關于多噴嘴氣化爐燒嘴壓差波動原因的探討

陶新兆，邵正軍

(中鹽安徽紅四方股份有限公司， 合肥 231607)

1 概況

中鹽安徽紅四方股份有限公司年產30萬t乙二醇、10萬t甲醇、5萬t碳酸二甲酯項目配套的氣化裝置于2018年8月建成投運。

多噴嘴氣化爐的工藝燒嘴為三通道預膜式燒嘴，即煤漿走中間通道，氧氣走外通道和內通道。在氣化爐正常運行過程中，煤漿在流經工藝燒嘴時，需要克服燒嘴煤漿通道阻力，在氧氣碰撞、剪切作用下，還需要克服氧氣碰撞、剪切的阻力，總的阻力即為燒嘴壓差[1-2]。一般氣化爐滿負荷運行時，燒嘴壓差為0.23～0.25 MPa，在氧氣流量調節閥開度不變的情況下，當出現某一只或多只燒嘴壓差波動(下降)時，伴隨著對應燒嘴的氧氣與氣化爐燃燒室之間的壓差(簡稱氧氣壓差)也同步出現波動(下降)，氧氣流量增加[3]。燒嘴壓差穩定運行106 d后的工藝燒嘴見圖1。

圖1 燒嘴壓差穩定運行106 d后的工藝燒嘴

燒嘴壓差波動(下降)時，在控制氧煤比不變的情況下，除了偶爾伴隨著氣化爐壓差波動、爐壁溫度變化外，其他無明顯變化。從表象上看，燒嘴壓差波動似乎對氣化爐的安全穩定運行影響不大，但通過長時間運行觀察及停爐后的檢查發現，燒嘴壓差波動(下降)對氣化爐存在危害，主要表現為：(1)氣化爐內流場發生改變甚至紊亂，影響耐火磚的使用壽命；(2)回火燒蝕燒嘴頭部(見圖2)，縮短燒嘴使用周期，嚴重時，直接導致燒嘴頭部冷卻水室燒穿，引起氣化爐聯鎖跳車[4]。

2 原因分析

2.1 儀表顯示故障

一般情況下，只要煤漿源源不斷地流入爐內，外加在氧氣的碰撞、剪切作用下，燒嘴壓差不會低于0.1 MPa。實際在燒嘴壓差波動時，燒嘴壓差最低值(儀表顯示)為0.000 MPa，似乎不合邏輯，初步判斷可能是儀表顯示故障，但在燒嘴壓差下降時，同步氧氣壓差也下降，氧氣流量增加，驗證燒嘴壓差波動(下降)是真實存在的，進而排除儀表顯示故障的影響因素。

不同狀態下的燒嘴壓差見圖1。

圖1 投料過程中燒嘴壓差變化情況

從圖1可以看出：僅考慮煤漿入爐克服煤漿管線、工藝燒嘴阻力，燒嘴壓差已達0.19 MPa;當氧氣入爐后，在氧氣的碰撞、剪切作用下，燒嘴壓差已達到0.28 MPa。此時氣化爐壓力約為0.5 MPa，若氣化爐壓力升高后，氧氣流量下降，燒嘴壓差會有所降低。

燒嘴壓差波動時氧氣壓差、氧氣流量的變化情況見圖2。從圖2可以看出：燒嘴壓差下降，同步伴隨著氧氣壓差下降、氧氣流量增加，反之亦然。

圖2 燒嘴壓差波動時氧氣壓差和氧氣流量變化情況

2.2 高壓煤漿泵打量異常

高壓煤漿泵進出口單向閥卡澀、落不到位等導致打量異常，以及其出口緩沖罐充壓不合適，均可能導致煤漿流量、壓力不穩定進而導致燒嘴壓差波動(下降)。但燒嘴壓差波動(下降)時，煤漿電磁流量比較穩定，在燒嘴壓差波動(下降)后相當長的時間內，煤漿電磁流量也是比較穩定的，可以排除流量計測量滯后問題(通常高壓煤漿泵打量異常時，燒嘴壓差會出現下降趨勢，即使流量下降一半，燒嘴壓差也會在0.10 MPa以上)。如果高壓煤漿泵在相當長時間內打量異常導致燒嘴壓差波動(下降)，電磁流量會有所反應，但實際電磁流量比較穩定，因此排除高壓煤漿泵打量異常的影響因素。

燒嘴壓差波動(下降)持續時間見圖3。從圖3可以看出：燒嘴壓差下降至0.01 MPa以下持續時間長達1 h左右。

圖3 燒嘴壓差波動(下降)持續時間

2.3 燒嘴質量問題

燒嘴結構及內徑、環隙尺寸和環隙夾角角度直接影響氧氣對煤漿的霧化、物料離開燒嘴后的運動軌跡及爐內流場分布，故燒嘴質量問題也可能會影響燒嘴壓差波動。若燒嘴質量有問題，燒嘴投用時燒嘴壓差便會有所反應，另一種情況為因燒嘴磨損導致的燒嘴壓差波動(下降)，這兩種情況引起的燒嘴波動(下降)都是不可恢復的；但在實際運行過程中，壓差波動(下降)存在間歇性現象，故可以排除燒嘴質量問題引起燒嘴壓差波動(下降)的直接影響因素。

2.4 煤漿質量問題

2.4.1 原料煤中雜物

原料煤中部分雜物在經過磨煤機研磨后仍未被破碎、細化，進而伴隨著煤漿流入燒嘴，可能卡在中心氧定位塊處，導致煤漿偏流、爐內局部流場變化，進而影響燒嘴壓差波動(下降)。氣化D爐在2020年9月8日—12月10日運行期間，燒嘴C壓差波動(下降)比較頻繁、燒嘴A壓差略有波動(下降)，停車檢查發現燒嘴A中心氧定位塊卡有少許類似麻絲物，燒嘴C中心氧定位塊卡有少量的類似麻絲物(見圖4)。

圖4 燒嘴中心氧定位塊卡有異物

2.4.2 煤渣的黏溫特性

每次停車拔燒嘴時可以發現，燒嘴室燒嘴頭部處有結渣現象(見圖5)，除了燒嘴噴頭出料口因結渣留有通道外，其他處均掛有灰渣(見圖6)。

圖5 燒嘴室燒嘴頭部

圖6 燒嘴端面結渣情況

燒嘴頭部掛渣均勻、對稱情況直接影響物料離開燒嘴后的運動軌跡及爐內局部流場分布。通過2020年6月23日倒爐前后爐溫調整對比發現，倒爐后爐溫降低，燒嘴壓差較倒爐前穩定(爐溫直接影響爐膛內的灰渣流動性及爐壁燒嘴室結渣情況)，故灰渣的黏溫特性差異為燒嘴壓差波動的可能影響因素。

2.4.3 煤漿黏度

多噴嘴氣化爐燒嘴從結構形式及工作原理上被稱為預膜式燒嘴，煤漿在氧氣的作用下，形成液膜，煤漿的黏度直接影響液膜的形成及形成厚度，進而可能影響氧氣對煤漿的霧化效果，以及物料離開燒嘴后的運動軌跡及局部流場分布情況。但在實際運行過程中，煤漿黏度一直控制得比較穩定，故可以排除煤漿黏度變化引起燒嘴壓差波動的影響因素。

2.4.4 煤漿粒度

多噴嘴氣化爐工藝燒嘴采用水平側裝的安裝方式，煤漿在流經燒嘴前的水平管線時，因煤漿的穩定性及粒度的差異性，存在煤漿分層、大顆粒相對集中于管底的現象，煤漿流經燒嘴時，可能存在偏流、霧化分布不均問題。另外，多噴嘴氣化爐操作時應嚴格按照壓力-負荷曲線，煤漿受到重力的影響，若氧氣動量不足，會導致拱頂過氧。若煤漿中存在相對大粒徑的煤粒，氧氣需要具有足夠的動量才能對相對大粒徑的煤粒起到均勻霧化的作用，否則存在偏流、霧化分布不均，進而可能引起燒嘴壓差波動。但在實際運行過程中，從分析數據來看，煤漿粒度分布也是比較穩定的，故可以排除煤漿粒度變化引起燒嘴壓差波動的影響因素。

在實際運行過程中，煤漿流經管道、燒嘴時，克服管道、燒嘴流動阻力及氧氣碰撞剪切阻力是存在的，在燒嘴壓差波動(下降)時，實際應為爐膛壓力基本維持不變，燒嘴頭部區域壓力因某種原因下降，進而引起煤漿及氧氣管線壓力下降、氧氣流量增加，從而表現為燒嘴壓差波動(下降)。出現這種現象，推斷為燒嘴物料出口處回流區后移靠近燒嘴頭部區域，引起燒嘴區域壓力下降；同時，由于回流區的后移，回流區卷吸的高溫氣體對燒嘴頭部產生了燒蝕。在實際的氣化爐運行過程中，燒嘴壓差波動(下降)引起燒嘴頭部回火燒蝕也得到了充分的驗證，2019年3月，氣化E爐僅運行了55 d，由于燒嘴壓差波動(下降)頻繁、劇烈,導致其中一只燒嘴頭部冷卻水室回火燒穿，觸發氣化爐聯鎖跳車。

分析導致回流區后移靠近燒嘴頭部的原因可能為:(1)煤漿中含有雜物卡在中心氧定位塊處，導致煤漿偏流,引起燒嘴頭部附近流場發生變化；(2)煤渣黏溫特性差，導致燒嘴頭部結渣不均勻，燒嘴偏流引起燒嘴頭部附近流場發生變化。

3 防范措施

針對引起燒嘴壓差波動(下降)的2個影響因素，采取的主要措施為：

(1) 控制原料煤中雜物。加強原料煤管控，盡量消除或減少原料煤中混入的雜物。

(2) 調整原料煤煤種。灰渣黏溫特性差異對燒嘴壓差穩定性影響因條件受限研究了解不夠充分，當燒嘴壓差出現波動(下降)時，通過調整煤種進行干預。

(3) 調整爐溫。當燒嘴壓差出現波動(下降)時，在確保氣化爐排渣正常的情況下，適當調整(降低)氣化爐爐溫，改變燒嘴頭部結渣情況，消除偏流引起的燒嘴壓差波動(下降)。

4 結語

目前，通過上述措施，可一定程度上消除或減緩燒嘴壓差波動，但作用效果較為有限。為了從根本上解決燒嘴壓差波動問題，還需從消除燒嘴頭部回流區后移問題入手，可對燒嘴室耐火磚結構進行改進優化，消除或減弱燒嘴頭部結渣問題；另外，可對工藝燒嘴結構尺寸進行調整優化，提高入爐氧氣、煤漿的動量，促使回流區遠離燒嘴頭部。