水煤浆水冷壁气化装置实用性技术创新改造总结

裴 双

(阳泉煤业化工集团有限责任公司，山西 太原 030006)

0 引 言

阳泉煤业化工集团有限责任公司下属企业山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司(简称泉稷公司)原设计的焦炉气综合利用生产尿素联产LNG项目，其产能为合成氨300 kt/a、尿素520 kt/a、LNG 63 kt/a，现生产装置原料气采用焦炉气+粗合成气，其中，气化装置配套2台单喷嘴水煤浆水冷壁气化炉(晋华炉2.0技术，两开无备)，单台气化炉设计投煤量750 t/d，气化炉设计操作压力4.8 MPa、操作温度1 300 ℃。自2015年12月气化装置投料以来，由于其在工艺设计及设备设计等方面存在一些缺陷，导致气化装置运行过程中出现了一些问题。为此，泉稷公司基于工艺操作及设备检维修经验等，对气化装置进行了一系列实用性技术创新改造，实现了气化装置的安、稳、长、满、优运行。以下对有关情况作一介绍。

1 气化装置运行中存在的五大问题

经总结与梳理，泉稷公司气化装置运行中主要存在工艺设计缺陷、设备设计缺陷、制浆系统缺少提浓设备致水煤浆浓度低、絮凝剂和分散剂加入量在线监测不完善、锁斗排渣系统不清洁环保五大类问题，具体如下。

1.1 工艺设计缺陷

1.1.11台中压氮气压缩机配套2台气化炉的设计缺陷

泉稷公司水煤浆水冷壁气化装置原设计思路为1台中压氮气压缩机配套2台气化炉——正常运行时气化炉两开无备，操作压力为3.5～4.0 MPa，每台气化炉分别设有环腔密封保护氮气，主要作用为防止主水冷壁鳍片泄漏后气化炉内高温高压粗合成气倒窜进入设备壳体而引发严重事故，2台气化炉的环腔保护氮气通过同1台中压氮气压缩机提供，原设计的气化炉环腔保护氮气阀为手动控制阀，氮气通过中压氮气压缩机提压后流经手动阀进入气化炉。

实际生产中发现，气化炉单炉检修放空时，由于待检修气化炉压力持续降低导致其与在运气化炉压力不同，且气化炉环腔保护氮气压力仅能依靠手动阀进行调节，现场调节很难保证压力均衡，调节滞后会导致在运气化炉内高温高压的粗合成气从气化炉下封板空隙进入环腔而腐蚀主水冷壁外管，严重时会出现在运气化炉内的高温高压粗合成气倒流进入待检修气化炉，存在严重的安全隐患。泉稷公司气化装置运行3 a后，2台气化炉的主水冷壁分别出现过因高温粗合成气腐蚀而发生泄漏的现象，最后被迫对主水冷壁进行了更换，而更换1次主水冷壁耗时约15 d，需要消耗大量的人力、物力及财力，严重影响系统运行的经济性。

1.1.2气化炉高压氮气分支管线设计缺陷

气化炉系统使用高压氮气涉及的阀门主要有总氧气程控阀(HV13001)、主氧气调节阀(FV13007)、燃料气管道氮吹阀(XV13064)及氧气均压遥控阀(HV13029)，这些阀门全部参与SIS系统联锁，其目的是避免开车/停车操作时可燃物质与助燃物(氧气)发生接触而引起着火、爆炸等安全事故。原设计氧气均压遥控阀(HV13029)与总氧气程控阀(HV13001)互锁，同时燃料气管道氮吹阀(XV13064)配有手动阀的吹扫副线，正常运行时该副线手动阀微开以防止水煤浆通过烧嘴头部倒流进入燃料气至烧嘴的盲肠管线而发生堵塞。实际生产中发现，气化炉高压氮气分支管线的设计及操作没有实现分炉控制，实际操作中存在安全隐患：每次单炉停车检修放空时，由于待检修气化炉压力的持续降低，导致待检修气化炉与在运气化炉压力不同，而原设计的氧气均压遥控阀(HV13029)后的止回阀不可能一直起到有效的密封作用，停车期间高压氮气吹扫步骤执行完毕后，由于高压氮气管线的压力瞬间降低，导致残留在总氧气程控阀(HV13001)后至主氧气调节阀(FV13007)之间的高压氧气通过止回阀倒流进入高压氮气管线，同理，在运气化炉内的部分高温高压粗合成气也会通过燃料气管道氮吹阀(XV13064)之副线阀倒流进入高压氮气管线，可燃物与助燃物同时进入高压氮气管线，在气化炉开车点火阶段可能产生着火爆炸事故。

1.2 设备设计缺陷

1.2.1合成气洗涤塔关联管线设计缺陷

泉稷公司气化装置中的合成气洗涤塔气体分布器与支管采用一次性焊接，且气体分布器及支管空隙较小，同时合成气洗涤塔底部黑水管线设计有弯头，这种设计缺陷导致检修不彻底——每次设备检修时气体分布器及支管内的灰垢无法彻底清理，这些灰垢最终会随着黑水堵在黑水管线弯头处或进入高压闪蒸罐锥底而发生堵塞，导致黑水无法正常流动，气化炉被迫切气，黑水闪蒸系统停车泄压进行人工清理，此种情况下恢复生产的时间约需8 h，会造成一定的经济损失。据统计，泉稷公司每年平均会出现2次因该问题引起的气化炉切气事故。

1.2.2真空闪蒸罐下液管设计缺陷

真空闪蒸罐下液原设计直接排至沉降槽，存在设计缺陷，无法满足气化炉连投需要——每次气化炉连投时，由于不打开人孔清理灰垢，投料时高压闪蒸罐及真空闪蒸罐内壁灰垢在热胀冷缩作用下会发生脱落，脱落的灰垢通过真空闪蒸罐下液管线直接排至沉降槽，造成沉降槽底部局部堵塞、细灰浆排出不畅、沉降槽上部灰水浊度不合格，甚至导致沉降槽耙灰器一直提升至最高位置，严重时还会出现耙灰器过扭矩联锁保护停机，刮料无法进行，2台气化炉被迫停车；处理时,必须先将沉降槽2 200 m3的料液排空，才能将沉积在沉降槽底部的细灰人工清理干净，同时污水处理系统处理难度大，且每次恢复开车时还需给沉降槽重新补充大量的一次水，经济损失严重。据统计，每年平均至少出现1次因该问题引起的气化炉停车事故。

1.3 制浆系统缺少提浓设备致水煤浆浓度低

泉稷公司原设计的制浆系统采用棒磨机制浆工艺，共有2台φ3.3 m×5.8 m的棒磨机(两开无备)，以神木煤为原料，棒磨机处理原料煤2×25 t/h，原料煤全水12.5%，折合干煤量为43.75 t/h，由于缺少专用的提浓设备，正常生产时水煤浆浓度一直保持在60%左右；通过与高浓度水煤浆气化各种工艺参数进行对标，发现低浓度水煤浆气化存在“雾化性能差，煤气化的比煤耗、比氧耗偏高及(粗合成气中)有效气成分偏低”等问题，严重影响水煤浆气化装置运行的经济性。

1.4 絮凝剂和分散剂加入量在线监测不完善

泉稷公司气化车间渣水框架二楼设置有絮凝剂槽和分散剂槽，原设计的絮凝剂槽和分散剂槽分别设置有现场磁翻板液位计，絮凝剂和分散剂分别通过絮凝剂计量泵和分散剂计量泵(设计流量均为50 L/h)进行添加控制，计量泵出口未设计流量计。实际生产中发现，这种设计会对系统的长周期稳定运行带来一定的影响——由于计量泵设计流量不大，导致每小时絮凝剂槽和分散剂槽磁翻板液位计液位下降很小，且由于计量泵出口没有设置流量计，絮凝剂和分散剂加入量不准确，无法保证其均匀地加入系统内，使得黑水/灰水管线及设备结垢风险较大。

1.5 锁斗排渣系统不清洁环保

泉稷公司原设计的气化粗渣来源于锁斗排渣，锁斗定期排放的粗渣和黑水先去往渣池，粗渣由抓斗抓取至堆灰场，经自然风干晾晒后由卡车外运二次处理。由于粗渣含水量较大，运输车辆沿途渗漏黑水、洒落粗渣，环保压力较大。

2 优化改造方案及效果

2.1 针对工艺设计缺陷的优化改造

2.1.1气化炉环腔保护氮气阀自动化控制改造

经技术人员商讨，系统检修期间，在各气化炉环腔保护氮气阀前分别增设1台自动调节阀，每次单台气化炉停车检修放空时根据2台气化炉远传压力数据进行自动控制。改造后，气化炉环腔保护氮气调节快速有效，且对在运气化炉不会产生任何影响，每次单台气化炉停车检修放空时其环腔氮气再未出现过倒流现象，避免了粗合成气进入环腔而腐蚀主水冷壁外管，确保了主水冷壁的使用寿命，保证了产品产量任务的完成。

改造前，每年气化炉主水冷壁因高温粗合成气腐蚀发生泄漏而需检修(更换)主水冷壁(主水冷壁1套备件费用400万元，使用寿命约3 a，更换1次主水冷壁耗时约15 d)2次。改造后，避免了检修(更换)主水冷壁带来的减产损失和检修(更换)费用，以单台气化炉日产450 t合成氨、合成氨售价2 100元/t(含增值税税率13%，下同)、合成氨平均生产成本约1 697.06元/t计算，年经济效益为(450×15)×(2100÷1.13-1697.06)×2÷10000+(400÷3×2)=484万元。

2.1.2气化炉高压氮气分支管线优化改造

经泉稷公司气化车间技术骨干仔细研究，系统检修期间，在每台气化炉的高压氮气分支管线根部分别增设1台手动控制阀，在停车吹扫结束后将对应的分支阀关闭即可实现2台气化炉的分炉控制，彻底隔绝在运气化炉内高温高压的粗合成气通过燃料气管道氮吹阀(XV13064)之副线阀倒流进入高压氮气管线；同时及时修正工艺操作方案，在成功引氧结束后，将氧气均压遥控阀(HV13029)前的手动控制阀关闭以彻底隔绝氧气，新增的高压氮气分支管线根部手动阀及氧气均压遥控阀(HV13029)前的手动控制阀只需在气化炉点火前打开即可满足工艺要求。改造后，气化炉开/停车阶段多次安排专人对高压氮气管线内的介质进行取样分析，分析结果显示未检测到可燃气体或氧气，彻底消除了安全隐患。

2.2 针对设备设计缺陷的优化改造

2.2.1合成气洗涤塔关联管线改造

系统检修期间，在合成气洗涤塔气体分布器各支管根部增设1对配对法兰，既方便拆卸及恢复，又能确保将灰垢彻底清理干净；同时，将合成气洗涤塔底部黑水管线弯头改造成三通管件，三通管件朝地面的一端设计成盲法兰盖，这样气化炉连投前只需打开盲法兰盖及合成气洗涤塔锥底根部阀就可将合成气洗涤塔内脱落的垢片提前排出，并能用一次水对黑水管线进行反冲洗，将合成气洗涤塔内及管线内脱落的垢片清理干净，彻底消除安全隐患。

改造前，每年因垢片堵塞致气化炉切气事故平均为2次，每次清理时间约8 h，以单台气化炉日产合成氨450 t、刚开车阶段生产负荷为60%计，每年气化炉切气事故影响合成氨产量(450×60%÷24)×8×2=180 t。改造后，每年避免2次切气事故，按合成氨平均售价2 100元/t(含税)、平均生产成本1 697.06元/t计算，年经济效益为180×(2100÷1.13-1697.06)÷10000=2.9万元。

2.2.2真空闪蒸罐下液管线改造

系统检修期间，将真空闪蒸罐下液总管的直角弯头改造成三通球阀，三通球阀另一端通往渣池，每次气化炉连投前，先将三通球阀内的黑水切至渣池，待高压闪蒸罐及真空闪蒸罐的灰垢排至渣池后再将真空闪蒸罐下液切至沉降槽，如此即可解决之前气化炉连投时出现的问题。本项技改实施迄今已有2 a，气化炉连投时沉降槽再未出现过上述各种问题。

改造前，气化炉连投时因沉降槽问题导致气化炉停车频率为1次/a，每次停车处理至恢复生产至少需要2 d时间，共影响合成氨产量约1 350 t。改造后，避免了因沉降槽问题导致的气化炉停车减产损失以及开车时沉降槽需额外补加2 200 m3一次水的费用，按合成氨平均售价2 100元/t(含税)、平均生产成本1 697.06元/t、一次水单价2.8元/t(税后)计算，年经济效益为50×(2100÷1.13-1697.06)+(2200×2.8)〗 ÷10000=22.4万元。

2.3 水煤浆提浓优化改造

为提高水煤浆的浓度，系统检修期间，泉稷公司在气化装置煤浆制备系统增设了1套煤浆提浓系统——新增1台CEXM250A型细磨机、1台CECXM560A型超细磨机及其附属设备，彻底解决了水煤浆浓度偏低的问题，降低了合成氨生产原料煤单耗，提高了气化效率。本项技改完成后，在投煤量不变的情况下，煤浆浓度提高约4.09个百分点，粗合成气中有效气含量提高约2.21个百分点，有效气量增加约2 214 m3/h，年合成氨产量增加约7 776 t，由此吨氨原料煤耗由1.44 t降至 1.39 t，年增产合成氨的效益约7776×(2100÷1.13-1697.06)÷10000=125.46万元。

2.4 絮凝剂和分散剂加入量在线监测改造

针对絮凝剂和分散剂加入量在线监测设施不完善的问题，系统检修期间，分别在絮凝剂槽和分散剂槽增加1个远传液位监控，信号统一引至中央控制室，通过对絮凝剂槽和分散剂槽液位曲线的监控来保证絮凝剂和分散剂的均匀添加，消除系统潜在的结垢风险因素。改造后，每次检修时拆除黑水管线和黑水闪蒸系统设备检查，发现其垢片厚度基本上在可控范围内，未发现局部结垢严重的现象。

2.5 锁斗排渣系统优化改造

针对外运粗渣含水量大及污染问题，系统检修期间，新增1台捞渣机，同时为节约投资，通过研究捞渣机工作原理及气化炉排渣程序，泉稷公司在工艺上合理地调整了2台气化炉的间隔排渣时间及静置时间，编制了2台气化炉共用1台捞渣机的专项技改方案，首次打破了国内水煤浆气化炉捞渣机与气化炉“单对单”(即1台水煤浆气化炉配套1台捞渣机)的设计配套规范，节省投资约100万元。迄今该捞渣机已投用3 a，彻底解决了粗渣水渗漏至道路的污染问题，实现了绿色清洁生产。

3 结束语

泉稷公司从生产实际出发，围绕单喷嘴水煤浆水冷壁气化装置原始设计缺陷，基于安全性、实用性、经济性，从“工艺设计、设备结构、煤浆提浓、在线监测、环保设施”等五方面实施了晋华炉系统的技术创新改造，其成功应用确保了气化装置的安、稳、长、满、优运行，大大提升了企业的竞争力。这些技术创新思维来源于日常工艺操作及设备检维修等经验与摸索，可为单喷嘴水煤浆水冷壁气化装置工艺设计的优化提供一些参考与借鉴，并对水煤浆加压气化装置的优化技改及运行维护具有一定的指导意义。