張 超，陳佳俊，馬庭強(qiáng)，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(tuán)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(tuán)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(tuán)有限公司共同研發(fā)的、具有自主知識(shí)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(tái)φ3 200 mm氣化爐兩開一備(簡稱A爐、B爐、C爐)，單臺(tái)氣化爐日處理原料煤1 200 t，設(shè)計(jì)操作壓力為6.5 MPa；二期氣化裝置3臺(tái)φ3 880 mm氣化爐兩開一備(簡稱D爐、E爐、F爐)，單臺(tái)氣化爐日處理原料煤3 000 t，設(shè)計(jì)操作壓力為6.5 MPa。實(shí)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(dòng)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(dòng)成為制約氣化爐長周期運(yùn)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(jìn)行了優(yōu)化，燒嘴壓差波動(dòng)情況得到緩解，延長了氣化爐的運(yùn)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(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)燒嘴壓差波動(dòng)，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(yùn)行周期短(平均僅43 d)，燒嘴壓差波動(dòng)成為制約氣化爐長周期運(yùn)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(dòng)的直接原因。

為從根本上解決燒嘴壓差波動(dòng)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(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高入氣化爐氧氣、煤漿的動(dòng)量，促使回流區(qū)遠(yuǎn)離燒嘴。為此，河南心連心計(jì)劃對燒嘴室耐火磚及燒嘴環(huán)隙進(jìn)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(jìn)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(shí)際進(jìn)行多方論證；② 要充分考慮改造可能造成的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，做好后備應(yīng)對措施，減少試驗(yàn)不成功造成的損失；③ 若改造試驗(yàn)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(jì)參數(shù)，核算氧氣流速，優(yōu)化燒嘴環(huán)隙尺寸。

3 改造試驗(yàn)及試運(yùn)行情況

3.1 第一階段

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

3.1.1 D爐運(yùn)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(tái)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(yùn)，8月6日停車檢修，本周期累計(jì)運(yùn)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(yùn)行，D爐燒嘴壓差未波動(dòng)，E爐(當(dāng)時(shí)E爐尚未實(shí)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(dòng)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(diǎn)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(jī)崔家溝煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1，G磨機(jī)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(jī)崔家溝煤∶神華煤=3∶1，G磨機(jī)崔家溝煤∶神華煤∶檸條塔煤=3∶1∶1)，不同煤種下運(yùn)行，D爐燒嘴壓差無波動(dòng)，E爐燒嘴壓差波動(dòng)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(diǎn)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(jī)爾林兔煤∶紅巖煤∶檸條塔煤=2∶1∶1，G磨機(jī)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(jī)純爾林兔煤，G磨機(jī)爾林兔煤∶紅巖煤∶檸條塔煤=2∶1∶1)，不同煤種下運(yùn)行，D爐燒嘴壓差無波動(dòng)，E爐燒嘴壓差波動(dòng)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(diǎn)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(jī)神華煤∶紅巖煤=3∶1，G磨機(jī)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(jī)崔家溝煤∶神華煤=2∶5，G磨機(jī)崔家溝煤∶檸條塔煤=2∶1)，不同煤種下運(yùn)行，D爐燒嘴壓差無波動(dòng)，E爐燒嘴壓差波動(dòng)37 h。

D爐停車后，對其燒嘴進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)行時(shí)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(shí)耐火磚運(yùn)行時(shí)長8 950.34 h)，對D爐進(jìn)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(shí)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(shí)耐火磚運(yùn)行時(shí)長5 558.90 h)，對D爐進(jìn)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(shí)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?？梢钥吹剑几暮竽突鸫u整體時(shí)損率增大，比上次檢測時(shí)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(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 第二階段

第二階段改造試驗(yàn)——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(jì)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(jì)氧氣流速105～138 m/s。本項(xiàng)改造試驗(yàn)在E爐上進(jìn)行，改造后E爐自2022年8月6日—2022年10月28日共運(yùn)行84 d。從改造后E爐的運(yùn)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(dòng)——在小環(huán)隙燒嘴氧氣流速高達(dá)137 m/s時(shí)，E爐燒嘴壓差仍會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，且E爐燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)瞬時(shí)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(yàn)——在前兩個(gè)階段改造試驗(yàn)的基礎(chǔ)上在燒嘴外環(huán)氧管包裹高溫巖棉，保護(hù)燒嘴外環(huán)氧管不直接受到燒蝕。

本項(xiàng)改造試驗(yàn)在D爐上進(jìn)行，改造后D爐自2022年9月13日—2022年11月28日共運(yùn)行76 d，期間D爐同時(shí)進(jìn)行提負(fù)荷試驗(yàn)。從改造后D爐的運(yùn)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(yàn)——在前三個(gè)階段改造試驗(yàn)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(xiàng)改造已在E爐實(shí)施(同時(shí)在燒嘴外環(huán)氧管包裹高溫巖棉)，改造后E爐運(yùn)行情況小結(jié)如下。

(1)燒嘴壓差仍存在波動(dòng)，但波動(dòng)時(shí)長明顯縮短，本運(yùn)行周期內(nèi)E爐燒嘴壓差波動(dòng)總時(shí)長150 h，較燒嘴室直徑為325 mm時(shí)燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)長明顯減少(F爐燒嘴室直徑為325 mm時(shí)，其燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)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(yùn)，2023年3月3日停車檢修，本輪運(yùn)行周期累計(jì)時(shí)間長達(dá)96 d，相較于此前的氣化爐運(yùn)行周期43 d有了大幅提升。

(3)燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)間明顯減少，燒嘴壓差波動(dòng)易恢復(fù)，且氣化爐運(yùn)行后期燒嘴壓差基本上未出現(xiàn)波動(dòng)；燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)，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(jìn)/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(yùn)行狀況較好；E4、E3燒嘴因停車前燒嘴壓差波動(dòng)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(yùn)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(dòng)抑制效果明顯，氣化爐運(yùn)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(shí)波動(dòng)，需進(jìn)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(dòng)，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(shí)，E爐燒嘴壓差仍會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，且E爐燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)瞬時(shí)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(shí)進(jìn)行提負(fù)荷試驗(yàn)，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(jìn)行燒嘴室直徑進(jìn)一步縮小改造(由325 mm縮小至300 mm)，其運(yùn)行周期明顯延長，燒嘴壓差仍存在波動(dòng)，但波動(dòng)時(shí)長明顯縮短且易恢復(fù)，燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)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(yùn)行參數(shù)之一，一般波動(dòng)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(yùn)行，會(huì)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(tuán)隊(duì)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(shí)際負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)負(fù)荷過大等均是造成燒嘴壓差波動(dòng)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(dòng)情況得到緩解，大大延長了氣化爐的運(yùn)行周期。此外，當(dāng)燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)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(yùn)行。