Shell煤氣化燒嘴罩運行維護策略

李 剛

(中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術，是發展煤基大宗化學品和液體燃料，合成先進的整體氣化聯合循環發電系統、多聯產系統、制氫、燃料電池、直接還原煉鐵等過程工業的基礎，是這些行業發展的關鍵技術、核心技術和龍頭技術[1]。Shell煤氣化工藝(Shell Coal Gasification Process，簡稱SCGP)是在高溫、高壓條件下，以干粉煤為原料，采用氣流床氣化、液態排渣的第二代煤氣化工藝之一。近年來，國內外累計投建32套SCGP煤氣化裝置，在裝置開車和運行中曾發生合成氣激冷管線腐蝕泄漏、十字吊架積灰、堵渣、燒嘴和燒嘴罩損壞[2]、飛灰過濾器濾芯損壞[3]以及文丘里洗滌器結垢等問題。燒嘴罩是SCGP裝置的重要設備之一，其良好運維是保障裝置長周期運行的前提。

1 SCGP工藝原理

1.1 工藝原理

煤粉、氧氣及少量蒸汽在加壓條件下通過煤燒嘴并流進入SCGP氣化爐，在溫度1 400～1 600℃、壓力3.0～4.0MPa條件下瞬間完成升溫、脫除揮發分、裂解、燃燒、氣化等一系列物理和化學過程，產出有效氣(CO+H2)含量大于85%的粗合成氣。熔渣沿膜式水冷壁向下流入底部渣池，粗合成氣通過合成氣激冷及冷卻器降溫后，再經干法、濕法除灰，得到含灰量低于1mg/m3的合成氣。SCGP煤燒嘴安裝在氣化爐下部，對列式布置，數量一般為4～6個。SCGP氣化爐典型流場見圖1。

圖1 SCGP氣化爐流場

1.2 以渣抗渣

SCGP裝置膜式水冷壁內是強制循環的高壓鍋爐水，水冷壁向火面焊接銷釘，并覆蓋耐火材料。總渣層包括固相渣層和流動渣層兩部分：裝置運行時，爐膛內熔渣在重力作用下沿膜式水冷壁向下流動，貼近壁面的熔渣被冷卻形成固相渣層，遠離壁面的熔渣依然以液態流動渣層形式存在。渣層的存在使得水冷壁避免了反應腐蝕、高溫燒蝕和熔渣磨蝕，使用壽命大大延長，此即為“以渣抗渣”。

2 燒嘴罩設計理念

2.1 設計理念

燒嘴罩是SCGP裝置的關鍵設備之一。設備安裝時，燒嘴罩插入氣化爐有一定深度，其外圈水冷管比燒嘴頭部突出許多，以阻止高溫熔渣流入煤燒嘴出口區，造成火焰偏流和不均勻流場。燒嘴罩插入深度主要取決于氣化爐膜式水冷壁總渣層厚度，而總渣層厚度與煤質灰分含量、生產負荷、灰熔點、操作爐溫等因素有關：灰分含量、生產負荷、灰熔點與總渣層厚度正相關，而操作爐溫與總渣層厚度負相關。燒嘴罩結構見圖2。

2.2 結構參數

結合使用經驗，SCGP燒嘴罩先后進行了多次更新換代。Ⅰ代燒嘴罩水冷管有7～8圈，壁厚5.6～6.3mm，插入深度約26mm；Ⅱ代燒嘴罩水冷管有7～9圈，壁厚4.0mm，插入深度約51～114mm；Ⅲ代燒嘴罩水冷管有7圈以上，壁厚4.0mm，插入深度約60mm以上。未損壞的燒嘴罩見圖3。

圖2 燒嘴罩結構

圖3 未損壞的燒嘴罩

2.3 渣溢流形態

正常工況下，熔渣沿水冷壁往下流動，途經燒嘴罩時沿其外環向兩側分流，燒嘴罩內環中心的燒嘴火焰不會被熔渣影響而出現偏流。異常工況下，熔渣溢流漫過燒嘴罩外沿，使火焰發生偏斜，進而導致燒嘴罩損壞。根據其形態的不同，熔渣溢流可分為滴狀流、外擺滴狀、短暫過流以及穩態過流。

2.4 操作窗口

為確保燒嘴罩有效保護煤燒嘴，氣化爐須在操作窗口的兩個邊界之內：渣層太薄，會造成水冷壁釘頭損壞；渣層太厚，會導致熔渣溢流進燒嘴罩。氣化爐操作窗口大小受燒嘴罩插入深度和渣層實際厚度雙重因素限制，其中，渣層厚度與總灰量、灰熔點、黏溫特性以及氣化爐爐溫等有關。

3 損壞現象、原因分析及應對策略

3.1 損壞現象

經驗表明，SCGP經歷長周期運行后容易發生燒嘴罩損壞的現象，損壞位置大多情況出現在從內往外數的第2～5圈。燒嘴罩水冷管損壞后會發生泄漏，漏點是一個由無到有、由小到大的過程。裝置運行期間，漏量較小時往往不易被察覺，漏量較大時容易導致渣水系統堵渣。停車檢修時，燒嘴罩損壞處漏水、滲水或有射流是極為顯著的現象。檢修期間漏水的燒嘴罩見圖4。

圖4 漏水的燒嘴罩

3.2 原因分析及應對策略

3.2.1熔渣溢流進燒嘴罩

熔渣溢流進燒嘴罩是燒嘴罩損壞的主要原因之一，煤燒嘴頭部損壞有時也與熔渣溢流有關。不同形態下的熔渣溢流對燒嘴罩有不同程度的損壞，熔渣溢流量越大，持續時間越長，越容易造成燒嘴罩損壞。

經分析，熔渣溢流進燒嘴罩的原因主要有以下幾點：①融渣溢流進燒嘴罩干擾了火焰正常流場；②渣層的實際厚度相比燒嘴罩的插入深度太厚，煤質灰分過高、灰熔點過高或者爐溫過低都會導致渣層過厚。

應對措施：①選擇合適的煤質，并保持煤質穩定供應，煤質控制指標為：原煤水分≤10%，灰分12%～25%，灰熔點(FT)1 250～1 550℃，爐渣黏度25～40Pa·s，揮發分<35%，哈氏可磨指數(HGI)>65；②原料煤進爐前及時開展煤質分析，根據煤質特性有預判性地進行操作調整；③適量添加石灰石，避免灰熔點和黏度過高；④控制操作窗口不低于100℃，以適應爐溫正常波動；⑤平穩提升負荷，避免進煤量、灰總量突然增大造成渣層變厚；⑥優化消橋操作，調控保障煤線穩定；合理控制進煤量，避免過量灰分產生過厚渣層；⑦增加燒嘴罩的插入深度，以增大操作窗口、增強操作彈性。

3.2.2外層水管過熱

造成外層水管過熱原因主要有以下幾點：①燒嘴罩盤管內孔板發生堵塞，造成冷卻水量不夠；②爐溫過高，氣化爐發生整體過燒；③煤閥卡澀、煤線劇烈波動、煤線儀表不準等導致實際O2/C比過高，局部過燒；④高壓鍋爐給水水質差，或者汽包排污不及時導致爐水水質下降；⑤汽包及水汽系統沒有建立良好的鈍化膜或鈍化膜遭到破壞。

措施與建議如下：①在氣化爐運行和開、停車時，避免局部過熱，實際O2/C比不能超過臨界極限；②通過增加供水量和減小管子壁厚，強化燒嘴罩管子冷卻；③保持給煤和爐溫穩定，避免偏燒和過氧運行；④加強操作人員培訓，積累應變經驗，提高操作技能；⑤進一步優化燒嘴罩設備結構，加快更新換代，進一步延長使用壽命，提高維修、維護效率。

4 結語

熔渣溢流進燒嘴罩和外層水管過熱是影響SCGP燒嘴罩使用壽命的主要原因。在生產運行中，需綜合考慮煤質、煤線、氧煤比、爐溫控制、設備安裝、燒嘴罩冷卻水等各種因素，以避免外層水管過熱和熔渣溢流進燒嘴罩，從而最大程度延長燒嘴罩的使用壽命，確保SCGP裝置實現長周期運行。