唐高榮

摘要：文章針對(duì)兗礦貴州開陽化工有限公司三噴嘴干煤粉氣化爐煤粉燒嘴在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，通過技術(shù)攻關(guān)，提出改進(jìn)方案及具體的改造措施。實(shí)施后，燒嘴及氣化爐運(yùn)行狀況得以明顯改善，運(yùn)行周期得以延長，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：三噴嘴干煤粉氣化爐；煤粉燒嘴；優(yōu)化改進(jìn)；效益分析

1研究概述

兗礦貴州開陽化工有限公司針對(duì)貴州當(dāng)?shù)亍叭呙骸保ǜ呋?、高灰熔點(diǎn)、高硫）的特點(diǎn)，依靠兗礦集團(tuán)技術(shù)支持，與德國科林公司、華東理工大學(xué)合作，針對(duì)當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)情況，開發(fā)出了國內(nèi)首套以西南地區(qū)“三高煤”為主要原料的干煤粉氣化技術(shù)，本氣化技術(shù)主要是采用三噴嘴頂置下噴式干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)，采用盤管式水冷壁換熱，水浴激冷，為“三高煤”的清潔高效利用探索了新的技術(shù)路線。公司年產(chǎn)50萬噸合成氨裝置中設(shè)置2臺(tái)氣化爐，采用兩開不備的運(yùn)行方式，正常運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)氣化爐采用75%的設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行，單爐投煤量為1 100t/d，氣化爐操作壓力4.0 MPa，粗合成氣有效氣（CO+H2）產(chǎn)量70 000 m3/h；氣化爐出口粗合成氣壓力3.8 MPa，溫度205-207℃，含塵量0.5-0.8 mg/m3，水氣比1；比氧耗為340 m3/km3，比煤耗為650 kg/km3，冷煤氣效率為80%，碳轉(zhuǎn)化率為98%。

燒嘴是氣化裝置上的關(guān)鍵設(shè)備之一，煤粉燒嘴的布置與數(shù)量是一臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)的核心所在，開陽化工氣化爐在煤粉燒嘴的布置上創(chuàng)造性地采用了頂置式三噴嘴布置，設(shè)置了一個(gè)點(diǎn)火燒嘴和3個(gè)煤粉燒嘴。其核心設(shè)計(jì)在于頂置的多噴嘴結(jié)構(gòu)，該設(shè)置可有效地優(yōu)化氣化爐內(nèi)部流場及煤粉運(yùn)動(dòng)軌跡，提高煤粉的混合性，從而有效地提高氣化爐的碳轉(zhuǎn)換率以及渣灰比，獲得較好的煤粉運(yùn)動(dòng)軌跡，氣化爐筒體及頂部可形成較為均勻的渣層，從而對(duì)水冷壁盤管起到了有效保護(hù)作用。

2優(yōu)化改進(jìn)

2.1煤粉燒嘴通道優(yōu)化改進(jìn)

開陽化工氣化爐煤粉燒嘴采用夾套式設(shè)計(jì)，其中氧氣通道位于燒嘴中心，煤粉通道位于夾套縫隙。工藝燒嘴的煤粉通道，位于燒嘴內(nèi)外夾套中間環(huán)隙，環(huán)隙設(shè)有外壁支撐，煤粉通道分為3個(gè)，以120°均布在環(huán)隙空間。煤粉從煤粉入口進(jìn)入燒嘴后，沿3個(gè)通道向下，從下部出口出來后，順著螺旋軌道，旋轉(zhuǎn)進(jìn)入氣化爐，與中心通道出來的氧氣，進(jìn)行充分混合后反應(yīng)。具體燒嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1存在問題

煤粉燒嘴在煤粉通道入口外壁支撐處設(shè)有垛口式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷為：通過對(duì)煤粉載氣的破旋，使煤粉對(duì)于3個(gè)煤粉通道的均勻分布效果更好。初始設(shè)計(jì)時(shí)，假定煤粉清潔度較好，幾乎無雜質(zhì)，因而通過上述垛口式結(jié)構(gòu)可以達(dá)到理想的分布效果。但在實(shí)際使用過程中，因煤炭開采轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存及破碎、制粉流程較長，煤粉中摻雜一定的雜質(zhì)實(shí)際上難以避免，煤粉由通道輸送至燒嘴時(shí)，易在垛口處堆積，造成燒嘴通道入口處堵塞，從而造成煤粉入口通道的堵塞。開陽化工的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，該垛口式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的負(fù)面效果超過了正面效果。

2.1.2優(yōu)化改進(jìn)方案

針對(duì)上述運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，通過對(duì)比初始設(shè)計(jì)及實(shí)際使用效果，將煤粉進(jìn)入燒嘴后分為3個(gè)通道，切掉垛口結(jié)構(gòu)，并在外壁上打磨出一個(gè)坡度，使煤粉入燒嘴改為帶錐形角進(jìn)入。通過改造，實(shí)現(xiàn)煤粉雜質(zhì)沿著通道進(jìn)入，防止其掛在燒嘴入口處堵塞煤粉通道，從而減少對(duì)煤粉流量的影響，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2煤粉燒嘴膨脹節(jié)改進(jìn)研究

初始設(shè)計(jì)時(shí)工藝燒嘴根部設(shè)置有膨脹節(jié)，用以減少燒嘴在運(yùn)行中所受的熱應(yīng)力，但在實(shí)際應(yīng)用中，因膨脹節(jié)承壓性差（最高耐壓0.2 MPa），而氣化爐在開停車過程中，壓力變化較快，極易造成膨脹節(jié)內(nèi)外壓差過高，導(dǎo)致膨脹節(jié)損壞，從而使燒嘴冷卻水大量泄漏，危及系統(tǒng)運(yùn)行。針對(duì)這種情況，開陽化工在經(jīng)過論證后，認(rèn)為在運(yùn)行時(shí)工藝燒嘴所承受熱應(yīng)力不足以對(duì)燒嘴造成損壞，在該處設(shè)置膨脹節(jié)的意義不大，大膽假設(shè)可以將其取消。經(jīng)過改造后，經(jīng)小心取證反復(fù)觀測驗(yàn)證，燒嘴運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)過燒嘴冷卻水嚴(yán)重泄漏的事故，保持了氣化爐的平穩(wěn)運(yùn)行。工藝燒嘴原膨脹節(jié)（己變形損壞）與改造后無膨脹節(jié)的工藝燒嘴對(duì)比，如圖4所示。

2.3工藝燒嘴頭部優(yōu)化改進(jìn)

工藝燒嘴在運(yùn)行時(shí)，受煤粉沖刷及爐膛內(nèi)高溫輻射，頭部磨損燒蝕難以避免；同時(shí)因開陽氣化原煤為當(dāng)?shù)馗吡蛎?，合成氣中H2S含量高，對(duì)燒嘴有較強(qiáng)的腐蝕作用。一般運(yùn)行3個(gè)月后，燒嘴頭部均會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形及磨損情況，從而影響燒嘴正常運(yùn)行，造成煤粉偏噴、霧化效果下降，導(dǎo)致水冷壁掛渣不均、碳轉(zhuǎn)化率降低等問題。

工藝燒嘴在運(yùn)行3個(gè)月后，燒嘴頭部耐火料己全部沖刷燒蝕，用以固定耐火料的抓釘亦嚴(yán)重?zé)g，中心氧槍頭部內(nèi)側(cè)因應(yīng)力作用產(chǎn)生了近1/2圈的裂紋，中心氧槍發(fā)生變形，造成與外環(huán)間隙不等距，煤粉因此發(fā)生偏噴。改造前使用3個(gè)月后的燒嘴頭部與改造后使用185天后的煤粉燒嘴頭部對(duì)比，如圖5所示。

針對(duì)該情況，開陽化工經(jīng)實(shí)測論證分析，認(rèn)定造成燒嘴損壞的主要原因?yàn)闊祛^部與外夾套材料材質(zhì)等級(jí)（602CA與904L），不能很好地適應(yīng)現(xiàn)有使用環(huán)境，為此，經(jīng)分析研究后，改用Incone1718與Incone1600材質(zhì)，并將燒嘴頭部整體挖出成型，以此消除因機(jī)加工及焊接等原因產(chǎn)生的潛在應(yīng)力。改進(jìn)材料和制作工藝后的燒嘴，運(yùn)行效果及使用壽命得到顯著提高（最長運(yùn)行周期達(dá)185天），較好地解決了因燒嘴壽命而制約系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

2.4優(yōu)化改進(jìn)效果

2.4.1煤粉燒嘴本體

（1）通過對(duì)燒嘴流道及流場分布進(jìn)行全新模擬分析，對(duì)燒嘴結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，最終確定燒嘴結(jié)構(gòu)形式并量產(chǎn)應(yīng)用，同時(shí)加強(qiáng)了煤炭運(yùn)行管理，使用改造后的燒嘴，未再出現(xiàn)因煤粉管線堵造成氣化爐停車。后期利用短停機(jī)會(huì)對(duì)氣化爐燒嘴進(jìn)行拆檢，燒嘴入口處未見纖維等雜物，氣化爐爐膛掛渣平整，渣層厚度均勻，實(shí)際應(yīng)用情況表明優(yōu)化改進(jìn)取得了預(yù)期效果，解決了燒嘴易堵、偏噴等技術(shù)難題；（2）燒嘴運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)過燒嘴冷卻水嚴(yán)重泄漏的事故；（3）煤粉燒嘴運(yùn)行效果及使用壽命得到顯著提高。

2.4.2氣化裝置

對(duì)優(yōu)化改進(jìn)前后氣化爐的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，主要圍繞燒嘴煤粉流量穩(wěn)定性及合成氣有效氣含量、水冷壁熱通量及掛渣情況、灰渣情況、燒嘴使用壽命等工藝指標(biāo)，對(duì)氣化裝置的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，具體如表1所示。

上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)與結(jié)果表明，優(yōu)化改進(jìn)后，各項(xiàng)主要工藝指標(biāo)運(yùn)行平穩(wěn)，氣化爐運(yùn)行狀況良好，碳轉(zhuǎn)化率得以提高，灰渣可燃物大大降低，提高了有效氣成分百分比，提高了氣化爐的有效運(yùn)行時(shí)間，奠定了氣化爐安全穩(wěn)定長周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，該研究與應(yīng)用項(xiàng)目取得了成功。

3效益分析

3.1經(jīng)濟(jì)效益

三噴嘴干煤粉氣化爐煤粉燒嘴優(yōu)化改進(jìn)以來，氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益明顯。改造實(shí)施前后一年同比實(shí)現(xiàn)合成氨增產(chǎn)3.2萬噸，液氨價(jià)格按2 000元/噸計(jì)，年創(chuàng)效3.2*2000=6 400萬元。

3.2社會(huì)效益

作為國內(nèi)首套以“三高煤”為單_入爐煤種的三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)，應(yīng)用于貴州開陽化工年產(chǎn)50萬噸合成氨項(xiàng)目，通過在煤粉燒嘴結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面作出了一些嘗試，在生產(chǎn)中取得較為良好的效果。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功運(yùn)用以及對(duì)相應(yīng)設(shè)備技術(shù)的后續(xù)改造優(yōu)化升級(jí)，為三高煤提供了一種高效成熟的清潔利用技術(shù)，對(duì)于貴州、山西等省份存在的劣質(zhì)三高煤就地轉(zhuǎn)化，提供了強(qiáng)力的技術(shù)支持。