气化炉锁斗系统常见问题及优化改造措施

时间：2024-09-03

李水龙，温彦博，王兴盛，刘健童，杜小刚

（甘肃华亭煤电股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肃华亭744100）

在煤气化工艺中，锁斗系统被普遍应用，是确保气化炉正常运行的重要环节。气化炉内反应后剩余的灰渣以粗渣形态进入锁斗系统，被收集后排至界外。因锁斗系统运行介质主要为粗渣含量较大的黑水，加之锁斗系统相关阀门管件每半小时要承受一次高低压变化，因此锁斗系统故障率较高[1]。本文以某甲醇生产企业锁斗系统为例，研究分析了锁斗系统常见问题，并提出优化改造措施，以实现锁斗系统运行的安全性和稳定性，保证煤气化装置的长周期稳定运行[2]。

1 锁斗系统流程

锁斗系统流程示意图见图1。煤浆进入气化炉，经反应后剩余的灰渣以及未完全反应的残炭与激冷水热质交换后，沉降至气化炉激冷室底部，经破渣机破碎后，粗渣进入锁斗系统。

图1 锁斗系统流程示意图

锁斗循环大致分为泄压、冲洗、加压、排渣及收渣5 个阶段。锁斗在收渣状态时，锁斗安全阀、收渣阀打开，经破渣机破碎后的粗渣依靠锁斗循环泵提供的流动动力，由激冷室底部沉降至锁斗内，当收渣时间达到预设时间(28 min）后，收渣阀关闭，锁斗循环泵入口阀关闭，循环阀打开，通过锁斗循环泵进行自回流。锁斗系统进入泄压步骤，即泄压阀打开，待锁斗系统压力降至接近常压（≤0.28 MPa）时，锁斗系统泄压完毕，泄压清洗阀打开，低压灰水被用于清洗锁斗泄压管线。清洗完成后，泄压清洗阀关闭。锁斗冲洗水阀、排渣阀依次打开，利用锁斗冲洗水罐灰水将锁斗内积渣冲洗置换至渣池渣水侧，当锁斗冲洗水罐液位低报警时，排渣阀、锁斗冲洗水阀依次关闭。随后锁斗加压阀打开，来自灰水处理工段的高压灰水（7.8 MPa）为锁斗系统加压，至锁斗系统与气化炉系统压差低低报警（≤0.26 MPa）时，锁斗加压阀关闭。待锁斗加压完成后，收渣阀打开，锁斗循环泵入口阀打开，循环阀关闭，锁斗重新进入收渣状态。渣池渣水侧内的粗渣经静置沉降一段时间（12 min）后，渣池溢流阀打开，渣池上部的澄清液溢流至渣池清水侧。通过锁斗系统5 个阶段的连续循环运行，实现了气化炉与锁斗系统的定时连通及隔离，达到了收集、排放气化炉粗渣的目的。

2 锁斗系统存在的问题及优化改造措施

2.1 泄压管线振动问题及优化改造措施

在锁斗系统泄压过程中，因泄压阀至锁斗冲洗水罐为低压区（0.2 MPa），而锁斗系统为高压区（6.9 MPa），泄压阀在打开时，锁斗系统内高压水瞬时向低压区泄放，形成了较大冲击力，引起锁斗泄压管线剧烈振动，管道管件移位，甚至发生管道焊缝撕裂等问题。据统计，某甲醇生产企业在开车初期，锁斗泄压管线安全阀和导淋阀根部焊缝补焊40 余次，泄压阀故障近10 次，并造成生产减负荷2 次、气化炉停车1次[3]。为此，提出了锁斗系统泄压管线优化改造方案，具体改造流程如图2 所示（图中虚线部分为此次改造部分，云线内为2.3 节新增并联锁斗循环泵改造）。

图2 锁斗泄压管线改造流程示意图

锁斗泄压清洗管线是锁斗系统高压区和低压区的连接通道，主要作用是为锁斗系统泄压和泄压管线的清洗，而锁斗冲洗水管线也具有连接锁斗系统高压区和低压区的作用。因此，将锁斗泄压清洗管线管件取消，在锁斗冲洗水阀及止逆阀处新增泄压阀组（见图2 虚线处），并对锁斗程序进行改进，改进后的主要锁斗程序步骤如下：

（1）泄压步骤：泄压阀组打开；

（2）排渣步骤：冲洗水阀打开，排渣阀打开；当锁斗冲洗水罐液位低报警后，排渣阀关闭，冲洗水阀、泄压阀组关闭；

（3）加压步骤：加压阀打开，气化炉与锁斗系统压差低低报警后，加压阀关闭；

（4）收渣步骤：收渣阀打开，锁斗循环泵入口阀打开，循环阀关闭。

因取消了锁斗泄压清洗管道管件，并将锁斗泄压管件移至冲洗水管件旁路处，故而在锁斗泄压阀系列管件实际配管以及锁斗程序改进过程中，要将锁斗排渣步骤中利用锁斗冲洗水罐灰水冲洗锁斗泄压管线作为重点。在实际配管中，泄压阀系列管件标高要低于冲洗水阀系列管件，同时在排渣步骤中，锁斗泄压阀要先于冲洗水阀打开，后于冲洗水阀关闭，以此提高锁斗冲洗水罐灰水冲洗泄压管线的效果。

2.2 锁斗循环泵进出口阀门管件泄漏问题及优化改造措施

该甲醇生产企业在生产初期，锁斗循环泵进出口阀门管件频繁发生刺漏，仅2015 年因锁斗循环泵进出口阀门管件刺漏，导致气化炉停车2 次，减负荷3次，全年总计影响甲醇产量约1 333 t。

针对该问题，企业进行了专题分析。煤气化工艺包中锁斗循环泵出口流量设计为63.49 m3/h，但该泵在实际选型过程中，泵选型额定流量为100 m3/h，锁斗循环泵出口管线最小管径为100 mm，最大管径为150 mm，根据核算，原设计锁斗循环泵出口流速为2.25 m/s，实际出口流速为3.53 m/s，实际流速为设计流速的1.57 倍。因此，引起锁斗循环泵进出口阀门管件频繁刺漏的主要原因为锁斗循环泵选型过大。

为了充分利用已有设备，最大程度减少改造投入，企业根据原设计出口流量数据，重新核算锁斗循环泵叶轮尺寸，将原锁斗循环泵叶轮外径缩小，并将叶轮形式由闭式改为了半开式。改造后，从根本上解决了锁斗循环泵进出口管件泄漏问题。

2.3 锁斗循环泵机械密封故障及优化改造措施

锁斗循环泵在运行初期，机械密封频繁出现过热烧毁或泄漏问题，严重影响生产系统长周期稳定运行。经研究分析，主要原因为机泵密封水投用量不连续，针对该设计缺陷，该甲醇生产企业实施了提高密封水总管压力、改造密封水管道管径、新增锁斗循环泵的优化改造措施。

气化工段密封水换热器原设计压力为8.3 MPa，实际工作压力为8.0 MPa，锁斗循环泵出口压力最高能够达到7.5 MPa，除去管道阻力损失，锁斗循环泵密封水很难有效保障密封效果。因此将密封水换热器设计压力由原8.3 MPa 提高至9.0 MPa，同时核算锁斗循环泵密封水管线实际配管以及密封水管线实际管径，对锁斗循环泵密封水管线进行改造：将冷密封水至锁斗循环泵总管由原DN20 改至DN40，密封水支管由原DN15 改为DN20。经过上述两项优化改造，从根本上解决了锁斗循环泵机械密封故障问题。

另外，为了降低锁斗循环泵故障对生产系统的影响，在原工艺设计基础上新增并联了1 台锁斗循环泵（图2 云线部分），当运行锁斗循环泵机械密封故障后，能够实现锁斗循环泵的在线切换，有效避免了生产系统减负荷甚至气化炉停车事故发生。

2.4 锁斗排渣系统问题及优化改造措施

按照原设计，每套锁斗系统对应一套渣池/ 捞渣机，当渣池或捞渣机故障后，锁斗系统将停止收渣，导致气化炉系统经常因积渣时间过长而被迫停车。针对该问题，提出在锁斗排渣管道增加排渣旁路管线的优化改造措施，具体改造流程如图3 所示（虚线部分为新增管线）。因气化炉系统设计为两开一备，在正常生产运行过程中，一套锁斗排渣系统长期处于备用状态。因此，在锁斗排渣管道上增加排渣旁路管线，考虑到锁斗排出的灰渣极易沉积堵塞管道，新增旁路管道在实际配管中必须保证足够的下倾角度，同时增设管道冲洗水。当锁斗排渣系统出现问题后，能够通过排渣旁路管线借用备用锁斗排渣系统进行排渣，锁斗完成排渣后，利用冲洗水对排渣旁路管线进行冲洗，避免灰渣沉积。

图3 锁斗排渣管线改造流程图