煤气化设备工程设计中的安全

1工艺安全方面的改进

水煤浆气化装置的安全性一直都是人们关注的重点，GE在不断地改进。国内的煤气化装置用户也在气化装置运行实践中发现了很多问题，并提出了改进建议。本煤气化装置在设计阶段已经根据已有煤气化工厂的实际运行经验和一些成熟的改进建议进行了优化设计，着力提高水煤浆气化装置的系统安全性，主要改进如下。1超高压氮气系统改进超高压氮气用于开、停车，对气化炉和炉头的氧气管线、水煤浆管线进行吹扫和氮气保护，保证在开、停工和故障时气化炉系统的安全。本气化装置在设计时采用GE对超高压氮气系统的最新改进[1]，新、老超高压系统的对比。可以发现新的超高压氮气吹扫系统为每套气化炉增加了专用于形成“氮塞”的氮气缓冲罐，同时增加了从专用氮气缓冲罐到中心氧管的吹扫管线。2气化炉安全联锁改进为避免正在运行的煤浆管线排污阀误操作，导致气化炉过氧高温气体回窜引起煤浆管线爆炸事故；同时，为能及时发现气化炉渣堵现象和激冷环喷嘴堵塞，保证气化炉安全，本装置在设计中分别增加了气化室与煤浆管线之间的压差联锁、气化室和激冷室之间的压差联锁以及进气化炉的激冷水与气化室合成气之间的压差联锁等多个联锁跳车功能。气化室与煤浆管线压差联锁防止煤浆管线意外泄压造成气化炉过氧回窜入煤浆管线而引起事故；气化室和激冷室压差联锁用于解决气化室渣口或下降管堵渣而引起的安全问题；激冷水与气化炉合成气压差联锁用于在激冷环激冷水孔堵塞而引起激冷水流量不足时，紧急联锁停车。这些安全联锁措施的引入，增加了气化炉本质安全性，强化了对气化炉系统的安全保护。3烧嘴冷却水系统改进本装置在设计中对烧嘴冷却水系统改进主要有2项：一是为烧嘴冷却水贮槽和烧嘴冷却水分液罐增加了氮封；二是在烧嘴冷却水分液罐上设置爆破片。

2关键管道材料选择

1氧气管道高纯氧气的高压输送具有较大的危险性。根据欧洲工业气体协会（EIGA）的标准，氧气管线如采用304不锈钢材质，氧气压力在小于10MPa时，PV=45MPa·m/s，本装置氧气压力6.8MPa，即流速限值为6.6m/s。本工程设计中，从空分装置到气化装置的氧气总管采用304不锈钢，最高流速7m/s，满足流速限值的要求，应该是安全的。但气化炉附近的氧气管线上，装有氧气流量计、限流孔板等节流元件，以及氧气管线上包含的控制阀、手动阀等在开关操作时，局部流速会高于6.6m/s，因此气化炉炉头附近的氧气管线和管件采用普通304不锈钢是不安全的。本水煤浆气化装置的氧气管线选用Inconel625合金，以保证高纯氧气输送的安全性。2黑水管道GE工艺包对黑水管线选材原则是：氯离子浓度≤150×10-5，选用316L不锈钢。氯离子浓度≥150×10-5，选用SS2507不锈钢。在GE工艺包的设计中，黑水中的氯含量都高于150×10-5，因此普遍建议采用双相不锈钢2507。由于双相不锈钢价格昂贵，且双相不锈钢管道及阀门在国内采购较为困难。因此，考虑避开双相钢，使用“黑水管线采用316L不锈钢，同时提高本气化装置的黑水流量以及加大气化装置外排水量，将黑水中氯离子浓度降到150×10-5以下”方案。在具体实施过程中，由于装置黑水管线的设计温度为268℃，设计压力5.56MPa，如果采用316L，管道的压力等级将选用900lb，造成管线及阀门投资费用的增加。如果采用316，600lb等级的材料即可满足本装置设计温度和压力的要求。由于黑水中存在甲酸等有机酸，316抗晶间腐蚀能力低于316L。通过与工艺包提供商的交流，GE认为可以采用316不锈钢。最终选用316不锈钢作为黑水管线的材质。

3环境保护方面的改进

随着环境保护意识提高，在工程设计中增加环境保护内容，尽可能地优化设计，做到零排放、少排放、或有序排放。1采用两级真空闪蒸在黑水闪蒸部分，多数煤气化装置的真空闪蒸系统都采用一级真空闪蒸，真空度为-0.08MPa，闪蒸温度60℃左右，造成排入下游沉降槽的黑水温度偏高，沉降槽设计为敞口设备，会产生大量的蒸汽散发。在冬季会造成现场蒸汽弥漫，同时也造成大量水的浪费，增加了水耗。为改变这种现状，本装置的真空闪蒸系统，采用两级真空闪蒸设计。第一级真空闪蒸压力为-0.07MPa，闪蒸温度70℃；第二级真空闪蒸压力为-0.093MPa，闪蒸温度为44℃。由于第二级闪蒸后送入下游沉降槽的黑水温度较低，水汽蒸发量大大降低，极大改善了现场环境。2除氧器排放改进气化装置中除氧器的顶部排放气约500kg/h，排放温度109℃，压力≤0.04MPa。排放气中97%为水蒸气，其余为CO2及微量的H2、CO、NH3、H2S等，其中NH3总排量为0.71kg/h，H2S为0.5kg/h，气体出口距地面30m以上，满足直接放空的要求。由于除氧器顶部的排放气温度较高，直接放空会导致水的大量散失，引起装置水耗增加，还会导致现场水汽弥漫；同时，在排放气中含有少量NH3、H2S等恶臭物质，会严重污染周围环境。因此，将该排放气经冷却分液后送入火炬，充分燃烧后高空排放，避免了可燃、有毒物质直接排入大气。由于火炬总管压力不稳定，正常时可能为几个kPa到几十kPa，当有火炬气排放时，火炬总管的压力最高可达0.05MPa以上，考虑到这种情况，将除氧器排放气送入火炬总管的同时，保留了直接放空的管线，一旦监测到火炬总管压力过高，将手动切换至直接放空。该设计使大气污染物经焚烧处理后高空排放，大大改善了环境卫生状况，同时也减少了水汽散失，降低了气化装置的总体水耗。

作者：曲友方裴志单位：中国石化南京工程公司