德士古气化炉烧嘴长周期运行的方法

2021-01-08韦新芳陈卫岗伊泰化工有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017400

化工管理 2021年13期

韦新芳，陈卫岗(伊泰化工有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017400)

1 德士古气化炉烧嘴简介

德士古气化炉是用在水煤浆加压气化技术的气化炉种类之一，而气化炉是煤气化装置最核心的设备，工艺烧嘴是决定气化炉长周期运行的重要条件之一。

德士古气化炉烧嘴安装在气化炉顶部，是水煤浆、氧气进入气化炉的入口点。其主要作用是将进入气化炉的水煤浆和氧气混合、雾化，结构为预混式三流道设计，中心管走中心氧气，内环隙走水煤浆，外环隙走环隙氧气，烧嘴头部有冷却水夹套及冷却水盘管，运行时通冷却水以保护烧嘴不被烧坏。

2 德士古气化炉烧嘴运行现状

气化炉烧嘴是决定气化炉长周期运行的重要条件，常见的损坏形式有烧嘴冷却水盘管烧嘴和烧嘴喷头磨损，只要出现其中一条，就需要停炉更换烧嘴。

预混式烧嘴原理是使用中心氧对煤浆进行加速、混合和雾化，环氧对雾化的水煤浆进行氧化。装置生产运行时，水煤浆中固体颗粒高，再加之高速的流动，预混腔内煤浆喷头磨损严重，磨损一定程度后，水煤浆雾化效果差，影响工况，工艺难操作，如出现偏磨，烧嘴偏喷会使气化炉局部温度高，影响炉砖使用寿命。

烧嘴冷却水盘管泄漏。德士古烧嘴安装在气化炉顶部，部分插入气化炉燃烧室中，承受约1 350 ℃的高温环境。冷却水盘管与烧嘴外喷头接口为角焊缝，厚度差异大，主要受热应力影响，焊缝处容易产生裂纹，甚至泄漏。烧嘴的冷却水系统用于保护烧嘴不被烧坏，如烧嘴冷却水盘管出现烧穿现象，一方面，大大降低了冷却水对烧嘴的保护作用；另一方面，合成气系统(高压高温)会进入烧嘴冷却水系统(低压低温)，损坏烧嘴及其冷却水系统，气化炉联锁跳车。

德士古气化炉预混式烧嘴在满负荷工况下，由以上两种原因，一般使用寿命在60 d 左右，很难超过90 d。

3 德士古气化炉烧嘴延长寿命的措施

3.1 烧嘴冷水盘管增加防护措施

针对烧嘴冷却水盘管容易烧穿处增加保护措施。冷却水盘管材质为INCONEL625，烧嘴冷却水夹套与烧嘴头部连接处容易烧穿，在原有设计基础上，在连接处安装一层耐火网，在下方再焊接安装一段保护套，对该薄弱点双重保护，避免热辐射直接作用到冷却水盘管与烧嘴焊接连接段[1]。

3.2 烧嘴煤浆喷头材质改进

烧嘴磨损后，特别是煤浆喷头磨损后烧嘴压差会变小，这会影响煤浆雾化效果，碳转化率也会降低。德士古气化炉烧嘴一般设计材质是与氧气接触的部分是INCONEL625 材料，煤浆喷头材质是UMCo50。为减缓煤浆喷头磨损，选用高硬度和耐磨性的材料制作煤浆喷头，改成复合陶瓷材质。复合陶瓷具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。

改进材质后，烧嘴运行时间明显增加。实践证明，硬质合金材质的煤浆喷头有更好的耐磨性，这为德士古气化炉长周期运行创造了条件。

3.3 工艺烧嘴设计参数与操作参数相匹配控制

在工艺烧嘴的规格不改变的情况下，操作人员的操作思维、工艺操作条件和气化炉运行状态促使烧嘴所工作环境变化也是决定气化炉烧嘴能否长周期稳定运行的关键因素。

3.3.1 烧嘴冷却水系统：温度、流量、水质的控制

烧嘴冷却水系统使烧嘴在1 350 ℃的环境中具有存在的价值。烧嘴冷却水流量的大小及温度的高低决定了烧嘴能否承受1 350 ℃的环境对自身结构的保护并降低热蚀。本装置烧嘴冷却水流量控制在34 m3/h，进口温度控制在34 ℃，出口温度也在37 ℃左右，在此条件下彻底的降低了烧嘴所承受热蚀的伤害。水质控制方面，因本烧嘴盘管与夹套的设计曲度因素及水质的结垢性原因，采用高质量的除盐水，不易结垢，硅及二氧化硅含量＜0.02 mg/L，碱含量＜0.02 mg/L，电导＜0.2，pH 值为6～8。

3.3.2 中心氧气与环隙氧气的比例雾化及火焰长度的控制

氧气作为气化原料的助燃物质，为了让煤浆充分燃烧且便于控制将其流道分为中心氧和环隙氧，其作用不近相同，都有助燃和流化作用。但对于实质操作而言，环隙氧因高速气流带动煤浆使其分散燃烧，在宏观控制工况方面效果极为显著，也是整个气化操作反应的重心。而中心氧提供煤浆雾化，决定着烧嘴雾化的好坏，在微观调控组分，返混量起必不可少的作用，在总氧流量不变的前提下，加大中心氧流量则环隙氧气进入气化炉内时氧气分散宽度降低，火焰增长，返混量增加，整体气化炉炉温温区下移，不利于烧嘴头部积灰，保护烧嘴，但有利于气化炉熔渣。再者氧气流量的大小也决定了氧气入炉时氧气分散宽和高低以及气化炉温区的高低，火焰的长短及雾化效果的好坏，直接关系到烧嘴运行中返混气灰渣对其保护作用的大小和煤浆流向角度对烧嘴的毁坏作用大小。火焰长短调整主要用于控制雾化效果，调整渣口压差及合成气组分的控制[2]。

本装置正常运行时控制氧煤比在460～490 之间，中心氧流量与总氧比在16%～19%之间，大多数情况将中心氧流量控制在17%～18.5%左右，因此环境中气化炉返混量最低(气化炉炉头法兰及烧嘴法兰温度最低分别在106 ℃和90 ℃左右)，烧嘴头部容易形成一层灰渣保护层，有利于保护烧嘴。

3.3.3 煤浆泵出口流量及运行稳定性控制

本装置采用德国菲鲁瓦三缸双隔膜高压料将泵，最大设计量为70 m3/h，确保气化炉所需流量65 m3/h 煤浆流量的控制。操作时严格控制煤浆泵入口压力及杂物的控制，保证进出口管线畅通是烧嘴长周期运行的重要环节。当煤浆流量不稳定时，采用活动煤浆泵流量及其他措施将其运行平衡状态打破疏通管线确保其管线畅通达到流量平稳，煤浆流量波动将导致系统氧煤比波动，最终导致炉温变化，影响系统返混量及温度对烧嘴的烧蚀及磨蚀。因此控制煤浆流量稳定是保证烧嘴长周期运行的另一种保护措施。

3.3.4 烧嘴压差控制

烧嘴压差可以间接性能体现出烧嘴雾化效果的好坏，渣口压差最基本的体现在气化炉操作炉温及煤质灰熔点的表现。当灰熔点高，气化炉温度低则渣口易积渣。当渣口压差增高时必采取升温熔渣，此时提高中心氧及环氧量，导致系统返混量及炉温增加，烧嘴保护灰渣层破坏而损坏烧嘴，因此当煤质变化时及时做煤质分析，确保气化炉操作在渣流动温度的±50 ℃之间。

3.3.5 煤质及煤浆性能指标的控制

煤质的灰熔点决定了气化炉操作温度，也决定了烧嘴所处的环境温度的高低，灰熔点高，烧嘴所处环境温度高。煤质的可磨指数越低将导致煤不易粉碎，煤浆的粒度大，降低与水接触的比表面积促使煤浆不易成浆，颗粒物越大成浆性越差，管线磨损速率增大，烧嘴易磨损，成浆性差将可能导致系统操作过氧，气化炉温高，烧嘴热蚀加剧。缩短使用寿命，因此本装置采用可磨指数高75 左右，灰熔点在1 250 ℃左右，水分小于14%的空干煤，热值23 022 kJ 左右的煤质，控制煤浆浓度在59%。粒度分布控制＜14 目(1.43 mm)100 wt%；＜40 目(0.45 mm)90 wt%～98 wt%；＜120 目(0.125 mm)50 wt%～70 wt%；＜200 目(0.076 mm)40 wt%～50 wt%；＜320 目(0.044 mm)25 wt%～40 wt%范围之间[3]。

3.3.6 工艺操作控制

烧嘴运行周期的长短，最主要的因素在于人与物和谐运作。在烧嘴质量技术改良后，人为操作及管理因素成为了烧嘴运行周期长短的主要控制源。影响烧嘴长周期运行的工艺管控主要有烧嘴运行负荷，过高或过低均会导致烧嘴运行周期缩短，操作负荷低，则系统烧嘴雾化效果差，氧气分布宽度小，返混量大，气化炉反应温区上移，不利于烧嘴运行，负荷过高则烧嘴的煤浆通道磨损较大；因此按照烧嘴设计量控制方能满足烧嘴长周期运行的第一条件。气化炉炉温控制方面，因注重组分的同时考虑气化炉渣口压差及渣样变化，控制炉温在规定范围内，其次气化炉导压管线高压氮气通入量也能对烧嘴的起保护作用，本装置将其控制在6～10 m3/h。

渣口压差，氧煤比及中心氧量控制，不能一味认为渣口压差高则提升炉温熔渣，最终因错误判断而导致炉温过高而损坏烧嘴。气化炉加负荷时，先加煤浆，再加氧；降低负荷时，先减氧，后减煤浆。保证系统氧煤比在适当范围之间。气化炉因故障急停后，采取连投措施时，因结合实际工况需要，适当降低氧煤比，防止因连投前系统环境所趋于静止趋势，热量的上移烧嘴热负荷大，投料后系统氧煤比过高再次加剧烧嘴头部温度的升高而导致夹套头部龟裂。因此在整个操作过程中保证系统处于缓慢调整，缓慢操做过程，保证系统平稳运行。