陳倩倩，何曉方，孫東柏，姜良建，傅 超

(萬華化學(寧波)有限公司， 浙江寧波 315812)

1 氣化爐工藝反應原理

煤漿槽內的煤漿(含固質量分數(shù)為58%～65%)經(jīng)過2臺高壓煤漿泵與O2一起通過工藝燒嘴進入氣化爐(操作壓力為5.8～6.5 MPa，操作溫度為1 100～1 300 ℃)進行部分氧化反應，制備以CO(體積分數(shù)為43%～51%)、H2(體積分數(shù)為30%～40%)為主要成分的粗合成氣。水煤漿、O2進入氣化室后，相繼進行霧化、傳熱、蒸發(fā)、脫揮發(fā)分、燃燒、氣化6個物理和化學過程[1]，洗滌水進入分布環(huán)，經(jīng)一排孔與環(huán)縫噴出。環(huán)縫洗滌水沿管壁流下，保護洗滌冷卻管不致超溫；一排孔軸線與洗滌冷卻管中心線呈30°，洗滌水與來自氣化室下渣口的粗合成氣進行混合，以強化熱質傳遞?？傊?，在洗滌冷卻管中洗滌水與粗合成氣混合，對粗合成氣及其所含灰渣進行降溫,使合成氣增濕、灰渣被水浸潤。

合成氣經(jīng)洗滌冷卻管下端擴口進入鼓泡床，床中設有氣泡橫向分割單元，進一步實現(xiàn)合成氣的洗滌、降溫、增濕的目的，絕大部分灰渣轉移到水相后沉降[2]。小粒徑的灰渣穿過靜態(tài)破渣器柵格空間進入破渣器下部，絕大部分的灰渣沉降或被鎖斗循環(huán)水帶至鎖斗工序。

2 氣化爐概況

某氣化爐日處理1 216 t煤(干基)，由氣化室與洗滌冷卻室兩部分組成；氣化室操作壓力為6.5 MPa，氣化溫度為1 300 ℃，洗滌冷卻室的壓力與氣化室相同，操作溫度為247 ℃。

來自空分工序的O2純度為99.6%，溫度為25 ℃，壓力為8.11 MPa，體積流量為32 796 m3/h，均分成4股，通過4個燒嘴進入氣化室。煤漿含固質量分數(shù)為62%，溫度為50 ℃，壓力為7.88 MPa，質量流量為81.7 t/h，均分成4股，由2臺煤漿給料泵通過4個燒嘴進入氣化室。通過洗滌冷卻水分布環(huán)加入洗滌冷卻室的水質量流量為263.1 t/h，溫度為246.51 ℃，壓力為7.00 MPa。出洗滌冷卻室進蒸發(fā)熱水塔的黑水及固體物質量流量為146.3 t/h，含固質量分數(shù)為0.32%，溫度為247.21 ℃，壓力為6.48 MPa。出洗滌冷卻室進鎖斗的渣水質量流量為42.6 t/h，含固質量分數(shù)為10.0%，溫度為148.00 ℃，壓力為6.48 MPa。

3 氣化爐液位計介紹

該氣化爐液位計(見圖1)為雙法蘭壓差式液位計[3]，通過測量正負相壓差經(jīng)變送器傳至集散控制系統(tǒng)(DCS)和緊急停車(ESD)系統(tǒng)，操作人員根據(jù)實時測量值判斷激冷室內工藝氣冷卻情況，ESD系統(tǒng)則在液位低低情況下發(fā)出指令自動觸發(fā)緊急停車聯(lián)鎖,實現(xiàn)氣化爐的停車。法蘭壓差式液位計的測量原理主要為U形管原理，即上法蘭和氣相空間相通，下法蘭和液相空間相通，并采用單晶硅差壓敏感元件或全密封電容使壓力測量有很高的測量精度，同時保證了優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。壓力經(jīng)毛細管內的灌充硅油(或其他液體)傳遞至變送器的主體，然后由變送器將壓力或壓差轉換為4～20 mA的直流信號輸出。

ρ1—激冷水密度;ρ0—變送器膜盒中的填充液密度。

4 氣化爐液位波動原因

4.1 取壓管堵塞

粗合成氣和熔融狀態(tài)的渣進入激冷室的水浴中，激冷室中含有大量的灰渣介質[4]。灰渣長期在下法蘭取壓管及測量膜表面沉積，致使液位計指示出現(xiàn)偏差。

4.2 沖洗水手閥泄漏

為避免液位計取壓管堵塞，原始設計時設置了1股高壓熱密封水(SW)作為沖洗水。該SW的壓力為6.8 MPa，溫度為130 ℃，但在實際運行過程中由于存在振動腐蝕及熱脹冷縮，容易造成變送器信號線接頭松動，沖洗水手閥、根部閥內漏，導致液位計指示偏差。

4.3 測量膜沖蝕

在液位計出現(xiàn)故障時，使用SW對液位計膜盒進行沖洗，沖洗水壓力較高，膜盒表面受到較大的沖刷力，長時間運行后，導致膜盒的測量膜損壞，造成液位計指示偏差。

4.4 膜盒腐蝕

原始設計時氣化爐液位計采用316L膜盒。氣化爐產(chǎn)生的高溫、高壓氣體經(jīng)過激冷室的冷卻、洗滌后送至洗滌塔，合成氣中的H2具有很強的滲透性，H分子進入膜盒膜片內部會引起不同程度的氫脆；水中含有一定量的Cl-，水質差時Cl-質量濃度高于800 mg/L，對膜盒產(chǎn)生腐蝕；再加上高壓沖洗水對膜盒的沖洗產(chǎn)生一個橫向剪切力，這個力會在與H2的共同作用下對膜盒膜片產(chǎn)生腐蝕。在短時間內這種現(xiàn)象不是很明顯，日積月累下液位計膜盒會出現(xiàn)明顯腐蝕。將氣化爐液位計膜盒改為316L+鍍金膜盒以避免氫脆現(xiàn)象。

4.5 真空狀態(tài)

氣化爐烘爐階段，氣化爐內的水直接排入鎖斗，然后由鎖斗排入沉渣池，此時氣化爐內沒有液態(tài)水，爐內為真空狀態(tài)。真空狀態(tài)會導致液位計膜盒膜片緩慢變形，最終造成液位計指示偏差。

4.6 氣化爐工藝原因

氣化爐壓力波動大，操作溫度控制過高，致使氣化爐內氣泡過多，進而造成液位計波動[2]。氣化爐超負荷運行，合成氣流速增加，會造成合成氣帶水，進而造成液位計指示降低或波動。

5 氣化爐液位波動對工藝的影響

(1) 報警率上升，聯(lián)鎖率下降。

在工藝條件相對穩(wěn)定時，氣化爐液位計波動時工藝人員會聯(lián)系儀表人員對液位計膜盒進行手動沖洗，沖洗條件為將ESD系統(tǒng)中的“氣化爐液位低低引發(fā)氣化爐停車”聯(lián)鎖摘除，這會導致聯(lián)鎖率下降。液位計頻繁在低報值(15%左右)波動時，造成報警率升高，頻繁報警，中控對報警疲乏，忽視其他異常報警，存在安全隱患。

(2) 液位計指示不準，影響操作人員判斷，錯過最佳處理時間。

液位計不準，存在空罐風險?？展迺r高壓竄低壓風險高，造成閃蒸罐超壓，設備管道損壞。實際液位較低時，下降管水浴效果差，長期運行會導致下降管變形，縮短使用壽命。實際液位低會使熔渣沉降過程縮短，含有大量灰渣顆粒的黑水進入閃蒸系統(tǒng)，使整個灰水系統(tǒng)的灰分增加，增加了設備及管道堵塞的可能性，影響系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行。

液位計指示不準，實際液位較高時會造成合成氣帶水，增加后工段系統(tǒng)負荷，如果處理不當，易造成液態(tài)水進入變換爐造成催化劑粉化事故。

(3) 液位計沖洗過程存在一定風險。

氣化爐運行過程中液位計指示低會導致氣化爐聯(lián)鎖停車，沖洗前會將聯(lián)鎖摘除。目前氣化爐運行為2開1備，液位計沖洗為儀表人員手動沖洗，如果溝通不到位會造成沖洗系統(tǒng)及位號錯誤，導致正常運行系統(tǒng)(未摘除聯(lián)鎖)因液位計指示低低(三選二)造成停車。

液位計沖洗用水為系統(tǒng)SW，沖洗人員操作不當會造成鍋爐水泵(P0203)出口壓力下降，導致泵自啟動事故，影響系統(tǒng)SW使用。如果沖洗時間過長會造成SW使用量增大，增加運行成本。

在沖洗液位計時存在3個液位同時波動的風險，氣化爐液位計指示低低(三選二)不僅會聯(lián)鎖氣化爐停車，還會導致鎖渣系統(tǒng)停車，一旦沖洗液位計時液位達到聯(lián)鎖值，會導致鎖渣程序運行異常。

6 具體開展工作

根據(jù)氣化爐液位波動原因分析及日常檢修經(jīng)驗得出氣化爐液位計常見故障現(xiàn)象原因及處理方法(見表1),并開展一系列具體工作。

表1 氣化爐液位計故障現(xiàn)象統(tǒng)計表

6.1 制定氣化爐液位計預防性沖洗計劃

氣化爐液位計在初期運行時相對穩(wěn)定，后期運行開始出現(xiàn)波動，異常情況時才會進行沖洗。制定液位計預防性沖洗計劃，如1周沖洗1次，提高運行穩(wěn)定性,減緩堵塞。鑒于氣化爐液位計定期沖洗后期液位仍存在堵塞情況，遂常開液位計沖洗水，每個液位計上下法蘭沖洗水手閥打開，使現(xiàn)場轉子體積流量計保持0.4 m3/h。

6.2 完善氣化爐液位計沖洗標準作業(yè)程序

氣化爐液位計沖洗頻繁，但在實際工作中，對這一操作并無明確規(guī)定，不同人員的操作方法存在差異。工藝人員與設備人員共同編制相關氣化爐液位計沖洗標準作業(yè)程序，固化操作，避免因人為因素導致異常的產(chǎn)生。

6.3 改善沖洗水

SW沖洗水閥頻繁出現(xiàn)內漏，出現(xiàn)閥門內漏或泄漏點后，無法切出處理。氣化爐2開1備，1套沖洗水內漏時無法切出。

在總管分支處增加總閥，單套氣化爐液位計沖洗水內漏時進行切出更換。將SW總閥由截止閥更換為球閥，提高密封性，減少內漏。

6.4 控制系統(tǒng)結垢

工藝人員根據(jù)生產(chǎn)需要，會對氣化爐負荷進行調整，但對于負荷調整后激冷水量的調整與藥劑的使用量沒有相應標準，系統(tǒng)水質波動大。

制定氣化爐負荷相關對應表(見表2)，減小負荷波動對系統(tǒng)的影響。增加沉渣池泵出口流量計，控制出口流量，保證系統(tǒng)水質。制定澄清槽排污制度，減少系統(tǒng)內污泥存留，改善系統(tǒng)水質。提升汽提壓力溫度，降低系統(tǒng)氨氮含量。

表2 氣化爐負荷對應表

經(jīng)過以上措施,2019年灰水水質得到很大改善,懸浮物含量、氨氮含量明顯降低(見圖2)。

圖2 2018年與2019年灰水改善對比柱狀圖

6.5 優(yōu)化氣化爐操作

氣化爐壓力波動大，操作溫度控制過高，致使氣化爐內氣泡過多，進而造成液位計波動。針對這一難點制定氣化爐負荷與壓力對應表(見表3)，避免氣化爐低壓力運行。

表3 氣化爐壓力與負荷對應表

6.6 校正氣化爐液位計指示

該氣化爐液位計形式為雙法蘭差壓式液位計，通過壓差Δp計算液柱高度h，計算公式為：

Δp=ρhg

(1)

式中：g為重力加速度；ρ為該溫度、壓力下的被測量液體的密度。

原始設計計算時，密度以純水(250 ℃、6.0 MPa、800 kg/m3)的密度計；但在實際運行過程中氣化爐內被測液體中含有大量氣泡，密度遠低于800 kg/m3，導致計算出的液柱高度低于實際值。該公司聯(lián)系華東理工大學對氣化爐內被測液體的密度重新進行計算，得到混合流體密度為561.42 kg/m3,將氣化爐液位密度(即工藝氣冷凝后水的密度)修改為560 kg/m3(儀表組態(tài)參數(shù)修訂),相關數(shù)據(jù)見表4。

表4 離開氣化爐洗滌冷卻室進入混合器的氣體參數(shù)

洗滌冷卻室內液位計安裝高度見圖3。液位計取壓點之間(液相、氣相) 的距離為3 800 mm，液位計取壓口距離氣化爐直段焊縫高度為850 mm。洗滌冷卻室內徑為3 188 mm，洗滌冷卻管外徑為948 mm。N10液位計零點位置距離氣化爐直段焊縫高度1 750 mm，其信號為壓差信號Δp，單位為 Pa。

圖3 氣化爐液位計安裝圖示

6.7 氣化爐增加液位低保護邏輯

氣化爐液位計LT-0703LT-0704LT-0706指示低低時存在氣化爐工藝氣通過排水管道竄蒸發(fā)熱水塔，存在超壓的風險，而這一異?？赡茉斐扇藛T傷亡，風險很大。遂在氣化爐排水閥門執(zhí)行機構處增加電磁閥，并在DCS中新增控制邏輯。當氣化爐液位計LT-0703LT-0704LT-0706指示低低時聯(lián)鎖氣化爐排水閥門電磁閥失電關閉，當蒸發(fā)熱水塔壓力(PI-0802)達到1.15 MPa時聯(lián)鎖氣化爐至蒸發(fā)熱水塔閥門(PV-0801-1/-2/-3/-4),電磁閥失電關閉。

7 結語

針對氣化爐液位計波動的問題，在運行初期對氣化爐液位計進行預防性沖洗可以明顯緩解取壓管堵塞現(xiàn)象。同時,氣化爐液位計沖洗水處于常開狀態(tài)后，氣化爐液位計堵塞現(xiàn)象進一步得到改善。但是氣化爐液位計波動與儀表自身情況和工藝條件息息相關，在異常處理過程中，工藝人員必須密切關注工藝氣出口溫度以及氣化爐排水流量與壓力，明確液位計失效后工藝控制措施，確保液位計失靈時氣化爐仍處于可控狀態(tài)。