德士古煤气化装置运行问题探讨.doc

德士古煤气化装置运行问题探讨许波On Operation of Texaco Coal GasifierXu Bo(Shanghai Coking Corporation 200241) AbstractBased on the three-year-operation of Texaco coal Gasifier at Shanghai Coking Corporation(from 1996 to 1998), problems of a stable and long-time operation under heavy daty have been inquired into and analyzed.Key words texaco gasifier, coal gasification, stable operation 引言上海焦化有限公司三联供工程主要有二个生产系统，一是生产低热值煤气的U-GAS装置，另一个是德士古煤气化生产甲醇装置，对后一系统来说，德士古煤气化的长周期、高负荷、稳定运行是一个关键，本文就此问题进行探讨。表11996年停车原因汇总德士古煤气化装置运行问题探讨摘要本文介绍了上海焦化有限公司德士古煤气化装置1996年1998年的运行情况，并就德士古煤气化装置的长周期、高负荷、稳定运行问题进行了分析和探讨。关键词德士古气化炉煤气化稳定运行1装置运行概况德士古煤气化装置于1995年5月22日第一次化工投料试车，经过不断地改造和完善，装置运行越来越趋于稳定，1996年、1997年、1998年运行情况分别列于表1、表2、表3，单炉运行情况列于表4，兄弟厂家运行情况列于表5。停车原因计划停车工艺设备仪表电器空分电网误操作其他总计停车次数78264141134所占百分数/%20.5923.545.8817.6511.762.9411.82.942.94100表21997年停车原因汇总停车原因计划停车工艺设备仪表电器空分电网误操作总计停车次数5138581012364所占百分数/%7.8120.3112.57.8112.515.618.84.69100表31998年停车原因汇总停车原因计划停车工艺设备仪表电器空分电网误操作其他总计停车次数744514102340所占百分数/%17.5101012.52.5102557.5100表4单炉运行情况时间1996年1997年1998年炉号1#2#3#1#2#3#4#1#2#3#4#开停车次数1571291814235121013开停一次平均寿命/h354.8255.7383.4363.3323.2280.8108.5791.1357.9478.9304.2开停一次平均寿命/d14.7910.6615.9815.1413.4711.74.53314.919.9612.7表5兄弟厂家运行情况1)时间1996年1997年1998年厂家上海焦化山东鲁南陕西渭河上海焦化山东鲁南陕西渭河上海焦化山东鲁南陕西渭河开停车次数343159642540402441开停一次平均寿命/d14.2510.63.3910.413.49.731714.510.87注：1)德士古气化炉数量情况如下：上海焦化有限公司二开二备，山东鲁南化肥厂一开一备，陕西渭河化肥厂二开一备；山东鲁南单炉连续运行最高纪录为77天，上海焦化为67天，陕西渭河为49天。 2运行情况的分析2.1长周期运行的情况在1996年1998年三年中，工艺造成停车的原因主要是煤浆泵进口堵塞、大颗粒卡住高压煤浆泵活门造成高压煤浆泵不打量、渣排不出、黑水管线堵等；仪表造成停车的原因主要是PLC及阀门问题；电器造成停车的主要原因是高压煤浆泵变频器故障；电网造成停车的原因是外电网影响；空分造成停车的原因主要是4#空分处于试生产阶段，4#空分分子筛阀门故障及4#空分空透吸风口大气中CO2超标等。美国伊斯曼金石堡化工厂德士古煤气化炉开停一次平均寿命在25天左右，虽然我厂单炉连续运行时间已达到了67天，达到了较好水平，但开停一次平均运行时间还不够长。经过这几年的实践，我们已经认识到不必追求单炉连续运行纪录，运行一个月至45天左右就应计划停车，主动切换炉子，做好检修工作。2.2稳定运行的情况与稳定运行相关的是可靠性，因为考察的是生产的整体水平，而不仅仅是看高峰值，对于煤化工装置，稳定运行的重要指标是开车率。就德士古气化炉而言，计划停车占的比例还是比较小，大部分停车都是处于比较被动的状态，即使美国伊斯曼目前仍有许多变化莫测的问题造成停车，关于稳定运行我们所追求的应是开车率，目前而言，特别是二台德士古同开的运行率。2.3高负荷运行的情况高负荷生产时对降低生产成本来说是很明显的。因为折旧费、劳务费、维修费和管理费等基本上是固定的，装置运行起来这些费用也是必不可少的，但是在设计负荷的基础上再进一步提高单台德士古气化炉的负荷，则所增产的合成气单位成本总比设计指标要低的多。经过试运行，高负荷生产也是完全可行的，山东鲁南化肥厂曾超过设计负荷的10%左右，美国伊斯曼在解决了瓶颈问题以后，生产负荷达到设计值的140%，我厂也曾达到超过设计负荷的7%。表6合成气中H2+CO和CO2含量变化情况(1#炉)3长周期、高负荷、稳定运行问题的探讨3.1原料水煤浆气化是连续化工艺，煤质的变化将对制浆、气化、排渣等产生影响。煤中的灰分虽不直接参加气化反应，但要消耗煤在氧化反应产生的反应热，用于灰分的融化，因此氧气消耗与煤耗均要增加，一般情况下灰分应小于15%，越低越好。水煤浆加纯氧高温气化时灰分呈熔融状态，以利碳转化和排渣。提高操作温度有利于碳转化和排渣顺利，但操作温度不宜过高，否则会影响耐火砖的使用寿命，一般以灰熔点小于1 300为宜。1996年下半年有一段时间因煤的灰熔点高，造成气炉压差升高，激冷室中心下降管挂渣严重，最严重的一次将中心管从上到下全部挂满，中间只剩下200mm300mm不规则的弯曲通道，为清渣花费了近20天时间，增加了维修费用，影响了备炉工作，严重地影响了生产。气化炉压差升高以后，操作上一般适当加大烧嘴的中心氧量，延长火焰长度，使高温区下移。同时合成气组成也会发生变化，气体中CO不断提高，CO2和H2含量不断降低，实际有效成分H2+CO有所升高，详见表6。时间压差/MPaH2量/%CO量/%CO2量/%H2+CO量/%备注1996-09-061996-09-061996-09-051996-09-060.020.030.020.030.050.1535.9236.2834.6533.5845.1344.6748.1550.1118.4418.5616.6715.7581.0580.9582.083.69生产正常时生产正常时渣口堵时渣口堵时煤的水分分外水和内水二种，内在水分高的煤，其成浆性不好，流动性差，进一步提高煤浆浓度有困难。今年1月就出现过这种情况，由于内在水分比正常值高，因此煤浆系统发生问题，煤浆浓度偏低，添加剂用量大幅度增加，同时煤气组分发生了变化，煤气中CO降低，CO2升高，实际有效气体成分下降，同时氧气消耗也相应增加，详见表7。 表7煤浆浓度与气体成分的变化情况时间煤浆浓度/%气体成分/%CO2H2CO1999-01-221998-12-31 10001998-01-01 20001998-01-10 5001998-01-12 70060.056.256.855.654.018.821.020.721.022.435.633.935.135.735.345.843.242.241.640.83.2气化炉耐火砖德士古气化炉耐火砖的价格是非常昂贵的，换一次向火面砖，拆卸、筑炉、烘炉、检查、试压就得花费一个半月到二个月时间，严重影响了备炉工作，所以必须选用质量较好的耐火砖，筑炉时严格把好质量关，在使用过程中严格控制气化炉操作温度，尽量延长耐火砖的使用寿命。根据美国伊斯曼的经验，每套耐火砖生产合成气的总量基本上是一个常量。生产负荷低些，耐火砖的寿命相对就长些，生产负荷高些，耐火砖的寿命相对就短些。影响气化炉耐火衬里寿命的因素很多，就使用而言，应注意以下几点：3.2.1操作温度炉内温度对耐火衬里的寿命是非常重要的，所以要严格控制不要超温。在正常生产条件下，耐火砖表面有一层煤渣层，实际上渣层是动态的，温度低渣层较厚，温度高渣层较薄，适当厚的渣层可以减缓高温气体和熔渣的冲刷。水煤浆德士古气化炉对耐火砖的要求比以重油为原料的炉子对耐火砖的要求要高得多，其主要原因是熔渣对耐火材料的渗透和腐蚀。更换耐火砖时发现渗透厚度达10mm20mm,熔渣渗透后，其强度明显下降。温度高则浸蚀加剧。据有关资料介绍，特别是操作温度超过1 400时浸蚀作用成倍地增加。在运行过程中还曾发生过氧气负荷波动的情况，有时氧气调节阀会造成氧气负荷变动，有时大颗粒会突然卡住高压煤浆泵活门，煤浆流量突然下降造成氧气量相对过量。氧气波动后直接造成炉温的波动，氧气波动范围有时为500m3600m3，最大达到过1 000m3左右。氧气突然升高后，造成炉温突然升高，会突然烧坏高温热电偶，这种情况对耐火砖的影响是很大的，应尽量避免。综合考虑各种因素，一般气化炉的操作温度应控制在1 350以下。当高温热电偶损坏或指示不准时，因为合成气中甲烷含量与炉内温度有一定的关系，一般可根据出口气中甲烷含量来进行控制。遇到这种情况，在实际操作中，为了避免CH4含量分析结果的偏差，不但要观察甲烷含量，而且还要观察H2、CO、CO2等成分的变化，以及其他生产条件如煤浆浓度、流量、氧气流量、出渣情况等的变化来进行综合判断，使操作温度与理论控制温度不要偏离太大。3.2.2减少开停车次数在开停车的过程中由于更换烧嘴，会使冷空气进入炉内，造成炉内温度的急骤变化，在投料过程的短时间内，炉内温度升得比较快，这也是难以控制的。这些情况对耐火衬里是非常有害的，甚至会导致耐火衬里出现开裂损坏，所以在生产过程中应尽量做到稳定生产，减少开停车次数。3.3完善化工作德士古气化装置自投产以来，已经进行了大小几十项改造，才达到目前的运行水平，但是距长周期、高负荷、稳定运行的要求还有相当大的差距。目前对制约德士古气化装置长周期、高负荷、稳定运行的问题需要进一步完善，例如电网波动引起高压煤浆泵跳车，气化炉激冷环堵塞，闪蒸系统管道、阀门磨损，气化炉带水，高负荷时激冷室液位难以控制等问题。下面就这些问题作一探讨。3.3.1电网波动引起高压煤浆泵跳车1996年1998年期间因电的问题引起德士古跳车就达26次之多。仅1998年就有10次，占全年停车次数的1/4。因电的问题引起德士古跳车其实质是电压波动引起高压煤浆泵变频器跳车而迫使德士古气化炉停车。电压波动是瞬时的，曾经出现过高压煤浆泵停1s或2s，然后又开起来，德士古气化炉并没有跳车。目前初步设想，一是改造变频器，由单电源改为双电源，当一路电源影响时，能够自动切换；二是进一步完善变频器的功能，提高变频器抗波动的能力。3.3.2激冷环堵塞对德士古水煤浆气化而言，对原料煤的选择，在可能的条件下，一般均选用灰熔点低的煤作原料，灰溶点低的煤中含CaO量就高些，若煤的灰熔点较高时，一般都必须向煤中加助熔剂(石灰石)，所以灰水系统结垢问题是必然的。渭河化肥厂投产初期，使用黄陵煤，灰水呈酸性，所以激冷环堵塞的现象并不明显，以后改为华亭煤，灰水呈碱性，激冷环堵塞的现象逐渐明显起来，鲁南化肥厂和我厂灰水呈碱性，也经常发生激冷环堵塞的现象。发生激冷环堵塞，大多发生在停车过程中，在停车过程中激冷水由洗涤塔循环泵切换至预热水泵后，激冷水流量会有明显下降。目前处理激冷环堵塞问题大多采用如下方法：(1)加阻垢剂如能在气化炉激冷水中投加某些药剂，破坏垢层结晶增长，使CaCO3悬浮于水中，就可达到控制水垢形成的目的。我公司使用TL-1102D阻垢剂，投加量为50mg/L60mg/L，加阻垢剂后灰水泵从未发生过结垢，阻垢效果较好，但激冷环的结垢情况并未有太大的改善。鲁南化肥厂使用TS-1213阻垢分散剂，投加量为50mg/L。陕西渭河化肥厂使用NKC-920阻垢分散剂，投加量为50mg/L80mg/L。添加阻垢分散剂并不能彻底解决结垢问题，只能缓解结垢状况，几个厂也都在寻求试验效果更好的阻垢分散剂。(2)酸洗我厂和山东鲁南化肥厂也都进行过酸洗，定期酸洗也是解决激冷环结垢的有效办法。(3)高压清洗泵清洗我厂经常使用高压清洗泵用高压水进行清洗，清洗时要用特殊的高压软管 ， 清洗压力一般达8.0MPa，但在清洗过程中要将炉温降下来，拆装的工作量也较大。(4)使用管路处理器我厂曾使用过美格洁管路处理器，它应用法拉弟电磁感应原理(永久磁铁20 000高斯)使水离子化，可改变管内流体中固体物和悬浮物的晶格结构，使其变为疏松结构。进而产生强劲的防垢、除垢功效。开始使用时似乎有些效果，但后来效果也不明显。3.3.3气化炉激冷室带水问题我厂在试车过程中就遇到了气化炉激冷室带水问题，加入的激冷水远远大于合成气带出的水量和排出黑水总量，但是激冷室液位仍维持不住。我厂对上升管作了改造，在设计负荷条件下比过去情况稍有好转，基本能适应生产。激冷室内的气液平衡如遭到破坏，要使其恢复到正常状况需要的时间也比较长。当生产负荷超过设计负荷后，这个问题又逐渐表现出来。山东鲁南化肥厂和陕西渭河化肥厂也出现过这种“带水”现象。国内已在运行的三套德士古水煤浆气化装置的气化炉激冷室结构、尺寸基本上是一样的，不同的只是烧嘴、压力、投煤量。压力越高，此“带水”现象就越明显，一种理论认为随着压力与负荷的增加，激冷室内热流强度增加，当其达到一临界值时，传热方式转为低效的膜状沸腾传热，炉内气体随之带走大量水至后系统。笔者认为当高温合成气经下降管时，由于激冷水的激冷，气体和熔渣温度很快下降，渣继续下降，气体并夹带少量水沿下降管与上升管间的环隙继续上升，从合成气出口排出，若气体不是沿环隙上升，而是有气体冲出钟罩，这样气体通过液封继续向上，必定会夹带大量水，激冷室示于图1。 图1激冷室示意图设气体通过环隙的阻力为h(m液柱)下降管内压力为P1上升管外压力为P2上升管内外液位差为