水煤漿氣化爐工藝燒嘴壓差波動(dòng)分析及應(yīng)對(duì)措施

李 龍，李 歡，丁海洋

（陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500）

0 引 言

現(xiàn)代煤氣化工藝中，水煤漿氣化工藝的應(yīng)用比較廣泛，經(jīng)過(guò)多年的工藝優(yōu)化，其技術(shù)更加成熟。在水煤漿氣化工藝的發(fā)展中，應(yīng)用最為廣泛的是三流道預(yù)混式工藝燒嘴，其工作原理為，高溫環(huán)境中通過(guò)燒嘴在氣化爐中噴入氧氣與水煤漿，兩者發(fā)生部分氧化反應(yīng)而生成以CO和H2為主的水煤氣，故工藝燒嘴是水煤漿氣化工藝的核心設(shè)備，而燒嘴壓差是表征燒嘴運(yùn)行狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。所謂燒嘴壓差，是指煤漿入氣化爐前的壓力與氣化爐燃燒室的壓力之差，它能直接反映出煤漿在燒嘴處的霧化效果，如果燒嘴壓差頻繁波動(dòng)，會(huì)直接影響氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行，導(dǎo)致氣化效率低、有效氣含量下降、最終產(chǎn)品產(chǎn)量下降、單位產(chǎn)品煤耗增大，調(diào)整不及時(shí)甚至可能造成氣化爐過(guò)氧爆炸的事故。為此，筆者結(jié)合多年氣化工藝操作的經(jīng)驗(yàn)，以陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司（簡(jiǎn)稱榆林能化）多元料漿氣化爐A、氣化爐B（簡(jiǎn)稱A爐、B爐；榆林能化600kt／a煤制甲醇裝置配套3臺(tái)氣化爐，兩開(kāi)一備）的生產(chǎn)實(shí)際為例，談?wù)劅靿翰畈▌?dòng)的原因及應(yīng)對(duì)措施。

1 燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)的現(xiàn)象

燒嘴壓差波動(dòng)，表明煤漿在燒嘴處?kù)F化效果變差，部分煤漿未經(jīng)充分反應(yīng)就被高速的氣流帶出氣化爐燃燒室，在煤漿流量幾乎沒(méi)有變化的情況下，氣化效率下降、產(chǎn)氣率降低而導(dǎo)致氣化爐壓力下降、高壓煤漿泵出口壓力持續(xù)下降，由于氧氣與煤漿在燒嘴頭部混合，煤漿壓力降低造成氧氣流量不斷上漲，氣化爐因處于過(guò)氧狀態(tài)而溫度上漲，工藝氣組分發(fā)生明顯變化——CH4、CO含量下降而CO2含量上升，有效氣含量明顯降低；同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的操作觀察，燒嘴壓差波動(dòng)具有偶然性，有時(shí)波動(dòng)較小，有時(shí)波動(dòng)較大，甚至?xí)霈F(xiàn)燒嘴壓差降為負(fù)值的情況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后有時(shí)又會(huì)突然上漲恢復(fù)至正常值，如此反復(fù)。

圖1是A爐、B爐某同一時(shí)段（當(dāng)時(shí)A爐燒嘴已運(yùn)行30d、B爐燒嘴已運(yùn)行10d）燒嘴壓差的波動(dòng)趨勢(shì)?？梢钥闯觯瑹靿翰畛霈F(xiàn)大范圍波動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，不同運(yùn)行周期的A爐、B爐燒嘴壓差波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，因燒嘴壓差初始值不同，波動(dòng)最低點(diǎn)甚至降為負(fù)值。

圖1 同一時(shí)段A爐、B爐燒嘴壓差的波動(dòng)趨勢(shì)

2 燒嘴壓差波動(dòng)的原因分析與排查

2018年7月6日A爐投料后，燒嘴壓差出現(xiàn)大幅波動(dòng)，甚至幾次降為負(fù)值 （-0.030 MPa），工藝氣成分也跟著變化，工況調(diào)整頻繁，粗煤氣中有效氣含量低，甲醇產(chǎn)量目標(biāo)不能完成，給工藝操作帶來(lái)很大的壓力，解決這一瓶頸問(wèn)題已是刻不容緩。在幾次的燒嘴壓差波動(dòng)中，對(duì)燒嘴壓差波動(dòng)曲線及相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，雖然看似雜亂無(wú)章，但也能從中找到一些必然的聯(lián)系。

2.1 原料煤煤質(zhì)變化

榆林能化氣化爐使用的原料煤為魏強(qiáng)煤，煤種基本穩(wěn)定，每次燒嘴壓差波動(dòng)大家都想到是不是煤質(zhì)變化所致，但其實(shí)在燒嘴壓差波動(dòng)期間并沒(méi)有更換或者摻燒其他煤種。不過(guò)據(jù)長(zhǎng)期的原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，即使同一煤種在不同時(shí)期其煤質(zhì)分析結(jié)果差異也會(huì)很大。近期氣化爐燒嘴壓差又出現(xiàn)了波動(dòng)，從波動(dòng)前后的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）可以看出，燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)原料煤的灰分增高、發(fā)熱量降低、灰熔點(diǎn)升高。而煤的發(fā)熱量、灰熔點(diǎn)與煤的灰分有著緊密的關(guān)系：灰分越高，煤中有效成分含量越低，煤的發(fā)熱量會(huì)降低；煤的灰熔點(diǎn)一般指熔融溫度或流動(dòng)溫度（FT），其高低與煤灰的化學(xué)組成密切相關(guān)，煤灰中SiO2、Al2O3含量越高，煤灰熔點(diǎn)越高［1］；再者，灰分增高對(duì)原料煤的成漿性影響較大，表現(xiàn)為煤漿粘度降低，流動(dòng)性變好［2］，煤漿與管道的內(nèi)摩擦力降低，高壓煤漿泵出口壓力降低，這是燒嘴壓差波動(dòng)的觸發(fā)因素。

表1 燒嘴壓差波動(dòng)前后原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.2 燒嘴的狀況

隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，物料持續(xù)對(duì)燒嘴頭部不斷沖刷以及爐內(nèi)高溫?zé)彷椛?，?huì)造成燒嘴噴口沖刷變大，燒嘴壓差會(huì)不斷下降。對(duì)氣化爐運(yùn)行期間燒嘴壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，燒嘴運(yùn)行30d之前壓差下降速率約為0.025MPa／d，運(yùn)行30d之后壓差下降速率變慢，約為0.015MPa／d。結(jié)合圖1，燒嘴運(yùn)行到30d以上時(shí)，燒嘴壓差還會(huì)發(fā)生小幅波動(dòng)，故筆者認(rèn)為，如果是磨損造成的燒嘴壓差波動(dòng)，燒嘴壓差應(yīng)該是持續(xù)降低的，不會(huì)來(lái)回波動(dòng)；還有，A爐燒嘴運(yùn)行剛30d時(shí)，燒嘴壓差應(yīng)該在0.33～0.35MPa，不至于波動(dòng)至負(fù)值，而B(niǎo)爐運(yùn)行時(shí)間只有10d，燒嘴磨損很少，但也出現(xiàn)了大幅波動(dòng)。因此，可以排除燒嘴磨損導(dǎo)致了燒嘴壓差波動(dòng)這一因素。

圖2 氣化爐運(yùn)行期間燒嘴壓差變化趨勢(shì)

2.3 高壓煤漿泵出口壓力

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)我們還發(fā)現(xiàn)，每次燒嘴壓差降低時(shí)，高壓煤漿泵出口壓力也會(huì)同步降低。燒嘴壓差是高壓煤漿泵出口壓力與氣化爐爐膛壓力的差值，氣化爐的壓力幾乎是穩(wěn)定的，那么高壓煤漿泵出口壓力為什么會(huì)降低呢？有必要查找原因。

2.3.1 高壓煤漿泵的運(yùn)行狀況

榆林能化氣化系統(tǒng)采用的是德國(guó)菲魯瓦（FELUWA）的高壓煤漿泵，從DCS查看煤漿流量曲線，煤漿管線3只流量計(jì)示數(shù)幾乎沒(méi)有波動(dòng)；再查看高壓煤漿泵的電流變化，燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)高壓煤漿泵電流也會(huì)同步小幅波動(dòng)，由平時(shí)的操作經(jīng)驗(yàn)可知，高壓煤漿泵的電流與其出口壓力成正比，故在高壓煤漿泵出口壓力小幅波動(dòng)的情況下其電流波動(dòng)是正常的。煤漿流量沒(méi)有降低，表明高壓煤漿泵自身運(yùn)行狀況是正常的。

2.3.2 煤漿流經(jīng)燒嘴處受到干擾

水煤漿氣化工藝燒嘴的結(jié)構(gòu)形式為同心三流道管（見(jiàn)圖3），燒嘴中心氧管出口和水煤漿出口管設(shè)計(jì)成縮口形式，這樣水煤漿與中心氧形成了一個(gè)預(yù)混合腔，使進(jìn)入預(yù)混合腔的水煤漿具備一定的速度；在預(yù)混合腔內(nèi)，中心氧對(duì)水煤漿進(jìn)行稀釋和加速，從而改善水煤漿的流變性能，其目的是保證水煤漿在離開(kāi)燒嘴后的霧化效果；外氧管口的縮入量更大一些，目的是提供更高流速的氧氣，使通過(guò)預(yù)混合腔的水煤漿混合物充分霧化，在氣化爐內(nèi)達(dá)到較高的氣化效率。

圖3 水煤漿氣化工藝燒嘴剖面圖

高壓煤漿泵出口壓力與入爐氧氣流量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯焊邏好簼{泵出口壓力持續(xù)下降時(shí)，入爐氧氣流量在不斷增高；當(dāng)高壓煤漿泵出口壓力突然升高時(shí)（升高約0.3MPa），入爐氧氣流量降低約1000m3／h。

圖4 煤漿泵出口壓力與入爐氧氣流量的變化趨勢(shì)

那么反過(guò)來(lái)思考，主動(dòng)降低氧氣流量，高壓煤漿泵出口壓力會(huì)不會(huì)升高呢？實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)降低入爐氧氣流量是可以控制高壓煤漿泵出口壓力的，即降低入爐氧氣流量可以控制燒嘴壓差的波動(dòng)；換言之，氧氣流量確實(shí)會(huì)對(duì)高壓煤漿泵出口壓力造成干擾。所以，關(guān)于燒嘴壓差波動(dòng)的問(wèn)題，需考慮燒嘴設(shè)計(jì)是否滿足工藝要求，或者燒嘴制造質(zhì)量（尺寸）是否存在偏差。

2.4 氧氣流速的變化

為滿足生產(chǎn)所需，氣化爐實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為110%，煤漿量增大則氧氣量必然同步增大，氧氣入爐前壓力實(shí)際為7.9MPa，而設(shè)計(jì)氧氣入爐前壓力為7.1MPa，較設(shè)計(jì)值高出0.8MPa，如此氧氣在燒嘴頭部的流速必然大于設(shè)計(jì)值。進(jìn)一步對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真分析，筆者認(rèn)為：水煤漿燒嘴是介質(zhì)性霧化燒嘴的一種，氧氣有很高的流速，而水煤漿流速卻比較低，當(dāng)氧氣流速超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)造成燒嘴三流道物料配比不合適而形成文丘里效應(yīng)［3］；水煤漿流道受到高速氧氣的抽引作用，氧氣流量增大，氧氣在燒嘴環(huán)隙的流速也會(huì)增大（中心氧流量比例在15% ～18%范圍內(nèi)調(diào)整，對(duì)燒嘴壓差影響并不明顯），此時(shí)會(huì)對(duì)燒嘴處的煤漿流速產(chǎn)生干擾，如果進(jìn)一步加大入爐氧氣流量，則有可能在煤漿噴嘴口處形成相對(duì)微負(fù)壓，負(fù)壓慢慢積累，高壓煤漿泵出口壓力會(huì)被慢慢抽低，這也就能解釋氣化爐運(yùn)行期間燒嘴壓差為什么會(huì)持續(xù)下降了；如果這個(gè)時(shí)候不作調(diào)整，燒嘴壓差將會(huì)持續(xù)降低，高壓煤漿泵出口壓力會(huì)不斷下降，且煤漿管線壓力表實(shí)際安裝在煤漿管線橫管段（最高處），約高出燒嘴頭部2m左右，這也就能夠解釋為什么燒嘴壓差會(huì)降為負(fù)值了。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 控制原料煤的灰分

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的分析與總結(jié)，技術(shù)人員普遍認(rèn)為，原料煤中灰分的高低是燒嘴壓差波動(dòng)的主要原因之一，生產(chǎn)中須嚴(yán)格控制原料煤灰分在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)（≤12%），做到及時(shí)分析（原料煤煤質(zhì)）并反饋。如果所用原料煤灰分確實(shí)增高，超出指標(biāo)，有條件的情況下可摻燒低灰分煤，按照一定比例混合摻燒［4］。

榆林能化針對(duì)原料煤（魏強(qiáng)煤）灰分超標(biāo)的問(wèn)題，開(kāi)展了混合摻燒部分低灰分煤（銀河煤和白鷺煤）的試驗(yàn)，銀河煤和白鷺煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

將高灰分煤（魏強(qiáng)煤）與低灰分煤（銀河煤、白鷺煤）按照不同的比例混合，在制漿添加劑投加量一定（添加比例為0.15%）的情況下，磨煤機(jī)制取出合格的水煤漿（水煤漿濃度≥61.5%），通過(guò)一段時(shí)間的摻燒試驗(yàn)（試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3）得知：不同的低灰分煤摻燒比例下，燒嘴壓差的波動(dòng)范圍不同，且隨著混合煤灰分的降低燒嘴壓差波動(dòng)范圍逐漸變?。坏旌厦夯曳纸档秃?，制得的水煤漿濃度和粘度也隨之下降，水煤漿的穩(wěn)定性變差，不利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，建議混合煤灰分控制在9% ～11%更為合適；同時(shí)，為提高水煤漿的濃度，可將制漿添加劑的添加比例由0.15%提高至0.16%，如此制得的水煤漿的粘度可控制在750～950cP，不僅能夠減小燒嘴壓差的波動(dòng)，還可以保證水煤漿的濃度及穩(wěn)定性；另外，氣化爐操作溫度也不宜過(guò)高，控制在入爐煤灰熔點(diǎn)（FT）以上約50℃較為適宜。

表3 不同比例低灰分煤摻燒時(shí)的煤漿性能及燒嘴壓差

3.2 調(diào)整燒嘴尺寸

設(shè)計(jì)院對(duì)燒嘴重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)修改燒嘴尺寸，即擴(kuò)大外環(huán)隙氧氣流道，以降低氧氣流速。工藝燒嘴改造后，氣化爐運(yùn)行期間氧氣入爐前的壓力由原來(lái)的7.9MPa降至7.2 MPa，氧氣流量調(diào)節(jié)閥（FV007）開(kāi)度由原來(lái)的60.5% （對(duì)應(yīng)氧氣流量42000m3／h）降至48%（對(duì)應(yīng)氧氣流量42000m3／h）就可滿足工藝運(yùn)行的需求，保證了氧氣在燒嘴處不會(huì)對(duì)水煤漿造成干擾，繼而達(dá)到降低燒嘴壓差波動(dòng)的目的。

3.3 調(diào)整氧氣流量

既然氧氣流速對(duì)煤漿造成了干擾，那么通過(guò)降低氧氣流量來(lái)控制氧氣流速，是可以達(dá)到穩(wěn)定燒嘴壓差的目的的。在燒嘴尺寸未作調(diào)整的時(shí)候，也可以通過(guò)工藝操作來(lái)穩(wěn)定燒嘴壓差。實(shí)際運(yùn)行中觀察到：A爐在燒嘴壓差波動(dòng)期間，氧煤比控制在475m3／m3（氧氣流量41000m3／h）以上時(shí)，燒嘴壓差波動(dòng)范圍較大，最低有可能為負(fù)值（-0.030MPa）；氧煤比控制在470m3／m3（氧氣流量40500m3／h）左右時(shí)，燒嘴壓差能控制在0.10MPa以上；氧煤比控制在465m3／m3（氧氣流量40000m3／h）左右時(shí)，燒嘴壓差能控制在0.15MPa以上；當(dāng)燒嘴壓差處于相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí)，若系統(tǒng)工況發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致燒嘴壓差反彈，急劇上升后繼續(xù)下滑，如此時(shí)降低氧氣量，平衡值會(huì)上移；同時(shí)，減少氧氣量可以減小系統(tǒng)的熱負(fù)荷，避免氣化爐因過(guò)氧而釀成事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

工藝燒嘴是水煤漿氣化爐的核心部件，燒嘴運(yùn)行狀況的好壞直接影響著氣化爐的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)燒嘴壓差波動(dòng)原因的分析，榆林能化在生產(chǎn)中針對(duì)原料煤灰分、工藝燒嘴設(shè)計(jì)以及工藝操作方面采取了一系列的應(yīng)對(duì)措施，以穩(wěn)定工藝燒嘴壓差、減輕燒嘴的磨損和燒蝕。實(shí)際運(yùn)行情況表明，控制入爐煤灰分在9% ～11%、調(diào)整煤漿粘度在750～950cP、選擇合適的操作溫度、修改燒嘴尺寸、適當(dāng)降低氧氣流速等措施落實(shí)后，有效減少了燒嘴壓差波動(dòng)的頻次，縮小了燒嘴壓差波動(dòng)的范圍，保證了氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。