GE水煤浆气化炉烧嘴压差低的分析与优化

2018-06-28宋九成

中国设备工程 2018年12期

宋九成

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江鹤岗 154100）

中海石油华鹤煤化有限公司气化装置采用德士古水煤浆加压气化技术，气化压力6.5MPa(G)，四级闪蒸流程，设计三台气化炉，两开一备。自2016年以来，公司三台气化炉经常出现由于烧嘴压差低而引起的停车，对于公司长周期稳定生产带来严重的影响。

1 工艺烧嘴简介

德士古水煤浆气化炉工艺烧嘴一般为三流道结构，氧气走中心管和外层环隙，煤浆走中间环隙，烧嘴头部设有冷却水盘管和夹套。煤浆从烧嘴喷出后，受氧气剪切力的作用，而被迅速雾化，在炉内充分燃烧。气化炉烧嘴压差是指高压煤浆泵出口入烧嘴前煤浆压力和气化炉炉膛压力的差值，它代表了煤浆入炉的动能，可以反映出烧嘴磨损量及雾化效果。

2 烧嘴压差低的现象和影响

（1）入炉氧气流量增加，炉膛温升较大。气化炉正常满负荷生产时，烧嘴压差一般稳定在450kPa。当烧嘴压差明显降低时，煤浆入炉动能减小，氧气流量瞬间增大，炉膛温度同时急速上涨；当压差降至100kPa以下时，氧气流量增加400Nm3/h，炉温升高80℃；气化炉炉膛由正常的1330℃急速升高至1400℃，导致炉壁上的挂渣迅速熔化，相当于短时间内加大了进入激冷室的渣量，从而使渣口、下降管或激冷室底部极易发生堵塞情况，而且加剧了对耐火砖的磨损。

（2）高压煤浆泵电流下降，出口三处压力显示降低。高压煤浆泵做功减少，出口压力同时降低，煤浆出口流速下降，导致火焰离烧嘴和拱顶砖过近，造成炉头温度过高，对烧嘴周围的耐火砖直接冲刷灼烧，甚至损坏拱顶转，严重缩短了耐火砖的使用寿命。

（3）雾化效果差，合成气组分波动。煤浆出烧嘴的速度降低时，外环氧不足以形成合适的雾化角度，烧嘴雾化效果差，煤浆颗粒燃烧不完全，使有效气成分降低。合成气中甲烷成分从1000ppm可以涨到3000ppm，一氧化碳、氢气、二氧化碳含量也随之变化，影响下游合成工段稳定。

（4）持续时间长，下降范围大。气化炉单炉满负荷37m3/h运行时，烧嘴压差一般稳定在450kPa，上下波动在30kPa以内。但随着烧嘴使用周期延长，烧嘴压差呈现偏低趋势，且波动越来越明显。以A#炉为例，在两个月内，统计降低至200kPa以下的情况就达到了20次；有时虽然工艺人员竭尽全力挽救，但在1个小时的特护运行期间，压差一直在200kPa以下波动，此时烧嘴火焰长期不稳，容易造成烧嘴回火，存在极大的安全隐患，最后只能被迫停车处理，见图1。

图1 烧嘴压差变化趋势

3 原因分析

（1）烧嘴问题的排除。在开始出现烧嘴压差低而停车的情况时，由于缺少此类经验，设备方面重点对烧嘴环隙、尺寸、磨损情况等进行了全面检查，未发现明显异常。工艺上大胆尝试，重新安装此烧嘴进行投料后，运行情况良好，证明了烧嘴质量问题并不是直接因素。

（2）高压煤浆泵问题的排除。高压煤浆泵驱动系统故障、传递给隔膜的有效功率下降，进出口单向阀卡住、关闭不严或者没有开到位，均会对烧嘴压差造成影响。在多次烧嘴压差下降幅度较大的时候，工艺人员尝试用木槌敲击进出口单向阀，效果不是很明显；同时检查煤浆泵运行情况，包括出入口蓄能器、声学探头数值、软管故障报警等均无异常；在停车检查高压煤浆泵阀球与阀座时，杂物堵塞较少，驱动系统正常工作，因此判断设备本身不是引发出口压力大幅度下降的要因。

（3）入口管线煤浆沉积的分析。当高压煤浆泵的进口被堵塞、无物料或流速减小时，烧嘴压差会迅速下降。在烧嘴压差波动时，操作人员用铁锤连续敲击煤浆槽至泵入口管线，尤其是煤浆容易沉积的平直管线，能够起到一定的效果。同时打开入口导淋排浆，发现煤浆流动性极差，因此判断入口管线煤浆沉积是直接影响因素。

（4）对于煤浆槽内部及搅拌器的思考。煤浆槽的基本情况如下：容积402m3,总高度11.7m、宽6.8m,其中最上层浆叶高度5.8m、直径2.4m，下层浆叶高度2m、直径2.9m，每层桨叶有3个叶片，内壁上每120度均布了三个挡板；在煤浆槽50%至更高的液位时，从顶部人孔查看内部混合情况，发现扰动搅拌效果并不明显；在对烧嘴压差波动频率较大的A炉对应的煤浆槽清洗检查时发现，煤浆槽内壁和底部形成的结垢层较多，由于液位和温度的变化，极易流动到煤浆泵入口造成进一步堵塞恶化的趋势。

（5）确定煤浆质量问题为核心因素。鹤岗本地煤炭资源丰富，三台气化炉投料后，主要使用质量较好的龙煤。但受市场价格影响，从2016年开始，气化用煤主要来自金泽、隆鑫、鑫宏达等地方小矿。这些煤的共同特点就是高灰分、高灰熔点、成浆性差，因烧嘴压差低而停车的问题自此开始凸显。因此，如何保证在现有煤质的基础上提高煤浆质量，成为了解决烧嘴压差问题的关键。

4 工艺改进和优化

对于煤气化行业来讲，煤质是核心，烧嘴是关键。成浆性不好的煤种，析水率高，容易在设备和管线内沉积；煤浆的粘度大、粒度分布不合理，会加剧对烧嘴的磨损；因此，为彻底解决烧嘴压差的困扰，维护气化系统安稳运行，优化操作和严控煤浆质量成为了当务之急。

（1）严控煤质，优化原料煤采购，满足气化用煤的设计要求。对每批次煤种做好工业分析、成浆性试验，根据煤种不同制定优化操作指南，包含最佳煤浆浓度、运动粘度、粒度分布、添加剂和石灰石添加比例、低压煤浆泵电流、磨煤机钢棒配比等。

（2）煤浆参数的调整（表1）。为了提高有效气产率和粗煤气产量，煤浆浓度曾经达到了66.5%，处于行业领先水平，但刻意追求产量的同时却忽视了煤浆的稳定性。经过长期的实践证明，高浓度的水煤浆不易于保持稳定，且极易发生沉积现象，导致烧嘴压差的频繁波动。

经过一段时间的尝试和摸索，从浓度、粘度、粒度分布三个方面入手，优化制浆参数，效果显著。一是把煤浆浓度控制到65%、能够保证烧嘴压差稳定和效益的最大化；二是添加剂比例加大到4.5‰，粘度控制在0.28～0.38Pa·s，改善煤浆的流动性；三是严格控制磨煤机的钢棒添加，保证每周定期停机挑拣和添加钢棒，使煤浆的粒度分布更加合理，保证煤浆的稳定性。

表1 煤浆参数的优化

（3）消除煤浆内出现杂质的隐患。由于磨煤机筛网为长方形条形滤网，原料煤种夹带的铁丝等异物，在磨煤机钢棒研磨下，变成截面为长方形的铁片，通过磨煤机筛网进入煤浆槽与管线，将会产生高压煤浆泵止回阀被异物卡涩、烧嘴环隙堵塞等风险。通过对滤网内壁加装磁铁，每周都能清理出大量螺母、铁丝、铁钉等杂物。下一步计划变更磨煤机滚筒筛滤网，采购滤孔为圆形的滤网，彻底消除此隐患。

（4）防止煤浆沉积的措施。在高压煤浆泵入口管线水平段和斜坡段各增加一个振打器，每2个小时开启振打2分钟，预防管线内部煤浆沉积；对煤浆槽底部导淋进行改造，增加一条排浆至地沟的管线，设置双道便于开关的手阀，定期将煤浆槽底部搅拌不均匀的煤浆排出，减小设备内部沉积和形成垢片的几率；计划与设计院沟通，希望在管道布置、管道尺寸上进行重新设计，达到减小入口管线平直管的长度和增加入口流速的目的。

（5）对于煤浆槽和搅拌器的优化。气化炉正常负荷时,煤浆槽内的煤浆全部置换需要至少10个小时。为了改善煤浆槽内部的混合情况，规定煤浆槽液位控制在70%，以减小煤浆停留时间。另外下一步计划对搅拌器进行重点改造，增加一层桨叶，增大叶片直径，提高搅拌效果。