多喷嘴对置式气化炉炉壁超温的探讨及应对措施

2018-04-15吕传磊

氮肥与合成气 2018年5期

吕传磊

(贵州开阳化工有限公司，贵州开阳 550399)

近几年来，多喷嘴对置式气化装置经过多次优化调整，气化炉耐火砖使用寿命得到不断的延长，装置的运行周期得到不断的突破。但是，在气化炉运行过程中，炉壁超温仍然是制约气化装置长周期稳定运行的瓶颈之一，进而影响生产及经济效益。为解决这一瓶颈问题，通过深入分析与探讨，针对气化炉运行过程中炉壁超温情况，提出了相应的应对措施，对加强气化炉运行操作、促进和改善气化炉的安全稳定运行提供了帮助。

1 气化反应原理

多喷嘴对置式水煤浆气化工艺属于气流床气化工艺。水煤浆经煤浆给料泵加压与高压氧气通过4个在同一水平面对置安装的工艺烧嘴对喷进入气化炉，对喷撞击形成6个特征各异的流动区即射流区、撞击区、撞击流股、回流区、折返流区、管流区[1-2]。由于独特的流场分布规律，多喷嘴气化炉具有明显的优越性，耐火砖的使用寿命远远超过其他水煤浆气化装置。

2 气化炉运行过程中炉壁超温的原因分析

2.1 气化炉炉壁大面积超温

2.1.1 耐火砖运行时间过长，减薄量大

多喷嘴对置式气化炉燃烧室内3层耐火砖由里向外依次为铬铝锆砖、铬刚玉砖、氧化铝空心砖。其中，向火面铬铝锆砖是保证气化炉正常运行最为关键的部分。

由于操作条件的要求，在气化炉运行后期，受煤熔渣的侵蚀、气体冲刷等多种因素的共同影响，耐火砖逐渐减薄，整体热阻减小，易出现炉壁温度大面积升高的现象。

2.1.2 操作温度过高

气化炉运行过程中的操作温度对耐火砖蚀损速率影响极为重要。操作温度过高，将对耐火砖产生剧烈的损坏，造成气化炉壁温大面积升高。因此，在气化炉运行过程中，应严格控制操作温度，一般控制在高于煤灰熔点50～100 ℃为宜。在保证液态排渣的情况下，煤充分气化，熔渣顺利排出。

2.2 气化炉炉壁局部温度升高

2.2.1 烧嘴损坏、偏喷

多喷嘴对置式水煤浆气化炉的4个工艺烧嘴同时运行，由于气化炉内燃烧室流场复杂，烧嘴处的气流速度将直接影响到雾化效果，进而影响气化炉壁温。在运行过程中，任一个烧嘴出现故障，都将导致气化炉减量或停车[3-4]。

在正常运行过程中，烧嘴头部煤浆通道出口处的磨损是不可避免的。当氧气、煤浆通道因磨损变宽以后，工艺指标就会变差，为有效地监控烧嘴的运行情况，可以通过以下几个参数来实时反映工艺烧嘴的运行情况。

(1) 监控烧嘴冷却水入口流量、入口压力、出口温度、出口流量4个指标，为烧嘴冷却水系统4选2联锁指标。此外，烧嘴冷却水分离罐放空管线上的CO监测报警装置、烧嘴冷却水出口温度差及流量差声光报警，这些指标共同作为参考。如果出现烧嘴泄漏等情况，这些指标会出现异常变化，表明工艺烧嘴已损坏，导致局部温度上涨过快，烧嘴周围处超温。

(2) 各个烧嘴2只氧气切断阀间的压力及烧嘴压差。通过对比4个参数数值的大小及变化趋势，来判断烧嘴运行质量。

(3) 壁温监控画面设有4个烧嘴法兰上下部温度，如若发现温度点异常，在排除外界因素如风向、热偶指示不准的情况下，现场人员进行实际测量，综合对比。通过对比烧嘴上下部温差，提早掌控。

在工艺烧嘴出现异常的情况下，上述监控点会不同程度地反映出来，有利于操作人员及时进行判断，及时发现问题，停车更换烧嘴，保障气化炉的安全稳定运行。

2.2.2 渣口堵渣

渣口压差取压点在燃烧室和合成气管线，反映的是从燃烧室到合成气管线的压差。当气化炉操作温度低于原料的灰熔点操作时，由于熔渣流动性差，渣口压差变大，导致渣口变小，造成燃烧室内气流不畅，燃烧室内压力升高，产生相应的阻力压差，灰渣不能排出。如果长时间渣口压差变大，就会造成耐火砖局部窜气，进而气化炉壁温升高，严重时会烧坏炉壁。

2.2.3 耐火材料的选择和耐火砖的砌筑质量

耐火材料的选择直接会影响气化炉的施工质量和使用寿命，气化炉内每一环的耐火砖砌筑都非常重要。如果这两项质量不过关，在气化炉高负荷运行中，通过气体流动渗透、冲刷，产生气体压差，导致窜气通路的形成。当高温气体窜入后到达炉壁，气化炉炉壁局部温度升高，如果处理不及时，会导致炉壁发生局部变形，甚至会发生更大的安全事故。

2.2.4 压力负荷不匹配

在一定的操作压力下，多喷嘴对置式气化炉对操作负荷有严格的要求，以保证烧嘴的喷射速度，使氧气和煤浆均匀混合。如果烧嘴喷射速度过高，会加剧对耐火砖的冲刷，耐火砖蚀损速率增加；如果喷射速度过低，则无法使氧气与煤浆均匀接触并进行反应，导致流场发生变化，雾化不好，在燃烧室内因局部过氧，火焰黑区缩短，燃烧区上移，造成气化炉上部壁温升高，烧嘴部位温度升高。

2.2.5 入炉氧气、煤浆压力波动

气化炉正常运行期间，入炉参与反应的氧气和煤浆压力保持稳定非常重要。入炉氧气和煤浆压力若发生短时间频繁波动，会导致烧嘴难以形成良好的雾化工况。氧煤比失调，极易形成燃烧室内顶部超温、下部低温现象，严重时会造成拱顶耐火砖损坏加剧，渣口堵塞。

3 气化炉炉壁超温判断依据

气化炉表面热偶是保护气化炉壳体安全的重要监控手段，能够及时反映气化炉表面温度的变化情况。对于气化炉运行过程中可能出现的大面积或局部超温区域，采取有效的检测手段可以及时判断和发现。

气化炉DCS壁温监控画面各表面热偶温度显示，结合现场的实际测量可以明确有无超温及超温的位置。当表面热偶某个点的温度呈现异常时，在排除表面热偶显示异常的情况下，纵向比较，综合其他数据进行对比，一旦确认上涨趋势，要迅速确定超温部位、温升速度及实际温度，判断超温原因，尽快做出调整。同时，按照预先制定的气化炉炉壁超温预案执行，可以有效地保证气化炉的安全运行。

4 气化炉炉壁超温的应对措施

4.1 优质的耐火材料，严控筑炉质量

选取优质的耐火材料，严格按照图纸进行施工，杜绝由于施工原因造成的结构缺陷，保证耐火砖的砌筑施工质量。耐火砖砌筑完成后，烘炉作为气化炉投入使用前的一项重要工作，严格按照烘炉曲线进行烘炉是提高气化炉稳定性的一个重要环节。

4.2 气化炉温度的控制

气化炉温度的控制是气化操作的关键。为了合理地控制气化炉的操作温度，依据气化装置的多个参数，如甲烷、二氧化碳、高温热偶、气化炉渣口压差、氧煤比、气化炉渣中残碳含量等指标进行综合判断，以此来决定气化炉温度的高低，以维持气化炉的正常运行。

4.3 正确的操作负荷

多喷嘴对置式气化炉对操作负荷有明确的要求，目的是使氧气与煤浆混合均匀，充分反应。在实际操作中，严格按照压力负荷曲线进行操作，根据系统运行需要，选取合适的中心氧与外环氧的适配比例，改变反应流场，以保证雾化效果。

4.4 渣口压差

针对渣口堵渣，一般采取提温操作，使渣口处固态的积渣熔化，重新建立渣层，达到“以渣抗渣”，使熔渣有机会堵住或覆盖局部超温区，可以有效地控制壁温上涨趋势。需要注意的是，在提温过程中要采取少量多次的原则，禁止大幅度提温。该炉型熔渣口时间要长于单喷嘴炉型。

4.5 严把烧嘴参数变化

加强烧嘴投用前的检查，确保烧嘴符合使用要求，可以有效地防止和减少事故的发生。在实际生产中，严格监控烧嘴各指标参数的变化情况，加强对烧嘴的巡检，发现异常情况及时联系工艺、仪表排查，强化监控作用，如有异常情况，应果断停车处理。此外，根据烧嘴运行周期进行综合权衡，运行周期过长，需停车更换烧嘴。

4.6 耐火砖运行后期，监控运行

气化炉耐火砖运行至后期，要加强监控运行，严格按照气化炉压力负荷曲线进行操作，禁止频繁加、减负荷，对入炉煤浆及时进行灰熔点分析，勤看渣样，及时调节，禁止炉温出现大幅度波动情况。认真巡检气化现场，掌控壁温变化趋势，对于炉壁超温情况，严格按照超温预案执行，对超温区域用氮气冷却后，壁温仍上涨得不到有效控制，当温度升至停车指标时，计划停车对耐火砖进行检查或更换。