SHELL氣化爐煤燒嘴角度改造實(shí)踐及效果

顏昌玉

(大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 多倫 027300)

Shell煤氣化工藝是典型的第二代煤氣化工藝之一，該裝置設(shè)計(jì)煤種采用褐煤作為原料煤，運(yùn)行過程中煤粉、氧氣在加壓條件下進(jìn)入氣化爐內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程，氣化產(chǎn)物是以H2和CO 為主的合成氣。

Shell煤氣化裝置采用干煤粉加壓進(jìn)料方式，氣化爐膛溫度高達(dá)1 400～1 600℃，壓力4.12MPa，碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%以上，氧耗低、冷煤氣效率高、液態(tài)排渣、產(chǎn)品氣體潔凈，有效氣體高達(dá)90%(干基)以上，酸性氣體處理費(fèi)用低，渣和灰可作建筑材料，廢水排放符合環(huán)保要求。氣化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行過程中，在頻繁調(diào)整負(fù)荷、更換煤種的情況下，若操作爐溫偏高，容易造成SGC入口積灰，且氣化爐需要高激冷比來維持穩(wěn)定運(yùn)行，如操作爐溫度偏低，很容易出現(xiàn)氣化爐渣口堵渣，平均每臺(tái)爐每年堵渣停車3～4次。為了解決氣化爐堵渣問題，降低合成氣冷卻器積灰風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)一步提高氣化負(fù)荷，經(jīng)過方案對(duì)比，最終選擇對(duì)煤燒嘴進(jìn)行角度改造方案。

1 渣口堵渣解決方案的確定

該裝置從試生產(chǎn)以來，氣化爐渣口堵渣發(fā)生30多次，為了不發(fā)生堵渣，被迫選擇灰熔點(diǎn)相對(duì)較低的煤種，長(zhǎng)期在高氣化爐溫度、高激冷比情況下運(yùn)行，氣化最高運(yùn)行氧氣負(fù)荷基本維持在80%～85%，且氣化爐SGC入口積灰、氣化爐反應(yīng)段爆管多次發(fā)生，為了解決堵渣并提高負(fù)荷，在不考慮煤種、運(yùn)行工藝負(fù)荷波動(dòng)、氣化爐操作溫度等的情況下，通過改變反應(yīng)爐膛熱力場(chǎng)溫度分布，先后考慮了3種改造方案(見表1)。

(1)方案1：把氣化爐渣口尺寸由1 000mm改為1 200mm，降低堵塞頻次。此方案需要切除渣口多余的2圈盤管來增加渣口的尺寸，切除后極易造成渣屏掛渣，當(dāng)渣塊長(zhǎng)大脫落后容易堵塞渣池，造成渣池堵渣停車。

(2)方案2：通過提高氧氣壓力來加快燒嘴頭部氧氣流速(65m/s提高至73m/s)，以此改變氣化爐內(nèi)熱力場(chǎng)分布，變向提高渣口溫度。要想實(shí)施此方案，需要通過更換空分高壓液氧泵來提高氧氣管網(wǎng)壓力，且運(yùn)行壓力提高后，氧氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)升高，更換氧泵成本較高，此方案不可取。

(3)方案3：調(diào)整燒嘴頭安裝角度，使其與氣化爐中心夾角度由4°調(diào)至6°，以此來提高渣口溫度。一般燒嘴頭的使用壽命約8 000h，需要定期更換。此方案實(shí)施，只需要在燒嘴使用壽命快到時(shí)更換新燒嘴頭，根據(jù)尺寸重新加工燒嘴偏心調(diào)節(jié)墊片即可，不涉及到對(duì)氣化爐及相關(guān)附屬設(shè)施進(jìn)行改造，不增加其他額外費(fèi)用，風(fēng)險(xiǎn)低。

表1 基于大唐多倫氣化爐75%負(fù)荷下對(duì)各種改造對(duì)比

綜合對(duì)比，采用燒嘴改角度思路，渣口溫度增加最大、改造增加費(fèi)用少、成本最低、風(fēng)險(xiǎn)最低，在渣口溫度提高后，能在原操作基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低氧煤比，降低氣化爐反應(yīng)室出口溫度，在激冷氣量不變的情況下，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，故選擇采用燒嘴改角度方案。

2 改造方案

2.1 設(shè)計(jì)角度

由原設(shè)計(jì)煤燒嘴與氣化爐中心向外偏離4°夾角改造為偏離6°，使熱力場(chǎng)溫度向爐壁及渣口偏移，安裝角度方位圖見圖1。

圖1 Shell煤氣化爐燒嘴安裝角度方位

2.2 改造方式

(1)對(duì)原煤燒嘴頭部進(jìn)行切割更換，新燒嘴頭與燒嘴桿焊接，控制頭部與燒嘴桿的水平夾角為2.24°，通過調(diào)整燒嘴偏心墊片，使煤燒嘴的安裝方向由原來的燒嘴桿與氣化爐中心偏離4°改成3.76°，燒嘴頭向爐壁側(cè)偏離，合計(jì)完成偏離6°夾角。

(2)燒嘴頭部氧氣通道與煤通道頭部同心，對(duì)水平間距及倒角深度安裝尺寸進(jìn)行修改。

(3)安裝過程中盡量使用燒嘴安裝支架進(jìn)行尺寸調(diào)整，確定燒嘴頭部與燒嘴罩最內(nèi)圈水冷管的間距與圖紙一致(中心在一條直線上，燒嘴頭與燒嘴罩上下間距一致，左右間距為121.0mm∶151.4mm)，并確定好燒嘴偏心調(diào)節(jié)墊的尺寸，做好定位標(biāo)示。Shell煤氣化爐燒嘴角度調(diào)整后的安裝尺寸見圖2。

圖2 Shell煤氣化爐燒嘴角度調(diào)整后的安裝尺寸

2.3 注意事項(xiàng)

(1)需要根據(jù)燒嘴安裝尺寸要求，重新制作配套的燒嘴偏心調(diào)節(jié)墊片。

(2)安裝前需要拆除燒嘴罩頭部?jī)?nèi)側(cè)隔熱絲網(wǎng)，否則在燒嘴插入過程中會(huì)卡澀，無法安裝到位。

(3)燒嘴改角度前，必須先將點(diǎn)火燒嘴(IB)與開工燒嘴(SUB)之間的填料函結(jié)構(gòu)改為水冷壁結(jié)構(gòu)，其冷卻水為強(qiáng)制循環(huán)冷卻水，冷卻水管線外壁表面焊接耐火釘并澆筑耐火泥，否則運(yùn)行約2～3月，此部位可能會(huì)燒穿，導(dǎo)致環(huán)隙溫度高，裝置被迫停車。

(4)氣化爐反應(yīng)器頂錐部分水冷壁盤管進(jìn)出口接縫死區(qū)背部需要采用自制激冷盒加耐火泥保護(hù)，降低氣化爐運(yùn)行期間出現(xiàn)爐壁燒穿的風(fēng)險(xiǎn)。

3 改造效果

目前，大唐多倫3套氣化裝置全部實(shí)現(xiàn)煤燒嘴4°改6°的改造，通過燒嘴角度改造，氣化爐目前負(fù)荷已實(shí)現(xiàn)100%氧氣運(yùn)行常態(tài)化，最高運(yùn)行負(fù)荷110%，使用煤種操作窗口由原來的1 350～1 550℃到目前的1 150～1 500℃，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，再未出現(xiàn)過氣化爐下渣口堵渣情況。

3.1 方案優(yōu)點(diǎn)

(1)極大降低了氣化爐操作溫度，同等氧氣負(fù)荷下汽包小室蒸汽產(chǎn)量降低約2kg/s，氣化操作溫度可以降低約120℃左右，在原有激冷氣量不變的情況下降低了SGC入口積灰風(fēng)險(xiǎn)。

(2)同等氧氣負(fù)荷下，需要的激冷氣量下降。

(3)同等氧氣負(fù)荷下，煤耗增多，合成氣負(fù)荷明顯增多。

(4)下游甲醇產(chǎn)量顯著提高，目前已實(shí)現(xiàn)110%精甲醇產(chǎn)量穩(wěn)定生產(chǎn)，負(fù)荷提升空間極大地得到釋放。

3.2 方案缺點(diǎn)

(1)氣化爐爐壁采用耐火材料、耐火釘易磨蝕，需適當(dāng)控制好爐溫，保證爐膛掛渣安全，耐火材料等使用壽命能確保在2年以上。

(2)IB及SUB之間的填料函爐壁鋼板極易因高溫熔融加磨損導(dǎo)致燒穿泄漏，通過對(duì)此區(qū)域進(jìn)行改造，并增加強(qiáng)制冷卻循環(huán)水，增補(bǔ)耐火釘、耐火泥，此問題基本得到解決。

(3)氣化爐運(yùn)行過程中，灰渣比發(fā)生改變，原設(shè)計(jì)渣量約占總煤灰(w)的69.42%，改造后約為88%(w)(同等情況下灰系統(tǒng)負(fù)荷降低)，撈渣機(jī)的負(fù)荷加大，需要重新評(píng)估撈渣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過煤燒嘴改角度的實(shí)踐，確認(rèn)此項(xiàng)改造安全、穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益巨大，為氣化爐提高負(fù)荷、增加產(chǎn)量提供了較大的運(yùn)行空間，拓展了新的思路，且基本沒有增加投資成本，只需要對(duì)已經(jīng)到使用壽命的燒嘴頭定期更換即可。在高投煤量SHELL氣化爐的應(yīng)用前景廣闊，為實(shí)現(xiàn)SHELL裝置釋放最大程度的產(chǎn)能提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。