首套褐煤水煤漿氣化燒嘴運(yùn)行中常見的問題

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

大唐呼倫貝爾化肥有限公司(以下簡稱大唐化肥)18萬t/a合成氨、30萬t/a尿素項(xiàng)目，氣化技術(shù)采用非熔渣—熔渣氧氣分級水煤漿氣化工藝(即清華爐)，以呼倫貝爾市褐煤為制漿原料，于2012年6月25日一次性投料成功。然而燒嘴問題是影響氣化裝置長周期運(yùn)行的瓶頸之一，截止到目前使用過北京航天十一所、石家莊某廠、浙江某廠、陜西某廠四家維修的燒嘴，從氣化爐運(yùn)行情況看，北京航天十一所相對穩(wěn)定，也是創(chuàng)下使用時(shí)間最長的廠家(103.7 d)，其他廠家所維修的燒嘴，使用短期即出現(xiàn)波動問題，也是沒有作為主選的原因。

大唐化肥燒嘴在運(yùn)行過程中出現(xiàn)拱頂超溫、燒嘴壓差波動、使用壽命短、中心氧含量低等問題，原因有三點(diǎn)：一是燒嘴尺寸的影響，二是工藝運(yùn)行的影響，三是現(xiàn)場閥門管線設(shè)置的影響。經(jīng)過近6年的運(yùn)行摸索和現(xiàn)場改造，與燒嘴相關(guān)的問題基本得以解決，目前燒嘴運(yùn)行穩(wěn)定，燒嘴平均壽命在60 d以上。

1 三流道燒嘴介紹

水煤漿氣化一般采用三流道燒嘴，燒嘴頭部示意見圖1，中心管和外環(huán)隙走氧氣，中間環(huán)隙走水煤漿。設(shè)置中心氧的目的是為了保證煤漿和氧氣的充分混合，中心氧量一般占總量的10%～25%。

1.1 燒嘴具有的特點(diǎn)

燒嘴必須具有良好的霧化及混合效果，以獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率；具有良好的噴射角度和火焰長度，以防損壞耐火磚；要具有一定的操作彈性，以滿足氣化爐負(fù)荷變化的需要；要具有較長的使用壽命，以保證氣化運(yùn)行的連續(xù)性。

1.2 燒嘴材質(zhì)要求

燒嘴要求采用耐磨性好的硬質(zhì)材料，同時(shí)要求具有抗氧化/硫化和耐高溫的特性。目前燒嘴的內(nèi)管、中管、外管材料大多采用含鎳高的Inconel 600合金，頭部材料則采用含鈷高的UMCO 50或Haynes 188等鎳基合金。

1.3 燒嘴參數(shù)

環(huán)隙：指環(huán)氧流動直徑，環(huán)隙大小決定燒嘴的加工能力；內(nèi)至外：指內(nèi)噴頭(中心氧)至端面距離，內(nèi)至外尺寸決定煤漿在燒嘴內(nèi)部的預(yù)混情況；中至外：中噴頭(水煤漿)至端面距離；內(nèi)：指內(nèi)噴頭(中心氧)內(nèi)徑；中：指中噴頭(水煤漿)內(nèi)徑；外：環(huán)氧噴頭直徑。

2 燒嘴常見問題原因分析及應(yīng)對措施

2.1 拱頂超溫

拱頂超溫原因有兩點(diǎn)：一是燒嘴尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致煤漿霧化流場不好；二是燒嘴出現(xiàn)偏噴現(xiàn)象。拱頂超溫時(shí)一方面可通過DCS畫面觀察判斷，另一方面可通過現(xiàn)場測溫判斷。燒嘴出現(xiàn)偏噴時(shí)，伴隨著燒嘴壓差的波動、拱頂或筒體局部超溫、渣口壓差出現(xiàn)波動、熱偶可能出現(xiàn)飛升、現(xiàn)場出現(xiàn)大塊渣等現(xiàn)象，出現(xiàn)偏噴現(xiàn)象時(shí)，現(xiàn)場操作人員必須加強(qiáng)巡檢，尤其加強(qiáng)對壁溫的監(jiān)測，而控制室人員一定要嚴(yán)格控制系統(tǒng)氧煤比，盡可能控制爐溫的穩(wěn)定和渣口壓差的穩(wěn)定，若出現(xiàn)爐溫飛升而氧煤比下降的情況，控制室人員應(yīng)通過降低氧煤比的操作來控制爐溫，如果降低氧煤比后爐溫仍在上漲，應(yīng)立即按下緊急停車按鈕。

2.2 燒嘴壓差波動

2017年2月7日2:24，氣化B爐燒嘴壓差由0.43 MPa開始下降，2:36燒嘴壓差降至0.2 MPa，而后穩(wěn)定在0.2 MPa，4:54燒嘴壓差繼續(xù)緩慢下降至0.15 MPa，5:38燒嘴壓差開始回漲，5:40達(dá)到0.28 MPa，6:22繼續(xù)上漲，7:38燒嘴壓差恢復(fù)至0.43 MPa，整個過程持續(xù)超過5 h。大唐化肥氣化燒嘴壓差經(jīng)常性出現(xiàn)類似波動，燒嘴壓差波動可能原因有三點(diǎn)：一是煤漿的質(zhì)量原因。煤漿的含量或者黏度不合格都會引起燒嘴壓差降低，當(dāng)煤漿含量降低，單位煤漿的質(zhì)量下降，膜盒壓力表測得壓力降低，煤漿的黏度發(fā)生變化時(shí)，外環(huán)氧對煤漿的剪切力和中心氧對煤漿的加速作用均會發(fā)生變化，致使燒嘴壓差波動；二是高壓煤漿泵原因。因煤漿中不可避免地含有鐵片之類的大顆粒雜質(zhì)，雜質(zhì)經(jīng)過高壓煤漿泵單向閥時(shí)，可能出現(xiàn)短暫地卡塞、煤漿輸送不穩(wěn)定，導(dǎo)致燒嘴壓差下降、氧煤比升高、爐溫突升，高壓煤漿泵單向閥卡塞現(xiàn)象消失后，煤漿入爐量恢復(fù)，燒嘴壓差恢復(fù)，還有就是高壓煤漿泵活塞密封、安全閥密封等問題也可能造成打量不好，燒嘴壓差波動；三是燒嘴原因。燒嘴因磨損、煤漿管線振動、煤漿和氧氣管線應(yīng)力等原因，造成煤漿偏流，未充分霧化，流經(jīng)燒嘴阻力下降，表現(xiàn)為燒嘴壓差下降，氧氣流量增加，在運(yùn)行一段時(shí)間后，通過物料自身修正，煤漿流向均勻、霧化改善，燒嘴壓差又趨于正常。

2.3 燒嘴冷卻水盤管燒漏

當(dāng)出現(xiàn)燒嘴冷卻水盤管燒漏時(shí)，燒嘴冷卻水流量、壓力、溫度會有明顯變化，即溫度升高、壓力升高、流量下降，DCS操作人員發(fā)現(xiàn)燒嘴冷卻參數(shù)同時(shí)出現(xiàn)波動時(shí)，立即按下停車按鈕，停車后將燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥門關(guān)閉，防止氣化爐泄壓后燒嘴冷卻水進(jìn)入氣化爐，造成爐磚損壞。燒嘴冷卻水盤管泄漏主要原因是露點(diǎn)腐蝕，而本質(zhì)原因是氣化煤硫含量高，因此要杜絕使用高硫煤。

2.4 中心氧含量低

大唐化肥從2012年6月投料至2017年11月，中心氧含量始終只有7%左右，因中心氧含量低，氣化爐內(nèi)黑區(qū)上移，運(yùn)行初期經(jīng)常出現(xiàn)拱頂超溫、渣口指標(biāo)控制不好、氣化爐排渣不暢、燒嘴斷面燒蝕龜裂等現(xiàn)象，對氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的影響。中心氧含量低的原因有燒嘴尺寸設(shè)計(jì)不合理、現(xiàn)場管線設(shè)計(jì)不合理存在管阻、閥門選型不合適等。針對中心氧含量低的問題，大唐化肥采取以下幾項(xiàng)措施：①經(jīng)過中心氧現(xiàn)場管線縮短取直改造，該改造中心氧管線縮短距離8 m左右，減少彎頭5個；②更換現(xiàn)場中心氧單向閥，單向閥形式由升降式改為軸流式，通過閥門形式的改變，降低中心氧管線阻力；③優(yōu)化燒嘴尺寸，先后進(jìn)行中至外、內(nèi)至外、環(huán)氧、霧化角度等參數(shù)調(diào)整，每次對調(diào)整后的尺寸進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)2個周期后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況再進(jìn)行其他參數(shù)調(diào)整，逐步積累數(shù)據(jù)，優(yōu)化尺寸。

經(jīng)過上述的技術(shù)改造和優(yōu)化，大唐化肥中心氧含量低的問題于2017年11月得以解決，目前中心氧實(shí)現(xiàn)可控、可調(diào)節(jié)，經(jīng)過摸索，中心氧含量控制在13%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，燒嘴運(yùn)行穩(wěn)定性大大增加，為氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了最基礎(chǔ)的保障。

3 大唐化肥燒嘴摸索發(fā)展的重大歷程

3.1 數(shù)據(jù)積累調(diào)整期(2012.6—2013.10)

氣化裝置運(yùn)行出現(xiàn)問題最多的就是拱頂超溫、筒體超溫、燒嘴壓差波動、燒嘴冷卻水盤管燒漏、渣口壓差難以有效控制，燒嘴受損嚴(yán)重，外燒嘴端面不同程度的龜裂，尤其是外燒嘴側(cè)面嚴(yán)重?zé)g，外管收縮明顯，環(huán)隙變小且不均勻，對安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成極大的困擾，大唐化肥與北京航天十一所燒嘴廠家多次進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，分析認(rèn)為氣化爐內(nèi)燃燒火焰較短是造成拱頂超溫、筒體超溫、燒嘴冷卻水盤管燒漏、渣口壓差難以控制的主要原因。北京航天十一所通過調(diào)整內(nèi)燒嘴距端面距，實(shí)現(xiàn)拉長燃燒火焰長度，改善燒嘴的霧化狀況，改造前和改造后的工藝燒嘴與氣化爐流場計(jì)算模擬見圖2。

圖2 燒嘴與氣化爐流場計(jì)算模擬

圖中左側(cè)為不同顏色代表物料在氣化爐的不同流速，右側(cè)為燒嘴頭部局部放大圖。

由圖2可見，原工藝燒嘴模擬冷態(tài)流場中，射流區(qū)域較短，射流中心區(qū)更靠近爐子拱頂處；改造后射流區(qū)域較原射流區(qū)域長1.0 m左右，射流中心區(qū)向爐膛中部移動。改造后工藝燒嘴氣化燃燒火焰較改造前長，火焰中心區(qū)更遠(yuǎn)離爐子拱頂處。在同樣氧煤比的情況下，提高了渣口處溫度，由于渣口溫度的高低是決定渣口壓差大小的主要因素，因此氣化爐渣口排渣更順暢。

3.2 數(shù)據(jù)固化試驗(yàn)期(2013.11—2014.9)

經(jīng)過摸索后，大唐化肥最終將內(nèi)噴頭距端面距固定為20 mm，而后在雙爐進(jìn)行持續(xù)試驗(yàn)，經(jīng)過改造，燒嘴斷面龜裂情況明顯好轉(zhuǎn)，燒嘴改造前后使用效果對比見圖3。

圖3 燒嘴頭部改造前后使用效果對比

燒嘴改造前后爐渣情況對比見圖4，改造前，爐渣內(nèi)存在大量的玻璃纖維，改造后的爐渣粗細(xì)均勻，相對于改造前大為改善。

圖4 燒嘴改造前后爐渣對比

燒嘴改造前后爐子渣口情況對比見圖5，改造前渣口經(jīng)常性發(fā)生堵塞，最差的時(shí)候渣口直徑不足10 cm，對氣化爐的連投造成了很大的安全隱患，必須進(jìn)行疏通方可投料。投料后如要正常排渣就必須首先提高氧煤比以提高氣化爐上部溫度，從而提高渣口溫度，這使得爐子拱頂溫度超溫情況進(jìn)一步惡化。改造后，燒嘴霧化然后火焰變長，氣化爐內(nèi)黑區(qū)整體下移，渣口的溫度保持在灰熔點(diǎn)以上，實(shí)現(xiàn)正常排渣。

圖5 燒嘴改造前后渣口對比

從固化后的燒嘴運(yùn)行情況可知，燒嘴運(yùn)行周期明顯加長，裝置的運(yùn)行情況有了極大地改善，氣化裝置基本實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行，從而驗(yàn)證了燒嘴固化數(shù)據(jù)的成功。

3.3 提濃探索期(2014.10—2016.4)

2014年前期單一東明煤煤漿濃度在48%左右，為了提高煤漿濃度，特意將煤漿顆粒整體放大，煤漿濃度上漲至49%左右，黏度在1 200 mPa·s左右，2015年2月開始將煤漿黏度指標(biāo)修改為入爐煤漿黏度不超1 500 mPa·s，煤漿濃度得到進(jìn)一步提升至49.5%左右。但是在運(yùn)行中仍發(fā)現(xiàn)每次燒嘴內(nèi)噴頭嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象(見圖6)。

圖6 改造前后內(nèi)噴頭磨損對比

這個階段氣化裝置工藝參數(shù)頻繁變化的就是燒嘴壓差，主要原因是噴頭內(nèi)壁因煤漿沖刷導(dǎo)致其通道變大、變得不規(guī)則，煤漿容易產(chǎn)生壓差波動，霧化效果差，燒嘴壓差波動時(shí)，介質(zhì)流向不穩(wěn)定，一旦重新找到平衡點(diǎn)，燒嘴壓差又趨于正常。

煤漿顆粒放大后，一方面是燒嘴內(nèi)噴頭磨損嚴(yán)重，燒嘴使用壽命明顯變短；另一方面是煤漿大顆粒極易在高壓煤漿泵單向閥密封O形圈處卡塞，出現(xiàn)單向閥高壓煤漿泵單向閥卡塞事故，導(dǎo)致煤漿入爐流量、壓力波動，進(jìn)而引發(fā)燒嘴壓差波動。

3.4 降黏保黏調(diào)整期(2016.5—2017.11)

針對燒嘴磨損嚴(yán)重和燒嘴壓差頻繁波動的問題，2016年1月大唐化肥多次與北京航天十一所進(jìn)行技術(shù)交流，北京航天十一所技術(shù)人員多次來廠進(jìn)行探討協(xié)商，雙方對內(nèi)噴磨損問題達(dá)成共識，內(nèi)噴磨損嚴(yán)重基本確定是煤漿顆粒大導(dǎo)致，于是大唐化肥將入爐煤漿黏度指標(biāo)修改為900～1 200 mPa·s，運(yùn)行證實(shí)燒嘴運(yùn)行情況得到好轉(zhuǎn)，燒嘴壓差波動頻次大幅減少，裝置運(yùn)行平穩(wěn)率顯著提高，燒嘴使用壽命平均在40 d以上。

3.5 燒嘴數(shù)據(jù)優(yōu)化期(2017.11至今)

隨著中心氧含量低的問題的解決，大唐化肥再次與北京航天十一所進(jìn)行探討，一方面是提高中心氧含量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高有效氣含量的目的，目前已將中心氧含量調(diào)至13%；另一方面是通過改變燒嘴尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，確保燒嘴使用壽命平均水平達(dá)80 d以上。本次燒嘴尺寸主要改變?nèi)糠郑阂皇莾?nèi)至外由20 mm改為70 mm；二是中至外由3 mm改為2.3 mm；三是環(huán)氧尺寸由4.5 mm改為4.2 mm。改造后燒嘴運(yùn)行穩(wěn)定，第一臺燒嘴上爐運(yùn)行壽命達(dá)81 d，其他燒嘴目前正在繼續(xù)使用中。

4 結(jié)語

針對燒嘴在使用過程中存在的問題，大唐化肥一直與多家燒嘴廠家進(jìn)行技術(shù)交流，然而部分燒嘴廠維修、設(shè)計(jì)的燒嘴使用情況并不理想，最終大唐化肥通過現(xiàn)場改造，與航天十一所、GE技術(shù)服務(wù)公司相關(guān)人員共同努力，徹底解決了制約系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的燒嘴問題，氣化裝置實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。