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气体在线分析仪表在水煤浆气化装置中的应用

时间:2018/09/17来源:未知

摘    要:由于煤气化装置的工况复杂恶劣,其在线分析仪表的设计及应用一直是个难题,结合实际工程,通过对水煤浆气化装置中在线分析仪表的设计及分析系统,包括取样装置、取样传输、样品预处理装置、尾气排放的介绍,论述在线分析仪表在水煤浆气化装置中的应用。

  中海油华鹤煤制化肥项目是东北极寒地区条件下第一个典型的煤化工项目,其煤气化装置设有3台气化炉,采用GE水煤浆气化工艺技术,以水煤浆为原料,用空分装置供给的氧气作催化剂,在温度为1400℃、压力约为6.5 MPa(G)的条件下在炉内进行气化反应,生成以H2、CO为主要成分的粗合成气,经冷却洗涤后的粗煤气送至合成氨装置[1]。

1、水煤浆气化装置工艺概况及在线分析仪表设置:

1.1、烧嘴冷却回水分离罐放空管线一氧化碳分析仪的设置:

  水煤浆气化炉的烧嘴在正常运行时,烧嘴冷却水能为烧嘴提供足够的冷却和保护,若烧嘴冷却水盘管出现泄漏或损坏,将直接导致气化装置停车。烧嘴冷却水盘管有较明显的损坏时,通过对烧嘴冷却水系统的分析就可以判断是否需要采取停车措施,若烧嘴冷却水盘管出现轻微损坏时,仅有少量合成气进入烧嘴冷却水中,烧嘴冷却水系统不能及时反映出烧嘴冷却水盘管是否已经出现损坏。为了能及时监测盘管内的冷却水是否有泄露的气体,缩短泄露到检测的时间,采用向烧嘴冷却回水分离罐中连续通入少量N2,并采用N2放空方式,以加快气体的流速,通过在烧嘴冷却回水分离罐N2放空管线上设置的CO碳分析仪,可以及时监测烧嘴盘管是否发生泄漏。

1.2、洗涤塔出口合成气中多组分含量分析仪的设置:

  气化炉进料的氧碳比发生偏差时,表现最明显的就是气化炉的温度发生变化。通过气化炉上热电偶测得的温度可以判断气化炉运行是否正常,但气化炉在正常生产时,热电偶会遭受高温熔渣的磨损以及合成气的氢蚀,设置的热电偶测量气化炉温度的可靠性会大大降低。根据水煤浆气化炉的实际运行经验,合成气中的甲烷含量与气化炉温度有直接联系[2]。为了更准确判断气化炉温度,设置甲烷分析仪可以间接得出气化炉的操作温度。同时设置CO、H2、CO2等多组分分析仪进行综合判断,这样可以对热电偶所测的气化炉温度进行确定,以便实时掌握气化炉的运行状况,保证气化炉安全、稳定的运行。另外,通过对合成气的主要组分含量的分析,方便实时掌握产品气的有效气(CO,H2)含量、气化的效率,同时可以根据测量出的H2S含量指导下游装置的生产操作。由于气化炉出口粗合成气中杂质等固体颗粒较多,经过洗涤塔洗涤后的合成气已相对干净,所以将对合成气进行在线分析的取样点设在了洗涤塔出口的管线上[3]。

2、在线分析仪表的选型:

  洗涤塔出口管线设置在线分析仪表,主要分析合成气中CH4、CO、CO2、H2、H2S、Ar和O2的含量,其中CO、CO2、H2、H2S、Ar和O2多组分气体分析采用质谱分析仪。质谱分析具有灵敏度高、样品用量少,同时分离鉴定、分析速度快等特点。由于3套气化炉洗涤塔出口粗合成气含量组分以及其工艺状况全部相同,不存在相互干扰的情况,所以装置3套气化炉洗涤塔共设计安装1台Pro Maxion AMETEK四级杆质谱分析仪(3流路),在一定程度上降低了成本。

  由于在线质谱仪也有一定的分析周期(单流路周期40 s),因此为每台气化炉洗涤塔粗合成气分析还设置一台Emerson X-stream型红外分析仪,用来实时检测分析合成气中CH4含量,便于及时对气化炉操作温度进行判断,更加及时指导生产。同样,为了能够及时判定烧嘴盘管是否泄漏,每台气化炉烧嘴冷却水回水分离罐放空CO含量分析采用Emerson X-stream型红外分析仪。红外分析仪具有测量范围宽、灵敏度高、精度高、稳定性好、响应时间快的特点,相对于其他分析仪表成本相对较低[4-5]。

3、在线分析仪样品处理系统的设计:

  根据上述工艺需要,在水煤浆气化装置中分别设置了测量烧嘴冷却回水分离罐放空管线中CO含量的红外分析仪;测量合成气中CH4含量的红外分析仪和测量合成气中H2、CO、CO2、H2S含量的在线质谱分析仪,在线分析仪表能否长周期正常平稳运行,关键在于在线分析仪样品的处理系统设计是否合理,针对煤气化工艺的特点,在线分析仪样品处理系统必须包含脱水、除尘、减压、控温以及防冻等功能。样品处理系统包括样品提取、样品传输、样品预处理以及尾气排放。

3.1、取样装置:

  由取样点取出的试样应有代表性,尽可能的干净,而且要求在通过取样系统后不会引起组分和含量的较大变化,在烧嘴冷却水分离罐顶部放空的低压氮气比较单一和干净,因此,取样器采用如图1所示的取样方式,将取样管(探头)插入到工艺管线的中心处,采样探头的斜坡面背向流体,这样设计的目的是利用惯性分离原理,将探头周围的颗粒物从流体中分离出来,防止大量固体粉尘聚集堵塞采样管线。

图1 烧嘴冷却水分离罐放空气取样装置Fig.1 Burner cooling water separation tank air sampling device

图1 烧嘴冷却水分离罐放空气取样装置Fig.1 Burner cooling water separation tank air sampling device

  洗涤塔合成气的取样点位于合成洗涤塔顶部合成气出口管线上,气体组分中水的体积含量较高(约为56%),而且介质中还含有固体颗粒(煤渣、微尘等)和反应副产物,采用图2所式的取样装置能够脱除样品中90%以上的饱和水、绝大多数的水溶性副产物(NH3等)和大部分的固体颗粒。取样装置包括取样阀、过滤装置、气液分离器装置。取样阀对取样装置维护时切断工艺气体;在过滤装置中设置过滤网,过滤掉样气中的固体颗粒杂质;气液分离装置其实就是冷却换热装置,热的样气由下向上从气液分离装置管中间通过,循环冷却水由上向下从管内通过,冷却过程中样气中的水被冷凝,向下流动,固体颗粒被析出的饱和水逆流冲刷带回工艺管道,大大减轻了后级样品预处理的负担,而且达到了自清洗、自净化的目的[6]。

图2 合成气取样装置Fig.2 Synthetic gas sampling device

图2 合成气取样装置Fig.2 Synthetic gas sampling device

3.2、样品传输:

  样品传输管选用6 mm不锈钢管,为防止样品气中微量水冷凝以及氨盐等物质结晶析出堵塞样品传输管线,采用低压蒸汽(0.6 MPa,220℃)对样品传输管线进行伴热和保温。样品传输管线伴热一年四季禁停,而且样品传输管线伴热要覆盖死角,全面保温。另外,样品传输管线应尽可能短(一般不要超过30 m),以减少分析滞后时间。

3.3、样品预处理系统:

  在线分析仪对样品的温度、流量、压力、含水量以及灰尘粒度等条件要求非常严格,样品的品质往往直接影响分析仪的使用效果,甚至毁坏分析仪表的器件,它是在线分析仪样品处理系统的核心。

1)烧嘴冷却回水分离罐CO红外分析仪预处理装置

  为随时掌握烧嘴的状况,需要提高CO分析仪的实时性,分析就地柜就设置于取样点旁边。由于取样点的压力较低(常压),在设计样品预处理系统时设有气体抽气泵和快速排放回路,以缩短样品气的传输时间,进而提高CO分析的实时性。来自采样探头的样品在抽气泵的作用下,流经采样管线到达如图3所示的预处理装置,由于介质中含有少量的水和固体杂质,对红外分析仪的测量结果有很大影响,所以通过设置气液分离罐除去少量水分和部分杂质,再利用仪表风驱动旋风制冷器制冷,再次除去饱和析出的水分和部分杂质,进入仪表的样品再经过过滤器,并设有稳压阀和www.yzc888.com,使进入仪表的样品达到进样的要求。为便于维护和标定分析仪,预处理中还设置了标定口。

图3 一氧化碳红外分析仪预处理装置Fig.3 Pretreatment device for CO infrared analyzer

图3 一氧化碳红外分析仪预处理装置Fig.3 Pretreatment device for CO infrared analyzer

 

2)洗涤塔出口粗合成气质谱分析仪和甲烷红外分析仪预处理装置

  粗合成气中的水含量较高,样品气通过取样装置预处理后,还需要二级预处理如图4所示,为了保证分析仪系统的响应时间,采用快速回路,通过设置一级过滤器去除介质中的杂质,设置的气液分离罐和旋风制冷器制冷进行双重除水,饱和析出的水分和部分杂质经气液分离罐及排放管线进行排放,再经过二级过滤器过滤[7],并设有稳压阀和www.yzc888.com,使样品达到质谱仪要求的工作压力和流量,最后再分两路取样管线分别进入质谱仪和甲烷红外分析仪进行分析。

图4 质谱和甲烷红外分析仪预处理装置Fig.4 Pretreatment device for mass spectrometry and methane infrared analyzer

图4 质谱和甲烷红外分析仪预处理装置Fig.4 Pretreatment device for mass spectrometry and methane infrared analyzer

 

3.4、尾气排放:

  烧嘴冷却回水分离罐放空管线中样品气主要为N2,样气比较单一和干净,无污染,而且所需分析样品气量很小,所以快速回路及分析仪出口样气排放采取引至高点直接对大气放空。而洗涤塔出口粗合成气中含有CH4、CO、CO2、H2、H2S等可燃有毒有害气体,而且3套装置共用1套放空系统,所需分析样品气量较大,所以快速回路连接至火炬气管线进行燃烧,分析仪出口样气排放采取引至高点直接对大气放空。对于这种多套分析仪出口尾气排放共用一套的放空系统:

1)放空管线设计的内部通径是否符合样气放空量要求,否则会因为样品流量的波动而影响分析仪的测量;

2)每台分析仪出口排放管线设置单向阀或开关阀:一方面当单台分析仪故障时可以切断管路中样品气进行检修;另一方面当分析仪停运时可以防止杂质、水汽通过放空管线返回到分析仪测量气室中,起到保护作用[8]。

4、结语:

  中海石油华鹤煤化项目自2015年5月开车以来,以上设计的在线分析仪表系统通过了东北极寒地区条件下的考验,在水煤浆气化装置中运行状况相对稳定,分析数据可靠,而且分析预处理系统维护量较小,为气化炉的安全运行提供了指导和帮助,从而保证了装置安全、平稳、长周期的满负荷运行。


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