尹招進(jìn)

(云南天安化工有限公司， 云南安寧 650309)

某公司50萬(wàn)t/a合成氨項(xiàng)目煤氣化裝置采用Shell粉煤氣化技術(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的有效氣體(CO+H2)產(chǎn)量為140 000 m3/h，投煤量為112 t/h。煤氣化裝置于2008年6月建成投產(chǎn)。Shell粉煤氣化工藝技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用廣泛，但在引進(jìn)之初，國(guó)內(nèi)使用該技術(shù)的公司較少，運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足。自投產(chǎn)以來(lái)，裝置在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)氣化系統(tǒng)合成氣冷卻器入口(十字架)堵灰、燒嘴罩燒壞、激冷氣壓縮機(jī)能力不足等問(wèn)題。特別是十字架積灰次數(shù)多達(dá)20余次，且堵灰面積達(dá)95%以上的有6次之多，氣體流通面積減小,造成局部流速增加和氣體偏流現(xiàn)象，合成氣冷卻器蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3的部分區(qū)域被沖刷減薄而導(dǎo)致泄漏故障[1]。為此裝置多次停車，對(duì)公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況產(chǎn)生較大的影響。

1 煤氣化裝置工藝流程

該煤氣化裝置主要原料為原煤和空分裝置送來(lái)的氧氣、氮?dú)?。裝置由磨煤及煤粉干燥系統(tǒng)、粉煤加壓及輸送系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)(包括煤燒嘴系統(tǒng)、點(diǎn)火/開(kāi)工燒嘴系統(tǒng)、氣化及合成氣冷卻系統(tǒng)、氣化爐水汽系統(tǒng))、除渣系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、合成氣濕洗系統(tǒng)、初步水處理(廢水汽提及澄清系統(tǒng))及公用工程系統(tǒng)組成。原料煤經(jīng)給煤機(jī)送入磨煤和干燥系統(tǒng)進(jìn)行研磨和干燥，并加入少量助熔劑石灰石粉，制成粒度為5～90 μm、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%的煤粉，送至煤粉貯倉(cāng)。煤粉經(jīng)氮?dú)饧訅狠斔椭翚饣癄t內(nèi)氣化，與氧氣/蒸汽混合氣化劑在1 500～1 700 ℃的溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成以CO和 H2為主要成分的合成氣，合成氣中還含有N2以及少量CO2、CH4和H2S等組分。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于1%的煤渣，通過(guò)氣化爐底錐被排放到除渣系統(tǒng)。合成氣通過(guò)氣化爐頂錐進(jìn)入到激冷區(qū)，被來(lái)自激冷氣壓縮機(jī)中200 ℃的合成氣激冷到大約900 ℃以下，再通過(guò)傳輸管進(jìn)入到合成氣冷卻器中，被冷卻到340 ℃后送往飛灰脫除系統(tǒng)。氣化產(chǎn)生的合成氣經(jīng)冷卻、除灰、濕洗后，送合成變換工序。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)初步水處理裝置處理后，大部分返回裝置利用，少部分到污水處理裝置經(jīng)處理合格后排放[2-3]。煤氣化工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2 煤氣化裝置運(yùn)行狀況

公司煤氣化裝置自投產(chǎn)以來(lái)，出現(xiàn)較多影響生產(chǎn)的問(wèn)題，制約裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，公司不斷研究Shell粉煤氣化技術(shù)并加以優(yōu)化改進(jìn)，裝置得以穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)周期大幅延長(zhǎng)。

2.1 氣化爐堵灰情況

氣化爐由氣化爐本體、激冷管、輸氣管、氣體回流室、合成氣冷卻器組成。合成氣冷卻器安裝在氣體回流室的下級(jí)，也是整個(gè)氣化爐的末級(jí)。十字架位于氣體回流室下方，即合成氣冷卻器的入口。為了防止飛灰在此聚積結(jié)垢引起堵塞，十字架處有超高壓氮?dú)?8.09 MPa、225 ℃)進(jìn)行間斷性反吹。正常生產(chǎn)過(guò)程中，在十字架處設(shè)點(diǎn)，利用壓差監(jiān)控其積灰堵塞情況。氣化爐負(fù)荷和煤種不同時(shí)，正常壓差為6～9 kPa，如果氣化爐壓差不斷上漲，說(shuō)明已經(jīng)發(fā)生積灰結(jié)垢(見(jiàn)圖2)；一旦發(fā)生積灰是不可逆轉(zhuǎn)的，堵塞現(xiàn)象會(huì)隨著裝置運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)而越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致氣體流通面積減小，合成氣流速變高，激冷氣流量下降。此種條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)加劇設(shè)備磨損，同時(shí)也會(huì)對(duì)設(shè)備內(nèi)件的整體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重危害。生產(chǎn)過(guò)程中，因十字架積灰嚴(yán)重，最終導(dǎo)致膜式水冷壁管被磨穿而發(fā)生泄漏[4]。公司自2008年開(kāi)車投產(chǎn)以來(lái)，多次因十字架積灰而被迫減負(fù)荷運(yùn)行或停車處理，裝置年平均運(yùn)行負(fù)荷為92%～93%，未能實(shí)現(xiàn)裝置的滿負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行。

圖1 煤氣化工藝流程簡(jiǎn)圖

圖2 氣化爐合成氣冷卻器入口堵灰

2.2 氣化爐泄漏情況

自投產(chǎn)以來(lái)，氣化爐出現(xiàn)較為嚴(yán)重的11次水冷壁管泄漏事故，其中95%以上集中在合成氣冷卻器蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3的位置(見(jiàn)表1)。

3 蒸發(fā)器更換情況

為提高氣化爐運(yùn)行維護(hù)及管控能力，解決氣化爐內(nèi)件易磨損、易腐蝕、難監(jiān)測(cè)等困擾合成氨“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行的難題，公司專門成立氣化爐運(yùn)維攻關(guān)組，開(kāi)展行業(yè)運(yùn)維技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)交流考察，制定氣化爐運(yùn)維方案，分析氣化爐問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出建設(shè)性的維修及改進(jìn)思路等。根據(jù)蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3盤(pán)管壁厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨蝕速率約為1 mm/a，評(píng)估使用壽命約為2 a。2019年8月，由專家對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)審，確定對(duì)蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3整體更換的改造思路。2021年大修期間，對(duì)其完成改造。

本次改造中，首先將氣體回流室(GRC)封頭割除，再依次割除蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3穿過(guò)水冷壁與環(huán)形空間集箱連接進(jìn)出口管；其次，利用800 t吊車把GRC封頭、水冷壁筒體頂蓋、舊蒸發(fā)器2、舊蒸發(fā)器3吊出；再次，依次吊入新蒸發(fā)器2、新蒸發(fā)器3、水冷壁頂蓋，并安裝恢復(fù)；最后，吊裝復(fù)位GRC封頭。氣化爐吊裝圖見(jiàn)圖3。Shell氣化爐示意見(jiàn)圖4。蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更換及內(nèi)件示意分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖3 氣化爐吊裝圖

4 蒸發(fā)器更換的工藝調(diào)整

4.1 更換前準(zhǔn)備

4.1.1 氮?dú)庵脫Q

氣化爐停車后，用氮?dú)鈱?duì)大系統(tǒng)置換4～5次，合成氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)取樣分析可燃?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.13%，置換合格。

4.1.2 燒燼作業(yè)

合成氣系統(tǒng)置換合格后，通空氣對(duì)氣化爐進(jìn)行燒燼作業(yè)8～10 h，取樣分析SO2質(zhì)量濃度小于1.5 mg/m3，燒燼結(jié)束。

4.1.3 系統(tǒng)降溫

燒燼作業(yè)結(jié)束后，退汽包開(kāi)工蒸汽、退伴熱蒸汽，進(jìn)行抽負(fù)壓置換降溫；降溫過(guò)程中，逐步安排開(kāi)氣化爐外人孔，進(jìn)一步進(jìn)行降溫置換。按降溫曲線將水汽系統(tǒng)降溫至35 ℃以下，氣化爐設(shè)備本體溫度、環(huán)形空間溫度、罐體溫度降至40 ℃以下。

V1301—?dú)饣癄t； V1302—合成氣冷卻器； E1305/E1330/E1303A/E1320/E1301/E1302—中壓蒸發(fā)器； E1304—中壓蒸發(fā)器2； E1303—中壓蒸發(fā)器3。

圖4 Shell氣化爐

圖5 蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更換示意圖

圖6 蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3內(nèi)件

4.1.4 系統(tǒng)隔離

泄空大系統(tǒng)降溫煤粉管線、氧氣管線、蒸汽管線全部壓力，氧氣管線、蒸汽管線各放空閥全部處于開(kāi)位。抽吸器運(yùn)行正常，控制氣化爐壓力為微負(fù)壓。

公用工程氮?dú)庀到y(tǒng)盲板全部倒為盲位。合成氣系統(tǒng)管道上安全閥至火炬放空截止閥關(guān)閉。所有動(dòng)設(shè)備停運(yùn)并斷電，射源關(guān)閉。

4.1.5 氣化爐內(nèi)積灰清理

(1) 清理十字架及環(huán)形空間。

(2) 用高壓水清洗合成器冷卻器換熱器內(nèi)件、環(huán)形空間，以保證蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更換時(shí)有良好的檢修條件。

4.2 更換時(shí)的配合

為保證蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更換的潔凈度，在更換前對(duì)設(shè)備管件進(jìn)行了通水、吹掃作業(yè)，并對(duì)內(nèi)件進(jìn)行了化學(xué)清洗和清洗后吹干作業(yè)(見(jiàn)圖7)。

圖7 對(duì)蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3進(jìn)行化學(xué)清洗及吹掃作業(yè)

把握內(nèi)件更換的各時(shí)間節(jié)點(diǎn)及工程進(jìn)度(圖8)。更換預(yù)計(jì)用時(shí)為31 d，實(shí)際用時(shí)為27 d。更換過(guò)程中，逐一檢查重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)更換的管線進(jìn)行吹掃，確保工程質(zhì)量。

圖8 蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3施工節(jié)點(diǎn)圖

4.3 安裝過(guò)程的全程質(zhì)量管控

施工過(guò)程中，專門成立質(zhì)量管控小組，全程跟蹤項(xiàng)目的進(jìn)度及質(zhì)量，及時(shí)進(jìn)行質(zhì)量糾偏。

圖9 蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3過(guò)程管控

4.4 水沖洗及水流量測(cè)試

更換蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3時(shí)，雖然采取了適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，但沙子、細(xì)灰、焊渣、廢棄物等污垢仍會(huì)殘留在設(shè)備的角落中。為保證安裝后氣化爐水汽系統(tǒng)正常運(yùn)行，需在水汽系統(tǒng)設(shè)備安裝、檢修完畢后進(jìn)行沖洗。本次進(jìn)行了正、反兩次沖洗，在汽包及管線中清理出大量結(jié)垢(圖10)。

圖10 水汽系統(tǒng)中清理出的結(jié)垢

為保證水汽系統(tǒng)管線的暢通，對(duì)整個(gè)水汽系統(tǒng)進(jìn)行了水流量測(cè)試。從測(cè)試情況來(lái)看，因過(guò)程控制較好，未發(fā)現(xiàn)有水冷管堵塞的情況。

4.5 在線煮爐

在更換蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3過(guò)程中，更換面積較大，更換件本身未形成有效保護(hù)層，導(dǎo)致原管道內(nèi)結(jié)垢脫落。為有效清除在安裝和修理過(guò)程中帶入系統(tǒng)的雜質(zhì)、油污和附著在汽包金屬內(nèi)壁上未清除完全的金屬腐蝕物及垢層，促進(jìn)生成磁性氧化鐵保護(hù)層，繼而在保護(hù)層表面形成多胺保護(hù)膜，阻止垢鹽生成，在設(shè)備更換后，投加海蘭明藥劑進(jìn)行了在線煮爐。煮爐分為4個(gè)階段：去除油污及雜質(zhì)、清除結(jié)垢及雜質(zhì)、預(yù)膜及去除雜質(zhì)、預(yù)膜。煮爐期間，爐水檢測(cè)情況見(jiàn)表2，煮爐后的效果見(jiàn)圖11。經(jīng)過(guò)煮爐，水汽系統(tǒng)的水質(zhì)有了較大提高，未出現(xiàn)因水冷壁管垢層大量脫落造成拉姆達(dá)管及水冷管堵塞的情況。

表2 蒸發(fā)器更換后煮爐水質(zhì)分析 μg/L

圖11 煮爐后的水冷管情況

5 改造結(jié)果

為保證蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更新后的正常使用，停車后對(duì)合成氨冷卻器水冷盤(pán)管、環(huán)形空間進(jìn)行高壓水沖洗，確保拆裝施工過(guò)程有良好的工作環(huán)境。安裝前，確認(rèn)設(shè)備的每一根水管經(jīng)過(guò)通水、吹掃、化學(xué)清洗、再吹掃過(guò)程,過(guò)程中管控施工,安裝后進(jìn)行水壓試驗(yàn)、反沖洗、水流量測(cè)試及煮爐等相關(guān)工作。開(kāi)車過(guò)程順利，未出現(xiàn)管道堵塞、泄漏等異常情況，更換后氣化爐運(yùn)行周期大幅提升。

6 結(jié)語(yǔ)

Shell氣化爐蒸發(fā)器2、蒸發(fā)器3更換工作，在全國(guó)同類型廠家中屬首次進(jìn)行。在設(shè)計(jì)、施工、檢維修、工藝等相關(guān)專業(yè)人員的密切配合下，更換工作順利進(jìn)行，有效提升了裝置的保障度，為業(yè)內(nèi)開(kāi)展同類型工作提供了一定的借鑒。