甲醇廠氣化爐常見故障及處理措施

尉美玲

（晉能控股煤業集團廣發化學工業有限公司，山西 大同 037036）

1 氣化爐應用情況

晉能控股煤業集團廣發化學工業有限公司年產60 萬t 是原同煤集團調整產業結構，甲醇生產裝置主要包括煤氣化裝置、甲醇裝置、硫回收裝置、空分裝置，其中煤氣化工藝是甲醇生產重要部分，采用Texaco 煤氣化工藝，該工藝主要原煤料制成水煤漿，然后采用純氧氣流床加壓氣化。氣化爐是煤氣化工藝中主要設備，氣化爐穩定運行是保證甲醇廠安全生產的重要保障，但是在實際生產過程中發現，由于受生產能力、設備檢修維護水平等影響氣化爐頻繁出現故障，制約著甲醇廠安全高效生產。

2 氣化爐常見故障類型及原因

2.1 氣化爐燒嘴壓差低

2.1.1 工藝燒嘴結構

工藝燒嘴是氣化爐重要部件，該裝置主要將煤漿和空分裝置中的氧氣進行混合并輸入至氣化爐上部燃燒室內進行氧化反應，氣化爐燒嘴壓采用的是三流式套管結構，在噴頭處安裝冷卻盤管，在其內部安裝中心管，其中外套環隙是氧氣的流通通道，中間套管環隙是煤漿的流通通道，如圖1 所示。

圖1 氣化爐燒嘴結構示意圖

燒嘴壓差主要指的是煤漿進入氣化爐前后壓力差，如果燒嘴壓力差頻繁出現，很容易造成燒嘴損壞，降低其使用壽命，甚至會造成燒嘴冷卻水盤管燒穿，影響氣化爐正常運行[1]。

2.1.2 工藝燒嘴壓差低主要原因

1）工藝燒嘴在使用一段時間后噴嘴口在高溫作用下造成外套環隙內縮變小，在供氧量及供氧壓力不變情況下噴頭處通道截面積變小，出噴頭氧氣流速變大，由于受高速氧氣流影響在煤漿腔內形成“抽負壓”區，從而造成煤漿腔內失穩現象，并在負壓作用下煤漿流速度變大，動能增加靜壓能降低，煤漿在入爐前壓力降低，造成壓力差。

2）由于煤漿流中摻雜固體顆粒，在高速煤漿流沖刷作用下煤漿噴頭處通道磨損嚴重，增加了煤漿噴頭處尺寸，同時受燒嘴壓差波動影響氣化爐中火焰變短，導致爐溫出現上移現象，從而加劇了燒嘴頭部的燒蝕和沖刷[2-3]。

2.2 氣化爐燃燒環焊縫開裂

2.2.1 燃燒環主要結構

氣化爐燃燒環主要吊耳組件、氣體入口接管、空氣/燃氣蓋、主體等部分組成，燃燒環生產時按設計要求對各配件進行加工，為保證燃燒環焊接工藝，采用全氬弧焊施工工藝，焊接完成后對焊接處進行滲透探傷，防止焊接表面出現裂紋、氣孔等；在對主體、燃氣蓋、空氣蓋及空氣、燃氣接管焊接時必須保證焊接連續，焊接后焊縫余高應高于母材厚度，燃燒環主體以及空氣/燃氣蓋焊接時必須各有2 條環形角焊縫[4]。

2.2.2 燃燒環焊縫開裂原因分析

1）燃燒環熱負荷影響：空氣腔側板、燃氣腔蓋板與柱體之間采用焊接連接，焊接后存在2～3 條環形焊縫，該焊縫屬于角焊縫，與傳統對接焊縫相比承載外力強度低；氣化爐在正常工作時提供標準火焰和下渣火焰2 種，其中標準火焰溫度大于1000 ℃，燃燒環在高溫作用下出現局部變形，造成在焊縫處受力大，一旦受力大于焊縫承載強度時出現焊縫開裂現象。

2）燃料氣小孔堵塞：在煤氣化作業時燃燒環燃料氣小孔很容易被固定原料堵塞，在燃燒過程中堵塞處受溫相對較低，而未堵塞的地方受溫高，兩處焊縫存在熱受力差，從而出現偏燒現象，受熱面受力不均導致熱受力大的一側焊縫很容易出現開裂。

2.3 氣化爐堵渣原因

2.3.1 堵渣原因及位置

通過現場觀察發現，氣化爐排渣系統出現堵渣現象主要原因由以下兩方面：

1）在進行煤氣化工藝時原料煤種不同，以及添加的助溶劑比例不足，造成煤的灰熔點偏高、流動性降低，在氣化爐落渣口處形成渣塊，未及時清理從而導致堵渣現象。

2）氣化爐燒嘴罩、水冷壁出現破裂，造成爐內滲水現象，滲出的水與液態渣接觸提前冷卻形成渣塊。

2.3.2 堵渣位置及現象

1）落渣口堵渣現象：氣化爐正常開車作業時受煤種變化等影響，熔渣流行性降低，落渣口上下存在壓差，壓差范圍為0.5～1.5 MPa，且落渣口通道收縮變小，破渣機負荷加大，油溫升高。

2）破渣機上部堵渣現象：破渣機上部出現堵渣時破渣機負荷大，油壓不穩定跳動頻繁，當油壓達20 MPa時出現自動停車現象，停車后油壓高不能及時啟動，一旦出現堵渣后落渣管溫度出現大幅度下降現象。

3）渣收集罐底錐出現堵渣現象：一旦渣收集罐底錐堵渣后渣鎖斗與渣收集罐連接后壓差表數值出現大幅度變化，由原來的240 kPa 下降至190 kPa，渣鎖斗壓力減小，同時排水增壓泵出口流量降低[5]。

2.4 氣化爐鎖斗系統故障原因

1）程控閥定位器故障：在煤氣化工藝作業過程中由于受振動影響程控閥定位器內螺絲很容易出現松動現象，導致程控閥反饋器接收信號延時，造成鎖斗順控閥門開關潮濕，從而引起鎖斗系統跳車故障。

2）泄壓閥內漏故障：氣化爐在運行過程中一旦出現泄壓閥內漏故障時會造成氣化爐激冷室液位下降以及鎖斗沖洗水罐液位上升，導致鎖斗溫度升高以及泄壓管線振動嚴重。

3 故障處理措施

3.1 燒嘴壓差低處理措施

通過分析研究決定對燒嘴噴頭進行優化改進，保證外環氧通道、內氧通道以及煤漿通等壓力，采用CFD 數值模擬計算最終確定燒嘴噴頭尺寸，將原煤漿噴頭尺寸由原來的34 mm 縮小至28 mm，并將其縮入深度4.2 mm 減小至2.6 mm；將外氧噴頭出口尺寸減小至38 mm，外環氧間隙增大至3.57 mm。

3.2 燃燒環焊縫開裂處理措施

3.2.1 優化焊縫焊接工藝

由于燃燒環主體與燃氣/空氣腔側板之間采用角焊縫焊接工藝，該焊縫承載強度低，決定對其焊接工藝進行優化采用對接焊縫工藝，并將焊縫位置右移5～8 mm，通過對接焊縫溫度、應力進行模擬分析發現，相比角焊縫對接焊縫拉伸性能好，承載強度高，同等條件下采用對接焊縫后焊縫應力值減小至845 MPa，相比傳統角焊縫減小了28.7%，如圖2 所示，焊縫工藝優化改進后減小了焊縫處應力值，以及降低燃燒環拐角處內壁應力集中現象。

圖2 優化改進前后焊縫應力分布曲線

3.2.2 燃燒環燃料氣孔堵塞處理措施

在正常工作狀態下燃燒環內燃料氣孔以及一次空氣孔全部為導通狀態，內部火焰均勻，燃燒環熱受力均勻，一旦燃燒環部分小孔堵塞后火焰不均，導致燃燒環焊縫處受熱不均斷裂，為了避免燃料氣控堵塞現象，決定對原燃料氣孔數量及直徑進行改進，原燃燒環內共計布置16 組氣孔，每組3 個，孔直徑為1.6mm，優化改進后每組布置1 個氣控，孔直徑擴大至2.76 mm，共計布置16 個氣孔。

3.3 氣化爐堵渣處理措施

1）氣化爐落渣口堵渣處理措施：對氣化爐運行工況進行檢查，對波動較大煤線采用手動操作，從而保證流量及閥位；對粉煤給料倉正常壓力進行調整，保證給料倉與氣化爐壓差控制允許范圍內。

2）破渣機上部堵渣處理措施：出現堵渣停車后首先將破渣機采用反轉空載啟動方式，正常啟動后在切換至正轉并觀察油壓情況，若油壓過高反復進行操作，直至破渣機油壓控制在2.0 MPa 內；對破渣機滑板閥開關進行操作，板閥開度控制在25%～30%，從而調整破渣機相鄰動靜齒間隙，從而達到破碎渣塊目的。

3）渣收集罐底錐堵渣處理措施：分別將渣鎖斗和渣收集罐進行隔離，對安裝在渣鎖斗上方的充壓管線進行充壓，充壓后保證鎖斗壓力達到4.5 MPa，最后對收集罐與渣鎖斗質檢的連通閥壓差進行檢查；同時可通過對渣鎖斗進行泄壓，泄壓后壓力控制在低于氣化爐壓力在0.3～0.5 MPa 范圍內。

3.4 鎖斗系統故障處理措施

1）程控閥定位器故障處理措施：當程控閥定位器出現故障無法顯示饋信號時，在不解除聯鎖前提下手動打開鎖斗系統對反饋信號進行調試，調試完成后通過手動開關程控閥，運行正常后將系統設置“自動”運行模式。

2）程控閥內漏故障處理措施：當程控閥出現內漏后檢修人員對密封面位置進行手動調整，并多次充泄壓進行判斷內漏故障是否處理；若仍出現內漏時對小口徑閥門和大口徑閥門依次進行更換。

4 結語

2022 年上半年廣發化學工業有限公司甲醇生產過程中氣化爐故障率占總設備故障率的80%，氣化爐故障影響生產總時長242 h，設備維修費用達47.6 萬元，通過對氣化爐常見故障進行分析以及采取合理預防措施后，2022 年下半年氣化爐故障率達到了明顯控制，氣化爐故障率降低至4%,占總事故率不足14%，設備故障影響生產時間降低至37 h，設備維修費用減少至3.24 萬元，有效保證了甲醇廠安全高效生產，取得了顯著應用成效。