干煤粉氣化爐工藝燒嘴優(yōu)化改進(jìn)實(shí)踐

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(兗礦貴州開陽化工有限公司，貴州 貴陽 550300)

干煤粉氣化爐工藝燒嘴優(yōu)化改進(jìn)實(shí)踐

湯霞槐，唐高榮，米世海，陳超

(兗礦貴州開陽化工有限公司，貴州 貴陽 550300)

介紹了兗礦貴州開陽化工有限公司三噴嘴干煤粉氣化爐運(yùn)行中工藝燒嘴出現(xiàn)的問題，對原因進(jìn)行研究分析，提出改進(jìn)方向及具體的改造措施，并對實(shí)施后的效果進(jìn)行相應(yīng)介紹。

干煤粉；氣化爐；工藝燒嘴；優(yōu)化改進(jìn)

氣化裝置是煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭裝置，貴州開陽化工有限公司(以下簡稱“開陽化工”)針對貴州當(dāng)?shù)亍叭呙骸?高灰、高灰熔點(diǎn)、高硫分)的特點(diǎn)，開發(fā)出了以西南地區(qū)原煤為主要原料的干煤粉氣化技術(shù)，兼具干粉煤氣化與水煤漿氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，為“三高煤”的清潔高效利用提供了新的方向。開陽化工50萬t/a合成氨裝置中設(shè)置2臺(tái)氣化爐，不設(shè)備爐，日投煤量1 200t/d，操作壓力4.0 MPa(a)，合成氣有效氣產(chǎn)量(CO+H2)70 000 Nm3/h，合成氣出口壓力3.8 MPa，出口溫度205～207 ℃，含塵量0.5～0.8 mg/Nm3，合成氣水汽比1，氣化爐比氧耗340 Nm3/kNm3，比煤耗650 kg/kNm3，冷煤氣效率80%，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98%。

作為國內(nèi)首套“三高煤”干煤粉氣化工業(yè)化裝置，氣化爐自投運(yùn)以來，不可避免地出現(xiàn)了一些問題，制約著氣化裝置的長周期、穩(wěn)定運(yùn)行。圍繞氣化裝置在試車及后期運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，開陽化工組織技術(shù)攻關(guān)，針對工藝燒嘴偏噴導(dǎo)致抓釘燒蝕、掛渣困難、引發(fā)熱通量波動(dòng)大等突出問題，開展了燒嘴結(jié)構(gòu)及通道流場優(yōu)化研究，逐步完善了改進(jìn)方案。在此基礎(chǔ)上，于2016年1月及2017年2月間，先后對2臺(tái)氣化爐進(jìn)行了優(yōu)化改造，解決了影響氣化爐長周期、穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

1 優(yōu)化改進(jìn)

1.1 工藝燒嘴結(jié)構(gòu)概述[1]

燒嘴是氣化爐本體的關(guān)鍵設(shè)備，其中，工藝燒嘴的數(shù)量與布置方式是氣化爐設(shè)計(jì)的核心所在。開陽爐采用了創(chuàng)新的“3+1”頂置多燒嘴技術(shù)，即1個(gè)點(diǎn)火燒嘴(長明燈)加3個(gè)工藝(煤粉)燒嘴，點(diǎn)火燒嘴位于中心，3個(gè)煤粉燒嘴圍繞點(diǎn)火燒嘴以120°均勻分布。工藝燒嘴采用夾套式設(shè)計(jì)，分為進(jìn)氧氣通道、進(jìn)煤粉通道、進(jìn)冷卻水通道、出冷卻水通道4個(gè)壓力室。氧氣通道位于燒嘴中心，煤粉通道位于內(nèi)外夾套中間環(huán)隙，環(huán)隙設(shè)有外壁支撐，3個(gè)煤粉通道均布在該環(huán)隙空間。煤粉進(jìn)入燒嘴后沿通道向下，從底部出口噴出，沿螺旋軌道旋轉(zhuǎn)進(jìn)入氣化爐，與中心通道來的氧氣進(jìn)行充分混合后反應(yīng)。

1.2 工藝燒嘴通道改進(jìn)

1.2.1 存在的問題

工藝燒嘴初始設(shè)計(jì)時(shí)，在煤粉通道入口外壁支撐處設(shè)有垛口式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷是通過對煤粉載氣的破旋，使煤粉在3個(gè)煤粉通道均勻分布。初始設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)際使用過程中，因煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存及破碎、制粉流程較長，煤粉中摻雜一定的雜質(zhì)是難以避免的，煤粉由通道輸送至燒嘴時(shí)易在垛口處堆積，造成燒嘴通道入口處局部堵塞，進(jìn)而造成燒嘴偏噴。2015年B#爐反復(fù)出現(xiàn)熱通量波動(dòng)大、操作困難的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)因煤粉流量歸零觸發(fā)ESD停車。在后期檢查中，發(fā)現(xiàn)水冷壁局部抓釘燒蝕，不得不進(jìn)行修補(bǔ)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該垛口式結(jié)構(gòu)造成了燒嘴的易堵、偏噴，持續(xù)運(yùn)行后造成水冷壁掛渣困難、熱通量波動(dòng)大，其結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.2.2 優(yōu)化改進(jìn)方案

針對上述問題，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)聯(lián)系設(shè)計(jì)院校進(jìn)行了流場分析研究，計(jì)劃對燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整。經(jīng)模擬分析，提出了將該垛口結(jié)構(gòu)取消及將燒嘴通道由平直改為帶坡度的設(shè)想。2016年元月系統(tǒng)大修時(shí)，將B#爐3個(gè)煤粉燒嘴的垛口結(jié)構(gòu)切掉，并在外壁上打磨出約15°坡度，使煤粉入燒嘴由垂直進(jìn)入改為帶錐形角進(jìn)入。開車后實(shí)際運(yùn)行中未再反復(fù)出現(xiàn)熱通量波動(dòng)大的問題，后期更換燒嘴時(shí)檢查，未發(fā)現(xiàn)燒嘴通道有煤粉堵塞，水冷壁掛渣良好。對比初始設(shè)計(jì)及改進(jìn)后的使用效果，實(shí)踐表明，通過對燒嘴通道流場的分析研究，對工藝燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，較好地解決了工藝燒嘴易堵、偏噴的問題。

圖2 原燒嘴帶垛口示意

圖3 燒嘴切除垛口后示意

1.3 工藝燒嘴膨脹節(jié)改進(jìn)

初始設(shè)計(jì)時(shí)工藝燒嘴根部設(shè)置有膨脹節(jié)，目的是減少燒嘴在運(yùn)行中所受的熱應(yīng)力以保護(hù)燒嘴，但在實(shí)際應(yīng)用中，因膨脹節(jié)承壓性差(最高耐壓0.2 MPa(a))，而氣化爐在開停車過程中，壓力變化較快，因膨脹節(jié)內(nèi)外壓差過高，極易造成其受力損壞，從而使燒嘴冷卻水大量泄漏，危及氣化爐運(yùn)行。

針對該問題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析論證，認(rèn)為在運(yùn)行時(shí)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)的實(shí)際意義不大，可以大膽假設(shè)將其取消。2015年5月對2臺(tái)爐的燒嘴膨脹節(jié)改造后，經(jīng)反復(fù)觀測驗(yàn)證，工藝燒嘴運(yùn)行正常，未再出現(xiàn)過燒嘴冷卻水嚴(yán)重泄漏的事故，保證了氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 原帶膨脹節(jié)的燒嘴

圖5 取消膨脹節(jié)后的燒嘴

1.4 工藝燒嘴頭部優(yōu)化改進(jìn)[2]

1.4.1 存在的問題

工藝燒嘴在運(yùn)行時(shí)，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(shí)因使用高硫煤，合成氣中H2S含量高，對燒嘴有較強(qiáng)的腐蝕作用。前期運(yùn)行時(shí)，一般運(yùn)行3個(gè)月后，燒嘴頭部耐火料大部分已被沖刷燒蝕，用以固定耐火料的抓釘亦被嚴(yán)重?zé)g，同時(shí)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)生變形后造成與外環(huán)間隙不等距，煤粉因此發(fā)生偏噴、霧化效果下降，導(dǎo)致水冷壁掛渣不均、碳轉(zhuǎn)化率降低。

1.4.2 優(yōu)化改進(jìn)方案

針對上述情況，開陽化工經(jīng)交流考察及實(shí)測論證，認(rèn)為造成燒嘴頭部損壞的主要原因?yàn)闊祛^部與外夾套材料材質(zhì)等級(jí)(602CA與904L)不能完全適應(yīng)現(xiàn)有使用環(huán)境。為此，改用Inconel718與Inconel600材質(zhì)，并將燒嘴頭部整體挖出成型，以此消除因機(jī)加工及焊接等因素引起的潛在應(yīng)力。經(jīng)提高材質(zhì)等級(jí)和改進(jìn)制作工藝后，燒嘴使用周期延長至185 d，解決了燒嘴壽命短、制約系統(tǒng)長周期運(yùn)行的問題。

圖6 改造前使用3個(gè)月后的工藝燒嘴

圖7 改造后使用185 d后的煤粉燒嘴頭部

2 優(yōu)化改進(jìn)效果

2016年1月，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)，對B#爐先期實(shí)施了以上優(yōu)化改進(jìn)。2016年5月，利用短停機(jī)會(huì)進(jìn)爐檢查，未發(fā)現(xiàn)燒嘴偏噴、抓釘燒蝕損壞狀況，水冷壁掛渣效果良好，后期操作中亦未出現(xiàn)掛渣困難、水冷壁熱通量高等問題。借鑒B#爐的成功經(jīng)驗(yàn)，2017年2月系統(tǒng)大修時(shí)對A#爐進(jìn)行了同樣改進(jìn)。

通過對優(yōu)化改進(jìn)前后的氣化爐進(jìn)行交叉驗(yàn)證，主要圍繞水冷壁熱通量、水冷壁掛渣情況及合成氣有效氣等工藝指標(biāo)，對整套氣化裝置的長周期、穩(wěn)定運(yùn)行效果作出評價(jià)，雙爐優(yōu)化改進(jìn)前后工藝運(yùn)行參數(shù)對照見表1。

表1 雙爐優(yōu)化改進(jìn)前后工藝運(yùn)行參數(shù)對照

上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，工藝燒嘴優(yōu)化改進(jìn)后，氣化爐在良好的反應(yīng)氛圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了碳轉(zhuǎn)化率，大大降低了灰渣可燃物，提高了有效氣成分，增加了氣化爐的有效運(yùn)行時(shí)間，具備了氣化爐安全、穩(wěn)定、長周期、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件。改進(jìn)后運(yùn)行至今的實(shí)踐表明，以下改進(jìn)取得了成功：①通過對燒嘴流道及流場分布進(jìn)行模擬分析，在此基礎(chǔ)上對燒嘴結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，解決了燒嘴偏噴問題，使流場分布更為合理、水冷壁掛渣效果好、水冷壁熱通量正?？煽?；②通過對燒嘴頭部的改進(jìn)，解決了其使用壽命短的問題，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

2臺(tái)氣化爐工藝燒嘴等優(yōu)化改進(jìn)項(xiàng)目的順利實(shí)施以及一年多的運(yùn)行實(shí)踐表明，優(yōu)化改造取得了顯著效果。鑒于氣化系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。與去年同期相比，杜絕了非計(jì)劃停車，截至目前，已實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)合成氨2萬 t，創(chuàng)效2萬 t×2 500元/t=5 000萬元(以銷售收入計(jì))。

3.2 社會(huì)效益

開陽化工三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國內(nèi)首套工業(yè)化運(yùn)行裝置，開陽化工通過采取“改進(jìn)一臺(tái)、驗(yàn)證一臺(tái)”的穩(wěn)妥做法，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)先后完成2臺(tái)氣化爐工藝燒嘴的優(yōu)化研究與應(yīng)用，在氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)方面做出了一些創(chuàng)新嘗試，在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果，為合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功運(yùn)用以及對關(guān)鍵設(shè)備的后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)升級(jí)，為貴州、山西、內(nèi)蒙古等省份存在的劣質(zhì)煤就地轉(zhuǎn)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[1]趙元琪，楊會(huì)軍，陳鵬程，陳杰，黃占宏.GSP氣化爐國產(chǎn)化燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J].煤化工，2016(4)：44-48.

[2] 鄭忠利，賈勇，龔雙喜，安曉熙.水煤漿氣化工藝燒嘴使用壽命的分析與探討[J].氮肥技術(shù)，2013(5)：38-40.

修改稿日期：2017-06-30

PracticeoftheImprovementoftheTechnicalBurnerofGasifierwithDryPulverizedCoal

TANG Xia-huai，TANG Gao-rong，MI Shi-hai，CHENG Chao

(GuizhouKaiyangChemicalIndustryCo.，Ltd.，GuiyangGuizhou550300，China)

This paper introduces the problems of technical burner that happened when the gasifier of dry pulverized coal was operated in Guizhou，Kaiyang Chemical Industry Co.，Ltd. The authors，after analyzing the problems，put forward the improvement direction and specific solving methods，as well as discusses the the outcome after the practice.

dry pulverized coal；gasifier；technical burner；improvement

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.016

TQ545

B

1004-8901(2017)05-0056-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.016

湯霞槐(1976年—)，男，浙江衢州人，2006年畢業(yè)于華東理工大學(xué)工程專業(yè)，工程師，碩士，現(xiàn)任開陽化工有限公司生產(chǎn)技術(shù)部副部長。