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        單套空分裝置運行時氣化雙爐運行的研究與應(yīng)用

        2022-08-15 07:24:06馬耀東董懿馬紹斌楊文清楊曉民杜小剛
        化工管理 2022年22期
        關(guān)鍵詞:工藝

        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。

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