航天爐三高無煙煤運(yùn)行適應(yīng)性改造與優(yōu)化

尹 興，周 丹，劉友國，周元祥，文美軍，鄭浩天

(黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551500)

黔西縣黔希煤化工投資有限責(zé)任公司年產(chǎn)30萬t乙二醇項(xiàng)目氣化裝置采用航天粉煤加壓氣化工藝。受粉煤燒嘴使用壽命和煤質(zhì)特性的影響，氣化爐未實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行。航天爐粉煤燒嘴是煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備之一，其性能在很大程度上決定了氣化爐能否安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行。自開車以來，由于粉煤燒嘴頭部頻繁泄漏造成的壽命短(60 d)的問題嚴(yán)重制約氣化爐安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行。2019年7月起，黔?；ね顿Y有限責(zé)任公司展開燒嘴使用壽命問題攻關(guān)，通過提高碳轉(zhuǎn)化率，降低比煤耗和殘?zhí)己?，延長了粉煤燒嘴使用三高無煙煤的運(yùn)行周期。

1 石灰石系統(tǒng)升級改造

針對貴州無煙煤三高的特性：灰熔點(diǎn)高(大于1 500 ℃)、灰分高(22%～32%)、硫分高(1.5%～3.5%)，其中高灰熔點(diǎn)對氣化爐影響尤為重要。使用高灰熔點(diǎn)煤必然導(dǎo)致氣化爐操作溫度整體升高，單煤耗的氧氣量必然增加，同時較高的操作溫度影響粉煤燒嘴、盤管及激冷室內(nèi)件的使用壽命。如何降低三高無煙煤灰熔點(diǎn)成為影響燒嘴使用壽命的一項(xiàng)重要難題。由于前期添加精確度太低、添加量不穩(wěn)定、摻混不均勻，引起粉煤灰熔點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣化爐操作工況波動較大，于是對原石灰石系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，將皮帶計量輸送系統(tǒng)精度問題，采用矢量稱重給料系統(tǒng)，其矢量稱重給料設(shè)備由星型給料機(jī)、稱重斗體、螺旋輸送機(jī)組成，矢量稱重系統(tǒng)能連續(xù)、定量、可控給料，從而實(shí)現(xiàn)了石灰石添加配比量的穩(wěn)定，有效降低了灰熔點(diǎn)，進(jìn)而確保了氣化爐工況的穩(wěn)定，為煤燒嘴長周期運(yùn)行奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2 磨煤系統(tǒng)粉煤粒度控制及優(yōu)化

2.1 磨煤系統(tǒng)出料粒度及水分控制

由于貴州三高無煙煤的哈氏可磨性指數(shù)低(HGI<40)，影響磨煤機(jī)出口粉煤粒度分布，而粉煤粒度的大小決定了碳的轉(zhuǎn)化率和渣中殘?zhí)己康母叩?。為確保磨煤系統(tǒng)的粉煤質(zhì)量顆粒尺寸分布規(guī)格和粉煤的水分含量滿足要求，通過探索提高磨煤機(jī)液壓加載力、一次循環(huán)風(fēng)量和旋轉(zhuǎn)分離器的頻率等優(yōu)化操作方法，使5～90 μm的粉煤含量控制在84%～91%，與改造前相比提高了約5個百分點(diǎn)，而大于90 μm粒級含量則降為零，不僅滿足了氣化爐內(nèi)燃料的完全燃燒，減少了對粉煤管線及燒嘴的磨蝕，而且增大了碳的反應(yīng)接觸面積，提高了碳轉(zhuǎn)化率。磨煤過程中需嚴(yán)格控制粉煤含水量，粉煤水分過高影響輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成粉煤流量不穩(wěn)定，并導(dǎo)至燒嘴燃燒效果差。粉煤質(zhì)量的好壞是粉煤燒嘴穩(wěn)定運(yùn)行的前提，只有不斷優(yōu)化工藝規(guī)范操作和管理，才能確保粉煤質(zhì)量的合格。

2.2 穩(wěn)定磨煤系統(tǒng)

減少磨煤系統(tǒng)開停車次數(shù)，避免系統(tǒng)負(fù)荷變化造成煤粉質(zhì)量偏離控制指標(biāo)；減少因煤粉質(zhì)量變化對煤粉輸送系統(tǒng)造成波動，例：煤粉鎖斗架橋、煤粉流量計波動、煤粉管線斷粉等，都會造成煤燒嘴偏燒現(xiàn)象。

2.3 穩(wěn)定煤質(zhì)

加強(qiáng)原煤采購和配煤的管理，原煤的內(nèi)在質(zhì)量是氣化爐穩(wěn)定燃燒的前提。強(qiáng)化輸煤系統(tǒng)的管理，及時定期清理輸煤皮帶系統(tǒng)破碎機(jī)、磁鐵器上的雜物，在原煤倉進(jìn)口處加篦子網(wǎng)，從源頭上杜絕雜物進(jìn)入粉煤系統(tǒng)。加強(qiáng)入爐煤質(zhì)的分析(建立煤質(zhì)分析臺帳，氣化工藝運(yùn)行班長應(yīng)了解上煤煤質(zhì)情況，每天要求做一次粉煤的工業(yè)分析，在爐況波動時及時分析煤樣)，了解煤質(zhì)情況，及時調(diào)整助熔劑添加量和爐況，保證粉煤燒嘴在安全穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行。

2.4 磨煤備用系統(tǒng)操作

當(dāng)備用系統(tǒng)不備用時，為防止使用粉煤儲罐里熱汽進(jìn)入備用系統(tǒng)造成冷凝水析出與粉煤混合堵塞纖維分離器、螺旋輸送機(jī)，輸粉煤系統(tǒng)必須保持正常運(yùn)行，若必要時應(yīng)進(jìn)行隔離，避免結(jié)塊壓實(shí)的煤粉進(jìn)入加壓輸送系統(tǒng)，導(dǎo)致角閥、煤線和燒嘴通道發(fā)生堵塞等現(xiàn)象，最終保證進(jìn)料量的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)斷煤卷吸高溫合成氣返混燒蝕。

2.5 嚴(yán)格控制磨煤機(jī)出口溫度

根據(jù)粉煤水分分析指標(biāo)來調(diào)整磨煤機(jī)出口溫度，在設(shè)計溫度105 ℃、保證安全的前提下提高至107～109 ℃，從而將煤粉中的水分降至最低(<1.5%)；同時，加強(qiáng)磨煤系統(tǒng)伴熱和保溫管理，防止系統(tǒng)熱量損失，確保煤粉輸送暢通，避免堵塞燒嘴，防止回?zé)?/p>

3 粉煤加壓輸送系統(tǒng)

嚴(yán)格按照操作規(guī)程或操作指導(dǎo)進(jìn)行加壓輸送操作，防止因操作不當(dāng)，造成粉煤鎖斗架橋，下料不暢，壓實(shí)結(jié)塊，導(dǎo)致煤量不足。若來回反復(fù)除橋，會引起粉煤給料罐壓力的波動，導(dǎo)致煤流量波動，破壞了爐內(nèi)流場；在現(xiàn)有條件下盡量穩(wěn)定煤粉輸送系統(tǒng)的操作，減少煤粉流量波動，穩(wěn)定流場。根據(jù)氣化爐負(fù)荷，粉煤給料罐錐部的流化氣控制在150～230 m3/h，粉煤給料罐與氣化爐壓差控制在0.75 MPa，粉煤管線輸送的流速控制在7～10 m/s；系統(tǒng)在停車后及時排空轉(zhuǎn)移剩余的煤粉至運(yùn)行系統(tǒng)摻混消耗。若重新開車時，需提前將料位計、流量計標(biāo)定，投用伴熱系統(tǒng)，確保讀數(shù)準(zhǔn)確和系統(tǒng)溫度在控制指標(biāo)內(nèi)，防止假數(shù)據(jù)引起誤判和煤粉溫度低，水分析出，形成結(jié)塊，影響煤粉輸送，避免因開車或運(yùn)行過程中斷煤造成燒嘴局部超溫。

4 燒嘴冷卻水系統(tǒng)

燒嘴冷卻水系統(tǒng)是保護(hù)粉煤燒嘴的核心，系統(tǒng)水循環(huán)量的大小、流量的穩(wěn)定性決定了燒嘴頭部溫度的高低和是否恒定，于是探索將燒嘴冷水換熱器停用、加大循環(huán)量、修改相關(guān)聯(lián)鎖，為延長燒嘴壽命扣上“緊箍咒”和翻出“壓艙石”。在換熱器停運(yùn)前燒嘴冷卻水回水溫度基本在設(shè)計值155 ℃上下波動，停運(yùn)后燒嘴冷卻水回水溫度在150 ℃左右；燒嘴冷卻水流量設(shè)計正常值是95.2 m3/h，改造后提至130 m3/h左右，為防止流量波動觸發(fā)聯(lián)鎖氣化爐停車，總流量與點(diǎn)火、開工、粉煤燒嘴各支路流量必須共同滿足其中的兩路條件才觸發(fā)停車，從而有效保證了燒嘴頭部熱量能及時被循環(huán)的冷卻水吸收帶走，減少了氣化爐的停車次數(shù)。同時嚴(yán)把外進(jìn)的物料質(zhì)量關(guān)，增加分析頻次，嚴(yán)格取樣分析水質(zhì)，根據(jù)分析結(jié)果通知上游調(diào)整添加的藥劑量，使各指標(biāo)穩(wěn)定在設(shè)計值的控制范圍內(nèi)，避免因水質(zhì)問題影響燒嘴的使用壽命。

5 氣化爐溫度控制

爐溫控制是氣化爐操作的核心，是降耗的關(guān)鍵，氣化爐經(jīng)常出現(xiàn)超溫、渣口壓差波動頻繁、盤管密度忽升忽降、汽包產(chǎn)蒸汽量忽多忽少等現(xiàn)象，有時還開氮?dú)獬鋲壕S持汽包壓力，有時氧煤比高達(dá)1.2，也因氧煤比過高導(dǎo)致停車，也因激冷室出口合成氣溫度過高導(dǎo)致停車，也因汽包液位降低太快補(bǔ)水不能滿足停過車，也因局部跨渣長期超溫，也因在線分析儀不準(zhǔn)確而誤導(dǎo)操作。爐況的種種變化導(dǎo)致了燒嘴在惡劣的工況下運(yùn)行，大大縮短了燒嘴的使用壽命，針對上述現(xiàn)象，制定了氣化工藝操作指導(dǎo)，并進(jìn)行了專題培訓(xùn)。氣化爐爐膛溫度上漲速度快或超過700 ℃后要果斷處理，通過減少入爐氧氣流量或增加入爐粉煤量及時降低氧煤比，穩(wěn)定工況，待氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定后再調(diào)整至正常參數(shù)。通過氣化爐溫度顯示、主盤管回水密度、汽包出口蒸汽流量以及蒸汽外送閥的閥位開度變化，提前判斷固渣層厚薄的變化，有預(yù)見性的控制了氣化爐溫度，另外結(jié)合合成氣在線分析儀(手動分析與在線分析數(shù)據(jù)對比，出現(xiàn)偏差必須及時校表，數(shù)據(jù)異常及時取樣分析，增加分析頻次)及渣樣來綜合判斷氣化爐爐溫是否適宜。但是影響爐溫的因素很多，如：原料煤煤質(zhì)變化、煤粉質(zhì)量、粉煤輸送的穩(wěn)定性、氧煤比自動調(diào)節(jié)、粉煤流量計的準(zhǔn)確性(影響氧煤比值的準(zhǔn)確性)、系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性、粉煤給料罐與氣化爐壓差的穩(wěn)定性等等。爐溫控制高低會影響轉(zhuǎn)化效率，判斷不準(zhǔn)確時不能保證設(shè)備的安全，一定要判斷準(zhǔn)確無誤后方可采取有效措施并正確處理，有效調(diào)控爐況的穩(wěn)定，則穩(wěn)定了氣化爐燃燒流場，降低了對燒嘴的傷害。

6 水氧比

由于氧氣中蒸汽添加量不均勻，忽多忽少，因此水氧比不穩(wěn)定，導(dǎo)致氧氣和蒸氣混合后的溫度突然升高或降低，引起燒嘴通道溫度變化劇烈，導(dǎo)致燒嘴熱應(yīng)力、強(qiáng)度產(chǎn)生變化。新制度要求，只要?dú)饣癄t開車成功爐況穩(wěn)定就必須把蒸汽加入，且蒸汽量緩慢加到1.5～1.9 t/h，水氧比控制在0.06～0.08，維持氧氣和蒸氣混合后溫度的穩(wěn)定。

7 燒嘴保護(hù)氣

燒嘴保護(hù)氣按航天設(shè)計有100 m3/h和1 000 m3/h及氣化爐環(huán)腔800 m3/h，在原始開車以來一直按設(shè)計值添加，但每次停爐拔燒嘴查看都有燒蝕龜裂和飛灰附著及氣化爐環(huán)腔飛灰碳黑積集現(xiàn)象。經(jīng)管理人員討論，確定是燒嘴頭部氧含量高和回流區(qū)域上移或燒嘴出現(xiàn)偏流返混現(xiàn)象，導(dǎo)致燒嘴局部溫度過高。于是大家同意將保護(hù)氣100 m3/h的加至130 m3/h，1 000 m3/h的加至1 300～1 500 m3/h，氣化爐環(huán)腔保護(hù)氣800 m3/h的增加至850～900 m3/h，以稀釋燒嘴頭部的氧含量，使回流區(qū)的高溫飛灰碳黑遠(yuǎn)離燒嘴，避免返混現(xiàn)象，同時降低了燒嘴頭部周圍的溫度，避免了燒嘴長期在高溫富氧環(huán)境下的運(yùn)行，大大延長了燒嘴的使用壽命。

8 與燒嘴關(guān)聯(lián)的壓差

進(jìn)燒嘴的物料管線壓力穩(wěn)定，才能保證壓差的穩(wěn)定，進(jìn)一步保證氣化爐內(nèi)流場的穩(wěn)定，避免壓差的波動引起爐內(nèi)射流區(qū)和回流區(qū)發(fā)生變化，卷吸高溫?zé)煔怙w灰至燒嘴頭部燒蝕及燒嘴夾套拉伸應(yīng)力變化加快對燒嘴的損壞。因此特規(guī)定氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時氧氣壓力波動范圍0.01～0.03 MPa、氧氣調(diào)節(jié)閥前后壓差0.85～0.9 MPa、粉煤給料罐與氧氣調(diào)節(jié)閥后壓差0.6～0.7 MPa、粉煤給料罐與氣化爐壓差0.75 MPa，在保證安全的前提下設(shè)限操作范圍，維持壓差的穩(wěn)定，保證入爐流量的穩(wěn)定。

9 氣化爐開停車

氣化嚴(yán)格執(zhí)行“兩單一票(開停車確認(rèn)單、開停執(zhí)行單、開車票)”和安全操作規(guī)程，避免在開停車過程中出現(xiàn)超溫超壓超升降速率或開車過程中突然停車重復(fù)開車現(xiàn)象，增強(qiáng)了開停車的安全性、穩(wěn)定性，也降低了在開停過程中對燒嘴的傷害。

10 粉煤燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)前期燒嘴運(yùn)行工況參數(shù)指標(biāo)、材質(zhì)結(jié)構(gòu)對比分析及煤質(zhì)情況，反饋航天公司需依據(jù)氣化實(shí)際工況，重新對燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計算、設(shè)計和選材，使之與氣化工況最適合，爐內(nèi)流場溫度場分布良好，有效減輕燒嘴頭部不在持續(xù)受高溫炙烤，確保燒嘴與氣化工藝參數(shù)的最佳匹配，提高有效氣含量和燒嘴運(yùn)行的穩(wěn)定性。粉煤燒嘴中冷套材質(zhì)由ST188鈷基合金改為鎳鉻合金，其內(nèi)部導(dǎo)流槽間隙尺寸稍改大，選擇了適用于更高使用溫度區(qū)間的高溫合金；夾套由圓弧過度加工改為倒角過度，夾套中還增加了換熱條，氧通道旋流板角度及燒嘴頭部尺寸進(jìn)行了調(diào)整，使氧氣分布更加均勻，霧化效果更好，保證了爐內(nèi)流場溫度場分布合理，避免了高溫、高應(yīng)力集中區(qū)域，確保金屬在許用應(yīng)力和最高使用溫度下工作。

11 結(jié) 語

通過對粉煤燒嘴材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及強(qiáng)化細(xì)化操作探索，獲得了氣化爐最佳性能、最佳操作量化區(qū)間、最佳數(shù)據(jù)值、最佳爐況，選出了適應(yīng)三高無煙煤的最佳燒嘴，這樣不但延長了粉煤燒嘴的使用壽命(288 d)而且降低了噸乙二醇煤耗(1.58 t)和殘?zhí)己?，提高了碳的轉(zhuǎn)化率，消除了粉煤燒嘴泄漏隱患，避免了頻繁倒?fàn)t，降低了管控風(fēng)險、生產(chǎn)成本和人力物力的消耗，從而為實(shí)現(xiàn)氣化裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行的目標(biāo)保駕護(hù)航。