SHELL气化炉煤烧嘴角度改造实践及效果

颜昌玉

(大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司，内蒙古 多伦 027300)

Shell煤气化工艺是典型的第二代煤气化工艺之一，该装置设计煤种采用褐煤作为原料煤，运行过程中煤粉、氧气在加压条件下进入气化炉内，在极短的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程，气化产物是以H2和CO 为主的合成气。

Shell煤气化装置采用干煤粉加压进料方式，气化炉膛温度高达1 400～1 600℃，压力4.12MPa，碳转化率高达99%以上，氧耗低、冷煤气效率高、液态排渣、产品气体洁净，有效气体高达90%(干基)以上，酸性气体处理费用低，渣和灰可作建筑材料，废水排放符合环保要求。气化炉长周期运行过程中，在频繁调整负荷、更换煤种的情况下，若操作炉温偏高，容易造成SGC入口积灰，且气化炉需要高激冷比来维持稳定运行，如操作炉温度偏低，很容易出现气化炉渣口堵渣，平均每台炉每年堵渣停车3～4次。为了解决气化炉堵渣问题，降低合成气冷却器积灰风险并进一步提高气化负荷，经过方案对比，最终选择对煤烧嘴进行角度改造方案。

1 渣口堵渣解决方案的确定

该装置从试生产以来，气化炉渣口堵渣发生30多次，为了不发生堵渣，被迫选择灰熔点相对较低的煤种，长期在高气化炉温度、高激冷比情况下运行，气化最高运行氧气负荷基本维持在80%～85%，且气化炉SGC入口积灰、气化炉反应段爆管多次发生，为了解决堵渣并提高负荷，在不考虑煤种、运行工艺负荷波动、气化炉操作温度等的情况下，通过改变反应炉膛热力场温度分布，先后考虑了3种改造方案(见表1)。

(1)方案1：把气化炉渣口尺寸由1 000mm改为1 200mm，降低堵塞频次。此方案需要切除渣口多余的2圈盘管来增加渣口的尺寸，切除后极易造成渣屏挂渣，当渣块长大脱落后容易堵塞渣池，造成渣池堵渣停车。

(2)方案2：通过提高氧气压力来加快烧嘴头部氧气流速(65m/s提高至73m/s)，以此改变气化炉内热力场分布，变向提高渣口温度。要想实施此方案，需要通过更换空分高压液氧泵来提高氧气管网压力，且运行压力提高后，氧气泄漏风险升高，更换氧泵成本较高，此方案不可取。

(3)方案3：调整烧嘴头安装角度，使其与气化炉中心夹角度由4°调至6°，以此来提高渣口温度。一般烧嘴头的使用寿命约8 000h，需要定期更换。此方案实施，只需要在烧嘴使用寿命快到时更换新烧嘴头，根据尺寸重新加工烧嘴偏心调节垫片即可，不涉及到对气化炉及相关附属设施进行改造，不增加其他额外费用，风险低。

表1 基于大唐多伦气化炉75%负荷下对各种改造对比

综合对比，采用烧嘴改角度思路，渣口温度增加最大、改造增加费用少、成本最低、风险最低，在渣口温度提高后，能在原操作基础上进一步降低氧煤比，降低气化炉反应室出口温度，在激冷气量不变的情况下，可以提高系统运行负荷，故选择采用烧嘴改角度方案。

2 改造方案

2.1 设计角度

由原设计煤烧嘴与气化炉中心向外偏离4°夹角改造为偏离6°，使热力场温度向炉壁及渣口偏移，安装角度方位图见图1。

图1 Shell煤气化炉烧嘴安装角度方位

2.2 改造方式

(1)对原煤烧嘴头部进行切割更换，新烧嘴头与烧嘴杆焊接，控制头部与烧嘴杆的水平夹角为2.24°，通过调整烧嘴偏心垫片，使煤烧嘴的安装方向由原来的烧嘴杆与气化炉中心偏离4°改成3.76°，烧嘴头向炉壁侧偏离，合计完成偏离6°夹角。

(2)烧嘴头部氧气通道与煤通道头部同心，对水平间距及倒角深度安装尺寸进行修改。

(3)安装过程中尽量使用烧嘴安装支架进行尺寸调整，确定烧嘴头部与烧嘴罩最内圈水冷管的间距与图纸一致(中心在一条直线上，烧嘴头与烧嘴罩上下间距一致，左右间距为121.0mm∶151.4mm)，并确定好烧嘴偏心调节垫的尺寸，做好定位标示。Shell煤气化炉烧嘴角度调整后的安装尺寸见图2。

图2 Shell煤气化炉烧嘴角度调整后的安装尺寸

2.3 注意事项

(1)需要根据烧嘴安装尺寸要求，重新制作配套的烧嘴偏心调节垫片。

(2)安装前需要拆除烧嘴罩头部内侧隔热丝网，否则在烧嘴插入过程中会卡涩，无法安装到位。

(3)烧嘴改角度前，必须先将点火烧嘴(IB)与开工烧嘴(SUB)之间的填料函结构改为水冷壁结构，其冷却水为强制循环冷却水，冷却水管线外壁表面焊接耐火钉并浇筑耐火泥，否则运行约2～3月，此部位可能会烧穿，导致环隙温度高，装置被迫停车。

(4)气化炉反应器顶锥部分水冷壁盘管进出口接缝死区背部需要采用自制激冷盒加耐火泥保护，降低气化炉运行期间出现炉壁烧穿的风险。

3 改造效果

目前，大唐多伦3套气化装置全部实现煤烧嘴4°改6°的改造，通过烧嘴角度改造，气化炉目前负荷已实现100%氧气运行常态化，最高运行负荷110%，使用煤种操作窗口由原来的1 350～1 550℃到目前的1 150～1 500℃，系统基本稳定，再未出现过气化炉下渣口堵渣情况。

3.1 方案优点

(1)极大降低了气化炉操作温度，同等氧气负荷下汽包小室蒸汽产量降低约2kg/s，气化操作温度可以降低约120℃左右，在原有激冷气量不变的情况下降低了SGC入口积灰风险。

(2)同等氧气负荷下，需要的激冷气量下降。

(3)同等氧气负荷下，煤耗增多，合成气负荷明显增多。

(4)下游甲醇产量显著提高，目前已实现110%精甲醇产量稳定生产，负荷提升空间极大地得到释放。

3.2 方案缺点

(1)气化炉炉壁采用耐火材料、耐火钉易磨蚀，需适当控制好炉温，保证炉膛挂渣安全，耐火材料等使用寿命能确保在2年以上。

(2)IB及SUB之间的填料函炉壁钢板极易因高温熔融加磨损导致烧穿泄漏，通过对此区域进行改造，并增加强制冷却循环水，增补耐火钉、耐火泥，此问题基本得到解决。

(3)气化炉运行过程中，灰渣比发生改变，原设计渣量约占总煤灰(w)的69.42%，改造后约为88%(w)(同等情况下灰系统负荷降低)，捞渣机的负荷加大，需要重新评估捞渣机的运行稳定性。

4 结语

通过煤烧嘴改角度的实践，确认此项改造安全、稳定，经济效益巨大，为气化炉提高负荷、增加产量提供了较大的运行空间，拓展了新的思路，且基本没有增加投资成本，只需要对已经到使用寿命的烧嘴头定期更换即可。在高投煤量SHELL气化炉的应用前景广阔，为实现SHELL装置释放最大程度的产能提供了实践经验。