馬耀東，董懿，馬紹斌，楊文清，楊曉民，杜小剛

(甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肅 華亭 744100)

0 引言

甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇公司煤制甲醇裝置自2010年開車以來，甲醇裝置正常生產(chǎn)期間兩套空分系統(tǒng)正常運行、氣化雙爐正常運行。當(dāng)上游生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或出現(xiàn)生產(chǎn)中斷時，勢必會造成單套或兩套空分系統(tǒng)停運。單臺空分局部故障造成突發(fā)性停車，造成氣化爐單爐緊急停車，不但影響2～3天甲醇產(chǎn)量，還會造成大量人力物力的消耗、生產(chǎn)系統(tǒng)工藝調(diào)整難度大、精餾產(chǎn)品質(zhì)量不合格、設(shè)備泄漏點增多等問題。因此，在空分單套裝置發(fā)生緊急停車事故時，實現(xiàn)氣化雙爐不被迫停車已成為制約企業(yè)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)提質(zhì)增效的關(guān)鍵所在，本文將通過理論分析的方式，結(jié)合生產(chǎn)實際進行探討分析。

1 空分裝置工藝流程簡述

1.1 機組崗位生產(chǎn)原理

熱電鍋爐生產(chǎn)的9.8 MPa蒸汽通過高壓蒸汽管網(wǎng)送至空分界區(qū)，汽輪機按照既定程序進行暖機、升速、過臨界、升額定轉(zhuǎn)速一系列操作，高壓蒸汽對汽輪機轉(zhuǎn)子做功后，汽輪機轉(zhuǎn)速升至4 588 r/min，同時通過聯(lián)軸器帶動空氣壓縮機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，空氣通過自潔式過濾器后在導(dǎo)葉的控制下進入壓縮機低壓缸，在壓縮機葉輪的離心作用下進入缸體擴壓器中，從而使氣體壓力升高，經(jīng)過擴壓器后的介質(zhì)氣體經(jīng)彎道、回流器進入下一級繼續(xù)壓縮。壓力提高的同時，介質(zhì)氣體溫度也要升高[2]，為了盡可能實現(xiàn)等溫壓縮，在壓縮機的段間設(shè)置段間冷卻器，以降低壓縮機段間出口氣體的溫度，冷卻后的氣體進入壓縮機中壓缸，進行兩段壓縮后送至分餾崗位預(yù)冷系統(tǒng)。

1.2 分餾崗位生產(chǎn)原理

來自機組中壓缸的空氣進入預(yù)冷系統(tǒng)，通過冷卻水及冷凍水的分段洗滌，除去壓縮空氣中存在的固體粉塵及降低壓縮空氣進入純化系統(tǒng)的溫度。洗滌后的空氣送入純化系統(tǒng)，先利用活性氧化鋁的親水性能對壓縮空氣進行干燥，再利用13x分子篩的吸附性能，脫除壓縮空氣中的二氧化碳及碳氫化合物。

通過純化系統(tǒng)凈化后的空氣分成兩股：一股直接進入分餾塔低壓板式換熱器；另一股去空氣增壓機進一步壓縮，一段取出一股儀表空氣，二段取出一股送至膨脹機，三段高壓空氣送入高壓板式換熱器參與精餾。

空氣中氧氣、氮氣、氬氣的沸點分別為-183 ℃、-196 ℃、-185.7 ℃，它們在空氣中的占比分別為20.950%、73.000%、0.934%。在精餾塔內(nèi)，利用膨脹機做功，使高壓空氣得到部分冷凝，為精餾塔提供冷源，上升氣體和下流液體在塔板上進行接觸換熱，污氮氣從上塔頂部送出至預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔及純化系統(tǒng)分子篩再生，氧氣在上塔底部逐漸冷凝下來后經(jīng)氧泵送出至用戶，下塔頂部氮氣經(jīng)主冷凝蒸發(fā)器冷凝為液氮后為下塔提供冷源，下塔中上部抽出一股氮氣12 000 Nm3/h送至用戶。

2 氣化裝置工藝流程簡述

2.1 氣化爐系統(tǒng)

來自702裝置料漿貯槽濃度為61%以上的合格煤漿，由高壓煤漿泵P1301加壓送至703工段氣化爐，與來自空分裝置純度為99.6%的氧氣，經(jīng)燒嘴進入氣化爐進行反應(yīng)。

煤漿和O2經(jīng)三流道工藝燒嘴充分混合后噴入氣化爐，在約6.5 MPaG，1 350 ℃高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成以CO、H2、CH4為主要成分的工藝氣。工藝氣和熔融態(tài)灰渣一起進入氣化爐激冷室，熔融態(tài)灰渣遇水冷卻固化，在重力作用下落入激冷室底部。后經(jīng)破渣機破碎進入鎖斗系統(tǒng)，鎖斗內(nèi)粗渣由撈渣機撈出后由汽車外運進行環(huán)保處理，黑水由渣池泵送入真空閃蒸器進一步濃縮或直接送入澄清槽。為便于撈渣機檢修，鎖斗排渣管線經(jīng)改造，可通過切換排渣管線將鎖斗內(nèi)粗渣排放至其他渣池。

洗滌過的工藝氣進入碳洗塔，在碳洗塔工藝氣中大部分固體顆粒與工藝氣分離。工藝氣穿過三層塔板，與合成車間輸送的高壓冷凝液或熱密封水接觸，進一步洗滌，最后工藝氣在碳洗塔塔頂經(jīng)過除沫器除去氣體中的霧沫，送至變換工段進行變換反應(yīng)。

3 理論計算及處置措施

3.1 從空分裝置設(shè)計產(chǎn)能及氣化裝置反應(yīng)機理進行理論計算，從理論層面論證操作方法的可行性

3.1.1 核算單套空分裝置最大氧氣供給量

煤制甲醇分公司單套空分裝置設(shè)計氧氣供給量為43 000 Nm3/h，氧氣最大供給量為47 300 Nm3/h，設(shè)計溫度為36 ℃，在保證氧氣最大供給量時，核算不同壓力下氧氣流速數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同壓力下氧氣流速數(shù)據(jù)

根據(jù)GB 16912—2008 規(guī)定[1]，氧氣壓力在3.0 MPa至10.0 MPa之間，最高允許流速p×v≤45 MPa·(m/s)。單套空分裝置在氧氣最大供給量(47 300 Nm3/h)時，最高氧氣流速為20.02 MPa·(m/s)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表2所示。

表2 實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以上數(shù)值參數(shù)為事故狀態(tài)下的瞬時參數(shù)(供參考)。在實際工況出現(xiàn)異常的情況下，氧氣瞬時流量會急劇增加，達到約60 000 Nm3/h，氧氣壓力也會降低至7.0 MPaG左右，此過程會持續(xù)約1～2 min，此時操作人員應(yīng)密切關(guān)注氧氣流量和壓力的變化，在配合氣化爐降負荷的過程中要盡可能縮短該過程。但原則上，在工況穩(wěn)定后外送氧氣量不應(yīng)超過45 150 Nm3/h(系統(tǒng)設(shè)計值)。

3.1.2 核算氣化裝置異常過程氧氣消耗量

氣化爐投料時氧氣流量設(shè)計值為21 735 Nm3/h，單臺空分裝置跳車時，短時間內(nèi)氣化雙爐運行所需氧氣流量為43 470 Nm3/h，氣化爐運行氧煤比為435 Nm3/m3，可保證氣化爐安全運行。

3.1.3 核算氣化裝置正常運行過程氧氣消耗量

為了維持氣化爐液態(tài)排渣，氣化爐運行氧煤比相比投料氧煤比高35 Nm3/m3，故氣化爐運行氧煤比為470～510 Nm3/m3，為保證空分單臺裝置跳車兩臺氣化爐正常運行，單臺空分外送氧氣流量必須大于47 000 Nm3/h。通過以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計及計算數(shù)據(jù)表明，單套43 000 Nm3/h空分裝置工況下氣化雙爐運行具備一定的可行性。

3.2 編制操作法，并計算該操作法各工藝環(huán)節(jié)氧氣消耗總量

為避免單套空分裝置局部故障引起氣化爐單爐停車對生產(chǎn)系統(tǒng)造成較大影響和損失，同時依據(jù)以上可行性分析，提出了單套43 000 Nm3/h空分裝置運行工況下氣化雙爐運行的應(yīng)急方案及相關(guān)注意事項，明確了方案的應(yīng)用范圍。

3.2.1 空分裝置應(yīng)急處置措施

(1)由于一套空分送氧量瞬間中斷，將會導(dǎo)致另一套運行的空分裝置外送氧氣量瞬間增加，氧氣管網(wǎng)壓力迅速降低，氧泵負荷迅速增加，分餾工況發(fā)生變化。此時，空分機組崗位盡可能提升增壓機二、三段壓力(分別控制不低于2.75 MPaG和6.75 MPaG，必要時適當(dāng)提高機組轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)工況變化及時調(diào)節(jié)高壓板式換熱器的污氮取出量，以緩解因氧氣采出量過大而造成的氧氣管線迅速降溫的現(xiàn)象。

(2)在單套空分裝置調(diào)整工況及外送氧氣量的同時，及時監(jiān)控相關(guān)各工藝指標(biāo)，控制正常指標(biāo)范圍內(nèi)，如出現(xiàn)指標(biāo)超標(biāo)情況，及時分析原因進行調(diào)整，保證裝置運行的平穩(wěn)。

(3)如果出現(xiàn)異常的空分裝置送氧量短時間無法恢復(fù)，單套空分裝置持續(xù)供氧量較大，導(dǎo)致以下任一現(xiàn)象發(fā)生時，應(yīng)立即減少氧氣外送量，保證在運裝置工況正常。

①氧氣管線溫度TI-292低至5 ℃并仍有下降趨勢；

②主冷液位持續(xù)下降并低于2 650 mm；

③氧氣純度降低至99.6%以下；

④高、低壓板換出口溫度TI301A1/A2、TI301A3-A8平均溫度低于10 ℃并仍有下降趨勢；

⑤主塔工況大幅度波動(上下塔壓力、阻力、下塔液位、流量等工藝參數(shù)出現(xiàn)異常并超過正常工藝指標(biāo)控制范圍)，無法維持系統(tǒng)正常運行；

⑥生產(chǎn)過程中發(fā)生其他故障，影響安全生產(chǎn)時必須降負荷或做停車處理。

3.2.2 氣化裝置應(yīng)急處置措施

(1)在確保兩臺氣化爐氧氣爐頭壓力與氣化爐爐膛壓力差值必須穩(wěn)定且大于0.3 MPa(根據(jù)單套空分工況下氣化雙爐運行該指標(biāo)經(jīng)驗值為0.36 MPa)的情況下，對兩臺氣化爐同時進行快速減負荷操作，總負荷降至100 m3/h(單爐50 m3/h)，確保不發(fā)生因氧氣系統(tǒng)壓力突降造成煤漿或工藝氣反竄至氧氣管線發(fā)生事故。

(2)高壓煤漿泵快速進行減負荷操作，在進行減負荷操作時，注意控制氣化爐氧煤比例。

(3)通過調(diào)節(jié)高壓煤漿泵轉(zhuǎn)速將高壓煤漿泵轉(zhuǎn)速流量降低至50 m3/h，同時調(diào)節(jié)氧氣流量調(diào)節(jié)閥，避免因流量調(diào)節(jié)閥未及時調(diào)節(jié)造成氧煤比過高，引起氣化爐ESD聯(lián)鎖跳車。

(4)氣化爐負荷降低至最低負荷后(約50 m3/h)，對氣化爐水平衡進行調(diào)整，控制碳洗塔進水量(160～220 m3/h)，調(diào)整氣化爐系統(tǒng)各項工藝指標(biāo)正常。

(5)氣化嚴格按比例對煤漿泵轉(zhuǎn)速及氧氣流量進行調(diào)整，并在2 min內(nèi)將煤漿泵轉(zhuǎn)速降至675 r/min。如表3所示。

表3 氣化爐降負荷參考表

4 應(yīng)急處置

4.1 空分裝置應(yīng)急處置

(1)單套43 000 Nm3/h空分發(fā)生故障后，兩臺氣化爐氧氣爐頭壓力與氣化爐爐膛壓力差值小于0.3 MPa時，需立即選擇性對一臺氣化爐進行停車操作。

(2)單套43 000 Nm3/h空分裝置發(fā)生故障后，氣化爐盡快連續(xù)減負荷操作，3 min之內(nèi)氣化爐氧煤比不能達到435 Nm3/m3以上時，需立即選擇性對一臺氣化爐進行停車操作。

4.2 氣化裝置應(yīng)急處置

(1)兩臺氣化爐減負荷至50 m3/h后，氣化爐氧煤比必須控制合理，若在30 min以內(nèi)氣化爐氧煤比指標(biāo)不能達到指標(biāo)值(470～510 m3/m3)時，需立即選擇性對一臺氣化爐進行停車操作。

(2)兩臺氣化爐減負荷至50 m3/h，雙爐低負荷運行時間不得超過8 h，超過8 h則選擇性對一臺氣化爐進行停車操作。

(3)兩臺氣化爐減負荷至50 m3/h后，必須確保氣化爐爐膛溫度(最高值)大于1 250 ℃，防止?fàn)t膛溫度過低造成渣口堵塞。

5 結(jié)語

在單套43 000 Nm3/h空分裝置運行工況下，氣化爐保持雙爐運行的操作方法無論從理論討論分析，還是從實踐檢驗，均證明該操作方法可行，能夠達到預(yù)期目標(biāo)，減少了氣化爐非計劃停車的次數(shù)，降低了因系統(tǒng)停車造成的人力物力消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。