器的监控摄像中看到点火棒放电信号,便通知现场操作员工确认火焰检测器前切断阀是否已打开。现场操作员工在未确认气化炉是否有压力的情况下,在烧嘴点火装置现场操作柜上就地打开了火焰检测器前切断阀,由于当时气化炉压力已经升至6.0MPa(g),火焰检测器设备瞬间被高压气体冲击损坏。若是在气化炉正常运行阶段发生了此误动作,后果将不堪设想。

(2)解决方法:①加强操作员工培训教育,现场人员操作前与中控人员确认相关条件;②点火装置现场操作柜放置警示牌,增设旋钮位置锁定装置;③联系烧嘴厂家,增加气化炉压力高关闭火焰检测器前切断阀联锁,设置本地阀门旋钮未关闭闪光报警。

4.2 煤浆槽放料阀无法打开

金大地四期项目在点火烘炉后准备启动高压煤浆泵调试时,发现煤浆槽底部放料阀无法开启到位。

(1)原因分析:①金大地四期项目未新上煤浆槽,煤浆槽利旧三期项目装置,在原煤浆槽上增开两个去高压煤浆泵管口,在开车前的煤浆泵单体试车过程中仅用水进行泵的测试,未进行煤浆物料测试;②三期项目时的煤浆槽放料阀采用下展式放料阀,四期项目采用上展式放料阀。如图2所示,四期项目的放料阀与煤浆槽连接的管件内径小,导致开阀时阀瓣无法动作到位。

图2 煤浆槽底部放料阀

(2)解决办法:①为赶赴项目开车进度,决定利用煤浆槽底部放净管线配置临时管线至煤浆泵进口管线,同时增加相应的冲洗水管道;②加强设计和施工人员对阀门结构的学习和理解。

4.3 激冷水泵气敷

4号气化炉在投料后负荷提升至60%,并且升压至1.0MPa(g)后,发现激冷水泵电流波动,并且无法提高激冷水流量。通知操作人员检查激冷水泵,同时适当加大进洗气塔高压灰水量,但是波动现象没有得到改善,最终判断是激冷水泵气敷问题。

(1)原因分析:四期项目洗气塔内激冷水泵入口管线处设置了挡板,用于引导塔盘降液管的洗涤水直接进激冷水泵,但是运行时降液管内不是满液状态,导致经过塔盘的一部分粗煤气被抽入激冷水泵中,造成激冷水泵气敷。

(2)解决方法:①割除洗气塔内激冷水出口内伸管周圈挡板;②缩短塔盘降液管的长度,并调整降液管方位,远离洗气塔激冷水出口管口。

5 结语

河南金大地60万t/a小苏打项目是继三期合成氨装置搬迁升级改造项目之后,第二次选用晋华炉3.0技术(合成气/蒸汽联产水煤浆水冷壁气化炉),装置具有煤种适应性宽、运行成本低、经济效益好、自动化程度高等特点,虽然在开车过程中遇到了不少问题,但是在技术人员的处理下均得到解决,没有影响整个装置的开车进度,它的成功运行给企业带来了显著的经济效益。目前,继续选用晋华炉3.0装置的河南金大地五期和六期项目已经启动,正在工程设计阶段,这也是对晋华炉3.0装置的认可和肯定。