水煤漿氣化裝置過氧閃爆的預(yù)防措施

路光彬， 郭本陸， 楊 娟

(兗礦魯南化工有限公司， 山東滕州 277500)

水煤漿氣化制取合成氣是我國目前應(yīng)用最廣泛的煤氣化技術(shù)。氣化裝置在開車之前，需要對氣化爐進行烘爐蓄熱，在這個過程中，若燃氣與空氣的混合比例不當(dāng)，有可能發(fā)生閃爆事故；在投料和運行過程中，如果氧煤(碳)比不當(dāng)，爐膛溫度會異常升高，甚至?xí)l(fā)生過氧爆炸事故；當(dāng)氣化裝置停車后，爐膛溫度較高時，如果隔離處理不當(dāng)，裝置也有發(fā)生閃爆的隱患。因此，在氣化裝置的各個階段，應(yīng)把握好相關(guān)細節(jié)，確保裝置處于安全狀態(tài)。

1 烘爐階段發(fā)生閃爆事故原因及應(yīng)對分析

氣化爐在烘爐時，一般使用天然氣或后系統(tǒng)產(chǎn)生的弛放氣作為燃料，利用蒸汽經(jīng)過噴射真空泵時，靜壓能與動能的轉(zhuǎn)換形成負壓，將氣化爐頂部空氣和預(yù)熱燒嘴產(chǎn)生的高溫氣體向下抽引，實現(xiàn)耐火材料的升溫，其間，若氣化爐燃燒室內(nèi)部空氣和燃氣的比例不協(xié)調(diào)，氣化爐就有發(fā)生爆炸的隱患。

1.1 烘爐負壓不穩(wěn)

正常氣化爐烘爐期間，爐膛內(nèi)空氣是稍富裕的狀態(tài)，可以保證燃料氣的充分燃燒。當(dāng)爐膛內(nèi)負壓降低后，吸入的空氣量減少，但燃料氣是由閥門減壓而來的，受爐內(nèi)負壓影響較小，因此會造成爐膛內(nèi)燃料氣燃燒不充分甚至過量；此時如果負壓有明顯好轉(zhuǎn)，大量空氣再次涌入，爐膛內(nèi)就可能發(fā)生閃爆事故。

蒸汽流量不穩(wěn)定，抽引器分離罐氣相、液相排放不暢,氣化爐液位過高等原因，會造成氣化爐烘爐負壓不穩(wěn)定。另外,預(yù)熱燒嘴熄火后，爐膛內(nèi)通風(fēng)置換不徹底，再次點火時易發(fā)生氣化爐內(nèi)閃爆事故。

1.2 水洗塔氣體積聚

一般情況下，氣化爐在開車前一天，氣化爐爐膛已烘至高溫，系統(tǒng)水循環(huán)已建立，系統(tǒng)隔離盲板已抽除，此時如果水洗塔上部壓力上漲，可能會導(dǎo)致氣化爐烘爐嚴(yán)重回火[1]。

德士古水煤漿氣化裝置合成氣流程見圖1。系統(tǒng)隔離盲板抽除后，合成氣出工段閥或水洗塔置換氮氣閥可能存在內(nèi)漏問題。在系統(tǒng)水循環(huán)建立的情況下，水洗塔有一定的液位儲備，當(dāng)液位高于水洗塔內(nèi)合成氣的入口管時，閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的氣體會積聚至水洗塔上部，當(dāng)壓力升高至一定程度時(此時的壓力取決于氣化爐合成氣出口管線與水洗塔合成氣入口處的位差，一般在0.2 MPa左右)，氣體會將水洗塔下部積水壓至水洗塔前的合成氣管線，直至氣化爐內(nèi)部。此時氣化爐合成氣出口管線會充滿積水形成水封，大量積水排入氣化爐激冷室后，會引起氣化爐液位大幅上漲。當(dāng)水洗塔液位下降到一定程度時，合成氣管線的水封被消除，水洗塔上部積存的大量氣體會從氣化爐開工抽引器及氣化爐燃燒室泄放，此時更加劇了氣化爐的回火甚至發(fā)生閃爆事故。

PI1401—壓力測點。

四噴嘴水煤漿氣化裝置水循環(huán)建立后，旋風(fēng)分離器會因補水閥或密封水內(nèi)漏導(dǎo)致液位上漲，當(dāng)旋風(fēng)分離器液位高于入口混合器后，依然會形成水封。當(dāng)水洗塔上部壓力升高后，旋風(fēng)分離器多余的積水會涌入合成氣管線，直至開工抽引器及氣化爐激冷室，引起氣化爐回火。部分廠家氣化爐烘爐期間為控制氣化爐液位，將鎖斗進、出口閥門處于常開位置，此時渣池液位會大幅上漲，旋風(fēng)分離器的水封消除后，水洗塔上部的合成氣會涌入開工抽引器或氣化爐燃燒室，形成氣化爐回火現(xiàn)象，在氣化爐燃燒室空氣富裕的情況下，有可能發(fā)生閃爆事故。

氣化裝置停車、開孔后，在一定時間內(nèi)氣化爐燃燒室溫度依然較高，并且氣化爐內(nèi)充滿空氣，此時如果合成氣出工段等盲板還未倒盲，需要關(guān)注水洗塔上部管線壓力變化情況。當(dāng)水洗塔上部管線壓力有上漲趨勢時，需要及時泄放，防止水洗塔內(nèi)積聚的合成氣與氣化爐內(nèi)的空氣形成爆炸性混合氣體。

2 開車階段發(fā)生過氧事故原因及應(yīng)對分析

氣化爐投料過程中，水煤漿與氧氣的入爐時間、比例及安全系統(tǒng)閥門的切換需精準(zhǔn)到位，其間不穩(wěn)定的因素較多，所以氣化裝置開車過程應(yīng)作為一個重大的風(fēng)險來管控。

2.1 氧氣放空閥內(nèi)漏

氧氣管線入氣化爐前流程見圖2。氣化爐投料時，水煤漿先于氧氣入爐，如果此時氧氣放空閥關(guān)閉不到位，將會因閥位聯(lián)鎖觸發(fā)該對(只)燒嘴跳車；氧氣放空閥經(jīng)長期使用后，執(zhí)行機構(gòu)與閥球的旋轉(zhuǎn)角度可能產(chǎn)生偏差，所以在氧氣放空閥閥位到位的情況下，也可能發(fā)生閥門內(nèi)漏問題，這種情況在氣化爐投料初期，各項參數(shù)偏離正常指標(biāo)較大的情況下，不易被察覺。如果氧氣放空閥內(nèi)漏，在氧氣流量一定的情況下，該氧氣管線入爐的壓力會降低，隨著氣化爐壓力的提高，氧氣管線與氣化爐的壓差越來越小，最后氣化爐內(nèi)的煤氣將回竄到氧氣放空管線，并可能導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。

PI1304、PI1305—遠傳測壓點。

為此，在氣化爐投料過程中，應(yīng)及時關(guān)注氧氣切斷閥之間的壓力(PI1305)。四噴嘴水煤漿氣化爐是1對燒嘴投料，便于對2條燒嘴氧氣管線的壓力差別進行對比；德士古水煤漿氣化爐需要在平時注意觀察燒嘴氧氣管線與氣化爐爐膛的壓差與投氧量的關(guān)系，以便在異常情況時能及時發(fā)現(xiàn)和處理。

在氣化爐提壓過程中，如果氧氣管線入燒嘴處的壓力上漲不明顯，需要及時判斷氧氣放空閥內(nèi)漏情況。四噴嘴水煤漿氣化爐為實現(xiàn)帶壓連投，氧氣放空閥后設(shè)置有背壓閥，在氣化爐投料后，及時關(guān)閉該氧氣管線背壓閥，可以減小氧氣放空閥內(nèi)漏帶來的影響。

2.2 煤漿管線閥門內(nèi)漏

煤漿管線入氣化爐前流程見圖3。氣化爐投料時，煤漿循環(huán)閥或煤漿導(dǎo)淋閥發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象。內(nèi)漏量較小時，由于入爐氧煤比偏高，氣化爐的反應(yīng)溫度會有明顯升高；內(nèi)漏量較大時，入爐的煤漿量會大幅減少，氣化爐內(nèi)會出現(xiàn)過氧現(xiàn)象。此時如果經(jīng)過處理，煤漿管線內(nèi)漏問題得以解決或通過提高煤漿泵轉(zhuǎn)速等操作，入爐的煤漿流量升高，此后產(chǎn)生的煤氣量增大，可能會與氣化裝置內(nèi)之前積聚的氧氣形成爆炸性混合氣體，引發(fā)閃爆事故。如果煤漿循環(huán)閥的內(nèi)漏量很大，煤漿管線的壓力低于氣化爐壓力時，氣化爐內(nèi)的氧氣等介質(zhì)回竄至煤漿管線，將引發(fā)更嚴(yán)重的事故。

FI1204—煤漿流量計。

氣化爐投料期間，應(yīng)關(guān)注煤漿切斷閥間煤漿流量計(FI1204)的指示，如果流量指示偏低，不能輕率地認為是煤漿流量計顯示的問題；如果此時發(fā)現(xiàn)該煤漿管線壓力偏低，氣化爐高溫?zé)崤贾甘旧仙^快，現(xiàn)場人員需及時查看煤漿循環(huán)管線和導(dǎo)淋管線內(nèi)漏情況。

煤漿入爐前煤漿導(dǎo)淋閥內(nèi)漏時，若煤漿流量計顯示正常，實際進入氣化爐的煤漿量將會減少，有引發(fā)氣化爐過氧爆炸的風(fēng)險[2]。氣化爐投料前，及時在煤漿切斷閥間的煤漿導(dǎo)淋閥后加盲板，可以避免出現(xiàn)煤漿導(dǎo)淋閥內(nèi)漏現(xiàn)象；氣化爐投料后，控制室及時關(guān)閉煤漿循環(huán)閥后的切斷閥，可以有效控制煤漿循環(huán)閥內(nèi)漏帶來的影響，為判斷和處理該問題贏得時間。

一般情況下，煤漿流量計顯示有一定的偏差。煤漿循環(huán)閥內(nèi)漏，首先體現(xiàn)在氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度升高，此時高溫?zé)崤己蜌饣癄t出口的合成氣溫度也會有明顯升高。正常運行期間，煤漿的灰熔點上漲不會超過100 K，進行相應(yīng)的提溫操作后，氣化爐出口合成氣的溫度上漲2 K左右。因此，建議將氣化爐出口合成氣溫度高報值設(shè)置為高于正常溫度3 K，以給予操作人員提前預(yù)警。目前,水煤漿氣化裝置都設(shè)有氣化爐出口合成氣溫度高的跳車聯(lián)鎖，該聯(lián)鎖主要是預(yù)防氣化爐液位低等問題引起的合成氣溫度異常上漲情況，無法應(yīng)對合成氣在激冷正常的情況下，氣化爐操作爐溫異常升高的問題。

另外，在氣化爐停車進行煤漿管線沖洗前，氣化爐內(nèi)可能還未泄至常壓，此時需要及時確認煤漿切斷閥的內(nèi)漏情況。如果第二道煤漿切斷閥內(nèi)漏，就會發(fā)生氣化爐內(nèi)介質(zhì)回竄現(xiàn)象，特別是四噴嘴氣化爐在1對燒嘴運行的情況下，沖洗停車1對燒嘴煤漿切斷閥間管線時風(fēng)險較大，需要監(jiān)控操作過程。

3 高壓煤漿泵故障分析

氣化爐運行期間，氧氣管線的壓力和流量相對穩(wěn)定，煤漿的正常輸送決定著氣化爐操作爐溫的穩(wěn)定性。高壓煤漿泵的個別單向閥出現(xiàn)內(nèi)漏或入口管不暢等故障時，煤漿管線與氣化爐的壓差會明顯降低[3]，此時會引起氣化爐反應(yīng)溫度的升高。經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，短時可以維持爐溫的穩(wěn)定，但如果高壓煤漿泵的入口管線出現(xiàn)堵塞，則會導(dǎo)致高壓煤漿泵不打量。在煤漿流量計顯示滯后的情況下，氣化爐內(nèi)會出現(xiàn)過氧現(xiàn)象，特別是單燒嘴的德士古水煤漿氣化裝置[4]。

引起高壓煤漿泵入口堵塞的原因可能是煤漿槽攪拌器故障，也可能是煤漿槽內(nèi)壁積存的硬煤漿坍塌等情況。高壓煤漿泵入口堵塞后，入口管線壓力將迅速回零，高壓煤漿泵出現(xiàn)不打量的現(xiàn)象。各廠家煤漿流量計顯示都存在一定程度的滯后問題，此時氧氣依然正常入爐，所以單純依靠煤漿流量低觸發(fā)氣化爐聯(lián)鎖跳車，不足以滿足氣化爐安全運行需要。

德士古水煤漿氣化爐只有1只工藝燒嘴，如果出現(xiàn)高壓煤漿泵不打量的問題，氣化爐內(nèi)很快會出現(xiàn)過氧現(xiàn)象。由于爐膛內(nèi)溫度高，氧氣與煤氣接觸就會燃燒，等爐膛內(nèi)剩余的煤氣消耗完畢后，剩余的氧氣會經(jīng)氣化爐下降管進入激冷室與煤氣混合，并到達水洗塔等部位，形成爆炸性混合氣體。此時在高溫、高壓的情況下，氣化爐渣口處的高溫火焰或合成氣流動形成的靜電，都會引發(fā)系統(tǒng)爆炸。在這種情況引發(fā)的爆炸發(fā)生之前，氣化爐出口合成氣的溫度不會有明顯上漲，增加了監(jiān)控的難度。

四噴嘴水煤漿氣化爐配有2臺高壓煤漿泵，1臺高壓煤漿泵不打量時，原則上不會出現(xiàn)裝置內(nèi)爆炸事故。根據(jù)經(jīng)驗公式，1 m3氧氣能產(chǎn)出2.7 m3左右的精制氣(一氧化碳、氫氣)，其中一氧化碳、氫氣與氧氣反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

(1)

(2)

一氧化碳和氫氣與氧氣完全反應(yīng)時,物質(zhì)的量之比都是2∶1，原則上運行正常的1對燒嘴產(chǎn)生的精制氣會完全消耗掉另1對燒嘴的氧氣，此時氣化爐爐膛溫度會大幅升高，異常的高溫會導(dǎo)致耐火磚燒蝕，并引發(fā)合成氣溫度高等一系列的問題。

建議在德士古水煤漿氣化爐高壓煤漿泵入口管線設(shè)置壓力低跳車聯(lián)鎖，在四噴嘴水煤漿氣化爐高壓煤漿泵入口管線設(shè)置壓力低聲光報警，以提醒操作人員進行處置。

4 結(jié)語

水煤漿氣化技術(shù)成熟可靠，各種聯(lián)鎖保護系統(tǒng)相對比較完善，但在氣化爐烘爐過程中，要關(guān)注水洗塔出口壓力上漲等非常規(guī)現(xiàn)象，避免發(fā)生氣化爐回火或閃爆事故；在氣化爐投料過程中，密切關(guān)注氧氣和煤漿的壓力、流量變化，以及爐溫的異常上漲情況，避免閥門內(nèi)漏導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。另外，根據(jù)工況設(shè)定合理的合成氣管線溫度報警值，可以對氣化裝置過氧現(xiàn)象起到提前預(yù)警的作用。