φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐燒嘴壓差優(yōu)化總結(jié)

張 超，陳佳俊，馬庭強，張富國，楊傳琦，張 垚，鄭俊魁，呂鵬宇，郭祥輝

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司(簡稱河南心連心)氣化裝置采用華東理工大學(xué)與兗礦集團有限公司共同研發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝。其中，一期氣化裝置3臺φ3 200 mm氣化爐兩開一備(簡稱A爐、B爐、C爐)，單臺氣化爐日處理原料煤1 200 t，設(shè)計操作壓力為6.5 MPa；二期氣化裝置3臺φ3 880 mm氣化爐兩開一備(簡稱D爐、E爐、F爐)，單臺氣化爐日處理原料煤3 000 t，設(shè)計操作壓力為6.5 MPa。實際生產(chǎn)中，多噴嘴水煤漿氣化爐存在諸多問題，比如高壓煤漿泵故障率高、氣化爐燒嘴壓差波動大、氣化爐渣口壓差升高等[1]，業(yè)內(nèi)經(jīng)過多年的摸索與優(yōu)化調(diào)整，這些問題在很大程度上得到了解決或緩解。近年來，河南心連心φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐燒嘴壓差波動成為制約氣化爐長周期運行的主要因素，后經(jīng)分析與探討，對燒嘴室尺寸、耐火磚結(jié)構(gòu)以及燒嘴環(huán)隙尺寸進行了優(yōu)化，燒嘴壓差波動情況得到緩解，延長了氣化爐的運行周期。以下對有關(guān)情況作一簡介。

1 改造背景

河南心連心φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐運行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)燒嘴壓差波動，導(dǎo)致燒嘴室壁溫及燒嘴冷卻水回水溫度升高，偶爾也出現(xiàn)拱頂壁溫升高，燒嘴端面燒蝕嚴(yán)重，氣化爐運行周期短(平均僅43 d)，燒嘴壓差波動成為制約氣化爐長周期運行的主要因素。停爐檢查發(fā)現(xiàn)，燒嘴室積渣嚴(yán)重，通過與業(yè)內(nèi)企業(yè)及設(shè)備專利商的交流，初步判定燒嘴室積渣是導(dǎo)致燒嘴壓差波動的直接原因。

為從根本上解決燒嘴壓差波動問題，還需從消除燒嘴頭部回流區(qū)后移問題入手，可對燒嘴室尺寸及耐火磚結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，消除或減弱燒嘴頭部結(jié)渣問題[2]；另外，可對工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化調(diào)整，提高入氣化爐氧氣、煤漿的動量，促使回流區(qū)遠(yuǎn)離燒嘴。為此，河南心連心計劃對燒嘴室耐火磚及燒嘴環(huán)隙進行優(yōu)化改造。與同行業(yè)φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐廠家進行對標(biāo)得知，相較于φ3 200 mm多噴嘴水煤漿氣化爐，φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐因燒嘴直徑變大，導(dǎo)致燒嘴室直徑被迫放大，而燒嘴室直徑越大，燒嘴室積渣越嚴(yán)重。

2 優(yōu)化改造方案

(1)改造原則：① 所制定的改造方案，需理論結(jié)合實際進行多方論證；② 要充分考慮改造可能造成的運行風(fēng)險，做好后備應(yīng)對措施，減少試驗不成功造成的損失；③ 若改造試驗不成功，設(shè)備應(yīng)能恢復(fù)至原來的狀態(tài)。

(2)優(yōu)化改造方案：① 燒嘴室尺寸及耐火磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化——適度縮小燒嘴室直徑(由當(dāng)前的360 mm縮小至325 mm，再由325 mm縮小至300 mm)，并將燒嘴室出口上部耐火磚由原來的帶11°切角改為無切角，以減少燒嘴室積渣；② 適度提高出燒嘴氧氣流速——據(jù)燒嘴環(huán)隙設(shè)計參數(shù)，核算氧氣流速，優(yōu)化燒嘴環(huán)隙尺寸。

3 改造試驗及試運行情況

3.1 第一階段

第一階段改造試驗——將燒嘴室直徑由當(dāng)前的360 mm縮小至325 mm，并將燒嘴室出口上部耐火磚由原來的帶11°切角改為無切角。

本項技改已在D爐、E爐、F爐上實施，改造后氣化爐燒嘴壓差波動問題明顯好轉(zhuǎn)，氣化爐運行周期較改造前最長44 d有了明顯提升，試運行階段實際運行時長分別為：2022年5月25日—8月6日D爐運行73 d，2022年7月7日—9月13日F爐運行68 d，2022年8月6日—10月28日E爐運行84 d。從3臺氣化爐第一階段改造后的運行情況來看，燒嘴壓差波動問題明顯好轉(zhuǎn)，但仍存在不同程度的短時波動，需進一步進行優(yōu)化。以D爐為例，技改后其試運行情況如下。

3.1.1 D爐運行情況

燒嘴室尺寸及耐火磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造的第一臺氣化爐為D爐。D爐燒嘴室耐火磚改造后于2022年5月25日投運，8月6日停車檢修，本周期累計運行73 d。D爐所用主流原料煤煤種為神華煤、崔家溝煤、爾林兔煤，摻配煤種為檸條塔煤、紅巖煤，煤漿負(fù)荷在134～137 m3/h，氧煤比控制在503～505 m3/m3。

2022年5月27—31日，相同煤種[爾林兔煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1(質(zhì)量比，下同)]下運行，D爐燒嘴壓差未波動，E爐(當(dāng)時E爐尚未實施縮小燒嘴室直徑技改，其燒嘴室直徑仍為360 mm)燒嘴壓差波動8 h。

2022年6月8—10日，本批次原料煤灰分為崔家溝煤8.37%、神華煤8.51%、檸條塔煤11.26%，灰熔點為崔家溝煤1 178 ℃、神華煤1 191 ℃、檸條塔煤1 177 ℃，D爐原料煤煤質(zhì)較差(D磨機崔家溝煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1，G磨機崔家溝煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1)，E爐原料煤煤質(zhì)相對較好(E磨機崔家溝煤∶神華煤=3∶1，G磨機崔家溝煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1)，不同煤種下運行，D爐燒嘴壓差無波動，E爐燒嘴壓差波動38 h。

2022年6月16—18日，本批次原料煤灰分為爾林兔煤7.29%、紅巖煤6.96%、檸條塔煤11.84%，灰熔點為爾林兔煤1 141 ℃、紅巖煤1 214 ℃、檸條塔煤1 220 ℃，D爐原料煤煤質(zhì)較差(D磨機爾林兔煤∶紅巖煤∶檸條塔煤=2∶1∶1，G磨機爾林兔煤∶紅巖煤∶檸條塔煤=2∶1∶1)，E爐原料煤煤質(zhì)相對較好(E磨機純爾林兔煤，G磨機爾林兔煤∶紅巖煤∶檸條塔煤=2∶1∶1)，不同煤種下運行，D爐燒嘴壓差無波動，E爐燒嘴壓差波動47 h。

2022年7月5—6日，本批次原料煤灰分為崔家溝煤7.98%、紅巖煤8.68%、神華煤6.57%、檸條塔煤10.54%，灰熔點為崔家溝煤1 186 ℃、紅巖煤1 209 ℃、神華煤1 170 ℃、檸條塔煤1 120 ℃，D爐原料煤煤質(zhì)較差(D磨機神華煤∶紅巖煤=3∶1，G磨機崔家溝煤∶檸條塔煤=2∶1)，E爐原料煤煤質(zhì)相對較好(E磨機崔家溝煤∶神華煤=2∶5，G磨機崔家溝煤∶檸條塔煤=2∶1)，不同煤種下運行，D爐燒嘴壓差無波動，E爐燒嘴壓差波動37 h。

D爐停車后，對其燒嘴進行檢查，D1、D2燒嘴端面狀況較好，D3、D4燒嘴端面有輕微龜裂；D3燒嘴的外環(huán)氧管有明顯燒蝕痕跡，其他D1、D2、D4燒嘴外環(huán)氧管未發(fā)現(xiàn)有燒蝕痕跡；對其燒嘴室進行檢查，D爐燒嘴室向火面耐火磚無明顯的沖刷侵蝕痕跡，耐火磚完好，但燒嘴室仍存有積渣現(xiàn)象，不過積渣程度相較于之前有明顯好轉(zhuǎn)。

3.1.2 D爐燒嘴與耐火磚測量數(shù)據(jù)

(1)D爐燒嘴拔出后進行PT探傷檢查及燒嘴環(huán)隙測量，結(jié)果顯示：D3燒嘴受損最嚴(yán)重，其他3支燒嘴基本無損傷；D3燒嘴數(shù)據(jù)偏差最大，外氧環(huán)隙S2最小為2.2 mm(正常值為3.52 mm)，外氧頂間隙H1為0.2 mm(正常值為1.0 mm)，端面龜裂最為嚴(yán)重，這也是D3燒嘴運行時氧氣管線壓力高的原因；D4燒嘴端面同樣有龜裂現(xiàn)象，D1、D2燒嘴端面龜裂很小。

(2)第一階段技改后的2022年8月16日(當(dāng)時耐火磚運行時長8 950.34 h)，對D爐進行測量，拱頂、上筒體、下筒體、上膨脹縫、下膨脹縫、錐底耐火磚之時損率分別為0.005 mm/h、0.005 mm/h、0.008 mm/h、0.007 mm/h、0.009 mm/h、0.005 mm/h；而第一階段技改前的2022年1月19日(當(dāng)時耐火磚運行時長5 558.90 h)，對D爐進行測量，拱頂、上筒體、下筒體、上膨脹縫、下膨脹縫、錐底耐火磚之時損率分別為0.004 mm/h、0.004 mm/h、0.006 mm/h、0.005 mm/h、0.007 mm/h、0.001 mm/h?？梢钥吹?，技改后耐火磚整體時損率增大，比上次檢測時平均增加0.002 mm/h，燒嘴室耐火磚整體沖刷減薄速率較之前加快，需進一步進行驗證。

3.2 第二階段

第二階段改造試驗——在縮小燒嘴室直徑的基礎(chǔ)上縮小燒嘴環(huán)隙，提高氧氣流速，以優(yōu)化煤漿霧化效果。

φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐原燒嘴尺寸為，外環(huán)氧通道(寬度)3.52 mm、煤漿通道11.51 mm、中心氧通道12.5 mm，設(shè)計氧氣流速108～133 m/s；新燒嘴尺寸為，外環(huán)氧通道(寬度)3.52 mm、煤漿通道10.81 mm、中心氧通道12.0 mm，設(shè)計氧氣流速105～138 m/s。本項改造試驗在E爐上進行，改造后E爐自2022年8月6日—2022年10月28日共運行84 d。從改造后E爐的運行情況來看，燒嘴環(huán)隙縮小后，與之前相比并無明顯變化，即燒嘴環(huán)隙減小并不能避免燒嘴壓差波動——在小環(huán)隙燒嘴氧氣流速高達(dá)137 m/s時，E爐燒嘴壓差仍會出現(xiàn)大幅波動，且E爐燒嘴壓差波動時瞬時氧氣流量變化幅度大于原環(huán)隙尺寸燒嘴。

3.3 第三階段

第三階段改造試驗——在前兩個階段改造試驗的基礎(chǔ)上在燒嘴外環(huán)氧管包裹高溫巖棉，保護燒嘴外環(huán)氧管不直接受到燒蝕。

本項改造試驗在D爐上進行，改造后D爐自2022年9月13日—2022年11月28日共運行76 d，期間D爐同時進行提負(fù)荷試驗。從改造后D爐的運行情況來看，煤漿負(fù)荷由138 m3/h提至152 m3/h的工況下燒嘴壓差整體穩(wěn)定，D爐停車后檢查顯示其燒嘴室積渣明顯減少、外環(huán)氧管沒有回火燒蝕痕跡。

3.4 第四階段

第四階段改造試驗——在前三個階段改造試驗的基礎(chǔ)上繼續(xù)縮小燒嘴室直徑，由325 mm縮小至300 mm。本項改造已在E爐實施(同時在燒嘴外環(huán)氧管包裹高溫巖棉)，改造后E爐運行情況小結(jié)如下。

(1)燒嘴壓差仍存在波動，但波動時長明顯縮短，本運行周期內(nèi)E爐燒嘴壓差波動總時長150 h，較燒嘴室直徑為325 mm時燒嘴壓差波動時長明顯減少(F爐燒嘴室直徑為325 mm時，其燒嘴壓差波動時長為203.5 h)。

(2)燒嘴室直徑縮小至300 mm的技改完成后，E爐于2022年11月28日投運，2023年3月3日停車檢修，本輪運行周期累計時間長達(dá)96 d，相較于此前的氣化爐運行周期43 d有了大幅提升。

(3)燒嘴壓差波動時間明顯減少，燒嘴壓差波動易恢復(fù)，且氣化爐運行后期燒嘴壓差基本上未出現(xiàn)波動；燒嘴壓差波動時，燒嘴室溫度平穩(wěn)，燒嘴冷卻水回水溫度平穩(wěn)，燒嘴冷卻水進/回水流量穩(wěn)定。

(4)停車后拔出燒嘴檢查，E2燒嘴停車前壓差相對穩(wěn)定，運行狀況較好；E4、E3燒嘴因停車前燒嘴壓差波動未恢復(fù)，其端面有明顯龜裂現(xiàn)象，燒嘴頭部包裹的澆注料幾乎完好；E1燒嘴端面僅有輕微龜裂現(xiàn)象。

(5)燒嘴煤漿環(huán)隙、氧氣通道環(huán)隙均有不同程度磨損——4支燒嘴煤漿環(huán)隙磨損量2.19～3.24 mm，與以往的不同之處是，外氧通道與煤漿環(huán)隙距離、外氧通道與內(nèi)氧通道距離均增加，而此前燒嘴運行后其測量結(jié)果與本次測量結(jié)果截然相反。

4 改造效果總結(jié)

(1)第一階段D爐、E爐、F爐燒嘴室直徑縮小改造(由360 mm縮小至325 mm)，對燒嘴壓差波動抑制效果明顯，氣化爐運行周期較改造前有明顯提升，但燒嘴壓差仍存在不同程度的短時波動，需進一步優(yōu)化。

(2)第二階段E爐燒嘴環(huán)隙縮小后，并未能避免燒嘴壓差波動，在小環(huán)隙燒嘴氧氣流速高達(dá)137 m/s或摻燒的原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)超標(biāo)時，E爐燒嘴壓差仍會出現(xiàn)大幅波動，且E爐燒嘴壓差波動時瞬時氧氣流量變化幅度大于原環(huán)隙尺寸燒嘴。

(3)第三階段D爐燒嘴外環(huán)氧管包裹高溫巖棉，D爐同時進行提負(fù)荷試驗，煤漿負(fù)荷由138 m3/h提至152 m3/h，燒嘴壓差整體穩(wěn)定，燒嘴室積渣明顯減少，外環(huán)氧管未發(fā)現(xiàn)有回火燒蝕痕跡。

(4)第四階段E爐進行燒嘴室直徑進一步縮小改造(由325 mm縮小至300 mm)，其運行周期明顯延長，燒嘴壓差仍存在波動，但波動時長明顯縮短且易恢復(fù)，燒嘴壓差波動時相關(guān)參數(shù)穩(wěn)定，燒嘴檢查情況相對較好，燒嘴煤漿環(huán)隙、氧氣通道環(huán)隙有不同程度磨損。

5 結(jié)束語

燒嘴是多噴嘴水煤漿氣化爐的核心設(shè)備之一，而燒嘴壓差是其核心運行參數(shù)之一，一般波動0.01～0.03 MPa可視為正常，倘若出現(xiàn)燒嘴壓差大幅降低，甚至長期在0.1 MPa低壓差下運行，會加劇燒嘴端面龜裂和燒蝕，大大縮短燒嘴的使用壽命[1]。據(jù)河南心連心氣化爐技術(shù)攻關(guān)團隊總結(jié)與分析，除了燒嘴室直徑、燒嘴結(jié)構(gòu)及燒嘴環(huán)隙大小等因素外，原料煤煤種變化、原料煤粒度偏大、燒嘴間隙磨損、燒嘴實際負(fù)荷偏離設(shè)計負(fù)荷過大等均是造成燒嘴壓差波動的原因；將φ3 880 mm多噴嘴水煤漿氣化爐燒嘴室直徑適度改小后，燒嘴壓差波動情況得到緩解，大大延長了氣化爐的運行周期。此外，當(dāng)燒嘴壓差波動時，經(jīng)過一段時間的摸索與嘗試，適度降低氧氣流量、調(diào)整煤漿流量、調(diào)整中心氧比例、調(diào)整配煤比例，均能達(dá)到較好的處理效果，助力氣化爐的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。