航天炉三高无烟煤运行适应性改造与优化

尹 兴，周 丹，刘友国，周元祥，文美军，郑浩天

(黔西县黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 毕节 551500)

黔西县黔希煤化工投资有限责任公司年产30万t乙二醇项目气化装置采用航天粉煤加压气化工艺。受粉煤烧嘴使用寿命和煤质特性的影响，气化炉未实现长周期运行。航天炉粉煤烧嘴是煤气化技术的核心设备之一，其性能在很大程度上决定了气化炉能否安全稳定长周期运行。自开车以来，由于粉煤烧嘴头部频繁泄漏造成的寿命短(60 d)的问题严重制约气化炉安稳长满优运行。2019年7月起，黔希化工投资有限责任公司展开烧嘴使用寿命问题攻关，通过提高碳转化率，降低比煤耗和残碳含量，延长了粉煤烧嘴使用三高无烟煤的运行周期。

1 石灰石系统升级改造

针对贵州无烟煤三高的特性：灰熔点高(大于1 500 ℃)、灰分高(22%～32%)、硫分高(1.5%～3.5%)，其中高灰熔点对气化炉影响尤为重要。使用高灰熔点煤必然导致气化炉操作温度整体升高，单煤耗的氧气量必然增加，同时较高的操作温度影响粉煤烧嘴、盘管及激冷室内件的使用寿命。如何降低三高无烟煤灰熔点成为影响烧嘴使用寿命的一项重要难题。由于前期添加精确度太低、添加量不稳定、掺混不均匀，引起粉煤灰熔点不稳定，导致气化炉操作工况波动较大，于是对原石灰石系统进行升级改造，将皮带计量输送系统精度问题，采用矢量称重给料系统，其矢量称重给料设备由星型给料机、称重斗体、螺旋输送机组成，矢量称重系统能连续、定量、可控给料，从而实现了石灰石添加配比量的稳定，有效降低了灰熔点，进而确保了气化炉工况的稳定，为煤烧嘴长周期运行奠定了坚实的基础。

2 磨煤系统粉煤粒度控制及优化

2.1 磨煤系统出料粒度及水分控制

由于贵州三高无烟煤的哈氏可磨性指数低(HGI<40)，影响磨煤机出口粉煤粒度分布，而粉煤粒度的大小决定了碳的转化率和渣中残碳含量的高低。为确保磨煤系统的粉煤质量颗粒尺寸分布规格和粉煤的水分含量满足要求，通过探索提高磨煤机液压加载力、一次循环风量和旋转分离器的频率等优化操作方法，使5～90 μm的粉煤含量控制在84%～91%，与改造前相比提高了约5个百分点，而大于90 μm粒级含量则降为零，不仅满足了气化炉内燃料的完全燃烧，减少了对粉煤管线及烧嘴的磨蚀，而且增大了碳的反应接触面积，提高了碳转化率。磨煤过程中需严格控制粉煤含水量，粉煤水分过高影响输送系统的稳定性，造成粉煤流量不稳定，并导至烧嘴燃烧效果差。粉煤质量的好坏是粉煤烧嘴稳定运行的前提，只有不断优化工艺规范操作和管理，才能确保粉煤质量的合格。

2.2 稳定磨煤系统

减少磨煤系统开停车次数，避免系统负荷变化造成煤粉质量偏离控制指标；减少因煤粉质量变化对煤粉输送系统造成波动，例：煤粉锁斗架桥、煤粉流量计波动、煤粉管线断粉等，都会造成煤烧嘴偏烧现象。

2.3 稳定煤质

加强原煤采购和配煤的管理，原煤的内在质量是气化炉稳定燃烧的前提。强化输煤系统的管理，及时定期清理输煤皮带系统破碎机、磁铁器上的杂物，在原煤仓进口处加篦子网，从源头上杜绝杂物进入粉煤系统。加强入炉煤质的分析(建立煤质分析台帐，气化工艺运行班长应了解上煤煤质情况，每天要求做一次粉煤的工业分析，在炉况波动时及时分析煤样)，了解煤质情况，及时调整助熔剂添加量和炉况，保证粉煤烧嘴在安全稳定的环境中运行。

2.4 磨煤备用系统操作

当备用系统不备用时，为防止使用粉煤储罐里热汽进入备用系统造成冷凝水析出与粉煤混合堵塞纤维分离器、螺旋输送机，输粉煤系统必须保持正常运行，若必要时应进行隔离，避免结块压实的煤粉进入加压输送系统，导致角阀、煤线和烧嘴通道发生堵塞等现象，最终保证进料量的稳定，避免出现断煤卷吸高温合成气返混烧蚀。

2.5 严格控制磨煤机出口温度

根据粉煤水分分析指标来调整磨煤机出口温度，在设计温度105 ℃、保证安全的前提下提高至107～109 ℃，从而将煤粉中的水分降至最低(<1.5%)；同时，加强磨煤系统伴热和保温管理，防止系统热量损失，确保煤粉输送畅通，避免堵塞烧嘴，防止回烧。

3 粉煤加压输送系统

严格按照操作规程或操作指导进行加压输送操作，防止因操作不当，造成粉煤锁斗架桥，下料不畅，压实结块，导致煤量不足。若来回反复除桥，会引起粉煤给料罐压力的波动，导致煤流量波动，破坏了炉内流场；在现有条件下尽量稳定煤粉输送系统的操作，减少煤粉流量波动，稳定流场。根据气化炉负荷，粉煤给料罐锥部的流化气控制在150～230 m3/h，粉煤给料罐与气化炉压差控制在0.75 MPa，粉煤管线输送的流速控制在7～10 m/s；系统在停车后及时排空转移剩余的煤粉至运行系统掺混消耗。若重新开车时，需提前将料位计、流量计标定，投用伴热系统，确保读数准确和系统温度在控制指标内，防止假数据引起误判和煤粉温度低，水分析出，形成结块，影响煤粉输送，避免因开车或运行过程中断煤造成烧嘴局部超温。

4 烧嘴冷却水系统

烧嘴冷却水系统是保护粉煤烧嘴的核心，系统水循环量的大小、流量的稳定性决定了烧嘴头部温度的高低和是否恒定，于是探索将烧嘴冷水换热器停用、加大循环量、修改相关联锁，为延长烧嘴寿命扣上“紧箍咒”和翻出“压舱石”。在换热器停运前烧嘴冷却水回水温度基本在设计值155 ℃上下波动，停运后烧嘴冷却水回水温度在150 ℃左右；烧嘴冷却水流量设计正常值是95.2 m3/h，改造后提至130 m3/h左右，为防止流量波动触发联锁气化炉停车，总流量与点火、开工、粉煤烧嘴各支路流量必须共同满足其中的两路条件才触发停车，从而有效保证了烧嘴头部热量能及时被循环的冷却水吸收带走，减少了气化炉的停车次数。同时严把外进的物料质量关，增加分析频次，严格取样分析水质，根据分析结果通知上游调整添加的药剂量，使各指标稳定在设计值的控制范围内，避免因水质问题影响烧嘴的使用寿命。

5 气化炉温度控制

炉温控制是气化炉操作的核心，是降耗的关键，气化炉经常出现超温、渣口压差波动频繁、盘管密度忽升忽降、汽包产蒸汽量忽多忽少等现象，有时还开氮气充压维持汽包压力，有时氧煤比高达1.2，也因氧煤比过高导致停车，也因激冷室出口合成气温度过高导致停车，也因汽包液位降低太快补水不能满足停过车，也因局部跨渣长期超温，也因在线分析仪不准确而误导操作。炉况的种种变化导致了烧嘴在恶劣的工况下运行，大大缩短了烧嘴的使用寿命，针对上述现象，制定了气化工艺操作指导，并进行了专题培训。气化炉炉膛温度上涨速度快或超过700 ℃后要果断处理，通过减少入炉氧气流量或增加入炉粉煤量及时降低氧煤比，稳定工况，待气化炉运行稳定后再调整至正常参数。通过气化炉温度显示、主盘管回水密度、汽包出口蒸汽流量以及蒸汽外送阀的阀位开度变化，提前判断固渣层厚薄的变化，有预见性的控制了气化炉温度，另外结合合成气在线分析仪(手动分析与在线分析数据对比，出现偏差必须及时校表，数据异常及时取样分析，增加分析频次)及渣样来综合判断气化炉炉温是否适宜。但是影响炉温的因素很多，如：原料煤煤质变化、煤粉质量、粉煤输送的稳定性、氧煤比自动调节、粉煤流量计的准确性(影响氧煤比值的准确性)、系统压力稳定性、粉煤给料罐与气化炉压差的稳定性等等。炉温控制高低会影响转化效率，判断不准确时不能保证设备的安全，一定要判断准确无误后方可采取有效措施并正确处理，有效调控炉况的稳定，则稳定了气化炉燃烧流场，降低了对烧嘴的伤害。

6 水氧比

由于氧气中蒸汽添加量不均匀，忽多忽少，因此水氧比不稳定，导致氧气和蒸气混合后的温度突然升高或降低，引起烧嘴通道温度变化剧烈，导致烧嘴热应力、强度产生变化。新制度要求，只要气化炉开车成功炉况稳定就必须把蒸汽加入，且蒸汽量缓慢加到1.5～1.9 t/h，水氧比控制在0.06～0.08，维持氧气和蒸气混合后温度的稳定。

7 烧嘴保护气

烧嘴保护气按航天设计有100 m3/h和1 000 m3/h及气化炉环腔800 m3/h，在原始开车以来一直按设计值添加，但每次停炉拔烧嘴查看都有烧蚀龟裂和飞灰附着及气化炉环腔飞灰碳黑积集现象。经管理人员讨论，确定是烧嘴头部氧含量高和回流区域上移或烧嘴出现偏流返混现象，导致烧嘴局部温度过高。于是大家同意将保护气100 m3/h的加至130 m3/h，1 000 m3/h的加至1 300～1 500 m3/h，气化炉环腔保护气800 m3/h的增加至850～900 m3/h，以稀释烧嘴头部的氧含量，使回流区的高温飞灰碳黑远离烧嘴，避免返混现象，同时降低了烧嘴头部周围的温度，避免了烧嘴长期在高温富氧环境下的运行，大大延长了烧嘴的使用寿命。

8 与烧嘴关联的压差

进烧嘴的物料管线压力稳定，才能保证压差的稳定，进一步保证气化炉内流场的稳定，避免压差的波动引起炉内射流区和回流区发生变化，卷吸高温烟气飞灰至烧嘴头部烧蚀及烧嘴夹套拉伸应力变化加快对烧嘴的损坏。因此特规定气化炉满负荷运行时氧气压力波动范围0.01～0.03 MPa、氧气调节阀前后压差0.85～0.9 MPa、粉煤给料罐与氧气调节阀后压差0.6～0.7 MPa、粉煤给料罐与气化炉压差0.75 MPa，在保证安全的前提下设限操作范围，维持压差的稳定，保证入炉流量的稳定。

9 气化炉开停车

气化严格执行“两单一票(开停车确认单、开停执行单、开车票)”和安全操作规程，避免在开停车过程中出现超温超压超升降速率或开车过程中突然停车重复开车现象，增强了开停车的安全性、稳定性，也降低了在开停过程中对烧嘴的伤害。

10 粉煤烧嘴结构优化

根据前期烧嘴运行工况参数指标、材质结构对比分析及煤质情况，反馈航天公司需依据气化实际工况，重新对烧嘴结构尺寸进行计算、设计和选材，使之与气化工况最适合，炉内流场温度场分布良好，有效减轻烧嘴头部不在持续受高温炙烤，确保烧嘴与气化工艺参数的最佳匹配，提高有效气含量和烧嘴运行的稳定性。粉煤烧嘴中冷套材质由ST188钴基合金改为镍铬合金，其内部导流槽间隙尺寸稍改大，选择了适用于更高使用温度区间的高温合金；夹套由圆弧过度加工改为倒角过度，夹套中还增加了换热条，氧通道旋流板角度及烧嘴头部尺寸进行了调整，使氧气分布更加均匀，雾化效果更好，保证了炉内流场温度场分布合理，避免了高温、高应力集中区域，确保金属在许用应力和最高使用温度下工作。

11 结 语

通过对粉煤烧嘴材质和结构的优化及强化细化操作探索，获得了气化炉最佳性能、最佳操作量化区间、最佳数据值、最佳炉况，选出了适应三高无烟煤的最佳烧嘴，这样不但延长了粉煤烧嘴的使用寿命(288 d)而且降低了吨乙二醇煤耗(1.58 t)和残碳含量，提高了碳的转化率，消除了粉煤烧嘴泄漏隐患，避免了频繁倒炉，降低了管控风险、生产成本和人力物力的消耗，从而为实现气化装置安稳长满优运行的目标保驾护航。