四噴嘴氣化爐燒嘴煤漿壓差波動(dòng)原因的探討

孔德升

(恒力石化(大連)煉化有限公司，遼寧 大連 116000)

恒力石化(大連)煉化有限公司(以下簡(jiǎn)稱恒力煉化)氣化裝置采用的是國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，配置6套氣化系統(tǒng)，單臺(tái)氣化爐耗干基煤量3 000t/d，操作壓力6.5MPa，是目前四噴嘴氣化工藝投運(yùn)的最大爐型，采用“五開一備”運(yùn)行模式，為煉化加氫裝置、50萬t/a甲醇裝置、30萬t/a醋酸裝置和150萬t/a乙烯化工配套燃料氣裝置提供100萬Nm3/h CO+H2，2019年2月15日首套氣化爐投料一次成功，5月23日打通煤制氫醋酸全線流程，生產(chǎn)出合格氫氣、精甲醇和精醋酸，目前氣化系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)“五開一備”常態(tài)化運(yùn)行。

1 工藝燒嘴結(jié)構(gòu)及霧化機(jī)理介紹

四噴嘴水煤漿氣化工藝采用的是三通道預(yù)膜式工藝燒嘴，本體材質(zhì)采用INCONEL600，燒嘴冷卻水盤管和三通道外管采用INCONEL625材質(zhì)，燒嘴頭部3層套管和端面均采用UMCO50材質(zhì)。工藝燒嘴的3層通道由內(nèi)向外依次為中心氧氣通道、煤漿通道、外環(huán)氧氣通道，3層通道在出燒嘴頭部間隙處縮頸加速，中心氧氣和外環(huán)氧氣流速可達(dá)110～130 m/s，煤漿流速可達(dá)10 m/s。

四噴嘴氣化爐在燃燒室中上部水平均勻布置4個(gè)工藝燒嘴(見圖1)，兩兩對(duì)置，高壓煤漿泵輸送的水煤漿出煤漿燒嘴環(huán)隙后，首先與高速中心氧氣在預(yù)混室混合加速，然后被外環(huán)氧氣切割霧化，水煤漿在高速氧氣剪切和高頻振蕩作用下，分散成細(xì)小液滴，從而強(qiáng)化水煤漿水分蒸發(fā)、揮發(fā)分裂解和與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)。

圖1 工藝燒嘴結(jié)構(gòu)

2 問題描述

恒力煉化四噴嘴氣化爐滿負(fù)荷單燒嘴煤漿流量為39.6m3/h，高負(fù)荷運(yùn)行期間頻繁出現(xiàn)燒嘴煤漿壓差波動(dòng)現(xiàn)象，燒嘴滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煤漿壓差正常值為0.2～0.25MPa，最低降至0.01MPa，波動(dòng)無規(guī)律，存在隨機(jī)性，甚至出現(xiàn)4燒嘴的煤漿壓差交替波動(dòng)的情況，同時(shí)伴有氧氣流量、渣口壓差和氧煤比等核心控制參數(shù)波動(dòng)，成為威脅氣化爐“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行的重大難點(diǎn)。

3 燒嘴煤漿壓差波動(dòng)的危害

燒嘴煤漿壓差波動(dòng)時(shí)，煤漿流量無明顯變化，引發(fā)一系列系統(tǒng)反應(yīng)，如霧化效果變差、殘?zhí)己可?、發(fā)氣量降低、燃燒室內(nèi)氣流場(chǎng)破壞、局部旋流加劇耐火磚的侵蝕損壞等，即使使用煤灰黏溫特性較好的煤種，工藝燒嘴端面和盤管均有回火灼燒痕跡；氧氣流量增大造成氣化爐爐膛溫度波動(dòng)，固態(tài)渣膜熔融排出易造成燒嘴頭部龜裂、析碳和激冷環(huán)壽命降低。圖2、圖3為運(yùn)行了58d的工藝燒嘴。由于壓差頻繁波動(dòng)，工藝燒嘴中心氧氣噴頭磨損和端面龜裂均較嚴(yán)重。

圖2 燒嘴壓差頻繁波動(dòng)的A燒嘴端面

圖3 燒嘴壓差偶爾波動(dòng)的C燒嘴端面

4 燒嘴煤漿壓差影響因素分析

4.1 氧氣流速影響

四噴嘴氣化工藝采用的是三通道預(yù)膜式工藝燒嘴，其中，中心氧氣噴頭內(nèi)縮4mm，位于工藝燒嘴最內(nèi)側(cè)，高壓氧氣經(jīng)中心氧通道加速噴出。由于通道截面增大，氧氣流速有所降低，部分動(dòng)能再次轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而造成預(yù)混腔內(nèi)壓力升高，帶動(dòng)煤漿通道內(nèi)壓力升高，工藝燒嘴煤漿壓差由煤漿入燒嘴前壓力與氣化爐燃燒室壓力的差值計(jì)算而得，燒嘴煤漿壓差隨之增大，觀察氣化爐投料后升壓過程中燒嘴壓差變換情況發(fā)現(xiàn)，主氧和中心氧氣流量控制基本不變時(shí)，燒嘴煤漿壓差隨氧氣空速的增大而增大，氣化爐投料初期，控制單燒嘴負(fù)荷27m3/h，對(duì)應(yīng)主氧和中心氧氣流量13 500Nm3/h和2 400Nm3/h，氣化系統(tǒng)由1.0MPa緩慢升壓至6.4MPa，燒嘴煤漿壓差由投料后的0.35MPa逐漸降至0.15MPa。

4.2 煤漿流量及黏度影響

煤漿頭部通道環(huán)隙縮小起到加速煤漿流動(dòng)的作用，同時(shí)也增大了阻力損失，且流量越大，阻力損失越大。氣化系統(tǒng)并氣后，維持氣化爐壓力6.4MPa。提升負(fù)荷，煤漿流量由26 m3/h升至37 m3/h時(shí)，煤漿燒嘴壓差由0.12MPa緩慢恢復(fù)正常運(yùn)行指標(biāo)0.23MPa。此外，水煤漿是高硬度煤粒與水混合形成的高黏度固液混合物，黏度越高，水煤漿流動(dòng)性越差，通過環(huán)隙前后損失越大，燒嘴煤漿壓差越大。

4.3 煤漿泵特性及緩沖罐壓力影響

水煤漿是由煤漿泵加壓輸送入爐，恒力煉化煤漿泵采用往復(fù)式奇好隔膜泵，奇好泵為雙缸雙作用，一側(cè)的兩個(gè)缸供應(yīng)一個(gè)燒嘴的煤漿流量，一個(gè)缸頭輸出煤漿時(shí)，另一個(gè)缸頭吸入煤漿，從而交替動(dòng)作實(shí)現(xiàn)煤漿的連續(xù)輸送。正是因?yàn)橥鶑?fù)式煤漿泵的工作原理，煤漿流量的輸送呈波形曲線，兩個(gè)缸交替做工的間隙，煤漿流量和壓力波動(dòng)最大。在煤漿泵出口設(shè)置氮?dú)饩彌_罐，預(yù)充一定壓力的中壓氮?dú)猓撩簼{泵出口正常運(yùn)行壓力的80%。當(dāng)煤漿壓力高于緩沖罐預(yù)充壓力時(shí)，高壓煤漿進(jìn)入緩沖罐儲(chǔ)存；當(dāng)煤漿管道壓力低于緩沖罐壓力時(shí)，煤漿通過管道進(jìn)入工藝燒嘴，從而達(dá)到削峰填谷、穩(wěn)定壓力流量的作用。因此，在氣化爐投料初期，系統(tǒng)壓力低，煤漿管線壓力低，緩沖罐起不到緩沖作用，煤漿流量波動(dòng)最大。隨著系統(tǒng)壓力升高，緩沖罐投入使用，煤漿流量和壓力波動(dòng)逐漸降低，正常運(yùn)行時(shí)，一般煤漿流量波動(dòng)幅度<0.5m3/h，壓力波動(dòng)幅度<0.02MPa。

4.4 工藝燒嘴煤漿噴頭間隙尺寸影響

工藝燒嘴環(huán)隙尺寸是氣化裝置運(yùn)行好壞的核心參數(shù)之一，是根據(jù)設(shè)計(jì)煤種特性參數(shù)和系統(tǒng)所需負(fù)荷計(jì)算而得。工藝燒嘴是水煤漿霧化及與氧氣充分混合的關(guān)鍵設(shè)備，為了達(dá)到良好的霧化效果，要求中心氧氣噴出流速110～120m/s，外環(huán)氧氣噴出流速120～140 m/s，煤漿環(huán)隙和外環(huán)氧氣環(huán)隙尺寸有著嚴(yán)格的要求，中心氧氣噴頭內(nèi)縮4mm，在中心氧氣與煤漿間形成預(yù)膜腔，煤漿經(jīng)中間通道縮徑加速噴出，與高速噴出中心氧氣在預(yù)混腔內(nèi)充分混合，速度迅速提升，然后被高速噴出的外環(huán)氧氣剪切霧化，形成震蕩，使煤漿液滴震蕩破碎成細(xì)小液滴，從而增大氧氣與煤漿的反應(yīng)接觸面積。由于水煤漿是高硬度煤粒與水混合形成的高黏度固液混合物，長期加速運(yùn)行的水煤漿會(huì)對(duì)中心氧氣噴頭外側(cè)和煤漿環(huán)隙外側(cè)形成磨損，造成煤漿環(huán)隙增大、燒嘴煤漿壓差減小，故而在工藝燒嘴運(yùn)行后期，燒嘴煤漿壓差均會(huì)波動(dòng)，并呈降低趨勢(shì)。

4.5 單向閥卡頓影響

新一代四噴嘴水煤漿氣化工藝用單向閥取代煤漿爐頭閥，即在水煤漿進(jìn)入工藝燒嘴前設(shè)置單向閥，事故狀態(tài)下，用以阻止氣化爐內(nèi)高溫水煤氣通過煤漿管線反串外泄。為降低管道阻力和兼顧單向閥止逆效果，多數(shù)廠家煤漿單向閥均選取旋啟式單向閥，但因其閥頭選材及設(shè)計(jì)大小的不同，單向閥產(chǎn)生的壓降并不相同，個(gè)別廠家投料初期的燒嘴煤漿壓差可達(dá)1.2MPa。恒力煉化煤制氫氣化裝置煤漿燒嘴壓差0.5MPa，圓形閥頭通過銷柱與閥座連接，煤漿通過時(shí)依靠煤漿泵產(chǎn)生動(dòng)能將閥頭頂啟，通過的煤漿流量不同，閥頭位置所在的平衡高度不同，氣化爐爐膛壓力突然降低時(shí)，通過單向閥流量瞬間增大，閥頭瞬間頂啟，當(dāng)銷柱磨損或煤漿大顆粒在銷柱周圍堆積時(shí)，便會(huì)影響銷柱旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成瞬間開啟的閥頭不能根據(jù)煤漿流量自由回落。

4.6 燃燒室壓力影響

燒嘴煤漿壓差是入爐前煤漿管線壓力與氣化爐燃燒室壓力測(cè)量值的差值，當(dāng)后系統(tǒng)壓力波動(dòng)、氣化爐帶水、渣口堵塞或激冷室積灰堵塞時(shí)，燃燒室壓力均會(huì)發(fā)生波動(dòng)，燒嘴煤漿壓差將會(huì)隨之升高或降低，燃燒室壓力波動(dòng)引起的燒嘴壓差波動(dòng)有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即4個(gè)工藝燒嘴的煤漿壓差同步波動(dòng)，趨勢(shì)一致。

5 燒嘴壓差異常波動(dòng)特點(diǎn)

5.1 煤漿流量穩(wěn)定

燒嘴煤漿壓差波動(dòng)時(shí)，煤漿流量無明顯變化。利用一次氣化爐倒?fàn)t機(jī)會(huì)，通過趨勢(shì)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，總結(jié)出煤漿流量與煤漿壓差對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣化爐投料并氣后，系統(tǒng)壓力升至正常運(yùn)行壓力6.4MPa，70%負(fù)荷單燒嘴煤漿流量28m3/h，對(duì)應(yīng)燒嘴煤漿壓差0.15MPa，而煤漿壓差波動(dòng)時(shí)最低可降至0.02MPa，煤漿流量基本穩(wěn)定，燒嘴煤漿壓差異常波動(dòng)與煤漿流量無變化關(guān)系。

5.2 新舊燒嘴均可出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象

為摸索系統(tǒng)規(guī)律，確保裝置安全運(yùn)行，恒力煉化工藝燒嘴更換周期為60d。燒嘴煤漿壓差波動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)在工藝燒嘴運(yùn)行中期和運(yùn)行后期，并且波動(dòng)幅度不隨運(yùn)行時(shí)間的延長而增大，但新投用工藝燒嘴亦可發(fā)生煤漿壓差波動(dòng)現(xiàn)象，2019年6月23日，2#氣化爐投料運(yùn)行，次日即發(fā)生燒嘴煤漿壓差波動(dòng)現(xiàn)象，燒嘴煤漿壓差波動(dòng)幅度最大在0.1MPa左右，煤漿流量依然無變化。

5.3 與煤漿通道磨損關(guān)系密切

2019年9月14日和16日分別對(duì)運(yùn)行58d的3#爐燒嘴和6#爐燒嘴進(jìn)行更換，發(fā)現(xiàn)停爐前煤漿壓差波動(dòng)的燒嘴同不波動(dòng)燒嘴一樣，端面運(yùn)行良好，無嚴(yán)重龜裂燒蝕現(xiàn)象，但煤漿壓差波動(dòng)的燒嘴存在一共同點(diǎn)：中心氧氣噴頭外側(cè)磨損相對(duì)嚴(yán)重，剩余厚度約為設(shè)計(jì)厚度的1/4～1/3。

5.4 引發(fā)系統(tǒng)核心參數(shù)波動(dòng)

燒嘴煤漿壓差波動(dòng)并非僅煤漿壓力與氣化爐燃燒室壓力發(fā)生變化，而是引發(fā)一系列系統(tǒng)反應(yīng)，如氧氣燒嘴壓差降低、氧氣流量增大、中心氧氣流量增大、渣口壓差波動(dòng)、氣化爐爐膛溫度升高、氣化爐壓力波動(dòng)等，燒嘴煤漿壓差越低，系統(tǒng)核心參數(shù)波動(dòng)越大。

6 煤漿壓差波動(dòng)機(jī)理分析

6.1 燒嘴間隙尺寸余量大

恒力煉化氣化裝置設(shè)計(jì)煤種灰熔點(diǎn)為1 350℃，需增加石灰粉降低灰熔點(diǎn)，比氧耗和比煤耗高，滿負(fù)荷煤漿流量為45m3/h，工藝燒嘴中心氧氣、外環(huán)氧氣和煤漿通道間隙尺寸分別為13mm、7mm、27mm。在操作煤種灰熔點(diǎn)小于1 200℃時(shí)，生產(chǎn)200 000N m3/h有效氣，滿負(fù)荷煤漿流量降為39.6 m3/h，設(shè)計(jì)煤種與操作煤種變化較大，工藝燒嘴間隙尺寸偏大，霧化效果變差，更易造成燒嘴端面溫度升高，進(jìn)而造成工藝燒嘴間隙尺寸變化。

6.2 燒嘴間隙尺寸發(fā)生變化

對(duì)比恒力煉化氣化裝置以往燒嘴壓差波動(dòng)工況數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，燒嘴煤漿壓差波動(dòng)往往發(fā)生在煤種更換、煤漿濃度降低和燃燒室操作溫度升高的工況下。該種工況下燒嘴頭部流場(chǎng)溫度升高，金屬受熱膨脹，特別是熔渣與工藝燒嘴頭部直接接觸時(shí)，燒嘴端面受熱膨脹，煤漿通道、中心氧氣和外環(huán)氧氣噴頭發(fā)生位移，間隙尺寸增大，入爐前煤漿管道壓力降低的同時(shí)，入爐前氧氣管線壓力同步降低，外環(huán)氧氣和中心氧氣流量均出現(xiàn)不同程度增大，其中以外環(huán)氧氣增加最為明顯，一般燒嘴煤漿壓差每降低0.06MPa，中心氧氣流量增加約50Nm3/h，外環(huán)氧氣流量增加約300Nm3/h。

7 處理方法

7.1 調(diào)整氧氣流量

當(dāng)燒嘴煤漿壓差降低時(shí)，燃燒室內(nèi)壓力降低，氧氣流量自動(dòng)增大，增加了燒嘴端面的熱負(fù)荷，通過降低氧氣流量，不僅可以維持正常爐溫和氧煤比，更可以改善燒嘴回流流股氧氣分壓，降低燒嘴端面的熱負(fù)荷，操作上需控制燒嘴氧氣流量低于正常氧氣流量，燒嘴煤漿壓差降低幅度越大，氧氣流量調(diào)節(jié)幅度需相應(yīng)增加，一般5～10min即可出現(xiàn)效果，燒嘴煤漿壓差回升后，不要立刻恢復(fù)氧氣流量，避免燒嘴壓差反復(fù)波動(dòng)，需待燒嘴煤漿壓差恢復(fù)正常后，略降低氧煤比控制。

7.2 調(diào)整中心氧氣比例

對(duì)于燒嘴壓差波動(dòng)不大的工況，可以適當(dāng)增大燒嘴中心氧氣比例，提升煤漿霧化效果，使火焰遠(yuǎn)離燒嘴端面，待熱負(fù)荷降低、燒嘴間隙恢復(fù)正常后，適當(dāng)降低中心氧比例。

7.3 調(diào)整煤漿負(fù)荷

在處理燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)，增加和降低煤漿負(fù)荷均有應(yīng)用，且均具有一定效果，一般0.5h左右，燒嘴端面熱負(fù)荷恢復(fù)正常，燒嘴壓差出現(xiàn)回升。通過增加煤漿負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整時(shí)，氧氣流量需維持不變；降低煤漿負(fù)荷需同時(shí)降低氧氣流量，也就是氣化爐減負(fù)荷生產(chǎn)，一般需要運(yùn)行正常的氣化爐配合加負(fù)荷操作，以維持全廠合成氣平衡。

7.4 調(diào)整煤種或配比

燒嘴壓差波動(dòng)往往出現(xiàn)在更換煤種期間，特別是隨著煤化工日趨大型化，單爐投煤量已達(dá)到3 200t/d(濕基)，卸煤量大、轉(zhuǎn)運(yùn)成本高。企業(yè)多進(jìn)行灰熔點(diǎn)分析后，采用直供上煤的運(yùn)行方式，但灰熔點(diǎn)分析不能完全代表黏溫特性分析，當(dāng)換煤氣化爐運(yùn)行不適時(shí)，需調(diào)整上煤比例，即降低新煤比例或更換至原使用煤種，由于煤漿槽緩存作用，一般8h才會(huì)出現(xiàn)明顯效果。

8 結(jié)語

作為氣化爐核心設(shè)備的工藝燒嘴，燒嘴壓差是其核心參數(shù)之一，一般波動(dòng)0.01～0.03MPa可視為正常，倘若出現(xiàn)燒嘴煤漿壓差大幅降低，甚至長期在0.1MPa低壓差下運(yùn)行，會(huì)加劇燒嘴端面龜裂和燒蝕，大大縮短燒嘴使用壽命。煤種變動(dòng)、粒度偏粗、燒嘴間隙磨損和設(shè)計(jì)偏離負(fù)荷過大等原因均是造成燒嘴壓差波動(dòng)的主要原因。經(jīng)過一段時(shí)間摸索處理方法，降低氧氣流量、調(diào)整煤漿流量、中心氧氣比例和配煤比例均能達(dá)到較好的處理效果，其中，調(diào)整中心氧氣比例和氧氣流量時(shí)效性最短，調(diào)整配煤比例周期最長，但燒嘴煤漿壓差回升后，不要立刻恢復(fù)氧氣流量，避免燒嘴壓差反復(fù)波動(dòng)，需待燒嘴煤漿壓差恢復(fù)正常后，略降低氧煤比控制。