WHG干粉煤氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行研究

侯劉濤

(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二期(以下簡(jiǎn)稱龍宇煤化工)氣化項(xiàng)目是以煤為原料，采用中國(guó)五環(huán)工程有限公司與河南能源化工集團(tuán)公司自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的五環(huán)爐(WHG) 干粉煤氣化工藝技術(shù)，運(yùn)用將煤轉(zhuǎn)化為合成氣的煤氣化生產(chǎn)裝置。兩臺(tái)五環(huán)爐分別于2016年12月8日(0系列)和2017年12月8日(1系列)一次投料試車成功，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)五環(huán)爐同時(shí)運(yùn)行的模式，兩臺(tái)五環(huán)爐自投料試車以來(lái)，運(yùn)行中出現(xiàn)激冷罐頂部積灰、濕洗塔壓差高、水冷壁管泄漏等問題，經(jīng)過多次技改達(dá)到了良好運(yùn)行水平，至2020年底，實(shí)現(xiàn)五環(huán)爐A級(jí)安全穩(wěn)定運(yùn)行288d，最高運(yùn)行負(fù)荷為102%。

1 工藝流程

龍宇煤化工二期煤氣化裝置采用兩臺(tái)五環(huán)爐，單臺(tái)爐煤氣的公稱生產(chǎn)能力為 69 090 Nm3/h(以CO+H2計(jì))，主要生產(chǎn)原料為煤和氧氣，其中，煤來(lái)自原料煤貯運(yùn)系統(tǒng)，氧氣來(lái)自空分裝置。該裝置共分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)、渣水處理系統(tǒng)、濕洗系統(tǒng)、黑水處理系統(tǒng)、一氧化碳變換系統(tǒng)和公用工程部分。

五環(huán)爐工藝流程如下：將粒度小于13mm的原料煤與一定比例的石灰石經(jīng)過磨煤與干燥系統(tǒng)碾磨成合格的煤粉，經(jīng)過粉煤加壓及輸送系統(tǒng)輸送至煤粉給料罐，再經(jīng)過4條煤粉管線與空分裝置送來(lái)的高壓氧氣同時(shí)配入少量過熱蒸汽混合后，經(jīng)煤燒嘴噴入氣化爐生成粗合成氣，其主要成分為(CO+H2)。氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，爐體內(nèi)溫度為1 400～1 700 ℃，攜帶飛灰的高溫粗合成氣在激冷段初次激冷后，送往激冷罐被再次冷卻降溫至約190℃，并被洗滌除灰，然后進(jìn)入濕洗系統(tǒng)，經(jīng)文丘里洗滌器和濕洗塔進(jìn)一步降溫、洗滌除灰，合成氣溫度降低至180～190℃后，被送往變換裝置；流動(dòng)的熔融液態(tài)渣經(jīng)過渣水處理系統(tǒng)送往渣場(chǎng)；來(lái)自激冷罐和洗滌塔的含灰排放水經(jīng)黑水處理系統(tǒng)后，濾餅送出界區(qū)，濾液經(jīng)澄清后循環(huán)使用；粗煤氣通過變換裝置調(diào)整組分中CO和H2的含量，以滿足下游用戶的需要。

2 生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題及整改措施

2.1 激冷罐的問題及改進(jìn)措施

(1)激冷罐頂部積灰。粗合成氣通過輸氣彎管向激冷罐輸送時(shí)，激冷罐頂部積灰，出現(xiàn)合成氣通道縮小(最低時(shí)僅為原有通道的15%)和氣化爐膜式壁因合成氣偏吹損壞等情況(見圖1)。

圖1 改造前激冷罐頂部的積灰情況

改造措施如下：經(jīng)初步分析，發(fā)現(xiàn)造成問題的主要原因?yàn)榧だ涠稳肟诳趶酱?、合成氣流速低及激冷段頂部水汽大等。根?jù)原因分析，為加大激冷罐頂部合成氣流速，對(duì)激冷罐頂部輸氣管道進(jìn)行改造。通過激冷罐入口膜式壁上增加縮口，使原尺寸為φ999mm的口徑縮口至φ500mm(采用8mm N08825鋼板制作)后，合成氣的流速增大。觀察改造后的運(yùn)行效果，發(fā)現(xiàn)該改造有效緩解和降低積灰程度，避免因激冷罐頂部積灰而出現(xiàn)裝置停車的現(xiàn)象，有利于裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)激冷罐積泥結(jié)垢。在運(yùn)行中和裝置停車檢修檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)激冷罐積泥結(jié)垢嚴(yán)重(見圖2)，部分管道表面結(jié)垢，管道有效管徑縮小，嚴(yán)重影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 改造前激冷罐的積泥情況

原因分析如下：一方面，裝置運(yùn)行中出現(xiàn)激冷水過濾器壓差高、濾筒孔有灰塊結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，影響激冷罐激冷水流量，進(jìn)而影響整個(gè)激冷罐的水平衡；另一方面，激冷罐噴頭(孔徑16mm和6mm)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，易出現(xiàn)結(jié)垢堵塞，使激冷罐內(nèi)部的噴淋水流量降低，為維持激冷罐液位，必須減少黑水外排，致使激冷罐水平衡被打破，大量灰泥積存于激冷罐內(nèi)，裝置不得不停車清理。

采取如下改造措施：增加DN200的副線至激冷罐激冷水流量計(jì)前(見圖3)，從而保證去激冷罐激冷水的流量；同時(shí)，在激冷水分布方形盒上開DN50的孔(見圖4)，通過在上升管與下降管之間的環(huán)隙中開孔，進(jìn)入下降管內(nèi)部，加DN50彎頭貼著內(nèi)壁噴水，彎頭朝下向左旋安裝易形成旋膜。改造后，在水質(zhì)較好、煤質(zhì)穩(wěn)定、灰含量低的情況下，兩個(gè)系列激冷水量能夠穩(wěn)定在350m3/h，可以滿足正常水平衡要求，可有效降低激冷罐積泥結(jié)垢對(duì)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

圖3 激冷水改造后

圖4 激冷罐改造后的激冷水分布

2.2 閃蒸系統(tǒng)灰水角閥振動(dòng)及改進(jìn)措施

在裝置運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，黑水處理系統(tǒng)閃蒸裝置的部分設(shè)備因系統(tǒng)壓降較大，激冷罐底錐到中壓閃蒸罐的壓力從3.8MPa降至0.6MPa，因壓差較大，導(dǎo)致灰水角閥和中壓閃蒸罐沖擊振動(dòng)大，造成緩沖裝置內(nèi)部及連接的陶瓷短節(jié)內(nèi)部陶瓷脫落，給生產(chǎn)運(yùn)行造成極大隱患。

通過在閃蒸緩沖裝置安裝阻尼器，減小振動(dòng)。洗滌塔底部灰水管線和激冷罐底錐的灰水管線流量均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)流量，激冷罐液位進(jìn)水和出水達(dá)到平衡，滿足氣化爐100%負(fù)荷運(yùn)行的需要。

2.3 濕洗塔塔盤結(jié)垢及應(yīng)對(duì)措施

在裝置運(yùn)行過程中，兩個(gè)系列濕洗塔塔板均出現(xiàn)了結(jié)垢堵塞、塔板壓差上漲及液泛現(xiàn)象。由于濕洗塔塔板結(jié)垢、洗滌效果差、出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，使合成氣帶液至變換系統(tǒng)，給整個(gè)裝置穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

濕洗塔塔盤結(jié)垢的主要原因?yàn)樗宓目苟履芰Σ蛔?、激冷罐洗滌效果差、帶入濕洗塔的灰較多和高壓洗滌水水質(zhì)不好等。

改造措施如下：通過對(duì)0系列濕洗塔3、4層塔盤溢流堰進(jìn)行開孔、降低高度；增大溢流堰與塔板之間的間隙，以加快灰水在塔板的流動(dòng)，減少灰水在塔板的停留時(shí)間，從而緩解結(jié)垢的速率；1系列濕洗塔改造塔盤結(jié)構(gòu)形式，改用立體傳質(zhì)高效塔板(見圖5)。

圖5 高效立體傳質(zhì)塔板

通過改造實(shí)現(xiàn)裝置連續(xù)運(yùn)行288d，濕洗塔系統(tǒng)沒有再出現(xiàn)明顯的壓差上漲及液泛情況，解決了濕洗塔塔盤結(jié)垢問題，為裝置高負(fù)荷、長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。

2.4 水冷壁管泄漏及對(duì)應(yīng)措施

兩臺(tái)五環(huán)爐自運(yùn)行以來(lái)，已出現(xiàn)4次激冷罐上方水冷壁管泄漏的問題，激冷罐上方彎頭處泄漏(見圖6)。激冷罐上方水冷壁泄漏的問題嚴(yán)重影響了五環(huán)爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 激冷罐上方水冷壁管泄漏

改進(jìn)措施如下：①穩(wěn)定氣化爐操作，避免氣化爐溫度及壓力出現(xiàn)大幅度波動(dòng)；②避免水汽系統(tǒng)壓力出現(xiàn)大幅度波動(dòng)；③將汽包壓力控制在4.2MPa左右，既保證水汽系統(tǒng)與氣化爐的壓差，又避免將汽包壓力控制過高；④氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，控制液位不要過高，降低水冷壁處粗煤氣中水汽的含量，從而減輕腐蝕效果。

具體對(duì)設(shè)備局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改造方案如下：對(duì)激冷罐上方易腐蝕的15CrMo材質(zhì)水冷壁管表面堆焊N08825(見圖7)；并對(duì)干濕交界的空間用保溫棉塞實(shí)，減少碳鋼表面因干濕接觸而造成的腐蝕，從根本上解決管道腐蝕帶來(lái)的泄漏等相關(guān)問題。

圖7 堆焊后的水冷壁管線

2.5 煤質(zhì)問題及應(yīng)對(duì)措施

煤質(zhì)問題是五環(huán)爐能否長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。自五環(huán)爐運(yùn)行以來(lái)，非計(jì)劃停車半數(shù)以上都與煤質(zhì)的不穩(wěn)定有直接或間接的關(guān)系，煤質(zhì)對(duì)五環(huán)爐工況的影響，突出表現(xiàn)在煤質(zhì)灰分和灰熔點(diǎn)兩方面。

五環(huán)爐所用原煤的理想灰分為不大于20%(w)，灰分過高會(huì)造成濕洗塔塔盤結(jié)垢加快、激冷罐積泥及其排放水管線結(jié)垢或堵塞等相關(guān)問題，同時(shí)會(huì)造成五環(huán)爐水耗增加、分散劑和絮凝劑等輔材用量增加，影響氣化爐的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。五環(huán)爐入爐煤的灰熔點(diǎn)應(yīng)控制在1 340～1 375℃，原煤煤質(zhì)不穩(wěn)或摻配不均都會(huì)造成原煤的黏溫特性變化較大，導(dǎo)致氣化爐結(jié)渣或燒嘴罩處掛渣。五環(huán)爐運(yùn)行4年來(lái)，因燒嘴罩泄漏而導(dǎo)致停車數(shù)次，每次煤燒嘴罩都有不同程度的燒蝕，嚴(yán)重制約了五環(huán)爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

主要采取了如下改進(jìn)措施：①穩(wěn)定煤源，煤種最好控制在4個(gè)以內(nèi)，采用兩元配煤，減少使用多元配煤；②實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配煤；③避免頻繁更換煤種或者配比，造成氣化爐工況波動(dòng)；④穩(wěn)定氣化爐操作，在煤種更換或者配比更換時(shí)，提前預(yù)判工況，并做好應(yīng)對(duì)；⑤減少短時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行大幅調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)龍宇煤化工二期煤氣化裝置五環(huán)爐運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行原因分析，采取了一系列技術(shù)改造、優(yōu)化配煤穩(wěn)定煤源等措施，實(shí)現(xiàn)五環(huán)爐288d連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的記錄，為五環(huán)爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。