气化炉液位计波动管控措施

陈倩倩，何晓方，孙东柏，姜良建，傅 超

(万华化学(宁波)有限公司， 浙江宁波 315812)

1 气化炉工艺反应原理

煤浆槽内的煤浆(含固质量分数为58%～65%)经过2台高压煤浆泵与O2一起通过工艺烧嘴进入气化炉(操作压力为5.8～6.5 MPa，操作温度为1 100～1 300 ℃)进行部分氧化反应，制备以CO(体积分数为43%～51%)、H2(体积分数为30%～40%)为主要成分的粗合成气。水煤浆、O2进入气化室后，相继进行雾化、传热、蒸发、脱挥发分、燃烧、气化6个物理和化学过程[1]，洗涤水进入分布环，经一排孔与环缝喷出。环缝洗涤水沿管壁流下，保护洗涤冷却管不致超温；一排孔轴线与洗涤冷却管中心线呈30°，洗涤水与来自气化室下渣口的粗合成气进行混合，以强化热质传递。总之，在洗涤冷却管中洗涤水与粗合成气混合，对粗合成气及其所含灰渣进行降温,使合成气增湿、灰渣被水浸润。

合成气经洗涤冷却管下端扩口进入鼓泡床，床中设有气泡横向分割单元，进一步实现合成气的洗涤、降温、增湿的目的，绝大部分灰渣转移到水相后沉降[2]。小粒径的灰渣穿过静态破渣器栅格空间进入破渣器下部，绝大部分的灰渣沉降或被锁斗循环水带至锁斗工序。

2 气化炉概况

某气化炉日处理1 216 t煤(干基)，由气化室与洗涤冷却室两部分组成；气化室操作压力为6.5 MPa，气化温度为1 300 ℃，洗涤冷却室的压力与气化室相同，操作温度为247 ℃。

来自空分工序的O2纯度为99.6%，温度为25 ℃，压力为8.11 MPa，体积流量为32 796 m3/h，均分成4股，通过4个烧嘴进入气化室。煤浆含固质量分数为62%，温度为50 ℃，压力为7.88 MPa，质量流量为81.7 t/h，均分成4股，由2台煤浆给料泵通过4个烧嘴进入气化室。通过洗涤冷却水分布环加入洗涤冷却室的水质量流量为263.1 t/h，温度为246.51 ℃，压力为7.00 MPa。出洗涤冷却室进蒸发热水塔的黑水及固体物质量流量为146.3 t/h，含固质量分数为0.32%，温度为247.21 ℃，压力为6.48 MPa。出洗涤冷却室进锁斗的渣水质量流量为42.6 t/h，含固质量分数为10.0%，温度为148.00 ℃，压力为6.48 MPa。

3 气化炉液位计介绍

该气化炉液位计(见图1)为双法兰压差式液位计[3]，通过测量正负相压差经变送器传至集散控制系统(DCS)和紧急停车(ESD)系统，操作人员根据实时测量值判断激冷室内工艺气冷却情况，ESD系统则在液位低低情况下发出指令自动触发紧急停车联锁,实现气化炉的停车。法兰压差式液位计的测量原理主要为U形管原理，即上法兰和气相空间相通，下法兰和液相空间相通，并采用单晶硅差压敏感元件或全密封电容使压力测量有很高的测量精度，同时保证了优良的稳定性和可靠性。压力经毛细管内的灌充硅油(或其他液体)传递至变送器的主体，然后由变送器将压力或压差转换为4～20 mA的直流信号输出。

ρ1—激冷水密度;ρ0—变送器膜盒中的填充液密度。

4 气化炉液位波动原因

4.1 取压管堵塞

粗合成气和熔融状态的渣进入激冷室的水浴中，激冷室中含有大量的灰渣介质[4]。灰渣长期在下法兰取压管及测量膜表面沉积，致使液位计指示出现偏差。

4.2 冲洗水手阀泄漏

为避免液位计取压管堵塞，原始设计时设置了1股高压热密封水(SW)作为冲洗水。该SW的压力为6.8 MPa，温度为130 ℃，但在实际运行过程中由于存在振动腐蚀及热胀冷缩，容易造成变送器信号线接头松动，冲洗水手阀、根部阀内漏，导致液位计指示偏差。

4.3 测量膜冲蚀

在液位计出现故障时，使用SW对液位计膜盒进行冲洗，冲洗水压力较高，膜盒表面受到较大的冲刷力，长时间运行后，导致膜盒的测量膜损坏，造成液位计指示偏差。

4.4 膜盒腐蚀

原始设计时气化炉液位计采用316L膜盒。气化炉产生的高温、高压气体经过激冷室的冷却、洗涤后送至洗涤塔，合成气中的H2具有很强的渗透性，H分子进入膜盒膜片内部会引起不同程度的氢脆；水中含有一定量的Cl-，水质差时Cl-质量浓度高于800 mg/L，对膜盒产生腐蚀；再加上高压冲洗水对膜盒的冲洗产生一个横向剪切力，这个力会在与H2的共同作用下对膜盒膜片产生腐蚀。在短时间内这种现象不是很明显，日积月累下液位计膜盒会出现明显腐蚀。将气化炉液位计膜盒改为316L+镀金膜盒以避免氢脆现象。

4.5 真空状态

气化炉烘炉阶段，气化炉内的水直接排入锁斗，然后由锁斗排入沉渣池，此时气化炉内没有液态水，炉内为真空状态。真空状态会导致液位计膜盒膜片缓慢变形，最终造成液位计指示偏差。

4.6 气化炉工艺原因

气化炉压力波动大，操作温度控制过高，致使气化炉内气泡过多，进而造成液位计波动[2]。气化炉超负荷运行，合成气流速增加，会造成合成气带水，进而造成液位计指示降低或波动。

5 气化炉液位波动对工艺的影响

(1) 报警率上升，联锁率下降。

在工艺条件相对稳定时，气化炉液位计波动时工艺人员会联系仪表人员对液位计膜盒进行手动冲洗，冲洗条件为将ESD系统中的“气化炉液位低低引发气化炉停车”联锁摘除，这会导致联锁率下降。液位计频繁在低报值(15%左右)波动时，造成报警率升高，频繁报警，中控对报警疲乏，忽视其他异常报警，存在安全隐患。

(2) 液位计指示不准，影响操作人员判断，错过最佳处理时间。

液位计不准，存在空罐风险。空罐时高压窜低压风险高，造成闪蒸罐超压，设备管道损坏。实际液位较低时，下降管水浴效果差，长期运行会导致下降管变形，缩短使用寿命。实际液位低会使熔渣沉降过程缩短，含有大量灰渣颗粒的黑水进入闪蒸系统，使整个灰水系统的灰分增加，增加了设备及管道堵塞的可能性，影响系统长周期稳定运行。

液位计指示不准，实际液位较高时会造成合成气带水，增加后工段系统负荷，如果处理不当，易造成液态水进入变换炉造成催化剂粉化事故。

(3) 液位计冲洗过程存在一定风险。

气化炉运行过程中液位计指示低会导致气化炉联锁停车，冲洗前会将联锁摘除。目前气化炉运行为2开1备，液位计冲洗为仪表人员手动冲洗，如果沟通不到位会造成冲洗系统及位号错误，导致正常运行系统(未摘除联锁)因液位计指示低低(三选二)造成停车。

液位计冲洗用水为系统SW，冲洗人员操作不当会造成锅炉水泵(P0203)出口压力下降，导致泵自启动事故，影响系统SW使用。如果冲洗时间过长会造成SW使用量增大，增加运行成本。

在冲洗液位计时存在3个液位同时波动的风险，气化炉液位计指示低低(三选二)不仅会联锁气化炉停车，还会导致锁渣系统停车，一旦冲洗液位计时液位达到联锁值，会导致锁渣程序运行异常。

6 具体开展工作

根据气化炉液位波动原因分析及日常检修经验得出气化炉液位计常见故障现象原因及处理方法(见表1),并开展一系列具体工作。

表1 气化炉液位计故障现象统计表

6.1 制定气化炉液位计预防性冲洗计划

气化炉液位计在初期运行时相对稳定，后期运行开始出现波动，异常情况时才会进行冲洗。制定液位计预防性冲洗计划，如1周冲洗1次，提高运行稳定性,减缓堵塞。鉴于气化炉液位计定期冲洗后期液位仍存在堵塞情况，遂常开液位计冲洗水，每个液位计上下法兰冲洗水手阀打开，使现场转子体积流量计保持0.4 m3/h。

6.2 完善气化炉液位计冲洗标准作业程序

气化炉液位计冲洗频繁，但在实际工作中，对这一操作并无明确规定，不同人员的操作方法存在差异。工艺人员与设备人员共同编制相关气化炉液位计冲洗标准作业程序，固化操作，避免因人为因素导致异常的产生。

6.3 改善冲洗水

SW冲洗水阀频繁出现内漏，出现阀门内漏或泄漏点后，无法切出处理。气化炉2开1备，1套冲洗水内漏时无法切出。

在总管分支处增加总阀，单套气化炉液位计冲洗水内漏时进行切出更换。将SW总阀由截止阀更换为球阀，提高密封性，减少内漏。

6.4 控制系统结垢

工艺人员根据生产需要，会对气化炉负荷进行调整，但对于负荷调整后激冷水量的调整与药剂的使用量没有相应标准，系统水质波动大。

制定气化炉负荷相关对应表(见表2)，减小负荷波动对系统的影响。增加沉渣池泵出口流量计，控制出口流量，保证系统水质。制定澄清槽排污制度，减少系统内污泥存留，改善系统水质。提升汽提压力温度，降低系统氨氮含量。

表2 气化炉负荷对应表

经过以上措施,2019年灰水水质得到很大改善,悬浮物含量、氨氮含量明显降低(见图2)。

图2 2018年与2019年灰水改善对比柱状图

6.5 优化气化炉操作

气化炉压力波动大，操作温度控制过高，致使气化炉内气泡过多，进而造成液位计波动。针对这一难点制定气化炉负荷与压力对应表(见表3)，避免气化炉低压力运行。

表3 气化炉压力与负荷对应表

6.6 校正气化炉液位计指示

该气化炉液位计形式为双法兰差压式液位计，通过压差Δp计算液柱高度h，计算公式为：

Δp=ρhg

(1)

式中：g为重力加速度；ρ为该温度、压力下的被测量液体的密度。

原始设计计算时，密度以纯水(250 ℃、6.0 MPa、800 kg/m3)的密度计；但在实际运行过程中气化炉内被测液体中含有大量气泡，密度远低于800 kg/m3，导致计算出的液柱高度低于实际值。该公司联系华东理工大学对气化炉内被测液体的密度重新进行计算，得到混合流体密度为561.42 kg/m3,将气化炉液位密度(即工艺气冷凝后水的密度)修改为560 kg/m3(仪表组态参数修订),相关数据见表4。

表4 离开气化炉洗涤冷却室进入混合器的气体参数

洗涤冷却室内液位计安装高度见图3。液位计取压点之间(液相、气相) 的距离为3 800 mm，液位计取压口距离气化炉直段焊缝高度为850 mm。洗涤冷却室内径为3 188 mm，洗涤冷却管外径为948 mm。N10液位计零点位置距离气化炉直段焊缝高度1 750 mm，其信号为压差信号Δp，单位为 Pa。

图3 气化炉液位计安装图示

6.7 气化炉增加液位低保护逻辑

气化炉液位计LT-0703LT-0704LT-0706指示低低时存在气化炉工艺气通过排水管道窜蒸发热水塔，存在超压的风险，而这一异常可能造成人员伤亡，风险很大。遂在气化炉排水阀门执行机构处增加电磁阀，并在DCS中新增控制逻辑。当气化炉液位计LT-0703LT-0704LT-0706指示低低时联锁气化炉排水阀门电磁阀失电关闭，当蒸发热水塔压力(PI-0802)达到1.15 MPa时联锁气化炉至蒸发热水塔阀门(PV-0801-1/-2/-3/-4),电磁阀失电关闭。

7 结语

针对气化炉液位计波动的问题，在运行初期对气化炉液位计进行预防性冲洗可以明显缓解取压管堵塞现象。同时,气化炉液位计冲洗水处于常开状态后，气化炉液位计堵塞现象进一步得到改善。但是气化炉液位计波动与仪表自身情况和工艺条件息息相关，在异常处理过程中，工艺人员必须密切关注工艺气出口温度以及气化炉排水流量与压力，明确液位计失效后工艺控制措施，确保液位计失灵时气化炉仍处于可控状态。