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      三噴嘴干煤粉氣化爐點火燒嘴的優(yōu)化改進

      2019-05-09 01:49:06湯霞槐唐高榮米世海
      肥料與健康 2019年1期
      關(guān)鍵詞:火槍開陽外環(huán)

      湯霞槐,唐高榮,陳 超,米世海

      (兗礦集團貴州開陽化工有限公司 貴州貴陽 550300)

      兗礦集團貴州開陽化工有限公司(以下簡稱開陽化工公司)針對貴州當?shù)亍叭呙骸?高灰分含量、高灰熔點、高硫含量)的特點,開發(fā)出以西南地區(qū)原煤為主要原料的干煤粉氣化技術(shù),兼具干煤粉氣化技術(shù)與水煤漿氣化技術(shù)優(yōu)點,為“三高煤”的清潔高效利用提供了新的方向。開陽化工公司500 kt/a合成氨裝置配置2臺氣化爐,不設(shè)備爐,投煤量為1 200 t/d,操作壓力4.0 MPa,有效氣(C0+H2)產(chǎn)量70 000 m3/h(標態(tài));合成氣出口壓力3.8 MPa,出口溫度205~207 ℃,含塵質(zhì)量濃度0.5~0.8 mg/m3(標態(tài)),水汽比為1;氣化爐比氧耗340 m3(標態(tài)),比煤耗650 kg,冷煤氣效率80%,碳轉(zhuǎn)化率達98%。

      作為國內(nèi)首套“三高煤”干煤粉氣化工業(yè)化裝置,氣化爐自投運以來不可避免地出現(xiàn)了一些問題。圍繞氣化裝置在試車及后期運行中出現(xiàn)的點火燒嘴點火成功率低、火檢信號不穩(wěn)定、內(nèi)外環(huán)氧調(diào)節(jié)困難等突出問題,開陽化工公司開展了點火燒嘴結(jié)構(gòu)研究,逐步完善了改進方案,并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)大修機會逐步實施,解決了影響氣化爐長周期穩(wěn)定運行的問題。

      1 點火成功率低的原因及其改進

      1.1 點火成功率低的原因

      點火燒嘴的主要功能是提供氣化爐投料時所需熱量,將氣化爐從冷態(tài)運行至熱態(tài),在惰性氣氛、帶壓(0.3~0.6 MPa)條件下實現(xiàn)點火。點火時采用液化石油氣(LPG)作燃料氣,投料運行正常后改用變換系統(tǒng)返回的水煤氣。

      開陽化工公司三噴嘴氣化爐點火燒嘴采用水夾套冷卻式結(jié)構(gòu),燒嘴中心為燃料氣通道、火檢及火檢保護氮氣通道,夾套間隙為氧氣通道(分內(nèi)、外環(huán))。點火電極位于燃料氣通道出口,內(nèi)、外環(huán)氧氣通道均設(shè)冷卻水保護。

      點火燒嘴工作流程:點火前氣化爐置換合格(含氧體積分數(shù)<0.5%),氣化爐壓力控制在0.5~0.6 MPa,調(diào)節(jié)氧氣與燃料氣壓力、流量;啟動點火順控,火檢監(jiān)控觀察點火情況,點火成功后將燃料氣由點火管線切換至運行管線,氣化爐進行升溫升壓;逐漸提高燃料氣量至500~600 m3/h(標態(tài)),氧氣量隨氧燃比串級調(diào)節(jié);氣化爐壓力升至3.5 MPa時投料,投料成功后燃料氣量降至300~350 m3/h(標態(tài)),點火燒嘴保持運行(長明燈)。

      點火燒嘴在前期運行中點火成功率較低,經(jīng)分析,認為其主要原因[1]:點火燒嘴所用點火槍采用拉弧放電方式,點火能量過低(約2 J),難以在惰性環(huán)境下將LPG點燃;此外,氧氣與燃料氣通過內(nèi)環(huán)的2個Φ5 mm小孔進行混合,混合效果較差,較難在點火槍放電時間內(nèi)形成混合氣體,導致點火困難。

      1.2 優(yōu)化改進[2]

      針對上述問題,確定了改進方案,經(jīng)模擬分析后聯(lián)系專業(yè)制造企業(yè)對點火燒嘴進行了相應(yīng)改進。

      (1) 改進工藝介質(zhì)通道。改進后的點火燒嘴共設(shè)4層通道,介質(zhì)分別為冷卻水、氧氣、燃料氣和氮氣。氮氣通道位置及直徑不變,氧氣不再與冷卻水通道混為一體。氧氣通道與燃料氣通道在燒嘴內(nèi)部無法相通,兩者只有在噴出燒嘴端面后才能混合,即采用非預(yù)混燃燒,提高了安全性。

      (2) 改進冷卻水通道。改進后的點火燒嘴只設(shè)1層水夾套,即外層冷卻水通道。夾套采用高效旋流結(jié)構(gòu),采用經(jīng)過特殊處理的耐高溫、抗氧化材料,提高了燒嘴端面的冷卻效果。冷卻水端面將點火槍尖完全包裹在燒嘴內(nèi)部,延長了點火槍尖的使用壽命。改進后的點火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 改進后的點火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)示意

      (3) 提高點火槍尖穩(wěn)定性。點火槍尖安裝在燒嘴頭部,在裝進點火燒嘴前即將槍尖與頭部收縮罩擰緊,通過打火試驗判斷打火火光是否滿足要求。點火槍尖插入燒嘴后,只需判斷頭部是否已經(jīng)靠住錐口,無需再控制其間距。點火槍尖高壓包采用能夠釋放高能量的控制箱,確保有足夠能量將混合氣點燃。

      (4) 將原點火槍改造為高能點火槍,放電能量由2 J提高至20 J。

      (5) 將點火槍頭部結(jié)構(gòu)改為蓮花座式,利于燃料氣旋流后與內(nèi)環(huán)氧氣的充分混合,確保在點火燒嘴頭部形成有效的可燃性氣體。改進前后點火燒嘴頭部實物對比如圖2所示。

      圖2 改進前后點火燒嘴頭部實物對比

      (6) 為便于組對銜接,保持各介質(zhì)管口、法蘭與原燒嘴結(jié)構(gòu)一致。

      1.3 改進效果

      先利用系統(tǒng)大修機會完成A#爐新型點火燒嘴的對接組裝,一次點火成功。通過與未改造的B#爐的交叉驗證表明,A#爐點火燒嘴打火能量高,點火成功率較改造前有了較大的提高。在之后的運行過程中,仍偶有點火困難現(xiàn)象,經(jīng)分析其主要原因是點火槍絕緣套管采用的聚四氟乙烯強度不足,在高溫環(huán)境下易變形折斷,造成點火槍短路而無法正常放電。為此,將聚四氟乙烯改為陶瓷,進一步提高了點火成功率并延長燒嘴使用壽命。但在正常更換燒嘴時,發(fā)現(xiàn)陶瓷管出現(xiàn)破損、斷裂現(xiàn)象,原因是燒嘴裝配時蓮花座與外水夾套須緊密接觸才能有效放電,該接觸形式導致蓮花座受熱膨脹后,陶瓷管受力而發(fā)生破損斷裂。根據(jù)分析結(jié)果,在陶瓷管座卡槽內(nèi)增設(shè)彈簧,使蓮花頭與燒嘴外環(huán)形成柔性接觸,解決了此種硬性損傷。經(jīng)過上述逐步優(yōu)化改進后,在運行過程中再未發(fā)現(xiàn)問題,點火槍的優(yōu)化改進取得了極好的效果,大大提高了點火成功率并延長了燒嘴的使用壽命。

      2 火檢信號不穩(wěn)定及其改進[3]

      在前期運行過程中,燒嘴火檢信號出現(xiàn)過丟失、無法檢測現(xiàn)象,嚴重時觸發(fā)點火燒嘴跳車。經(jīng)分析,其主要原因是長明燈火檢通道直徑較小且距離較長,安裝過程中易發(fā)生彎曲而阻擋火焰光線,使火焰檢測器較難捕捉到穩(wěn)定的光信號,導致火焰檢測器信號經(jīng)常丟失。針對該情況,投用三合一視頻火檢,在光譜檢測的基礎(chǔ)上增加了溫度與視頻監(jiān)控,燒嘴燃燒狀況可通過視頻直接監(jiān)控。改進后,在通過視頻監(jiān)控到點火燒嘴正常燃燒的情況下,可直接將長明燈火焰檢測信號切除,徹底避免了因火檢信號丟失引起的跳車問題,大大縮短了系統(tǒng)開車時間。

      3 內(nèi)、外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)困難及其改進

      初始設(shè)計時,點火燒嘴氧氣流量采用內(nèi)、外環(huán)分別控制,內(nèi)環(huán)氧氣主要用于點火,外環(huán)氧氣用于正常運行,內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比為1∶2。在后期運行過程中,因外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度不高,無法保證內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比達標,氧氣絕大部分流向外環(huán),內(nèi)環(huán)氧氣量明顯不足,造成點火困難。如滿足點火要求,則外環(huán)流量調(diào)節(jié)閥須保持很小開度,但氣化爐內(nèi)可燃性氣體易竄入氧氣管線,存在重大安全隱患。

      經(jīng)論證分析,認為投用內(nèi)環(huán)氧氣即可滿足投料所需的氧氣量,故對長明燈氧氣系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,取消其外環(huán)氧氣,并將外環(huán)流通介質(zhì)改為氮氣。改進后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程如圖3所示。

      圖3 改進后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程

      改進后,點火燒嘴氧氣調(diào)節(jié)控制流程得到簡化,實現(xiàn)了氧燃比流量串級控制,提高了自動化程度,消除了外環(huán)氧存在的安全隱患。

      4 點火槍電導線易腐蝕斷線及其改進

      點火燒嘴點火槍電導線原采用銅絲外包絕緣皮,正常運行時采用含H2S體積分數(shù)在1%~2%的水煤氣作為燃料氣,使電導線長期處于高硫腐蝕環(huán)境中而容易斷線,無法形成放電回路。每次出現(xiàn)該情況后,需對氣化爐系統(tǒng)進行置換、隔離,然后拔出長明燈,對點火槍重新接線并回裝,待氣化爐氣密試驗合格后才能重新點火,開車時間因此延長16~20 h。

      針對上述問題,決定對點火槍電導線材質(zhì)及接線方式進行改進,即采用304鋼絲外包高效絕緣皮,電導線端部與銅質(zhì)壓線鼻子連接后用螺釘固定于點火槍頭部。點火槍電導線改進后,大大提高了其耐腐蝕性,再未出現(xiàn)因電導線斷線而無法放電點火的現(xiàn)象。

      5 結(jié)語

      3年多的運行實踐表明,對2臺氣化爐點火燒嘴的優(yōu)化改進是成功的: 通過對點火燒嘴流道的模擬分析,對其結(jié)構(gòu)形式進行調(diào)整,解決了點火成功率低及燒嘴壽命短的問題;通過對點火槍的改進,解決了其使用壽命短的問題;通過改進火焰監(jiān)測器型號及監(jiān)測方式,解決了火檢信號不穩(wěn)定易觸發(fā)跳車的問題;通過改進內(nèi)、外環(huán)氧控制流程,解決了氧量調(diào)節(jié)困難的問題,消除了安全隱患。與改造前相比,杜絕了非計劃停車,實現(xiàn)了氣化爐的經(jīng)濟運行。

      開陽化工公司三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國內(nèi)首套工業(yè)化運行裝置,通過采取“改進1臺、驗證1臺”的穩(wěn)妥方案,利用系統(tǒng)大修機會先后完成2臺氣化爐點火燒嘴的優(yōu)化改進并取得了良好的效果,為合成氨裝置的穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功應(yīng)用以及對關(guān)鍵設(shè)備的后續(xù)優(yōu)化改進升級,為貴州、山西、內(nèi)蒙古等地的劣質(zhì)煤就地轉(zhuǎn)化提供了強有力的技術(shù)支持。

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