中能化工三期航天炉气化装置开车运行总结

童维风

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽临泉 236400）

0 引 言

安徽晋煤中能化工股份有限公司（简称中能化工）600kt／a合成氨原料路线改造项目——三期航天炉气化装置于2017年3月14日成立项目小组，2017年7月开工建设；2019年5月气化装置进入单体试车阶段，期间处理了一些试车过程中暴露出的问题。2020年5月空分装置开车，5月26日空分装置产出合格的氮气和氧气，5月31日06：51气化装置一次开车投料成功，当日19：37氨合成系统接气产出产品，三期航天炉生产系统全流程打通；之后经过优化调整，气化装置于2020年6月20日加至设计负荷运行，设计负荷下气化装置各项工艺指标及运行参数正常，总体上运行平稳。以下对三期航天炉气化装置试车、开车工作及有关情况作一总结。

1 三期航天炉气化装置简况

1.1 航天炉简介

三期航天炉气化装置采用HTL-4／S-32／38-II／Y型气化炉，此种航天炉开工烧嘴与煤烧嘴各自独立，点火开工采用一体化油烧嘴，输煤（干煤粉）气体及保护气为CO2，烧嘴氧路保护气为N2；气化炉设计操作压力4.0MPa，设计水氧比（汽氧比）0.1kg／kg；单台气化炉设计有效气（CO＋H2）产量2520km3／d。

1.2 气化装置的设计特点

三期航天炉气化装置由磨煤及干燥单元、粉煤加压及输送单元、气化单元、渣水处理单元、公共单元组成，相较于中能化工一期、二期航天炉（HTL-4／S-28型气化炉）气化装置，三期航天炉气化装置最大的不同在于：一是点火开工采用单独的一体化油烧嘴，点火开工高效且便捷；二是合成气洗涤系统增设了旋风分离器除尘，粗合成气除尘洗涤更彻底；三是渣水系统采用三级闪蒸，热量回收利用更合理。

2 试车中发现的问题及优化改进

2.1 磨煤及干燥单元

（1）中能化工三期航天炉气化装置使用的MPS245HP-IIA型中速磨机大多应用在电厂、锅炉厂，原始设计中磨机没有设置磨辊轴承温度监测点，而航天炉对粉煤粒度的要求相对于电厂、锅炉厂要严格一些，对磨机运行的稳定性也要求较高，即需对磨机各部位的运行情况进行实时监测，便于及时发现问题并及时处理。试车时发现这一问题后，通过与磨机生产厂家进行沟通，并结合中能化工一期、二期航天炉气化装置磨机磨辊温度监测点的设置，在三期航天炉气化装置磨机磨辊上增设了测温点，并使用耐高温的仪表线。技改后，温度点一旦出现异常能及时发现并停机处理，再结合磨机通用检查周期对磨辊进行定期检查并及时消缺，从而可有效避免影响生产运行事故的发生。

（2）磨煤及干燥单元之输送系统包括旋转卸料阀、纤维筛、螺旋输送机。原料煤中的杂物通过研磨干燥后被循环风带入纤维筛中进行分离，随着运行周期的延长，纤维筛内部的杂物越积越多，会影响粉煤管线的稳定输送，故需定期清理纤维筛，而清理过程中杂物可能进入系统造成二次污染，导致粉煤输送管线流量波动，影响航天炉工况。为此，在纤维筛出口管线上增设1个插板阀，插板阀上增设1个检查手孔，清理纤维筛前关闭插板阀，清理完成后打开插板阀上部手孔，将掉落的杂物清理干净后关闭手孔，之后打开插板阀，粉煤输送系统正常投运。

（3）输送系统纤维筛的主要作用是在粉煤输送的过程中捕集其中夹杂的陶瓷片及杂草纤维等，以确保粉煤的清洁，保证粉煤管线的稳定运行。调试过程中发现三期航天炉装置磨煤单元的纤维筛筛面距离设备壳体有近4cm的距离，由于间隙过大，极易导致系统内脱落的陶瓷片及纤维杂物掉进设备内部并被送至粉煤加压放料环节，一旦这些杂物进入粉煤给料罐，可能会引起输煤管线流量的波动而影响气化炉的工况，甚至可能卡阻粉煤流量调节阀，造成粉煤管线断流。于是，采用扁铁对筛面帮边的方式进行加宽处理，保证设备壳体与帮边的距离在1cm之内。技改后，粉煤输送系统运行的稳定性显著提高。

2.2 粉煤加压及输送单元

（1）粉煤锁斗在开车前的带料试运行期间，每次泄压粉煤储罐料位均会不同程度上涨，期间料位最高时粉煤储罐中粉煤达10t，判断为粉煤锁斗放料不畅，因粉煤放不尽，在泄压时随泄压气体进入粉煤储罐过滤器，经分离后粉煤进入粉煤储罐，造成粉煤储罐料位上涨。为查找粉煤锁斗放料不畅的原因，对相关数据进行收集，发现粉煤给料罐的3个压力点示数不一致，据此判断是16PI1127／16PI1128所在管线出现了堵塞。于是，对粉煤加压及输送单元进行泄压，拆开粉煤锁斗与粉煤给料罐平衡管，发现有异物堵塞管线，进行了清理。异物清理后，粉煤给料罐的3个压力点示数一致，粉煤锁斗放料顺畅，泄压时粉煤储罐料位也不再上涨。

（2）粉煤给料罐是为航天炉提供稳定粉煤输送的重要设备，其需与气化炉保持稳定的压差，一般控制在约0.7MPa。粉煤给料罐顶部设置有过滤器，当粉煤给料罐与气化炉的压差高时，通过过滤器泄压调节阀进行泄压；当粉煤给料罐与气化炉的压差低时，通过补气调节阀对过滤器进行吹扫的同时对粉煤给料罐充气补压，以稳定粉煤给料罐与气化炉的压差。粉煤给料罐顶部过滤器滤芯一旦堵塞，就会影响粉煤给料罐的泄压和充压，导致粉煤给料罐与气化炉的压差出现波动，进而引起航天炉工况不稳定。为此，增设了粉煤给料罐顶部过滤器副线，过滤器出现故障时投用副线，从而可确保粉煤给料罐顶部过滤器故障时航天炉的安全、稳定运行。

2.3 气化单元

（1）三期航天炉气化装置设计氧负荷为30900m3／h，设计投料时氧负荷为12000m3／h、氧流量低低跳车联锁值为6000m3／h，而氧流量计的量程为50000m3／h，对于正常生产负荷来说，氧流量计的量程偏大，量程大就意味着小流量的计量和示数会不准确——调试过程中氧负荷在13000m3／h以下时氧流量计示数为0，氧负荷在13000～15000m3／h时氧流量计示数波动大、不稳定。对于此问题，流量计厂家进行过调试处理，但效果不明显。分析认为，三期航天炉气化装置氧流量计选择的是涡街流量计，其对配管要求很高，而管道施工过程中未能充分考虑氧流量计的使用需求，导致氧流量计投用后小流量时显示不准确或不能正常显示。为确保安全顺利开车，经与设计院沟通，将航天炉投料时氧负荷调整为13500m3／h，同时增加氧流量低低与氧阀开度低共同作用触发跳车联锁。调整后，气化装置的顺利开车得到有效保障。

（2）气化装置正常生产时，高压灰水泵出口压力为4.8MPa，洗涤塔操作压力为3.6MPa，两者压差为1.2MPa。但在气化装置开车期间，洗涤塔通过调节阀（17LV-1008）补高压灰水，而此时洗涤塔为常压，高压灰水泵出口与洗涤塔之间的压差高达4.8MPa，导致17LV-1008调节阀开度小、高压灰水补水管线振动大。为此，试车期间进行了如下操作优化：开车期间关小调节阀17LV-1008前手阀，确保调节阀开度在50%以上，待洗涤塔压力上升、与高压灰水泵出口之压差降低后，逐渐全开17LV-1008前手阀。优化操作后，17LV-1008及管道的安全稳定运行得以保证，确保了气化装置的平稳开车。

（3）中能化工三期航天炉产生的粗合成气出激冷室后进入文丘里洗涤器，增湿除尘后粗合成气进入旋风分离器进一步除尘后，旋风分离器锥部的黑水送往高压闪蒸器，旋风分离器中上部相对清洁的黑水送往激冷水泵进口，以平衡旋风分离器的液位。中能化工一期、二期航天炉气化装置无旋风分离器流程，洗涤塔运行时水质较差，黑水含固量较高，而中能化工三期航天炉气化装置旋风分离器出口黑水水质与一期和二期航天炉气化装置洗涤塔出口黑水水质相当，因此，将三期航天炉气化装置旋风分离器中上部黑水送至激冷水泵进口，势必污染激冷水，影响激冷水泵及航天炉的稳定运行。为此，试车水循环期间将旋风分离器黑水进激冷水泵进口调节阀关闭，关闭手阀，取消了此路水，通过增加旋风分离器排水来维持系统水平衡。优化改进后，取样及拆检情况表明，三期航天炉气化装置激冷水系统较为清洁，为气化装置的长周期运行奠定了基础。

2.4 渣水处理单元

（1）经沉降槽澄清后的灰水，一部分进入灰水槽循环利用，另一部分经外排水缓冲罐后送至污水处理系统，以改善灰水水质。外排水缓冲罐属常压设备，机械加工部分由中能化工自行设计加工，沉降槽灰水溢流至外排水缓冲罐管设计为DN400，外排水缓冲罐出口管设计为DN200，外排水缓冲罐顶部放空管设计为DN100。在开车前的水循环初期，外排水泵流量均正常，但随着系统水温的不断升高，外排水缓冲罐经常出现液位偏低而灰水槽液位偏高的情况，导致灰水系统失衡。为此，对外排水缓冲罐放空管进行技改——将放空管由DN100改成DN400。技改后，外排水缓冲罐再也没有出现过液位偏低的现象，稳定了灰水系统的运行。

（2）航天炉气化装置运行中，气化炉燃烧过程产生的部分细灰、细渣通过气化灰水循环系统最终进入沉降槽絮凝沉降处理，沉降槽底部沉降的稠化淤浆通过沉降槽底流泵送至压滤机。在气化装置开停车过程中，由于系统温度、压力的剧烈变化，系统中的垢片会大量脱落，垢片随着水循环进入沉降槽，继而进入底流泵叶轮处，造成底流泵频繁检修和损坏，影响淤浆的正常排出，最终影响气化装置的稳定运行。为此，在沉降槽底流泵进口设置过滤器，用于过滤系统的垢片等杂物；当过滤器压差升高时，直接通过过滤器手孔清理垢片等杂物。技改后，底流泵故障率有效降低，减少了拆检底流泵的繁重工作，稳定了系统的运行。

（3）真空闪蒸系统中，真空闪蒸罐闪蒸气经冷凝器冷凝后进入真空闪蒸分离罐，未凝气通过真空闪蒸泵抽出放空，1个真空闪蒸分离罐配置2台真空闪蒸泵（一开一备）；在真空闪蒸泵入口处，2台泵并联管处各设有1个手阀，但2台真空闪蒸泵出口处未设置手阀，未凝气直接进总管后放空。但由于放空气为微正压，使得放空过程中备用的真空闪蒸泵内也会进入一部分热气，造成备用泵的侵蚀，影响备用泵的使用寿命；此外，一旦出现机泵需要检修时，此种设计方式使得停下的检修泵不易切除隔离，影响安全检修。于是，在2台真空闪蒸泵出口各增设了1个手阀，正常生产时备用泵出口手阀关闭，检修时将检修泵进出口手阀均关闭即可，确保了真空闪蒸泵的良好备用与安全检修。

3 气化装置开车过程及控制要点

3.1 气化装置开车过程简介

2020年5月20日三期空分装置完成前期的查漏、裸冷、珠光砂装填等工作；5月21日，三期空分装备准备冷态冲转，直至达到额定转速；5月22日，按程序进行空分装置的空压机加载、预冷系统启动、纯化系统投用、增压机加载、冷箱吹扫；5月23日，工质露点合格，启动膨胀机，系统降温积液；5月24日，主冷下塔积液，并对液氧泵进行预冷；5月25日，系统外供中抽气，系统进入调纯阶段；5月26日，空分装置开始外供0.45MPa和15kPa的氮气，氧气纯度合格，空分装置全线产品合格，具备供气条件。

2020年5月25日，气化装置磨煤系统进入最后的调试阶段，所有设备运行以排除异常和故障，进行输煤系统调试，检查氧气系统气密性，气化系统、渣水系统建立水循环，同时系统升压至1.0MPa标定主氧流量计；5月26日，空分装置供出合格氮气后，磨煤系统进行惰性化（置换）；5月27日，投用磨煤系统氧表在线分析，系统氧含量合格，启动磨机磨煤，标定粉煤流量计，同时湿试粉煤锁斗放料程序；5月28日，粉煤流量计、粉煤储罐称重、放射源料位计标定完成；5月29日，启动阀门校验，开工氧气、雾化氮气流量标定验证，并对开车程序湿试，对存在的问题进行处理。5月30日，对开车程序再次进行验证后，当日16：00开始引氧气，3.0MPa下放空提纯；21：40引氧结束，22：10启动吹扫程序，23：40启动开工程序，23：53一次点火成功。5月31日06：51气化炉一次性投料成功，经过近8h的挂渣后，当日17：05变换系统接气，19：37氨合成系统接气成功，打通系统全流程产出产品，至此，三期航天炉气化装置顺利投运。

3.2 开车过程中的控制要点

（1）一体化油烧嘴点火控制。中能化工一期、二期航天炉气化装置采用燃料气点火开工，三期航天炉气化装置采用的是一体化油（柴油）烧嘴点火开工，柴油需要雾化后才容易着火燃烧，因此一体化油烧嘴点火开工的工艺设计和操作过程均有别于燃料气烧嘴点火，中能化工根据设计院给定的参数进行标定控制，实现了一次性点火成功，红外火检和摄像头火检检测火焰均较为稳定。

（2）投料后氧负荷的控制。气化炉升压至1.0MPa时，气化炉各运行参数正常，具备投料条件；启动投煤程序，投煤成功后，氧流量瞬时达到13500m3／h，氧流量波动较大，氧流量在15000m3／h以下时系统运行不稳定，不易控制，及时加氧至15000m3／h以上，氧流量相对稳定；之后采用先加煤、再加氧的方式，并遵循少量多次调节控制的原则逐步提高氧负荷，优化氧煤比，提高炉温，控制适宜的粗合成气组分，逐渐将氧流量调整至额定负荷，各运行参数正常，气化炉运行总体稳定。

（3）航天炉挂渣阶段的控制。航天炉炉膛内的水冷壁盘管上设有抓钉，抓钉上设置耐火材料用于保护水冷壁的安全运行，由于仅仅依靠耐火材料不足以起到保护水冷盘管的作用，航天炉设计中采用以渣抗渣的原理确保气化炉能在较高的温度下安全运行，故原始开车期间航天炉炉膛要经历挂渣的过程。航天炉挂渣时要使用合适的煤种，挂渣所用原料煤灰渣流温区间＞70℃、煤灰粘度在10～100Pa·s、灰分在8% ～12%、挥发分在32% ～38%为宜，通过优化氧煤比控制炉膛最高温度在1000℃以下，并在设计负荷的60%以下运行8h以上，这样才能使航天炉炉膛挂渣良好，为今后气化装置的安全稳定运行奠定基础。

（4）水氧比控制。中能化工三期航天炉设计水氧比为0.1kg／kg，控制水氧比的主要目的是微调炉温和微调粗合成气组分，正常运行期间一般不需要调整，除非确实有必要；一般来说，航天炉水氧比调整主要是在其所用煤种发生了变化或航天炉低负荷下运行时间过长的情况下。实际生产中，若细渣生成量过大，可适当降低航天炉水氧比；调整航天炉水氧比时要兼顾考虑氧煤比，若提高航天炉水氧比而未提高氧煤比，会导致航天炉水冷壁产生蒸汽较少及粗合成气中的CH4含量增高。中能化工三期航天炉气化装置开车运行后，根据航天炉的氧负荷，控制水氧比在0.1kg／kg，炉温总体稳定，细渣量适中，粗合成气中有效气（CO＋H2）含量≥90%，气体成分较好。

4 气化装置的稳定运行情况

4.1 主要工艺参数

三期航天炉气化装置稳定运行后，气化炉入炉粉煤量51t／h，氧负荷稳定在31000m3／h，水氧比控制在0.1kg／kg；气化炉上锥段温度300℃、炉膛温度500℃，主盘管介质密度800 kg／m3；粗合成气产量130000m3／h（干气），粗合成气组分为CO26%、CO66%、H224%、CH4600×10－6；汽包产汽量4t／h。

4.2 煤种调整及控制

三期航天炉气化装置设计开车煤种为灵通精煤，气化炉炉膛挂渣完成后，为提高煤种的适应性，对煤种进行了调整——逐渐将灵通精煤的比例降至30%、坤能煤的比例提高至70%；后期又对不同煤种进行过试烧，气化炉各运行参数正常，气化炉工况总体稳定。

4.3 主要能耗指标

三期航天炉气化装置稳定运行后，在31000 m3／h的正常氧负荷工况下，气化炉运行稳定，合成氨产量稳定在1200t／d以上；经测算，吨氨煤耗约1290kg、电耗约200kW·h、汽耗约1100kg。

5 结束语

实践表明，中能化工在一期、二期航天炉（HTL-4／S-28型气化炉）气化装置运行总结的基础上，三期航天炉（HTL-4／S-32／38-II／Y型气化炉）气化装置在原始设计时就作了一些优化，尤其是旋风分离器等的应用，之后通过试车、开车过程中的不断优化改进，三期航天炉气化装置在较短的时间内实现了稳定运行，其各项消耗指标明显优于一期、二期航天炉气化装置，且三期航天炉的操作弹性更大、煤种的适应性更广。相信通过今后不断的运行总结与优化，三期航天炉气化装置将为中能化工增添新的利润点，有力地提升企业的市场竞争力。