三噴嘴干煤粉氣化爐煤粉燒嘴優(yōu)化改進(jìn)研究

唐高榮

摘要：文章針對兗礦貴州開陽化工有限公司三噴嘴干煤粉氣化爐煤粉燒嘴在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，通過技術(shù)攻關(guān)，提出改進(jìn)方案及具體的改造措施。實施后，燒嘴及氣化爐運(yùn)行狀況得以明顯改善，運(yùn)行周期得以延長，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：三噴嘴干煤粉氣化爐；煤粉燒嘴；優(yōu)化改進(jìn)；效益分析

1研究概述

兗礦貴州開陽化工有限公司針對貴州當(dāng)?shù)亍叭呙骸保ǜ呋摇⒏呋胰埸c、高硫）的特點，依靠兗礦集團(tuán)技術(shù)支持，與德國科林公司、華東理工大學(xué)合作，針對當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)情況，開發(fā)出了國內(nèi)首套以西南地區(qū)“三高煤”為主要原料的干煤粉氣化技術(shù)，本氣化技術(shù)主要是采用三噴嘴頂置下噴式干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)，采用盤管式水冷壁換熱，水浴激冷，為“三高煤”的清潔高效利用探索了新的技術(shù)路線。公司年產(chǎn)50萬噸合成氨裝置中設(shè)置2臺氣化爐，采用兩開不備的運(yùn)行方式，正常運(yùn)行時兩臺氣化爐采用75%的設(shè)計負(fù)荷運(yùn)行，單爐投煤量為1 100t/d，氣化爐操作壓力4.0 MPa，粗合成氣有效氣（CO+H2）產(chǎn)量70 000 m3/h；氣化爐出口粗合成氣壓力3.8 MPa，溫度205-207℃，含塵量0.5-0.8 mg/m3，水氣比1；比氧耗為340 m3/km3，比煤耗為650 kg/km3，冷煤氣效率為80%，碳轉(zhuǎn)化率為98%。

燒嘴是氣化裝置上的關(guān)鍵設(shè)備之一，煤粉燒嘴的布置與數(shù)量是一臺氣化爐設(shè)計的核心所在，開陽化工氣化爐在煤粉燒嘴的布置上創(chuàng)造性地采用了頂置式三噴嘴布置，設(shè)置了一個點火燒嘴和3個煤粉燒嘴。其核心設(shè)計在于頂置的多噴嘴結(jié)構(gòu)，該設(shè)置可有效地優(yōu)化氣化爐內(nèi)部流場及煤粉運(yùn)動軌跡，提高煤粉的混合性，從而有效地提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)換率以及渣灰比，獲得較好的煤粉運(yùn)動軌跡，氣化爐筒體及頂部可形成較為均勻的渣層，從而對水冷壁盤管起到了有效保護(hù)作用。

2優(yōu)化改進(jìn)

2.1煤粉燒嘴通道優(yōu)化改進(jìn)

開陽化工氣化爐煤粉燒嘴采用夾套式設(shè)計，其中氧氣通道位于燒嘴中心，煤粉通道位于夾套縫隙。工藝燒嘴的煤粉通道，位于燒嘴內(nèi)外夾套中間環(huán)隙，環(huán)隙設(shè)有外壁支撐，煤粉通道分為3個，以120°均布在環(huán)隙空間。煤粉從煤粉入口進(jìn)入燒嘴后，沿3個通道向下，從下部出口出來后，順著螺旋軌道，旋轉(zhuǎn)進(jìn)入氣化爐，與中心通道出來的氧氣，進(jìn)行充分混合后反應(yīng)。具體燒嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1存在問題

煤粉燒嘴在煤粉通道入口外壁支撐處設(shè)有垛口式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)的設(shè)計初衷為：通過對煤粉載氣的破旋，使煤粉對于3個煤粉通道的均勻分布效果更好。初始設(shè)計時，假定煤粉清潔度較好，幾乎無雜質(zhì)，因而通過上述垛口式結(jié)構(gòu)可以達(dá)到理想的分布效果。但在實際使用過程中，因煤炭開采轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存及破碎、制粉流程較長，煤粉中摻雜一定的雜質(zhì)實際上難以避免，煤粉由通道輸送至燒嘴時，易在垛口處堆積，造成燒嘴通道入口處堵塞，從而造成煤粉入口通道的堵塞。開陽化工的生產(chǎn)實際應(yīng)用表明，該垛口式結(jié)構(gòu)設(shè)計的負(fù)面效果超過了正面效果。

2.1.2優(yōu)化改進(jìn)方案

針對上述運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，通過對比初始設(shè)計及實際使用效果，將煤粉進(jìn)入燒嘴后分為3個通道，切掉垛口結(jié)構(gòu)，并在外壁上打磨出一個坡度，使煤粉入燒嘴改為帶錐形角進(jìn)入。通過改造，實現(xiàn)煤粉雜質(zhì)沿著通道進(jìn)入，防止其掛在燒嘴入口處堵塞煤粉通道，從而減少對煤粉流量的影響，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2煤粉燒嘴膨脹節(jié)改進(jìn)研究

初始設(shè)計時工藝燒嘴根部設(shè)置有膨脹節(jié)，用以減少燒嘴在運(yùn)行中所受的熱應(yīng)力，但在實際應(yīng)用中，因膨脹節(jié)承壓性差（最高耐壓0.2 MPa），而氣化爐在開停車過程中，壓力變化較快，極易造成膨脹節(jié)內(nèi)外壓差過高，導(dǎo)致膨脹節(jié)損壞，從而使燒嘴冷卻水大量泄漏，危及系統(tǒng)運(yùn)行。針對這種情況，開陽化工在經(jīng)過論證后，認(rèn)為在運(yùn)行時工藝燒嘴所承受熱應(yīng)力不足以對燒嘴造成損壞，在該處設(shè)置膨脹節(jié)的意義不大，大膽假設(shè)可以將其取消。經(jīng)過改造后，經(jīng)小心取證反復(fù)觀測驗證，燒嘴運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)過燒嘴冷卻水嚴(yán)重泄漏的事故，保持了氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行。工藝燒嘴原膨脹節(jié)（己變形損壞）與改造后無膨脹節(jié)的工藝燒嘴對比，如圖4所示。

2.3工藝燒嘴頭部優(yōu)化改進(jìn)

工藝燒嘴在運(yùn)行時，受煤粉沖刷及爐膛內(nèi)高溫輻射，頭部磨損燒蝕難以避免；同時因開陽氣化原煤為當(dāng)?shù)馗吡蛎海铣蓺庵蠬2S含量高，對燒嘴有較強(qiáng)的腐蝕作用。一般運(yùn)行3個月后，燒嘴頭部均會出現(xiàn)不同程度的變形及磨損情況，從而影響燒嘴正常運(yùn)行，造成煤粉偏噴、霧化效果下降，導(dǎo)致水冷壁掛渣不均、碳轉(zhuǎn)化率降低等問題。

工藝燒嘴在運(yùn)行3個月后，燒嘴頭部耐火料己全部沖刷燒蝕，用以固定耐火料的抓釘亦嚴(yán)重?zé)g，中心氧槍頭部內(nèi)側(cè)因應(yīng)力作用產(chǎn)生了近1/2圈的裂紋，中心氧槍發(fā)生變形，造成與外環(huán)間隙不等距，煤粉因此發(fā)生偏噴。改造前使用3個月后的燒嘴頭部與改造后使用185天后的煤粉燒嘴頭部對比，如圖5所示。

針對該情況，開陽化工經(jīng)實測論證分析，認(rèn)定造成燒嘴損壞的主要原因為燒嘴頭部與外夾套材料材質(zhì)等級（602CA與904L），不能很好地適應(yīng)現(xiàn)有使用環(huán)境，為此，經(jīng)分析研究后，改用Incone1718與Incone1600材質(zhì)，并將燒嘴頭部整體挖出成型，以此消除因機(jī)加工及焊接等原因產(chǎn)生的潛在應(yīng)力。改進(jìn)材料和制作工藝后的燒嘴，運(yùn)行效果及使用壽命得到顯著提高（最長運(yùn)行周期達(dá)185天），較好地解決了因燒嘴壽命而制約系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

2.4優(yōu)化改進(jìn)效果

2.4.1煤粉燒嘴本體

（1）通過對燒嘴流道及流場分布進(jìn)行全新模擬分析，對燒嘴結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，最終確定燒嘴結(jié)構(gòu)形式并量產(chǎn)應(yīng)用，同時加強(qiáng)了煤炭運(yùn)行管理，使用改造后的燒嘴，未再出現(xiàn)因煤粉管線堵造成氣化爐停車。后期利用短停機(jī)會對氣化爐燒嘴進(jìn)行拆檢，燒嘴入口處未見纖維等雜物，氣化爐爐膛掛渣平整，渣層厚度均勻，實際應(yīng)用情況表明優(yōu)化改進(jìn)取得了預(yù)期效果，解決了燒嘴易堵、偏噴等技術(shù)難題；（2）燒嘴運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)過燒嘴冷卻水嚴(yán)重泄漏的事故；（3）煤粉燒嘴運(yùn)行效果及使用壽命得到顯著提高。

2.4.2氣化裝置

對優(yōu)化改進(jìn)前后氣化爐的運(yùn)行情況進(jìn)行對比驗證，主要圍繞燒嘴煤粉流量穩(wěn)定性及合成氣有效氣含量、水冷壁熱通量及掛渣情況、灰渣情況、燒嘴使用壽命等工藝指標(biāo)，對氣化裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行情況進(jìn)行分析評價，具體如表1所示。

上述各項數(shù)據(jù)與結(jié)果表明，優(yōu)化改進(jìn)后，各項主要工藝指標(biāo)運(yùn)行平穩(wěn)，氣化爐運(yùn)行狀況良好，碳轉(zhuǎn)化率得以提高，灰渣可燃物大大降低，提高了有效氣成分百分比，提高了氣化爐的有效運(yùn)行時間，奠定了氣化爐安全穩(wěn)定長周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，該研究與應(yīng)用項目取得了成功。

3效益分析

3.1經(jīng)濟(jì)效益

三噴嘴干煤粉氣化爐煤粉燒嘴優(yōu)化改進(jìn)以來，氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益明顯。改造實施前后一年同比實現(xiàn)合成氨增產(chǎn)3.2萬噸，液氨價格按2 000元/噸計，年創(chuàng)效3.2*2000=6 400萬元。

3.2社會效益

作為國內(nèi)首套以“三高煤”為單_入爐煤種的三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)，應(yīng)用于貴州開陽化工年產(chǎn)50萬噸合成氨項目，通過在煤粉燒嘴結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面作出了一些嘗試，在生產(chǎn)中取得較為良好的效果。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功運(yùn)用以及對相應(yīng)設(shè)備技術(shù)的后續(xù)改造優(yōu)化升級，為三高煤提供了一種高效成熟的清潔利用技術(shù)，對于貴州、山西等省份存在的劣質(zhì)三高煤就地轉(zhuǎn)化，提供了強(qiáng)力的技術(shù)支持。