科林三噴嘴干煤粉氣化裝置優(yōu)化改進(jìn)與應(yīng)用實(shí)踐

唐高榮

(兗礦集團(tuán)貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司 貴州開(kāi)陽(yáng) 550300)

兗礦集團(tuán)貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)兗礦開(kāi)陽(yáng)化工公司)針對(duì)貴州當(dāng)?shù)厝呙?高灰、高灰熔點(diǎn)、高硫)的特點(diǎn)，依靠?jī)嫉V集團(tuán)技術(shù)支持，與德國(guó)科林公司、華東理工大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)出了國(guó)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)。該氣化技術(shù)主要包括三噴嘴頂置下噴式干煤粉加壓氣流床氣化、盤(pán)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。兗礦開(kāi)陽(yáng)化工公司500 kt/a合成氨裝置中設(shè)置2臺(tái)氣化爐，采用2開(kāi)不備的運(yùn)行方式。正常運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)氣化爐采用75%的設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行，單爐投煤量為1 100 t/d，氣化爐操作壓力為4.0 MPa，有效氣(C0+H2)產(chǎn)量為70 000 m3/h；氣化爐出口粗合成氣壓力3.8 MPa，溫度205～207 ℃，含塵質(zhì)量濃度0.5～0.8 mg/m3，水氣比為1；1 000 m3(標(biāo)態(tài))有效氣(CO+H2)氧耗和煤耗分別為340 m3和650 kg，冷煤氣效率為80%，碳轉(zhuǎn)化率為98%。

作為國(guó)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(lái)，不可避免地出現(xiàn)了一些問(wèn)題，制約了氣化裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。圍繞氣化裝置在試車(chē)及后期運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，兗礦開(kāi)陽(yáng)化工公司通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，取得了明顯成效。尤其是針對(duì)點(diǎn)火燒嘴火檢信號(hào)不穩(wěn)定、氣化爐燒嘴座環(huán)隙超溫、氣化爐水冷壁抓釘燒蝕導(dǎo)致熱通量波動(dòng)、煤粉輸送管線及氣化黑水管線磨損沖刷嚴(yán)重、沉降槽漂珠進(jìn)入系統(tǒng)而加劇泵的磨損等突出問(wèn)題，兗礦開(kāi)陽(yáng)化工公司成立了氣化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化研究，逐步完善了改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上先后對(duì)2套氣化爐系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，解決了上述影響氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。

1 點(diǎn)火燒嘴火檢信號(hào)的優(yōu)化改進(jìn)

1.1 存在的問(wèn)題

在前期運(yùn)行過(guò)程中，點(diǎn)火燒嘴的火焰檢測(cè)信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)丟失而無(wú)法檢測(cè)的情況，從而引起點(diǎn)火燒嘴跳車(chē)。經(jīng)分析，出現(xiàn)此種情況的主要原因?yàn)殚L(zhǎng)明燈火檢通道直徑較小且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在安裝過(guò)程中易出現(xiàn)彎曲，在一定程度上阻擋了燒嘴火焰光線，致使長(zhǎng)明燈火焰檢測(cè)器較難捕捉到穩(wěn)定的光信號(hào)，從而造成火焰檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)常丟失。

1.2 優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)存在的問(wèn)題，與有關(guān)專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)合作，投用了三合一視頻火檢，在光譜檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了視頻火檢，從而形成復(fù)合火檢，對(duì)爐膛內(nèi)的燒嘴燃燒情況可通過(guò)視頻直接監(jiān)控。經(jīng)上述改進(jìn)后，在通過(guò)視頻監(jiān)控到點(diǎn)火燒嘴正常燃燒的情況下，可直接將長(zhǎng)明燈火焰檢測(cè)信號(hào)切除，從而徹底避免了因?yàn)榛饳z信號(hào)丟失引起的跳車(chē)，而且火焰可視、信號(hào)穩(wěn)定。

2 氣化爐燒嘴座環(huán)隙密封形式的優(yōu)化改進(jìn)

2.1 存在的問(wèn)題

三噴嘴干煤粉氣化爐水冷壁由燒嘴座盤(pán)管、筒體水冷壁盤(pán)管、渣口水冷壁盤(pán)管組成。燃燒室筒體分為2個(gè)部分，外部為氣化爐殼體，內(nèi)部為水冷壁盤(pán)管，外徑Φ3 000 mm，內(nèi)徑Φ2 500 mm。燒嘴座內(nèi)徑Φ1 600 mm，通過(guò)法蘭與氣化爐爐體連接，連接后采用Ω環(huán)焊接密封。

氣化爐自投運(yùn)以來(lái)，多次出現(xiàn)夾層頂部超溫現(xiàn)象，判斷主要是由燒嘴座環(huán)隙竄氣引起。筒體水冷壁上口與燒嘴座間的環(huán)向密封間隙原先為26 mm，采用耐火纖維氈填充及高壓氮?dú)膺M(jìn)行密封。2015年8月入爐檢查，發(fā)現(xiàn)環(huán)隙局部因超溫已嚴(yán)重變形，筒體水冷壁局部燒穿。結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致該處密封效果難以保證，竄氣造成燒嘴座與水冷壁之間的氣化反應(yīng)流場(chǎng)不穩(wěn)定，極易形成“小流場(chǎng)”，進(jìn)一步導(dǎo)致環(huán)隙超溫。

2.2 優(yōu)化改進(jìn)

結(jié)合上述分析，通過(guò)流場(chǎng)模擬分析，對(duì)氣化爐燒嘴座環(huán)隙密封形式制定改進(jìn)方案，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)實(shí)施，具體改進(jìn)方案如下。

(1)增設(shè)新型環(huán)隙隔板

去除燒嘴座與氣化爐外壁之間的龜甲網(wǎng)和澆注料，增設(shè)燒嘴座環(huán)板與隔板，并用新型耐火纖維氈和科學(xué)的裝填方法填充水冷壁與爐壁間的間隙形成密封函，有效避免了合成氣的回竄。

(2)改進(jìn)密封氣系統(tǒng)

經(jīng)模擬分析，對(duì)氣化爐燒嘴座的保護(hù)氮?dú)饬髁坑?jì)重新進(jìn)行選型，將氮?dú)饬髁坑?jì)孔板直徑改為Φ13.94 mm，限流孔板孔徑改為Φ4.00 mm，流量計(jì)量程調(diào)整為0～100 m3/h，并調(diào)整進(jìn)入氣化爐夾層保護(hù)氮?dú)獾牧髁俊?/p>

3 氣化爐水冷壁盤(pán)管抓釘?shù)膬?yōu)化

氣化爐水冷壁抓釘是爐壁附著SiC耐火材料和掛渣的主體元件，材質(zhì)為310S。抓釘焊接在水冷壁盤(pán)管上，盤(pán)管內(nèi)通冷卻水，通過(guò)掛渣及SiC耐火料覆蓋在水冷壁盤(pán)管上對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，使水冷壁免遭爐內(nèi)高溫及氣流等沖刷而燒蝕盤(pán)管。

3.1 存在的問(wèn)題

2015年3月入爐檢查，發(fā)現(xiàn)氣化爐燒嘴座水冷壁、筒體水冷壁中上部等部位的抓釘磨損嚴(yán)重，抓釘長(zhǎng)度由15 mm被磨損至2～3 mm，局部部位甚至不足1 mm。經(jīng)分析，其原因?yàn)槊嘿|(zhì)不穩(wěn)定，水冷壁抓釘燒蝕較為嚴(yán)重；水冷壁制造時(shí)抓釘焊接質(zhì)量較差，容易脫落。該部位由于掛渣效果不好，較大面積的掛渣及SiC耐火材料脫落，釘頭露出，也反映出氣化爐在運(yùn)行過(guò)程中所屬水冷壁熱通量較高且頻繁波動(dòng)(熱通量在5.0～5.9 MW，正常熱通量在4.0～4.5 MW)。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)以上情況，在加強(qiáng)煤炭管理的基礎(chǔ)上，需要從源頭上對(duì)抓釘?shù)目箾_刷腐蝕能力進(jìn)行重新分析并研究改進(jìn)的渠道。結(jié)合環(huán)隙優(yōu)化改進(jìn)的成效，對(duì)抓釘尺寸及焊接工藝進(jìn)行重新研究后，確認(rèn)原設(shè)計(jì)抓釘尺寸已不符合爐內(nèi)反應(yīng)的實(shí)際情況。

為此，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)，采用新型抓釘及新的焊接工藝重新進(jìn)行環(huán)向布置，對(duì)抓釘和水冷壁保護(hù)層進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以解決水冷壁盤(pán)管抓釘燒蝕沖刷及掛渣困難、水冷壁熱通量高等技術(shù)難題。

4 黑灰水管線、煤粉輸送管道的優(yōu)化措施

4.1 存在的問(wèn)題

煤粉制備磨機(jī)出口彎頭、煤粉鎖斗放空管線同心異徑管、黑灰水管線采用普通碳鋼材料，耐磨蝕性能較差，在氣化裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，由于管道內(nèi)介質(zhì)的沖刷磨損，管道、管件頻繁磨損泄漏，被迫帶壓堵漏，不僅費(fèi)用高昂，而且可能導(dǎo)致氣化爐停車(chē)，管道泄漏也使清潔管理難度增大。

4.2 優(yōu)化措施

針對(duì)上述情況，經(jīng)交流考察及實(shí)測(cè)論證，與專(zhuān)業(yè)廠家合作開(kāi)發(fā)出新型稀土合金耐磨材料，通過(guò)在易磨損(穿)部位采用稀土合金耐磨材料并在耐磨材料管件內(nèi)部?jī)?nèi)襯陶瓷片等優(yōu)化措施，增強(qiáng)了管道的耐磨蝕性能，相關(guān)管線使用壽命大幅提高，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

5 漂珠對(duì)氣化灰水的影響及分離改造

漂珠是粉煤灰珠狀顆粒的一種，是薄壁的空心玻璃珠，因能漂浮在水上而得名。漂珠的形成主要是煤粒進(jìn)入燃燒室時(shí)，在急速短暫的高溫作用下，發(fā)生脫水、排氣、氧化、燃燒、相變等多種物理化學(xué)反應(yīng)，在加熱和冷卻的復(fù)雜過(guò)程中，使部分熔渣中空膨脹而形成，其形成主要受煤種、煤質(zhì)、燃燒溫度、燃燒方式等多種因素影響。質(zhì)輕、粒徑小、硬度高是漂珠的特點(diǎn)，其主要成分為SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)53.75%)、Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.60%)。

5.1 漂珠對(duì)氣化灰水的影響

(1)對(duì)灰水輸送設(shè)施的磨損較大，特別是對(duì)高溫?zé)崴每诃h(huán)、葉輪、平衡盤(pán)和平衡鼓的磨損較為嚴(yán)重。

(2)影響磁翻板液位計(jì)、遠(yuǎn)傳液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。

(3)影響灰水水質(zhì)(懸浮物)。

5.2 優(yōu)化改進(jìn)措施

(1)排查煤種，停用產(chǎn)生漂珠較多的煤種。

(2)利用漂珠不溶于水、密度小的特點(diǎn)，對(duì)沉降槽進(jìn)行了改造：①在沉降槽溢流口增設(shè)一圈擋板，使大部分漂珠與灰水分離并通過(guò)引流管引出沉降槽，引出的漂珠經(jīng)過(guò)濾收集后存放，濾液循環(huán)返回系統(tǒng)；②在沉降槽頂部灰水出口兩側(cè)各設(shè)1套漂珠擋板，富含漂珠的灰水通過(guò)閥門(mén)控制引出系統(tǒng)，漂珠經(jīng)過(guò)濾收集后存放，濾液循環(huán)返回系統(tǒng)。

改造后，超過(guò)90%的漂珠被分離出系統(tǒng)，大大降低了渣水系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的維修率。

6 結(jié)語(yǔ)

2016年1月和2017年2月，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)對(duì)2臺(tái)氣化爐實(shí)施了燒嘴座環(huán)隙密封型式、水冷壁盤(pán)管抓釘優(yōu)化布置的改進(jìn)，并在優(yōu)化改進(jìn)后利用短停機(jī)會(huì)進(jìn)爐檢查，未出現(xiàn)抓釘燒蝕損壞情況，水冷壁掛渣效果良好，運(yùn)行中亦未出現(xiàn)掛渣困難、水冷壁熱通量高等問(wèn)題(表1)。通過(guò)對(duì)黑灰水管線、制粉及輸送管線有關(guān)管件改用新型稀土合金耐磨材料，解決了管線極易磨損泄漏的問(wèn)題，延長(zhǎng)了其使用壽命；通過(guò)對(duì)沉降槽增設(shè)漂珠分離裝置，大大降低了渣水系統(tǒng)各轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的維修率。優(yōu)化改造措施實(shí)施后，杜絕了非計(jì)劃停車(chē)，提高了氣化裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表1 氣化爐優(yōu)化改進(jìn)前后工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

項(xiàng)目水冷壁熱通量/MW灰渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%粗渣細(xì)渣φ(CO+H2)/%水冷壁掛渣情況A#改進(jìn)前4.5～6.03～545～4884.0～87.0掛渣厚薄不均,局部抓釘裸露被沖刷爐改進(jìn)后4.2～5.0<338～4286.7～88.8掛渣均勻,掛渣效果良好B#改進(jìn)前4.5～5.83～545～4885.0～87.0掛渣厚薄不均,局部抓釘裸露沖刷嚴(yán)重爐改進(jìn)前3.8～4.5<338～4087.5～88.7掛渣均勻,掛渣效果良好

兗礦開(kāi)陽(yáng)化工公司科林三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國(guó)內(nèi)首套工業(yè)化運(yùn)行裝置，通過(guò)采取“改進(jìn)1臺(tái)、驗(yàn)證1臺(tái)”的方案，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)先后完成了2臺(tái)氣化爐的優(yōu)化改進(jìn)并在生產(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(duì)關(guān)鍵設(shè)備的后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)升級(jí)，將為貴州、山西、內(nèi)蒙古等地的劣質(zhì)煤就地轉(zhuǎn)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。