水煤浆气化装置运行问题及改进措施

魏 静, 曹昆朋

(新疆心连心能源化工有限公司, 新疆昌吉 832200)

新疆心连心能源化工有限公司(简称心连心)气化装置采用华理多喷嘴水煤浆加压气化工艺,气化装置包含煤浆制备、气化及渣水处理3个部分。气化炉压力为6.50 MPa,气化炉直径为3 400 mm,日投煤量为1 659.0 t(干基),共2套气化炉系统(1开1备)。该装置于2015年8月投产,运行过程中存在磨煤水系统结垢堵塞、部分低压闪蒸汽进行循环冷却而余热未被利用、灰水外排水总磷浓度波动等问题。现对开车以来针对这些问题进行重要优化改进项目进行总结。

1 稳定运行类改造

1.1 磨煤水分离储存

气化装置设置1台磨煤水槽,该槽用于接受本系统产生的气化灰水及外系统送来的各类废水,槽内的工艺水通过泵送入磨煤机用于制水煤浆。气化装置外送来的废水有三聚氰胺废水、低温甲醇洗废水、变换汽提塔凝液、尿素废液等。这类废水氨含量高、pH值高,而气化灰水又是高悬浮物、高硬度的水,各种废水在槽内混合,容易形成结垢,使得磨煤水槽、磨煤水管线经常被堵塞。磨煤工艺水管道结垢严重,磨煤工艺水体积流量从冲洗后的65 m3/h逐渐减小至20 m3/h左右。由于泵进出口管线结垢影响泵打量,必须经常倒泵,清理进口滤网和冲洗进口管线(少则每周3次,多则每天3次)。入磨煤机制浆用水量无法得到保证,导致煤浆槽液位大幅度波动,影响系统稳定生产。公司增设废水槽,使三聚氰胺废水、变换汽提塔凝液进入废水槽,气化灰水、煤浆排放池废水、低温甲醇洗废水等其余废水进入原有的磨煤水槽。通过分开储存不同性质的水,防止结垢。自磨煤水分离储存后,磨煤水系统每月只需两次例行性倒泵检修,运行1 a内磨煤水管线基本无结垢。

1.2 改造煤浆槽搅拌器桨叶

煤浆槽搅拌器不能将煤浆槽底部的煤浆完全搅拌均匀,导致煤浆槽底部部分煤浆沉积。当前一道工序生产波动(如棒磨机故障、低压煤浆泵检修、入炉煤种更换等)造成煤浆槽液位降低时,由于惯性力,搅拌器对煤浆槽底部的搅拌力度相对变大,会导致之前沉积的煤浆发生松动。该部分煤浆由于沉积时间较长造成流动性较差,一旦进入高压煤浆泵进口管线,轻则高压煤浆泵进口压力降低,导致烧嘴煤浆流量波动;严重时,引直泵垫缸,造成一对烧嘴甚至整台气化炉跳车事故。通过延长延伸轴长度,将延伸轴更换为三轮毂结构的长轴,延伸轴上部两个轮毂使用原有桨叶叶片,下部的1个轮毂安装新叶片,确保新的煤浆槽搅拌器能完全均匀搅拌煤浆槽底部煤浆,防止其沉积。

1.3 在煤浆槽底部增加滤网

气化系统在运行过程中频繁出现高压煤浆泵垫缸,煤浆流量降低,严重时造成一对烧嘴跳车。检修人员拆检后发现,高压煤浆泵垫缸、单缸打量不足,其主要原因为煤浆中出现体积较大的颗粒或者铁屑等异物,异物在经过单向阀时会卡在球体和下部密封垫之间,导致单向阀不能正常活动,造成煤浆泵不打量。为了防止大颗粒垢片或铁屑等进入高压煤浆泵内,在煤浆槽底部至高压煤浆泵进口管口前的位置加φ325×250 mm的敞口滤网,筛孔间距为10 mm。改造后投用至今再未出现进口管线堵塞、高压煤浆泵垫缸等现象,并且倒炉期间未再出现放料阀堵塞现象。从运行效果来看,在煤浆槽底部增加滤网的措施解决了大颗粒、铁屑等异物进入煤浆泵进口的问题,降低了高压煤浆泵的故障率。

1.4 优化锁渣阀结构

锁渣阀为球阀,在气化系统运行过程中常出现内漏严重、卡阻等情况,气化锁斗系统无法正常排渣,会造成系统减负荷甚至停车,是系统稳定运行的制约因素。球阀结构的锁渣阀,其泄压速率为0.50～0.60 MPa/min,改变锁渣阀结构,将原有球阀更换为新型盘阀。盘阀锁渣阀投运后,整体运行效果良好,锁斗泄压速率保持在0.02 MPa/min,密封良好,并能保持性能稳定,运行顺畅无卡涩。自2021年投运至今,盘阀运行稳定,未出现故障检修的情况。

1.5 延长渣池溢流管至斜坡段

渣池溢流管线的前仓开孔位置距离锁斗排渣卸渣口较近,排渣时翻起的渣存积在溢流口处。打开渣池溢流阀时,部分渣直接顺渣池溢流管流入渣池后仓,或堵塞渣池泵进口,或通过渣池泵进入激冷水管线并在黑水循环泵出口管线内沉积。开启黑水循环泵后,部分渣被带入黑水过滤器,影响气化炉激冷环供水[1]。将前仓两侧溢流口位置平移至渣池前仓斜坡处,远离排渣口,避免溢流口处积渣,溢流管线倾斜5°～10°,避免管道内积渣。在溢流管入口处制作挡笼,防止大块漂浮物进入溢流管。该项目投运后,未出现因积渣造成管道堵塞和机泵运行不打量的现象。

1.6 增加备用灰水外排水管道

气化装置产生的灰水和黑水为高硬度、高 pH、高悬浮物的严重结垢型水质[2]。由于灰水中的悬浮物、钙、镁离子极易在灰水管线内壁上集聚,造成管道堵塞,气化废水无法外排。原始设计仅有1条外排水管线,当管线结垢堵塞时,必须拆开外排水管道短节,用高压冲洗装置冲洗管线。每次冲洗时长为7 d。冲洗期间,外排水直接排至地下废水管网且水量低,给气化系统运行带来一定风险,还会堵塞生产系统的废水管网。通过新增1路备用外排水管线至污水处理,确保气化外排水管道检修冲洗过程中废水能够正常外排,保证气化系统水质稳定。

2 安全环保类改造

2.1 高压煤浆泵增加中压氮气充压管线

气化装置停车后,高压煤浆管线是通过高压煤浆泵出口缓冲罐进行泄压的,高压煤浆泵检修完成后需要对缓冲罐重新充压至5.70 MPa。前期一直是通过外购13.00 MPa氮气瓶进行充压,但外购氮气在倒运、检验、储存钢瓶等环节存在风险。在高压氮气储罐导淋上开口,引1个φ10 mm的管线分别在A/B系统高压煤浆泵中间,利用8.30 MPa中压氮气对高压煤浆泵出口缓冲罐充压。中压氮气充压管线投用后不用外购氮气,充压时只需打开阀门即可操作。

2.2 增加预热烧嘴喷头

气化炉内耐火材料的膨胀及收缩系数不同,为了使水分有充分时间从耐火材料中散出,并使耐火材料中的温度分布梯度保持稳定,原始烘炉必须按照供货商提供的升温曲线进行[3]。气化炉烘炉过程中,低温区域经常出现熄火现象,特别在200～400 ℃区域,频繁出现熄火现象。熄火后需要重新通风置换、点火,安全隐患极大。同时,此过程会造成炉温下降过快,影响整体烘炉时长,并增加燃料气消耗。经分析,发现预热烧嘴熄火的主要原因如下：在负压条件下,预热烧嘴的流场变化较大,造成气流不稳定而熄火;在前期低温阶段预热烧嘴的蓄热功能较差,易造成熄火;前期燃料气阀门开度较小,导致燃料气供气不稳而熄火。为解决烘炉过程易熄火的问题,在预热烧嘴头部增加10 cm左右的筒状耐热钢丝网,燃料气从烧嘴喷出后撞击到钢丝网上会发生不规则改变,使出烧嘴燃料气和空气混合更充分,并有蓄热作用,让燃烧更稳定。增加预热烧嘴喷头后,基本解决了低温区域熄火问题。

2.3 增加燃料气切断阀

在烘炉过程中,只能通过视频以及火检信号来监控气化烘炉情况。当烘炉因故障熄火后,需要人员及时关闭燃料气流量调节阀。这时存在人员未及时发现烘炉过程中已熄火而无法及时关闭调节阀的隐患,造成燃料气持续通入气化炉内部,导致燃料气在气化炉内及气化十楼积聚,可能发生火灾爆炸事故。为降低烘炉过程中熄火的风险,增加切断阀并增加联锁,当气化烘炉火焰检测信号无,二选二触发联锁关闭燃料气流量切断阀。

2.4 灰水循环再利用

气化捞渣机使用新鲜水作为链条冲洗水,体积流量保持在5～6 m3/h。在使用过程中不仅会造成水资源的浪费,而且由于流量较小易造成捞渣机上部灰渣积聚频繁,影响捞渣机正常运行。在渣池补灰水管线上进行开口,并引一路管线至捞渣机上部代替捞渣机冲洗水。改造后,气化捞渣机使用新鲜水体积流量减少至3 m3/h左右,同时实现了部分灰水循环利用,减少了外排水量。

2.5 稳定分散剂加药浓度

2020年,气化装置灰水外排水总磷质量浓度呈现规律性波动,由6.0 mg/L左右缓慢降至0.5 mg/L左右,然后突升至6.0 mg/L左右。后经调查发现,总磷含量波动周期与分散剂倒槽时间一致。造成该现象的主要原因是分散剂密度(1.2 g/cm3)比水的大,分散剂原液在分散剂槽中用脱盐水稀释后送入系统,一槽配制好的分散剂一般使用2 d,过程中分散剂沉淀,导致下部分散剂含量增加,上部分散剂含量降低[4]。通过在分散剂槽内放置专门的工厂空气搅拌器,保证分散剂均匀加入系统,此后外排水总磷质量浓度不再出现波动。

3 节能降耗类改造

3.1 低压闪蒸余热利用

气化装置渣水岗位的低压闪蒸汽分为3路,其中一路送至除氧器,加热进入除氧器的工艺水;第二路送至真空泵机组作为喷射泵工作介质;第三路进入低压闪蒸冷凝器冷凝,顶部干气排放到室外,底部的冷凝液进入灰水槽。去低压闪蒸冷凝器这部分蒸汽设计体积流量为15.4 t/h,设计温度为127.63 ℃,设计压力为0.15 MPa。蒸汽换热后凝液送至灰水槽,会浪费余热。通过与全厂蒸汽用户匹配,发现净化装置的汽提塔温度指标为110.00～130.00 ℃,正常运行期间控制在120.00 ℃左右,每小时用0.50 MPa蒸汽量约为5.9 t。可利用低压闪蒸汽作为变换汽提塔汽提蒸汽。根据现场管道布置情况,在低压闪蒸气去除氧器调节阀前阀处引一路管道,送至变换汽提塔。低压闪蒸气去变换汽提塔优化改造投用后,每年可节约0.50 MPa蒸汽4.7万t,实现了节能降耗的目的。

3.2 改变煤浆添加剂成分

煤浆添加剂为木质素磺酸盐+萘系混合型添加剂,萘系质量分数为30%左右,使用过程中虽然能够保证煤浆质量,但是在提浓降黏方面无优势。新疆地区原料煤内水含量普遍偏高,使用高内水煤时就会出现煤浆黏度高、浓度低的情况,增加生产成本以及提升设备运行负荷的同时也会影响气化效率。通过试用新型纯萘系添加剂,在煤种比例不变的基础上,提升煤浆浓度,每年可节标煤约为7 011.0 t。

4 结语

通过为预热烧嘴系统增加联锁,使得系统运行日趋安全;通过优化水系统并改造锁渣阀,使得系统运行日趋稳定;通过回收低压闪蒸汽并循环利用灰水,实现节能降耗的目标;通过在分散剂槽内增加搅拌器稳定分散剂加药浓度,为公司实现环保A级企业资质提供了有力支持。公司对气化装置进行了一系列优化改造,使气化装置日趋安全、稳定、节能、环保。