科林三喷嘴干煤粉气化装置优化改进与应用实践

唐高荣

(兖矿集团贵州开阳化工有限公司 贵州开阳 550300)

兖矿集团贵州开阳化工有限公司(以下简称兖矿开阳化工公司)针对贵州当地三高煤(高灰、高灰熔点、高硫)的特点，依靠兖矿集团技术支持，与德国科林公司、华东理工大学合作，开发出了国内首套以西南地区三高煤为主要原料的干煤粉气化技术。该气化技术主要包括三喷嘴顶置下喷式干煤粉加压气流床气化、盘管式水冷壁换热、水浴激冷，为三高煤的清洁高效利用探索了新的技术路线。兖矿开阳化工公司500 kt/a合成氨装置中设置2台气化炉，采用2开不备的运行方式。正常运行时，2台气化炉采用75%的设计负荷运行，单炉投煤量为1 100 t/d，气化炉操作压力为4.0 MPa，有效气(C0+H2)产量为70 000 m3/h；气化炉出口粗合成气压力3.8 MPa，温度205～207 ℃，含尘质量浓度0.5～0.8 mg/m3，水气比为1；1 000 m3(标态)有效气(CO+H2)氧耗和煤耗分别为340 m3和650 kg，冷煤气效率为80%，碳转化率为98%。

作为国内首套三高煤干煤粉气化工业化装置，气化炉自投运以来，不可避免地出现了一些问题，制约了气化装置的长周期稳定运行。围绕气化装置在试车及后期运行中出现的问题，兖矿开阳化工公司通过技术攻关，取得了明显成效。尤其是针对点火烧嘴火检信号不稳定、气化炉烧嘴座环隙超温、气化炉水冷壁抓钉烧蚀导致热通量波动、煤粉输送管线及气化黑水管线磨损冲刷严重、沉降槽漂珠进入系统而加剧泵的磨损等突出问题，兖矿开阳化工公司成立了气化技术攻关团队，针对相关问题进行优化研究，逐步完善了改进方案，并在此基础上先后对2套气化炉系统进行了优化改造，解决了上述影响气化装置长周期稳定运行的问题。

1 点火烧嘴火检信号的优化改进

1.1 存在的问题

在前期运行过程中，点火烧嘴的火焰检测信号经常出现丢失而无法检测的情况，从而引起点火烧嘴跳车。经分析，出现此种情况的主要原因为长明灯火检通道直径较小且长度较长，在安装过程中易出现弯曲，在一定程度上阻挡了烧嘴火焰光线，致使长明灯火焰检测器较难捕捉到稳定的光信号，从而造成火焰检测器信号经常丢失。

1.2 优化改进

针对存在的问题，与有关专业研究机构合作，投用了三合一视频火检，在光谱检测的基础上增加了视频火检，从而形成复合火检，对炉膛内的烧嘴燃烧情况可通过视频直接监控。经上述改进后，在通过视频监控到点火烧嘴正常燃烧的情况下，可直接将长明灯火焰检测信号切除，从而彻底避免了因为火检信号丢失引起的跳车，而且火焰可视、信号稳定。

2 气化炉烧嘴座环隙密封形式的优化改进

2.1 存在的问题

三喷嘴干煤粉气化炉水冷壁由烧嘴座盘管、筒体水冷壁盘管、渣口水冷壁盘管组成。燃烧室筒体分为2个部分，外部为气化炉壳体，内部为水冷壁盘管，外径Φ3 000 mm，内径Φ2 500 mm。烧嘴座内径Φ1 600 mm，通过法兰与气化炉炉体连接，连接后采用Ω环焊接密封。

气化炉自投运以来，多次出现夹层顶部超温现象，判断主要是由烧嘴座环隙窜气引起。筒体水冷壁上口与烧嘴座间的环向密封间隙原先为26 mm，采用耐火纤维毡填充及高压氮气进行密封。2015年8月入炉检查，发现环隙局部因超温已严重变形，筒体水冷壁局部烧穿。结构变形导致该处密封效果难以保证，窜气造成烧嘴座与水冷壁之间的气化反应流场不稳定，极易形成“小流场”，进一步导致环隙超温。

2.2 优化改进

结合上述分析，通过流场模拟分析，对气化炉烧嘴座环隙密封形式制定改进方案，利用系统大修机会实施，具体改进方案如下。

(1)增设新型环隙隔板

去除烧嘴座与气化炉外壁之间的龟甲网和浇注料，增设烧嘴座环板与隔板，并用新型耐火纤维毡和科学的装填方法填充水冷壁与炉壁间的间隙形成密封函，有效避免了合成气的回窜。

(2)改进密封气系统

经模拟分析，对气化炉烧嘴座的保护氮气流量计重新进行选型，将氮气流量计孔板直径改为Φ13.94 mm，限流孔板孔径改为Φ4.00 mm，流量计量程调整为0～100 m3/h，并调整进入气化炉夹层保护氮气的流量。

3 气化炉水冷壁盘管抓钉的优化

气化炉水冷壁抓钉是炉壁附着SiC耐火材料和挂渣的主体元件，材质为310S。抓钉焊接在水冷壁盘管上，盘管内通冷却水，通过挂渣及SiC耐火料覆盖在水冷壁盘管上对其进行保护，使水冷壁免遭炉内高温及气流等冲刷而烧蚀盘管。

3.1 存在的问题

2015年3月入炉检查，发现气化炉烧嘴座水冷壁、筒体水冷壁中上部等部位的抓钉磨损严重，抓钉长度由15 mm被磨损至2～3 mm，局部部位甚至不足1 mm。经分析，其原因为煤质不稳定，水冷壁抓钉烧蚀较为严重；水冷壁制造时抓钉焊接质量较差，容易脱落。该部位由于挂渣效果不好，较大面积的挂渣及SiC耐火材料脱落，钉头露出，也反映出气化炉在运行过程中所属水冷壁热通量较高且频繁波动(热通量在5.0～5.9 MW，正常热通量在4.0～4.5 MW)。

3.2 优化改进

针对以上情况，在加强煤炭管理的基础上，需要从源头上对抓钉的抗冲刷腐蚀能力进行重新分析并研究改进的渠道。结合环隙优化改进的成效，对抓钉尺寸及焊接工艺进行重新研究后，确认原设计抓钉尺寸已不符合炉内反应的实际情况。

为此，利用系统大修机会，采用新型抓钉及新的焊接工艺重新进行环向布置，对抓钉和水冷壁保护层进行改进优化，以解决水冷壁盘管抓钉烧蚀冲刷及挂渣困难、水冷壁热通量高等技术难题。

4 黑灰水管线、煤粉输送管道的优化措施

4.1 存在的问题

煤粉制备磨机出口弯头、煤粉锁斗放空管线同心异径管、黑灰水管线采用普通碳钢材料，耐磨蚀性能较差，在气化装置运行一段时间后，由于管道内介质的冲刷磨损，管道、管件频繁磨损泄漏，被迫带压堵漏，不仅费用高昂，而且可能导致气化炉停车，管道泄漏也使清洁管理难度增大。

4.2 优化措施

针对上述情况，经交流考察及实测论证，与专业厂家合作开发出新型稀土合金耐磨材料，通过在易磨损(穿)部位采用稀土合金耐磨材料并在耐磨材料管件内部内衬陶瓷片等优化措施，增强了管道的耐磨蚀性能，相关管线使用寿命大幅提高，降低了运行维护费用。

5 漂珠对气化灰水的影响及分离改造

漂珠是粉煤灰珠状颗粒的一种，是薄壁的空心玻璃珠，因能漂浮在水上而得名。漂珠的形成主要是煤粒进入燃烧室时，在急速短暂的高温作用下，发生脱水、排气、氧化、燃烧、相变等多种物理化学反应，在加热和冷却的复杂过程中，使部分熔渣中空膨胀而形成，其形成主要受煤种、煤质、燃烧温度、燃烧方式等多种因素影响。质轻、粒径小、硬度高是漂珠的特点，其主要成分为SiO2(质量分数53.75%)、Al2O3(质量分数31.60%)。

5.1 漂珠对气化灰水的影响

(1)对灰水输送设施的磨损较大，特别是对高温热水泵口环、叶轮、平衡盘和平衡鼓的磨损较为严重。

(2)影响磁翻板液位计、远传液位计的准确测量。

(3)影响灰水水质(悬浮物)。

5.2 优化改进措施

(1)排查煤种，停用产生漂珠较多的煤种。

(2)利用漂珠不溶于水、密度小的特点，对沉降槽进行了改造：①在沉降槽溢流口增设一圈挡板，使大部分漂珠与灰水分离并通过引流管引出沉降槽，引出的漂珠经过滤收集后存放，滤液循环返回系统；②在沉降槽顶部灰水出口两侧各设1套漂珠挡板，富含漂珠的灰水通过阀门控制引出系统，漂珠经过滤收集后存放，滤液循环返回系统。

改造后，超过90%的漂珠被分离出系统，大大降低了渣水系统各转动设备的维修率。

6 结语

2016年1月和2017年2月，利用系统大修机会对2台气化炉实施了烧嘴座环隙密封型式、水冷壁盘管抓钉优化布置的改进，并在优化改进后利用短停机会进炉检查，未出现抓钉烧蚀损坏情况，水冷壁挂渣效果良好，运行中亦未出现挂渣困难、水冷壁热通量高等问题(表1)。通过对黑灰水管线、制粉及输送管线有关管件改用新型稀土合金耐磨材料，解决了管线极易磨损泄漏的问题，延长了其使用寿命；通过对沉降槽增设漂珠分离装置，大大降低了渣水系统各转动设备的维修率。优化改造措施实施后，杜绝了非计划停车，提高了气化装置的长周期稳定运行水平，实现了气化炉的经济运行。

表1 气化炉优化改进前后工艺运行参数对比

项目水冷壁热通量/MW灰渣可燃物质量分数/%粗渣细渣φ(CO+H2)/%水冷壁挂渣情况A#改进前4.5～6.03～545～4884.0～87.0挂渣厚薄不均,局部抓钉裸露被冲刷炉改进后4.2～5.0<338～4286.7～88.8挂渣均匀,挂渣效果良好B#改进前4.5～5.83～545～4885.0～87.0挂渣厚薄不均,局部抓钉裸露冲刷严重炉改进前3.8～4.5<338～4087.5～88.7挂渣均匀,挂渣效果良好

兖矿开阳化工公司科林三喷嘴干煤粉气化炉为目前国内首套工业化运行装置，通过采取“改进1台、验证1台”的方案，利用系统大修机会先后完成了2台气化炉的优化改进并在生产实践中取得了良好的效果，为合成氨装置的稳定运行提供了技术保障。三喷嘴干煤粉气化技术的成功运用以及对关键设备的后续优化改进升级，将为贵州、山西、内蒙古等地的劣质煤就地转化提供了强有力的技术支持。