化炉长周期运行实践与措施

中天合创能源有限责任公司(简称中天合创)化工分公司气化装置作为项目的核心装置,对整个项目的运行起着关键性的作用。气化装置引进了GE公司煤气化专利技术,包括14台气化炉,单炉投煤量为1500t/d。自2016年9月开车以来,气化装置单炉连续运行周期由30~50d逐渐提升到60d以上,2019年8月26日,9号气化炉单炉连续运行突破100d,创造了开车以来气化装置单炉最长连续运行记录。笔者结合该气化炉长周期运行的经验进行总结和探讨。

存在的问题及对策

1.1 烧嘴寿命短

GE水煤浆气化炉采用顶置单喷嘴气流雾化技术,工艺烧嘴为三通道内外混水煤浆,外加烧嘴冷却水结构,从内至外3个通道内介质依次为中心氧气、水煤浆及外环氧气。GE水煤浆气化炉工艺烧嘴的运行周期一直制约着单炉运行周期:一是进入气化炉运行后期烧嘴压差波动大易触发压差低联锁;二是烧嘴本身寿命基本在60d左右。

2016年开车以来,因气化炉烧嘴压差低引起气化炉跳车占所有停炉事件的83.6%。由此可见,烧嘴压差在很长一段时间内,是制约气化炉长周期运行的主要因素。

为了延长气化炉烧嘴运行周期,采用了高压差烧嘴替代低压差烧嘴。根据9号气化炉投料初期运行数据,100%负荷时该高压差烧嘴压差可达538kPa,在运行至后期烧嘴压差虽然持续偏低,但是也能维持在50kPa以上。实践表明高压差烧嘴能有效避免烧嘴压差低(≤20kPa)造成气化炉跳车。自2018年更换高压差烧嘴后,气化炉烧嘴压差低引起气化炉跳车仅占所有停炉事件的26.7%,占比明显下降,取得了较好效果。

另外,为了延长烧嘴运行周期,与烧嘴维修厂家保持联系,对烧嘴逐一建立档案,掌握各个烧嘴的维修情况,重点关注烧嘴中间煤浆通道的磨损和烧嘴头部的热疲劳龟裂维修情况

1.2 原料煤煤质不稳定

针对原料煤煤质不稳定的情况,采取以下措施:

(1)制备合格稳定的煤浆。

合格的煤浆对气化炉能够长周期稳定运行至关重要。在9号气化炉运行期间,为制备合格稳定的煤浆,主要从两方面着手:一方面以“多开磨煤机,单台磨煤机低负荷运行”为原则,确保制得的煤浆浓度、黏度在工艺指标范围内;另一方面根据分析数据结果,对粒度分布较差的磨煤机适当添加钢棒,保证煤浆粒度分布合格,减少粗粒子数量。将供9号气化炉煤浆的5号大煤浆槽煤浆质量分数维持在60.5%~62.5%,黏度保持在500~1200cP。另外,要求由专人负责检查磨煤机入口滚筒筛及粗粒子管线。

(2)增加粗粒子冲洗及大煤浆槽排浆次数。

为了防止因粗粒子堆积进入小煤浆槽,进而带入大煤浆槽导致高压煤浆泵单向阀卡涩,致使气化炉跳车,日常工艺管理上要求:冲洗磨煤机粗粒子次数由原来每班冲洗2次,增加至每班冲洗4次;大煤浆槽排浆由原来每班1次,增加至每班2次。通过以上措施,降低了高压煤浆泵出现单缸不打量现象的风险。

(3)减少煤浆中夹带铁屑等杂质进入大煤浆槽。

通过在磨煤机滚筒筛上增加磁铁并定期清理磁铁上的铁质物质,有效地减少了煤浆中夹带的铁丝、贴片等杂物。9号气化炉单炉运行期间未发生煤浆流量波动问题,为长周期运行奠定了扎实的设备基础。

(4)加强现场巡检。

工艺管理方面,要求巡检过程中若是发现原料煤中煤矸石较多时,及时汇报并调整磨煤机负荷;若是发现原料煤中携带杂质时,及时停机清理。

1.3 渣水闪蒸系统角阀易磨穿

渣水闪蒸系统包括4级闪蒸,分别为高压闪蒸、低压闪蒸、一级真空闪蒸和二级真空闪蒸。渣水经4级闪蒸处理后送往沉降槽。高压闪蒸和低压闪蒸的作用为降低渣水温度、浓缩渣水中固体含量、解吸少量酸性气体及回收热量;真空闪蒸的主要作用为进一步降低渣水温度、浓缩渣水中固体含量和解吸酸性气体。在正常运行过程中,气化炉和洗涤塔产生的渣水经高压闪蒸角阀进入高压闪蒸罐,高压闪蒸角阀后设置筒体,用以减缓高压渣水对高压闪蒸罐的冲击。由于高压闪蒸角阀前后压差大,且渣水中含有大量固体颗粒,出高压闪蒸角阀的高温渣水瞬间发生汽化,高压闪蒸角阀筒体内介质流速瞬间增大,加剧了高压闪蒸角阀筒体的磨损,严重时高压闪蒸角阀筒体被渣水磨穿,导致大量渣水外溢,严重影响现场环境[2-3]。

9号气化炉开车运行2个月后,先后出现气化炉排黑角阀磨穿、第一真空闪蒸罐至第二真空闪蒸罐阀(123LV09027)后筒体磨穿、低压闪蒸罐至第一真空闪蒸罐阀(124LV09020)后三通磨穿,以及高压闪蒸罐至低压闪蒸罐阀(123LV09004)后缓冲桶底部盲盖磨穿等现象,灰水排黑系统设备管道易磨穿严重制约了气化炉的长周期运行。为此,气化装置在检修时从以下4个方面着手应对设备管道易磨穿等问题:

(1)彻底检修角阀三通。

在停车检修时,对闪蒸角阀进行彻底检修,必要时进行更换;对124LV09020三通、洗涤塔排黑角阀(123FV09193A/B)后三通、气化炉排黑角阀(123LV09088A/B)三通进行测厚,确保厚度大于10mm。检修时对123LV09027阀后管道、123LV09088A/B阀后筒体底部盲盖进行更换并加固。

(2)检修时彻底清洗排黑管道。

在停车检修时,将高压闪蒸罐至低压闪蒸罐管道、低压闪蒸罐至真空闪蒸罐管道的所有短节拆除,安排管道清洗,从而保证了长周期运行时排黑管道不堵塞,不影响气化系统正常排黑。

在停车检修时,安排清洗第一真空闪蒸罐除沫器,使设备运行时正常闪蒸,汽水分离效果明显。

(3)日常工作及时消缺。

在日常巡检中,对极易出现故障的位置如123LV09088A/B、124LV09020、124LV09004盲盖加强巡检。如发现泄漏,及时消除,避免漏点扩大无法处理。例如在9号气化炉运行期间,发现124LV09004有漏点,及时联系带压堵漏人员并短时间排空高压闪蒸罐液位,关闭124LV09004后实施了带压堵漏,经2h的现场作业,124LV09004漏点打压堵漏成功,漏点得到有效控制,运行得到了保障。

气化装置要求中控操作人员观察闪蒸系统的真空度,及时进行参数调整。

(4)落实排黑管道的在线测厚。

对管道磨损情况进行掌握,如发现有磨损较严重的管道应及时更换,或者在线贴板加强,保证设备安全稳定运行。

1.4 气化炉堵渣

气化炉运行至后期,烧嘴压差波动导致煤浆燃烧不充分,炉子渣量约等于正常运行时候的1.5~2.0倍,此时细微的灰渣从锁斗循环泵入口进入到泵过滤器,使其堵塞,造成锁斗循环泵不打量,从而导致气化炉堵渣[4-5]。为减少堵渣现象,日常管理上必须保证锁斗循环泵备泵良好,每个月必须切换备泵1次,以保证备泵处于良好的备用状态。

1.5 仪表阀门故障

为使123FV09193A/B运行无故障,通过9号气化炉运行实践,一直保持双角阀运行可减少单个角阀的磨损量,在长达100d的运行过程中没有发生洗涤塔排黑角阀磨穿的事件。为此,在日常管理中必须确保123FV09193A/B双角阀通畅。如果投料后角阀堵塞,应及时在线处理,在平常运行过程中应时刻关注过量情况较差的角阀,及时调整阀门开度以实现角阀畅通。

1.6 水系统问题

通过调整9号气化炉灰水系统的负荷,将气化炉排黑体积流量减少到180m3/h左右,洗涤塔排黑体积流量控制在50m3/h左右时,气化炉运行平稳。

灰水中钙镁离子的结垢情况与灰水的pH直接相关。灰水的pH越高,结垢越严重,结垢的可能性越大。在灰水pH不变的情况下,灰水中的钙离子浓度越高,结垢的可能性越大。密切关注气化水系统pH、氨氮含量、电导率、化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)含量、氯离子含量、溶解固体含量、总碱及总硬等指标,使pH尽可能保持在7左右,适当调整分散剂、絮凝剂用量以改善灰水水质,增加灰水水质分析频次到每天1次,从而改善激冷水水质,保护气化炉下降管。

1.7 检修质量问题

在检修过程中,尤其是洗涤塔作业时必须做到“工完、料净、场地清”,避免检修垃圾掉入洗涤塔内,造成管道或角阀卡涩,影响气化炉平稳运行。在检修过程中,对于防冲板的检查应格外注意,及时贴板补焊,尽量避免洗涤塔本体被冲刷。若发现抽负能力较差,应及时检修真空泵。对于除沫器,每次检修应彻底清洗干净,避免气化炉在运行中因除沫器堵塞而影响真空闪蒸的抽负能力。

气化炉中激冷环、上升管、下降管作为德士古气化炉的主要内件之一,对安装的要求高。只有从预防做起,工艺人员、设备人员都做到精心、重视,才能使气化炉生产长周期稳定运行。

1.8 负荷波动大

调整气化炉负荷过于频繁、调整幅度过大会加剧气化炉的烧嘴环隙磨损。保持后期的气化炉负荷稳定对于气化炉长周期运行非常有必要。为避免负荷波动对气化炉运行的影响,9号气化炉在运行初期时基本保持100%负荷不变,运行第50天以后基本保持95%负荷运行。其间,由于烧嘴压差持续波动且在低位运行、更换123KV09027、角阀磨损严重以及锁斗循环泵入口过滤器堵塞等,运行86d后对负荷进行了调整,维持负荷在90%运行,运行第94天至第101天负荷基本维持在85%。

9号气化炉运行期间保持氧煤比在485~495运行,在线分析甲烷体积分数控制在950×10-6~1200×10-6,中心氧在高负荷保持约33%阀位运行,低负荷保持31%阀位运行。工艺管理上要求加强渣口压差、气化炉液位、托砖板热偶、锥底砖热偶的监控,特别是对炉壁温度的监控。

GE气化炉的运行过程需要对温度进行合理控制。当炉温比较低时,熔渣的流动性会变差,容易产生结疤。结疤会直接分流经过的水流,影响到水膜,容易造成下降管结疤处温度过高,造成下降管损坏或者变形。结疤处会聚集更多的熔渣,面积不断增大,堵塞下降管的通路。当下降管局部堵塞时,合成气的流速变大,导致合成气带灰严重,进一步加速下降管的堵塞,直接造成热应力的不均匀。当下降管变形严重时,甚至容易出现爆裂、穿孔现象。炉温过高会直接影响到熔渣的流速,下降管承担的热负荷也变大,使得合成气的温度过高,容易造成水膜变薄,造成下降管局部高温,产生裂纹、变形、穿孔。

结语

中天合创9号气化炉连续运行超过100d,为气化炉的长周期运行积攒宝贵的实践经验和数据。气化装置连续运行有很多制约条件,需要克服很多技术瓶颈。任何一个小的技术难题都会导致气化炉无法长周期连续运行。在过去的运行记录中,反复总结气化炉长周期运行经验,通过调研和改造高压灰水泵管线、采用高压差烧嘴等一系列举措,确保了气化炉长周期安全稳定运行。

由于气化装置管线多且复杂,操作工每次巡检都要带着四合一检测仪,一边巡检一边检查管线跑冒滴漏情况。特别是粗煤气、氧气、燃料气这类易燃易爆的气体,一旦发生泄漏后果不堪设想。

气化炉稳定运行除了精细的操作还需要良好的设备基础,其中关键设备及部件是制约气化炉运行的瓶颈,如高压煤浆泵、工艺烧嘴、炉砖、锁渣阀和黑水角阀等,这些重点监控部件一旦出现问题很容易导致气化炉停车。为确保这些部件正常,必须做好日常维护工作,出现问题及时处理,以确保设备处于良好的运行工况。