Shell煤气化烧嘴罩运行维护策略

李 刚

(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术，是发展煤基大宗化学品和液体燃料，合成先进的整体气化联合循环发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业发展的关键技术、核心技术和龙头技术[1]。Shell煤气化工艺(Shell Coal Gasification Process，简称SCGP)是在高温、高压条件下，以干粉煤为原料，采用气流床气化、液态排渣的第二代煤气化工艺之一。近年来，国内外累计投建32套SCGP煤气化装置，在装置开车和运行中曾发生合成气激冷管线腐蚀泄漏、十字吊架积灰、堵渣、烧嘴和烧嘴罩损坏[2]、飞灰过滤器滤芯损坏[3]以及文丘里洗涤器结垢等问题。烧嘴罩是SCGP装置的重要设备之一，其良好运维是保障装置长周期运行的前提。

1 SCGP工艺原理

1.1 工艺原理

煤粉、氧气及少量蒸汽在加压条件下通过煤烧嘴并流进入SCGP气化炉，在温度1 400～1 600℃、压力3.0～4.0MPa条件下瞬间完成升温、脱除挥发分、裂解、燃烧、气化等一系列物理和化学过程，产出有效气(CO+H2)含量大于85%的粗合成气。熔渣沿膜式水冷壁向下流入底部渣池，粗合成气通过合成气激冷及冷却器降温后，再经干法、湿法除灰，得到含灰量低于1mg/m3的合成气。SCGP煤烧嘴安装在气化炉下部，对列式布置，数量一般为4～6个。SCGP气化炉典型流场见图1。

图1 SCGP气化炉流场

1.2 以渣抗渣

SCGP装置膜式水冷壁内是强制循环的高压锅炉水，水冷壁向火面焊接销钉，并覆盖耐火材料。总渣层包括固相渣层和流动渣层两部分：装置运行时，炉膛内熔渣在重力作用下沿膜式水冷壁向下流动，贴近壁面的熔渣被冷却形成固相渣层，远离壁面的熔渣依然以液态流动渣层形式存在。渣层的存在使得水冷壁避免了反应腐蚀、高温烧蚀和熔渣磨蚀，使用寿命大大延长，此即为“以渣抗渣”。

2 烧嘴罩设计理念

2.1 设计理念

烧嘴罩是SCGP装置的关键设备之一。设备安装时，烧嘴罩插入气化炉有一定深度，其外圈水冷管比烧嘴头部突出许多，以阻止高温熔渣流入煤烧嘴出口区，造成火焰偏流和不均匀流场。烧嘴罩插入深度主要取决于气化炉膜式水冷壁总渣层厚度，而总渣层厚度与煤质灰分含量、生产负荷、灰熔点、操作炉温等因素有关：灰分含量、生产负荷、灰熔点与总渣层厚度正相关，而操作炉温与总渣层厚度负相关。烧嘴罩结构见图2。

2.2 结构参数

结合使用经验，SCGP烧嘴罩先后进行了多次更新换代。Ⅰ代烧嘴罩水冷管有7～8圈，壁厚5.6～6.3mm，插入深度约26mm；Ⅱ代烧嘴罩水冷管有7～9圈，壁厚4.0mm，插入深度约51～114mm；Ⅲ代烧嘴罩水冷管有7圈以上，壁厚4.0mm，插入深度约60mm以上。未损坏的烧嘴罩见图3。

图2 烧嘴罩结构

图3 未损坏的烧嘴罩

2.3 渣溢流形态

正常工况下，熔渣沿水冷壁往下流动，途经烧嘴罩时沿其外环向两侧分流，烧嘴罩内环中心的烧嘴火焰不会被熔渣影响而出现偏流。异常工况下，熔渣溢流漫过烧嘴罩外沿，使火焰发生偏斜，进而导致烧嘴罩损坏。根据其形态的不同，熔渣溢流可分为滴状流、外摆滴状、短暂过流以及稳态过流。

2.4 操作窗口

为确保烧嘴罩有效保护煤烧嘴，气化炉须在操作窗口的两个边界之内：渣层太薄，会造成水冷壁钉头损坏；渣层太厚，会导致熔渣溢流进烧嘴罩。气化炉操作窗口大小受烧嘴罩插入深度和渣层实际厚度双重因素限制，其中，渣层厚度与总灰量、灰熔点、黏温特性以及气化炉炉温等有关。

3 损坏现象、原因分析及应对策略

3.1 损坏现象

经验表明，SCGP经历长周期运行后容易发生烧嘴罩损坏的现象，损坏位置大多情况出现在从内往外数的第2～5圈。烧嘴罩水冷管损坏后会发生泄漏，漏点是一个由无到有、由小到大的过程。装置运行期间，漏量较小时往往不易被察觉，漏量较大时容易导致渣水系统堵渣。停车检修时，烧嘴罩损坏处漏水、渗水或有射流是极为显著的现象。检修期间漏水的烧嘴罩见图4。

图4 漏水的烧嘴罩

3.2 原因分析及应对策略

3.2.1熔渣溢流进烧嘴罩

熔渣溢流进烧嘴罩是烧嘴罩损坏的主要原因之一，煤烧嘴头部损坏有时也与熔渣溢流有关。不同形态下的熔渣溢流对烧嘴罩有不同程度的损坏，熔渣溢流量越大，持续时间越长，越容易造成烧嘴罩损坏。

经分析，熔渣溢流进烧嘴罩的原因主要有以下几点：①融渣溢流进烧嘴罩干扰了火焰正常流场；②渣层的实际厚度相比烧嘴罩的插入深度太厚，煤质灰分过高、灰熔点过高或者炉温过低都会导致渣层过厚。

应对措施：①选择合适的煤质，并保持煤质稳定供应，煤质控制指标为：原煤水分≤10%，灰分12%～25%，灰熔点(FT)1 250～1 550℃，炉渣黏度25～40Pa·s，挥发分<35%，哈氏可磨指数(HGI)>65；②原料煤进炉前及时开展煤质分析，根据煤质特性有预判性地进行操作调整；③适量添加石灰石，避免灰熔点和黏度过高；④控制操作窗口不低于100℃，以适应炉温正常波动；⑤平稳提升负荷，避免进煤量、灰总量突然增大造成渣层变厚；⑥优化消桥操作，调控保障煤线稳定；合理控制进煤量，避免过量灰分产生过厚渣层；⑦增加烧嘴罩的插入深度，以增大操作窗口、增强操作弹性。

3.2.2外层水管过热

造成外层水管过热原因主要有以下几点：①烧嘴罩盘管内孔板发生堵塞，造成冷却水量不够；②炉温过高，气化炉发生整体过烧；③煤阀卡涩、煤线剧烈波动、煤线仪表不准等导致实际O2/C比过高，局部过烧；④高压锅炉给水水质差，或者汽包排污不及时导致炉水水质下降；⑤汽包及水汽系统没有建立良好的钝化膜或钝化膜遭到破坏。

措施与建议如下：①在气化炉运行和开、停车时，避免局部过热，实际O2/C比不能超过临界极限；②通过增加供水量和减小管子壁厚，强化烧嘴罩管子冷却；③保持给煤和炉温稳定，避免偏烧和过氧运行；④加强操作人员培训，积累应变经验，提高操作技能；⑤进一步优化烧嘴罩设备结构，加快更新换代，进一步延长使用寿命，提高维修、维护效率。

4 结语

熔渣溢流进烧嘴罩和外层水管过热是影响SCGP烧嘴罩使用寿命的主要原因。在生产运行中，需综合考虑煤质、煤线、氧煤比、炉温控制、设备安装、烧嘴罩冷却水等各种因素，以避免外层水管过热和熔渣溢流进烧嘴罩，从而最大程度延长烧嘴罩的使用寿命，确保SCGP装置实现长周期运行。