殼牌煤氣化煤燒嘴角度變化對工況的影響

張家秋

殼牌煤氣化煤燒嘴角度變化對工況的影響

張家秋

（河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤電股份有限公司化工分公司，河南鶴壁458000）

具體分析了殼牌四噴嘴氣化爐的煤燒嘴角度變化對于氣化運(yùn)行工況的影響，對于角度改變前后的工況做出詳細(xì)的比較，分析優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使裝置在穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的前提下能夠長周期運(yùn)行。

煤燒嘴；殼牌氣化爐；氣化工況

1 殼牌氣化工藝簡介

殼牌氣化爐屬于干法進(jìn)料氣流床氣化，煤粉跟氧氣并流進(jìn)入氣化爐中瞬間爆燃，發(fā)生一系列氣化反應(yīng)，所有反應(yīng)在數(shù)秒鐘內(nèi)完成，溫度高達(dá)1 600℃。具體工藝流程如下所述。

帶壓的煤粉與氣化劑（氧氣和水蒸氣）通過4個(gè)徑向均布的煤燒嘴進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室，燒嘴與徑向的夾角為4°，在1 500～1 700℃的高溫環(huán)境下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成合成氣、爐渣和飛灰。爐渣在與水冷壁接觸時(shí)，最先靠近的部分因溫度低而固化，附在水冷壁上形成固態(tài)渣層。在高溫下呈液態(tài)的附著在固化渣層上的爐渣，在重力作用下向下流至氣化爐底部的渣池，被冷卻水淬激成細(xì)小的顆粒排出。合成氣上行，夾帶有部分粒徑較小、質(zhì)量較輕的爐渣成為飛灰，其在高溫下具有很大的黏性。合成氣在氣化爐反應(yīng)室頂部錐形出口與激冷氣混合，溫度降至900℃，部分爐渣液滴經(jīng)過激冷氣激冷凝固成飛灰。通過輸氣導(dǎo)管送至合成氣冷卻器進(jìn)一步冷卻，合成氣溫度降至340℃左右，進(jìn)入下一工序經(jīng)S1501除去飛灰。

2 殼牌氣化爐運(yùn)行現(xiàn)狀

殼牌氣化爐自進(jìn)入中國以來，以其碳轉(zhuǎn)化效率高、煤種適應(yīng)性廣、有效氣比高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，最近幾年在國內(nèi)得到長足發(fā)展。但是由于其進(jìn)入中國時(shí)間不長，對于該爐型的經(jīng)驗(yàn)較少，各個(gè)廠家都是在不斷的摸索中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，汲取教訓(xùn)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本上都能實(shí)現(xiàn)百天以上的長周期運(yùn)行。

殼牌氣化爐開車工況時(shí)，以氮?dú)鉃檩d氣向爐內(nèi)輸送煤粉，由于在氣化反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，不能參與后續(xù)的合成反應(yīng)，只能當(dāng)作廢氣放入大氣，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值都不高，所以在正常工況下是以二氧化碳為載氣。

在燒嘴夾角為4°的時(shí)候，爐膛內(nèi)的氣體流場形成的燒圓較小，離心力較弱，煤粉與氧氣不能充分反應(yīng)，有大量的煤粉隨熔渣向下流動(dòng)，在氮?dú)夤r下，煤粉不與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，而如果是在二氧化碳工況下，煤粉在向下移動(dòng)的過程中，會與二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)，吸收熱量。在高溫時(shí)，渣的黏度小，流動(dòng)性好，隨著爐膛下部的熱量不斷被吸收，溫度會降至渣的流動(dòng)溫度以下，就會導(dǎo)致堵渣。為了防止堵渣，就必須提高爐膛的反應(yīng)溫度，以維持熔渣的流動(dòng)性。

當(dāng)氣化爐爐膛的反應(yīng)溫度升高，上行合成氣的溫度也會隨之升高，在到達(dá)合成氣冷卻器入口的時(shí)候，合成氣溫度不能降至飛灰的黏結(jié)溫度以下，由于飛灰的溫度過高，黏結(jié)性過大，會造成合成器冷卻器堵灰，當(dāng)積灰量達(dá)到一定量時(shí)，合成氣流速急劇增加，磨損設(shè)備，造成停車事故。

3 解決方案的制定

在原有燒嘴夾角不變的情況下，想要維持渣的正常流動(dòng)，就得提高氧煤比，以提高爐膛內(nèi)溫度，同時(shí)還要盡量避免合成氣冷卻器積灰，氣化爐負(fù)荷只能維持到80%～85%，裝置可以運(yùn)行3～4個(gè)月；如果負(fù)荷繼續(xù)提升的話，由于合成氣冷卻器進(jìn)口溫度過高，積灰速度明顯增加，運(yùn)行7～10天就必須停車清灰。

經(jīng)過和殼牌公司的技術(shù)人員進(jìn)行探討，同時(shí)借鑒大唐煤化工項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，嘗試將燒嘴角度由原來的4°改變?yōu)?°。燒嘴的徑向傾角增大后，爐膛內(nèi)的流場會相應(yīng)地發(fā)生改變，中心燒圓變大，氣流的離心力增加。煤粉與氧氣進(jìn)入氣化爐內(nèi)后混合得更加均勻，反應(yīng)更加徹底。煤粉的轉(zhuǎn)化率提高了，隨熔渣向下移動(dòng)的煤粉量隨之減少，二氧化碳與碳發(fā)生還原反應(yīng)吸收的熱量也會變少，同時(shí)由于離心力變大，爐膛內(nèi)的熱量向下傳遞得更快，正好抵消了部分煤粉與二氧化碳吸收的熱量，繼而相對較低的氧煤比就能保證渣的正常排出，也能保證上行飛灰的正常輸送。

4 改造完成后的使用效果

經(jīng)過不斷的探討和考察，最終決定采用上述方案，于2016年5月底對4個(gè)煤燒嘴的改造完成。裝置運(yùn)行以后，在二氧化碳工況下首次將氣化爐負(fù)荷提升至90%，工況運(yùn)行良好，未出現(xiàn)堵渣、積灰現(xiàn)象，各項(xiàng)參數(shù)正常，且合成氣冷卻器入口溫度比控制指標(biāo)還要低30℃左右。穩(wěn)定運(yùn)行2天以后，將氣化爐負(fù)荷提升至100%，達(dá)到滿負(fù)荷后，氣化裝置運(yùn)行指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)。

經(jīng)過本次改造，氣化裝置在二氧化碳工況下不能穩(wěn)定運(yùn)行的問題得到了有效解決，并且負(fù)荷比起之前有很大提升，日均甲醇產(chǎn)量從原來的1 500 t提升至1 800多噸，在負(fù)荷100%的工況下穩(wěn)定運(yùn)行了78天。

5 后續(xù)使用情況總結(jié)

經(jīng)過煤燒嘴角度的改良，氣化爐工況整體運(yùn)行良好，在保證渣流動(dòng)性的情況下能有效地保證爐膛內(nèi)上行飛灰的黏度。但是也出現(xiàn)了一些新的問題，需要進(jìn)一步地改進(jìn)，具體情況如下。

5.1 燒嘴頭的使用壽命

燒嘴頭部的噴射夾角由原來的4°增加至6°，增加了內(nèi)部流道的彎曲度，干燥的煤粉在高速流動(dòng)下，會對設(shè)備造成更大的沖刷，減少燒嘴頭的使用壽命。經(jīng)過半年的使用，停車檢修時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)，部分燒嘴頭出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。針對這種情況，微漏的可以在線進(jìn)行焊接補(bǔ)漏，而漏量過大的則需要對燒嘴頭進(jìn)行更換處理。

5.2 燒嘴罩容易燒穿

燒嘴罩是固定在燒嘴頭周圍的圓形水冷盤管，其內(nèi)部的冷卻水流量比爐膛水冷壁的冷卻水流量大，目的是保護(hù)周圍的水冷壁，防止因過熱而受損。當(dāng)燒嘴噴射火焰的角度增加至6°后，火焰與燒嘴罩之間的距離縮短了，如果煤線流量出現(xiàn)波動(dòng)，局部的氧碳比過高，非常容易將燒嘴罩燒穿，特別是在開停車的過程中，最容易出現(xiàn)這種情況。燒嘴罩冷卻水大量泄露后，雖然不會造成立即停車，但是會對后續(xù)工段造成較大的影響，例如上行飛灰中含有大量的水分，更容易造成合成氣冷卻器堵灰；飛灰中水含量增加，更容易堵塞U1500單元的金屬濾芯，工況隨之持續(xù)惡化，一段時(shí)間后，不得不因?yàn)楹铣蓺饫鋮s器SGC積灰和S1501壓差高而停車檢修。

5.3 氣化爐水冷壁掛渣情況

殼牌氣化爐的爐膛采用的是膜式水冷壁，內(nèi)襯耐火材料，在正常運(yùn)行時(shí)，在爐壁上會形成一層固態(tài)渣層，液態(tài)渣順著爐壁向下流動(dòng)，采用以渣抗渣的方式抵消爐膛內(nèi)的高溫，由于內(nèi)部流場發(fā)生變化，燒圓變大，高溫區(qū)更接近水冷壁，爐壁渣層變薄，爐膛會出現(xiàn)耐火泥脫落及耐火銷釘被燒壞的情況，減少其使用壽命，增加檢修時(shí)的工作量及難度。

5.4 上行合成氣中飛灰含量增加

殼牌設(shè)計(jì)的50萬t與60萬t的甲醇項(xiàng)目在U1500單元都是采用了24組濾芯，每組48根，濾芯長度為1.5 m。同樣在滿負(fù)荷的情況下，60萬t的項(xiàng)目常會出現(xiàn)因?yàn)闉V芯的壓差過高而不得不停車的事件。而經(jīng)過改造后，爐膛內(nèi)的合成氣流場變化，離心力變大，上行的合成氣夾帶走的液態(tài)渣量變多，凝結(jié)成的飛灰量也會相應(yīng)變大,更增加了U1500單元金屬濾芯的負(fù)荷。如果再碰上氣化爐或者合成氣冷卻器內(nèi)漏水的情況，濾芯的壓差會很快升至報(bào)警值，通過提高超高壓反吹氣的壓力也無濟(jì)于事，從而影響整套裝置的長周期運(yùn)行。

6 結(jié)束語

（1）經(jīng)過改造，有效避免了堵渣與積灰的發(fā)生，雖然出現(xiàn)了種種的問題，但是總體來說還是利大于弊，相信經(jīng)過不斷地努力和改造，殼牌氣化爐以其獨(dú)特的環(huán)保優(yōu)勢及高轉(zhuǎn)化率，殼牌氣化裝置會產(chǎn)生非常大的效益。

（2）殼牌裝置用戶應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)交流，攜手解決殼牌氣化技術(shù)難題，為裝置的穩(wěn)定運(yùn)行盡自己的一份力。

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.02.008

2017-03-02