多元料漿氣化爐下降管破裂原因分析及應(yīng)對(duì)

劉 威，莫小平，楊建云

(寧夏和寧化學(xué)有限公司，寧夏 靈武 750411)

0 引 言

寧夏和寧化學(xué)有限公司(簡(jiǎn)稱寧夏和寧)主生產(chǎn)裝置產(chǎn)能為440 kt/a合成氨(原設(shè)計(jì)產(chǎn)能為400 kt/a合成氨，2022年氨合成塔技改后氨產(chǎn)量增至440 kt/a)、700 kt/a尿素、200 kt/a甲醇，其氣化裝置采用西北化工研究院的多元料漿氣化工藝(激冷流程)，設(shè)置3臺(tái)多元料漿氣化爐(兩開一備)，單爐投煤量1 500 t/d，操作壓力6.5 MPa、操作溫度1 250～1 300 ℃。生產(chǎn)中，多元料漿經(jīng)高壓料漿泵送入外混式三流道工藝燒嘴，料漿走中間環(huán)隙、氧氣走中心及外環(huán)隙進(jìn)入氣化爐反應(yīng)生成粗煤氣，氣化原料中未轉(zhuǎn)化組分和部分灰形成的液態(tài)熔渣、細(xì)灰顆粒及粗煤氣通過下降管一起并流入氣化爐下部激冷室，通過下降管并流的過程中，在激冷水的作用下粗煤氣及液態(tài)熔渣溫度由約l 300 ℃降至250 ℃，液態(tài)熔渣在下降管中的溫度變化及其帶來的一系列影響很容易造成下降管損壞(燒穿、破裂等)，嚴(yán)重影響氣化爐的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。以下結(jié)合寧夏和寧2023年4月的實(shí)際生產(chǎn)情況，就下降管破裂的原因進(jìn)行分析，并就采取的應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施作一總結(jié)。

1 問題描述

2023年4月，寧夏和寧在未調(diào)整氣化爐負(fù)荷和后系統(tǒng)壓力的情況下，一臺(tái)氣化爐壓力出現(xiàn)0.15 MPa左右的波動(dòng)，壓力高時(shí)超出氣化爐設(shè)計(jì)壓力0.1 MPa，且氣化爐托磚板溫度4個(gè)點(diǎn)(01TI1/2/3/4-2019)出現(xiàn)緩慢上漲情況，其中，01TI1/2-2019最高漲至277 ℃、01TI3/4-2019最高漲至290 ℃；將該臺(tái)氣化爐負(fù)荷由71 m3/h(煤漿流量，下同)調(diào)整至66 m3/h后，托磚板溫度逐漸穩(wěn)定，但穩(wěn)定2 h后托磚板溫度再次出現(xiàn)整體上漲情況，其中，01TI4-2019上漲明顯并伴有上下13 ℃的波動(dòng)，且在波動(dòng)過程中01TI4-2019由277.6 ℃突漲至390 ℃，氣化爐緊急停車。停車降溫置換后進(jìn)入氣化爐檢查，激冷半環(huán)以下500 mm 左右下降管西北方向和東南方向均破裂而呈不規(guī)則孔洞，其中，西北方向孔洞尺寸為1 000 mm×650 mm、東南方向孔洞尺寸為300 mm×300 mm。

2 下降管破裂過程推斷及其影響

由氣化爐渣口向下降管流動(dòng)的液態(tài)熔渣，在溫度變化的過程中其粘度產(chǎn)生變化，液態(tài)熔渣粘附在下降管內(nèi)壁造成下降管結(jié)焦(部分)堵塞，下降管結(jié)焦堵塞后熔渣流通通道發(fā)生變化，繼而造成氣化爐壓力波動(dòng)，氣體流動(dòng)不暢而致氣化爐壓力升高——實(shí)際生產(chǎn)情況顯示本次氣化爐停車前氣化爐壓力多次升至6.6 MPa，下降管承壓加大，進(jìn)而造成下降管多處撕裂；下降管破裂后，大量高溫高壓氣體未經(jīng)水浴直接從撕裂處竄至托磚板處，導(dǎo)致氣化爐托磚板溫度(01TI4-2019)由277.6 ℃突漲至390 ℃。下降管是與激冷環(huán)連接的組件，激冷水通過激冷環(huán)在下降管形成水膜覆蓋，下降管水膜起著對(duì)粗煤氣降溫、洗滌并將部分水蒸發(fā)到工藝氣中等作用，下降管的運(yùn)行狀況對(duì)氣化爐的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行有著重要影響，因此，分析與探討下降管破裂的原因并采取有效的應(yīng)對(duì)措施非常有必要。

3 原因分析及應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

3.1 原料煤方面

3.1.1 原因分析

寧夏和寧氣化裝置常用氣化原料煤有5種(煤種Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，本次出現(xiàn)下降管破裂的運(yùn)行周期內(nèi)氣化爐使用的原料煤由煤種Ⅰ、煤種Ⅱ、煤種Ⅲ、煤種Ⅳ和煤種Ⅴ交替更換配比使用(見表1)，原料煤煤種和各煤種配比變化頻繁——本運(yùn)行周期內(nèi)共進(jìn)行過煤種配比調(diào)整11次，最短2 d就進(jìn)行1次煤種配比調(diào)整；此外，本運(yùn)行周期內(nèi)單一煤種Ⅲ的灰熔點(diǎn)平均約1 260 ℃、最高達(dá)1 336 ℃。

煤種變化頻繁而操作人員未能及時(shí)調(diào)整，前期主要表象為氣化爐渣口壓差增大(由投料時(shí)的30 kPa上漲至50 kPa)、氣化爐下渣不暢(氣化爐2023年2月6日投料開車，至2023年2月21日，僅運(yùn)行15 d就開始出現(xiàn)下渣不暢且持續(xù)4 d的情況)，后續(xù)運(yùn)行周期內(nèi)又間斷性地出現(xiàn)下渣不暢的情況，運(yùn)行至第36 d時(shí)(2023年3月14日)連續(xù)用8.5 MPa上/中鎖渣閥間高壓灰水對(duì)排渣管進(jìn)行了3次反沖洗處置。本運(yùn)行周期內(nèi)氣化爐出現(xiàn)排渣不暢時(shí)采取的應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施見表2。

表2 氣化爐排渣不暢時(shí)的應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

氣化爐下渣不暢表明破渣機(jī)上部有大塊渣架橋，渣口壓差升高及多次出現(xiàn)的下渣不暢表明渣口或下降管存在掛渣、堵渣情況，下渣不暢情況進(jìn)一步增多表明堵渣增多、下降管通道在逐漸減小?？梢?，煤種配比調(diào)整頻繁且周期短，入爐煤煤質(zhì)波動(dòng)大，工藝操作調(diào)整預(yù)見性不足、調(diào)整不及時(shí)，造成氣化爐液態(tài)熔渣排渣不暢、下降管結(jié)焦掛渣，逐漸導(dǎo)致下降管堵塞，氣體偏流或流動(dòng)不暢致氣化爐壓力升高，下降管承壓加大，最終導(dǎo)致了下降管破裂。

3.1.2 應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

(1)實(shí)施入廠煤準(zhǔn)入制，將煤質(zhì)把控關(guān)口前移，對(duì)入廠煤的低位發(fā)熱量、灰分、硫含量提前進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)量達(dá)標(biāo)后準(zhǔn)入，不合格則退回。

(2)穩(wěn)定入廠煤種、減少原料煤種類，避免煤質(zhì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，并保證原料煤灰熔點(diǎn)在1 250 ℃以下。

(3)每周及煤種變化時(shí)，在原料煤起始配比點(diǎn)對(duì)其灰熔點(diǎn)進(jìn)行分析，即通過煤質(zhì)分析工作前移為工藝操作提供參考依據(jù)。

(4)由運(yùn)行車間提出原料煤煤種及配比需求，生產(chǎn)管理部門據(jù)運(yùn)行車間需求提前統(tǒng)籌好原料煤煤種配比及該配比下使用的時(shí)間段，減少配比煤種調(diào)整及頻繁調(diào)整帶來的工藝系統(tǒng)波動(dòng)。

(5)對(duì)原料煤的粘溫特性進(jìn)行定期分析，剔除溫度降低粘度突漲的煤種。

(6)不單一追求原料煤的高熱值，原料煤的熱值和固定碳含量高，在氣化爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)的需氧量會(huì)進(jìn)一步增加，爐溫控制相對(duì)較高，不利于煤的轉(zhuǎn)化和延長(zhǎng)爐磚使用壽命，且會(huì)造成運(yùn)行熱負(fù)荷高及能源消耗增加，因此應(yīng)通過碳轉(zhuǎn)化率及爐磚運(yùn)行損耗等與有效氣標(biāo)煤耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，篩選出適合寧夏和寧多元料漿氣化爐使用的煤種。

3.2 氣化爐操作溫度(O/C)方面

3.2.1 原因分析

由于氣化爐排渣不暢，為保證氣化爐正常排渣，工藝上采取提高氣化爐氧煤比的方式運(yùn)行：本運(yùn)行周期內(nèi)氧煤比起初控制在約500 m3/m3，在第一次出現(xiàn)下渣不暢情況時(shí)，逐步將氧煤比最高提至535 m3/m3，在提溫過程中由于掛渣已經(jīng)在下降管內(nèi)形成，熔渣效果消失，但渣流動(dòng)性有一定提升，提溫使得氣化爐爐溫長(zhǎng)期處于高限運(yùn)行，氣化爐熱負(fù)荷過大，粗煤氣在下降管內(nèi)的降溫梯度提高了一個(gè)層級(jí)，激冷環(huán)和下降管上部易受到熱應(yīng)力破壞，尤其是下降管上部2 m處的高溫集中區(qū)，其高溫耐受強(qiáng)度減弱引起下降管變形、鼓包，水膜分布不均而致下降管掛渣，繼而造成下降管局部超溫，最終導(dǎo)致下降管出現(xiàn)裂紋甚至燒穿、破裂。

3.2.2 應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

(1)對(duì)入爐煤的灰熔點(diǎn)提前進(jìn)行分析，控制氣化爐操作溫度(O/C)高于入爐煤灰熔點(diǎn)50 ℃左右。

(2)堵渣初期，提高氣化爐氧煤比，以提高氣化爐操作溫度(O/C)熔渣，注意不要一次提溫過快，以免導(dǎo)致爐壁溶渣過多流至渣口進(jìn)一步造成堵塞，每次提溫以入爐氧氣量提高300～500 m3為宜。

(3)收集所用煤種及各煤種配比情況下的氣化爐操作溫度(O/C)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在煤種及配比變化時(shí)采取預(yù)防措施。

(4)結(jié)合氣化爐爐渣渣型調(diào)整氣化爐操作溫度(O/C)——當(dāng)粗渣中有大塊渣時(shí)適當(dāng)提高氣化爐操作溫度(O/C)，當(dāng)粗渣中有細(xì)密拉絲狀渣時(shí)適當(dāng)降低氣化爐操作溫度(O/C)，同時(shí)據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整氣化爐中心氧比例，保證排渣穩(wěn)定。

3.3 激冷水運(yùn)行方面

3.3.1 原因分析

在本運(yùn)行周期內(nèi)，氣化爐運(yùn)行至第22 d時(shí)激冷水量開始由450 t/h緩慢下降，運(yùn)行至第52 d時(shí)激冷水量降至350 t/h，隨后投用備用黑水過濾器，激冷水量上漲至450 t/h。當(dāng)激冷水量降低時(shí)，下降管水膜變薄，在本運(yùn)行周期氣化爐爐溫長(zhǎng)期處于高限運(yùn)行的情況下，熱應(yīng)力很容易引起下降管變形、鼓包，加之下降管結(jié)焦后激冷水偏流或橫噴，水膜消失，高溫熔渣未能有效降溫直接與下降管接觸或未激冷進(jìn)一步在下降管結(jié)焦，下降管局部超溫而致破裂。

3.3.2 應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

(1)據(jù)氣化爐排黑(水)及灰水系統(tǒng)處理量適當(dāng)增加洗滌塔排黑(水)量，以保證激冷水水質(zhì)。

(2)關(guān)注黑水過濾器壓差，出現(xiàn)黑水過濾器壓差升高時(shí)密切關(guān)注激冷水量變化并采取相應(yīng)的調(diào)整措施——?dú)饣癄t運(yùn)行前期出現(xiàn)黑水過濾器壓差升高、激冷水流量降低時(shí)，及時(shí)切出黑水過濾器清洗(以備用)，投用備用黑水過濾器；氣化爐運(yùn)行后期出現(xiàn)激冷水量降低時(shí)，直接投用備用黑水過濾器，與在運(yùn)黑水過濾器并聯(lián)運(yùn)行。

(3)一般氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)要求激冷水量不低于400 m3/h，當(dāng)激冷水量降低而無法調(diào)整時(shí)，降低氣化爐運(yùn)行負(fù)荷，使激冷水量與氣化爐運(yùn)行負(fù)荷相匹配，以保證下降管水膜(厚度)及降溫效果。

3.4 下降管檢修方面

3.4.1 原因分析

寧夏和寧多元料漿氣化爐下降管的材質(zhì)為Incoloy 825，本運(yùn)行周期結(jié)束時(shí)下降管累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為19 440 h，上個(gè)運(yùn)行周期停車時(shí)下降管存在13處鼓包，檢修中對(duì)13處鼓包進(jìn)行了挖補(bǔ)修復(fù)，對(duì)其中一尺寸為110 mm×10 mm的沖刷燒穿處進(jìn)行了修復(fù)。下降管檢修時(shí)局部挖補(bǔ)修復(fù)較多會(huì)導(dǎo)致下降管對(duì)高溫工況變化的耐受強(qiáng)度減弱，挖補(bǔ)焊縫熱應(yīng)力增大，易引起下降管變形、鼓包，激冷水水膜減薄或分布不均，在鼓包處逐漸形成掛渣、結(jié)疤并逐漸變大，甚至造成下降管完全堵塞，最終導(dǎo)致下降管挖補(bǔ)部位在高溫工況和較高壓力下破裂。

3.4.2 應(yīng)對(duì)/調(diào)整措施

(1)確定下降管運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和更換的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，每次氣化爐停車后進(jìn)行全面檢查，綜合評(píng)估下降管的情況；正常檢修中每次都應(yīng)檢測(cè)激冷環(huán)內(nèi)圈與下降管的環(huán)隙量，檢查下降管的垂直度以及變形情況，做好水分布試驗(yàn)，保證下降管水分布均勻且無干區(qū)。

(2)做好備品備件管理——至少準(zhǔn)備1套激冷環(huán)和下降管，以免下降管損壞后無備件更換。

4 結(jié)束語

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于多元料漿氣化爐下降管破裂的問題，通過穩(wěn)定原料煤配比和氣化爐爐渣堵塞判斷及其處理措施等的施行，氣化爐下降管運(yùn)行狀況可以得到有效預(yù)判，下降管破裂導(dǎo)致氣化爐停車的問題可以得到解決，且能在下降管破裂時(shí)做好相關(guān)的處理，保證氣化爐的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行?？傊?，多元料漿氣化爐下降管破裂應(yīng)從原料煤、氣化爐操作溫度(O/C)、激冷水運(yùn)行、下降管檢修等方面查找原因并進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整或處理，具體而言，需做好如下管控：及時(shí)掌握原料煤煤質(zhì)的變化及相關(guān)數(shù)據(jù)，確保入爐煤煤質(zhì)穩(wěn)定，在煤種及其配比變化時(shí)提前采取防范措施；據(jù)氣化爐壓差、粗煤氣成分、排渣量及渣型對(duì)氣化爐下降管的運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)判，以盡早進(jìn)行操作調(diào)整——及時(shí)調(diào)整氣化爐操作溫度(O/C)及中心氧比例；據(jù)氣化爐熱負(fù)荷及時(shí)對(duì)激冷水量進(jìn)行匹配性調(diào)整；做好設(shè)備運(yùn)行狀況評(píng)估，制訂好設(shè)備的檢維修計(jì)劃，保證下降管的穩(wěn)定運(yùn)行。