煤气化高压氧气波动的影响分析及对策

杨 奎,尹 兴

(贵州黔希化工有限责任公司, 贵州毕节 551500)

氧气是煤气化装置关键反应物之一,它与煤、水蒸气发生作用,生成由CO、H2、CO2、H2S等组成的合成气。粉煤气化过程中,质量分数大于99.6%、设计压力为5.00 MPa、温度为35 ℃、体积流量为17 500 m3/h的氧气进入烧嘴后,此时条件下的氧气(4.17 MPa、203 ℃)非常危险。当氧气系统或气化炉内有异常情况时,需要迅速切断氧气开关阀,防止过多氧气进入炉内;同时,也防止高压的合成气或煤粉返串到氧气通道内,防止燃烧和爆炸情况发生[1]。因此,氧气系统上的阀门具有非常关键的作用,要求在极短的时间内能被切断,隔离系统与气化炉。在正常安全生产过程中,操作人员不能操作氧气系统中的两位切断阀(17XV-X001、17XV-X002、17XV-X004、17XV-X005、17XV-X006、17XV-X018、17XV-X120),一旦开关两位切断阀将触发停车。操作人员只能通过调节高压氧气流量调节阀(17FV-X103)来满足工艺要求,在紧急情况下开关氧气流量调节阀开度来维持系统安稳运行。

1 高压氧气波动的原因

(1) 17FV-X103的定位器可能存在问题,导致阀门开关振荡或滞后,高压氧气流量发生波动。

(2) 高压氧气压力突增突降导致氧气流量突增突降。比如,空分至气化主氧路有泄漏点、高压氧气调节放空阀突开突关,以及仪表失真备泵启动、氧管放空阀内漏、一台气化炉运行另一台突然停车。

(3) 气化炉压力突涨(气、水路不畅有堵塞)或突降(水、气路泄漏,外送阀突然关放空阀开),导致高压氧气流量波动。

(4) 高压氧气在进入气化炉反应前经高温高压锅炉水换热至203 ℃,通过温压补偿调节系统确保入炉高压氧气温度、流量的稳定。高压氧气温压补偿系统的失灵或人为误操作,必将引起高压氧气参数的变化[2-3]。

2 高压氧气波动对气化炉的危害风险

(1) 高压氧气压力速降速升,易造成炉内欠氧或过氧,同时,操作人员急忙调整氧气调节阀的开度,更易造成系统波动触发气化炉停车或爆燃过氧爆炸风险。

(2) 高压氧气压力波动过程,易引起系统压力跟随速变,导致炉壁挂渣脱落,可能发生超温、汽包补水困难、烧坏内件、内件变形脱落、堵渣、带水等情况。

(3) 在高压氧气波动过程中,岗位操作人员不清楚下一步会如何变化,不能有效采取相应的处理措施。高压氧气的波动给气化装置安稳运行增大了不确定性的管控风险。

(4) 上游工序导致高压氧气波动,若调度未及时通知岗位操作人员做好应对措施,岗位知悉晚且因被动调整,易出现误判误调整,给装置带来更大风险,可能造成更大的安全事故。

(5) 在此工况下系统水平衡、热平衡被破坏,系统更易局部超温、带水、触发联锁停车,甚至将大量的水带入变换系统损坏触媒。若切放火炬可能瞬间超过火炬设计处理能力,使火炬系统位移或下火雨,引起安全环保等事故。

3 高压氧气波动的对策

(1) 当氧气系统部分检测仪表失真时,操作人员盲操误调将引起工况大幅度波动,甚至可能往相反的方向调控,必将引起炉况波动或渣口堵渣过氧超温等现象。此时应翻氧气系统的单张DCS画面或换台电脑确认,同时关注气化炉参数变化,包括渣口压差、合成气出口温度、盘管密度、汽包产蒸汽量、有效气组分等,并进一步确认后再调整;否则,按减氧处理[4-5]。

(2) 当煤质突变引起有效气量大增大减时,操作人员大量加煤加氧或减煤减氧,必将引起炉况波动或渣口堵渣过氧超温等现象,应严格遵守气化炉负荷少量多次缓慢加减原则。当气化炉压力控制(17PT-X068)小于4.05 MPa,高压氧气体积流量(17FT-X103AB)小于18 500 m3/h,合成气出口温度(17TT-X011)小于220 ℃(3选2)时,密切关注气化炉有效气组分、渣口压差、盘管密度等参数,应告知调度气化炉负荷不能再提。

(3) 炉况安稳情况下,高压氧气流量调节阀灵敏度精确度不高,小范围开关不动作,开到一定阀位后调节阀突然全开,氧气流量增加许多,可能会过氧超温损坏设备。调整氧气流量调节阀时,每次小键加减0.1%阀位并停留一会儿再开0.1%阀位,不能急于求成,更不能大键加减1%阀位[6]。

(4) 正常工况下,高压氧气压力稳定在5.00～5.02 MPa。若高压氧气压力振荡,氧气流量突增突降,氧气压力缓慢升降时,维持稳定的氧量或氧煤比。随氧气压力升降,对17FV-X103进行0.1%阀位的加减;若氧气压力突增,氧气体积流量每上涨500 m3/h,对17FV-X103减少1%阀位;若氧气流量继续上涨,再减1%阀位直到维持生产稳定负荷时的高压氧气流量;若氧气压力突降,不能忙于及时调整而是查看氧气系统参数是否正常,在无异常情况下可以缓慢加0.1%阀位,直到恢复负荷维持氧煤比的稳定;否则,需排查清楚原因再对高压氧气进行调整[7]。

(5) 在正常生产过程中,17PT-X068为3.95～4.02 MPa(3选2)振荡导致氧气流量突增突降,这时应根据气化炉压力变化对氧气流量进行微调整来维持氧煤比的稳定。不能急着对氧量煤量猛加猛减,这样操作炉况更不稳定,更易超温、过氧或低温,应立即核对排查气化炉系统参数是否异常并及时消除引起氧量猛增猛降的隐患。第一时间未查找到原因时,应防止气化炉超温、过氧,应大键减氧以降低气化炉负荷。经处理气化炉系统还不稳定,则将合成气切至火炬放空;否则,气化炉停车[8]。

(6) 正常安全生产过程中,当单条煤线瞬间断煤时,氧煤比大于1.20,联锁保护立即触动,氧阀门自动减3%阀位;氧煤比大于1.38,将3条煤线角阀瞬间开至100%。当氧气体积流量大于18 800 m3/h时,将氧气流量调节阀自动减2个阀位,否则将触发氧气流量联锁。若煤线不能及时处理,操作人员应手动调整其余两条正常煤线角阀和氧气调节阀,控制氧煤比至正常范围(比断煤前氧煤比低0.10～0.05)。联系部门领导或技术管理人员处理,避免炉子处于长期高温或低温操作。当2～3条煤线几乎同时出现煤量波动或降低时,应考虑粉煤给料罐缺煤,第一时间下煤,接着快速泄压、快速充压后再次下料,否则气化炉应及时降负荷大键减氧,快速跟随氧煤比调整氧气调节阀阀位。当氧气流量降至6 000 m3/h,煤线无法及时恢复正常,气化炉停车处理。

(7) 当某台高压氧气调节阀有问题时,应尽量保持负荷的稳定,避免调整引起波动。若高压氧气调节阀发生波动时,氧气流量及调节阀阀后氧气压力存在明显变化,此时,需重点关注氧气流量、氧煤比,以及炉况(炉温、盘管密度、合成气出口温度、合成气组分及有效气量)变化情况。若在短时间内未得到恢复,需结合气化炉炉况及时人工干预,应根据氧流量从开始下降到上升所需时长、从峰值恢复至之前的流量所需时长、波谷值到波峰值最大波动量等规律,调节高压氧气阀位上下限位。在高压氧气调节阀完全失控的情况下,氧气流量不可控、气化炉超温(盘管密度<500 mg/m3、合成气出口温度>230 ℃、氧煤比>1.20等条件异常)时,立即按下正常停车按钮或紧急停车按钮。

4 引起高压波动的预防措施

(1) 设计期间,严格按最高标准规范设计,尽量少设弯头和分岔头,减少其可能存在的风险,从本质上将风险降至最低。

(2) 建设期间,应根据设计温度、压力、流速标准选防腐蚀、防火、防锈材料和施工工艺,严格把控焊接100%检测合格和强度严密性试验。氧管经吹扫脱脂清洗后,需确保管内清洁度及光滑度,避免管道内有油质、焊渣、毛刺及其它杂物,在使用过程中引发危险。

(3) 安装计量或检测仪表时,应考虑安全性、准确性、灵敏性及防火防爆要求,关键参数设入安全仪表系统(SIS),出现异常时能第一时间识别并做出相应的动作,确保装置安全。

(4) 定期维护检查氧管系统,禁止非调节阀作调节使用,严格执行氧气系统投用前阀门确认单,避免手动调节造成对阀的冲击,以及急速的操作引起事故。

(5) 操作人员要熟悉氧气系统的设备知识和危险性,并熟练掌握异常情况下的处置措施。

(6) 在高压氧气系统投用前,对相应的阀、仪表进行多次调试或测试,确保投用时开关动作灵敏,检测数据精准,联锁动作准时。

5 结语

煤气化高压氧气为氧化剂,高压氧气系统的安全稳定对气化装置安稳长满优起决定性的作用,也是正常安全生产中关键控制指标和操作频次相对多的点。针对装置出现的问题,提出有效的管控措施,确保气化装置运行安全;当出现异常波动时,能及时判断并采取措施,保持气化装置安全稳定运行状态。