張家秋

殼牌煤氣化煤燒嘴角度變化對工況的影響

張家秋

（河南能源化工集團鶴壁煤電股份有限公司化工分公司，河南鶴壁458000）

具體分析了殼牌四噴嘴氣化爐的煤燒嘴角度變化對于氣化運行工況的影響，對于角度改變前后的工況做出詳細的比較，分析優(yōu)缺點，總結(jié)經(jīng)驗，使裝置在穩(wěn)定經(jīng)濟的前提下能夠長周期運行。

煤燒嘴；殼牌氣化爐；氣化工況

1 殼牌氣化工藝簡介

殼牌氣化爐屬于干法進料氣流床氣化，煤粉跟氧氣并流進入氣化爐中瞬間爆燃，發(fā)生一系列氣化反應(yīng)，所有反應(yīng)在數(shù)秒鐘內(nèi)完成，溫度高達1 600℃。具體工藝流程如下所述。

帶壓的煤粉與氣化劑（氧氣和水蒸氣）通過4個徑向均布的煤燒嘴進入氣化爐反應(yīng)室，燒嘴與徑向的夾角為4°，在1 500～1 700℃的高溫環(huán)境下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成合成氣、爐渣和飛灰。爐渣在與水冷壁接觸時，最先靠近的部分因溫度低而固化，附在水冷壁上形成固態(tài)渣層。在高溫下呈液態(tài)的附著在固化渣層上的爐渣，在重力作用下向下流至氣化爐底部的渣池，被冷卻水淬激成細小的顆粒排出。合成氣上行，夾帶有部分粒徑較小、質(zhì)量較輕的爐渣成為飛灰，其在高溫下具有很大的黏性。合成氣在氣化爐反應(yīng)室頂部錐形出口與激冷氣混合，溫度降至900℃，部分爐渣液滴經(jīng)過激冷氣激冷凝固成飛灰。通過輸氣導(dǎo)管送至合成氣冷卻器進一步冷卻，合成氣溫度降至340℃左右，進入下一工序經(jīng)S1501除去飛灰。

2 殼牌氣化爐運行現(xiàn)狀

殼牌氣化爐自進入中國以來，以其碳轉(zhuǎn)化效率高、煤種適應(yīng)性廣、有效氣比高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，最近幾年在國內(nèi)得到長足發(fā)展。但是由于其進入中國時間不長，對于該爐型的經(jīng)驗較少，各個廠家都是在不斷的摸索中總結(jié)經(jīng)驗，汲取教訓(xùn)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本上都能實現(xiàn)百天以上的長周期運行。

殼牌氣化爐開車工況時，以氮氣為載氣向爐內(nèi)輸送煤粉，由于在氣化反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，不能參與后續(xù)的合成反應(yīng)，只能當(dāng)作廢氣放入大氣，經(jīng)濟價值和環(huán)保價值都不高，所以在正常工況下是以二氧化碳為載氣。

在燒嘴夾角為4°的時候，爐膛內(nèi)的氣體流場形成的燒圓較小，離心力較弱，煤粉與氧氣不能充分反應(yīng)，有大量的煤粉隨熔渣向下流動，在氮氣工況下，煤粉不與氮氣發(fā)生反應(yīng)，而如果是在二氧化碳工況下，煤粉在向下移動的過程中，會與二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)，吸收熱量。在高溫時，渣的黏度小，流動性好，隨著爐膛下部的熱量不斷被吸收，溫度會降至渣的流動溫度以下，就會導(dǎo)致堵渣。為了防止堵渣，就必須提高爐膛的反應(yīng)溫度，以維持熔渣的流動性。

當(dāng)氣化爐爐膛的反應(yīng)溫度升高，上行合成氣的溫度也會隨之升高，在到達合成氣冷卻器入口的時候，合成氣溫度不能降至飛灰的黏結(jié)溫度以下，由于飛灰的溫度過高，黏結(jié)性過大，會造成合成器冷卻器堵灰，當(dāng)積灰量達到一定量時，合成氣流速急劇增加，磨損設(shè)備，造成停車事故。

3 解決方案的制定

在原有燒嘴夾角不變的情況下，想要維持渣的正常流動，就得提高氧煤比，以提高爐膛內(nèi)溫度，同時還要盡量避免合成氣冷卻器積灰，氣化爐負(fù)荷只能維持到80%～85%，裝置可以運行3～4個月；如果負(fù)荷繼續(xù)提升的話，由于合成氣冷卻器進口溫度過高，積灰速度明顯增加，運行7～10天就必須停車清灰。

經(jīng)過和殼牌公司的技術(shù)人員進行探討，同時借鑒大唐煤化工項目的經(jīng)驗，嘗試將燒嘴角度由原來的4°改變?yōu)?°。燒嘴的徑向傾角增大后，爐膛內(nèi)的流場會相應(yīng)地發(fā)生改變，中心燒圓變大，氣流的離心力增加。煤粉與氧氣進入氣化爐內(nèi)后混合得更加均勻，反應(yīng)更加徹底。煤粉的轉(zhuǎn)化率提高了，隨熔渣向下移動的煤粉量隨之減少，二氧化碳與碳發(fā)生還原反應(yīng)吸收的熱量也會變少，同時由于離心力變大，爐膛內(nèi)的熱量向下傳遞得更快，正好抵消了部分煤粉與二氧化碳吸收的熱量，繼而相對較低的氧煤比就能保證渣的正常排出，也能保證上行飛灰的正常輸送。

4 改造完成后的使用效果

經(jīng)過不斷的探討和考察，最終決定采用上述方案，于2016年5月底對4個煤燒嘴的改造完成。裝置運行以后，在二氧化碳工況下首次將氣化爐負(fù)荷提升至90%，工況運行良好，未出現(xiàn)堵渣、積灰現(xiàn)象，各項參數(shù)正常，且合成氣冷卻器入口溫度比控制指標(biāo)還要低30℃左右。穩(wěn)定運行2天以后，將氣化爐負(fù)荷提升至100%，達到滿負(fù)荷后，氣化裝置運行指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)。

經(jīng)過本次改造，氣化裝置在二氧化碳工況下不能穩(wěn)定運行的問題得到了有效解決，并且負(fù)荷比起之前有很大提升，日均甲醇產(chǎn)量從原來的1 500 t提升至1 800多噸，在負(fù)荷100%的工況下穩(wěn)定運行了78天。

5 后續(xù)使用情況總結(jié)

經(jīng)過煤燒嘴角度的改良，氣化爐工況整體運行良好，在保證渣流動性的情況下能有效地保證爐膛內(nèi)上行飛灰的黏度。但是也出現(xiàn)了一些新的問題，需要進一步地改進，具體情況如下。

5.1 燒嘴頭的使用壽命

燒嘴頭部的噴射夾角由原來的4°增加至6°，增加了內(nèi)部流道的彎曲度，干燥的煤粉在高速流動下，會對設(shè)備造成更大的沖刷，減少燒嘴頭的使用壽命。經(jīng)過半年的使用，停車檢修時進入爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)，部分燒嘴頭出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。針對這種情況，微漏的可以在線進行焊接補漏，而漏量過大的則需要對燒嘴頭進行更換處理。

5.2 燒嘴罩容易燒穿

燒嘴罩是固定在燒嘴頭周圍的圓形水冷盤管，其內(nèi)部的冷卻水流量比爐膛水冷壁的冷卻水流量大，目的是保護周圍的水冷壁，防止因過熱而受損。當(dāng)燒嘴噴射火焰的角度增加至6°后，火焰與燒嘴罩之間的距離縮短了，如果煤線流量出現(xiàn)波動，局部的氧碳比過高，非常容易將燒嘴罩燒穿，特別是在開停車的過程中，最容易出現(xiàn)這種情況。燒嘴罩冷卻水大量泄露后，雖然不會造成立即停車，但是會對后續(xù)工段造成較大的影響，例如上行飛灰中含有大量的水分，更容易造成合成氣冷卻器堵灰；飛灰中水含量增加，更容易堵塞U1500單元的金屬濾芯，工況隨之持續(xù)惡化，一段時間后，不得不因為合成氣冷卻器SGC積灰和S1501壓差高而停車檢修。

5.3 氣化爐水冷壁掛渣情況

殼牌氣化爐的爐膛采用的是膜式水冷壁，內(nèi)襯耐火材料，在正常運行時，在爐壁上會形成一層固態(tài)渣層，液態(tài)渣順著爐壁向下流動，采用以渣抗渣的方式抵消爐膛內(nèi)的高溫，由于內(nèi)部流場發(fā)生變化，燒圓變大，高溫區(qū)更接近水冷壁，爐壁渣層變薄，爐膛會出現(xiàn)耐火泥脫落及耐火銷釘被燒壞的情況，減少其使用壽命，增加檢修時的工作量及難度。

5.4 上行合成氣中飛灰含量增加

殼牌設(shè)計的50萬t與60萬t的甲醇項目在U1500單元都是采用了24組濾芯，每組48根，濾芯長度為1.5 m。同樣在滿負(fù)荷的情況下，60萬t的項目常會出現(xiàn)因為濾芯的壓差過高而不得不停車的事件。而經(jīng)過改造后，爐膛內(nèi)的合成氣流場變化，離心力變大，上行的合成氣夾帶走的液態(tài)渣量變多，凝結(jié)成的飛灰量也會相應(yīng)變大,更增加了U1500單元金屬濾芯的負(fù)荷。如果再碰上氣化爐或者合成氣冷卻器內(nèi)漏水的情況，濾芯的壓差會很快升至報警值，通過提高超高壓反吹氣的壓力也無濟于事，從而影響整套裝置的長周期運行。

6 結(jié)束語

（1）經(jīng)過改造，有效避免了堵渣與積灰的發(fā)生，雖然出現(xiàn)了種種的問題，但是總體來說還是利大于弊，相信經(jīng)過不斷地努力和改造，殼牌氣化爐以其獨特的環(huán)保優(yōu)勢及高轉(zhuǎn)化率，殼牌氣化裝置會產(chǎn)生非常大的效益。

（2）殼牌裝置用戶應(yīng)加強技術(shù)交流，攜手解決殼牌氣化技術(shù)難題，為裝置的穩(wěn)定運行盡自己的一份力。

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.02.008

2017-03-02