水煤浆气化炉工艺烧嘴压差波动分析及应对措施

李 龙，李 欢，丁海洋

（陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西榆林 718500）

0 引 言

现代煤气化工艺中，水煤浆气化工艺的应用比较广泛，经过多年的工艺优化，其技术更加成熟。在水煤浆气化工艺的发展中，应用最为广泛的是三流道预混式工艺烧嘴，其工作原理为，高温环境中通过烧嘴在气化炉中喷入氧气与水煤浆，两者发生部分氧化反应而生成以CO和H2为主的水煤气，故工艺烧嘴是水煤浆气化工艺的核心设备，而烧嘴压差是表征烧嘴运行状况的一个重要指标。所谓烧嘴压差，是指煤浆入气化炉前的压力与气化炉燃烧室的压力之差，它能直接反映出煤浆在烧嘴处的雾化效果，如果烧嘴压差频繁波动，会直接影响气化炉的平稳运行，导致气化效率低、有效气含量下降、最终产品产量下降、单位产品煤耗增大，调整不及时甚至可能造成气化炉过氧爆炸的事故。为此，笔者结合多年气化工艺操作的经验，以陕西延长中煤榆林能源化工有限公司（简称榆林能化）多元料浆气化炉A、气化炉B（简称A炉、B炉；榆林能化600kt／a煤制甲醇装置配套3台气化炉，两开一备）的生产实际为例，谈谈烧嘴压差波动的原因及应对措施。

1 烧嘴压差波动时的现象

烧嘴压差波动，表明煤浆在烧嘴处雾化效果变差，部分煤浆未经充分反应就被高速的气流带出气化炉燃烧室，在煤浆流量几乎没有变化的情况下，气化效率下降、产气率降低而导致气化炉压力下降、高压煤浆泵出口压力持续下降，由于氧气与煤浆在烧嘴头部混合，煤浆压力降低造成氧气流量不断上涨，气化炉因处于过氧状态而温度上涨，工艺气组分发生明显变化——CH4、CO含量下降而CO2含量上升，有效气含量明显降低；同时，经过长期的操作观察，烧嘴压差波动具有偶然性，有时波动较小，有时波动较大，甚至会出现烧嘴压差降为负值的情况，经过一段时间后有时又会突然上涨恢复至正常值，如此反复。

图1是A炉、B炉某同一时段（当时A炉烧嘴已运行30d、B炉烧嘴已运行10d）烧嘴压差的波动趋势。可以看出，烧嘴压差出现大范围波动时呈现一定的规律性，不同运行周期的A炉、B炉烧嘴压差波动趋势基本一致，因烧嘴压差初始值不同，波动最低点甚至降为负值。

图1 同一时段A炉、B炉烧嘴压差的波动趋势

2 烧嘴压差波动的原因分析与排查

2018年7月6日A炉投料后，烧嘴压差出现大幅波动，甚至几次降为负值 （-0.030 MPa），工艺气成分也跟着变化，工况调整频繁，粗煤气中有效气含量低，甲醇产量目标不能完成，给工艺操作带来很大的压力，解决这一瓶颈问题已是刻不容缓。在几次的烧嘴压差波动中，对烧嘴压差波动曲线及相关的参数进行详细的统计分析，虽然看似杂乱无章，但也能从中找到一些必然的联系。

2.1 原料煤煤质变化

榆林能化气化炉使用的原料煤为魏强煤，煤种基本稳定，每次烧嘴压差波动大家都想到是不是煤质变化所致，但其实在烧嘴压差波动期间并没有更换或者掺烧其他煤种。不过据长期的原料煤煤质分析数据可以发现，即使同一煤种在不同时期其煤质分析结果差异也会很大。近期气化炉烧嘴压差又出现了波动，从波动前后的煤质分析数据（见表1）可以看出，烧嘴压差波动时原料煤的灰分增高、发热量降低、灰熔点升高。而煤的发热量、灰熔点与煤的灰分有着紧密的关系：灰分越高，煤中有效成分含量越低，煤的发热量会降低；煤的灰熔点一般指熔融温度或流动温度（FT），其高低与煤灰的化学组成密切相关，煤灰中SiO2、Al2O3含量越高，煤灰熔点越高［1］；再者，灰分增高对原料煤的成浆性影响较大，表现为煤浆粘度降低，流动性变好［2］，煤浆与管道的内摩擦力降低，高压煤浆泵出口压力降低，这是烧嘴压差波动的触发因素。

表1 烧嘴压差波动前后原料煤煤质分析数据

2.2 烧嘴的状况

随着气化炉运行时间的延长，物料持续对烧嘴头部不断冲刷以及炉内高温热辐射，会造成烧嘴喷口冲刷变大，烧嘴压差会不断下降。对气化炉运行期间烧嘴压差数据进行统计，结果见图2。可以看出，烧嘴运行30d之前压差下降速率约为0.025MPa／d，运行30d之后压差下降速率变慢，约为0.015MPa／d。结合图1，烧嘴运行到30d以上时，烧嘴压差还会发生小幅波动，故笔者认为，如果是磨损造成的烧嘴压差波动，烧嘴压差应该是持续降低的，不会来回波动；还有，A炉烧嘴运行刚30d时，烧嘴压差应该在0.33～0.35MPa，不至于波动至负值，而B炉运行时间只有10d，烧嘴磨损很少，但也出现了大幅波动。因此，可以排除烧嘴磨损导致了烧嘴压差波动这一因素。

图2 气化炉运行期间烧嘴压差变化趋势

2.3 高压煤浆泵出口压力

据统计数据我们还发现，每次烧嘴压差降低时，高压煤浆泵出口压力也会同步降低。烧嘴压差是高压煤浆泵出口压力与气化炉炉膛压力的差值，气化炉的压力几乎是稳定的，那么高压煤浆泵出口压力为什么会降低呢？有必要查找原因。

2.3.1 高压煤浆泵的运行状况

榆林能化气化系统采用的是德国菲鲁瓦（FELUWA）的高压煤浆泵，从DCS查看煤浆流量曲线，煤浆管线3只流量计示数几乎没有波动；再查看高压煤浆泵的电流变化，烧嘴压差波动时高压煤浆泵电流也会同步小幅波动，由平时的操作经验可知，高压煤浆泵的电流与其出口压力成正比，故在高压煤浆泵出口压力小幅波动的情况下其电流波动是正常的。煤浆流量没有降低，表明高压煤浆泵自身运行状况是正常的。

2.3.2 煤浆流经烧嘴处受到干扰

水煤浆气化工艺烧嘴的结构形式为同心三流道管（见图3），烧嘴中心氧管出口和水煤浆出口管设计成缩口形式，这样水煤浆与中心氧形成了一个预混合腔，使进入预混合腔的水煤浆具备一定的速度；在预混合腔内，中心氧对水煤浆进行稀释和加速，从而改善水煤浆的流变性能，其目的是保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果；外氧管口的缩入量更大一些，目的是提供更高流速的氧气，使通过预混合腔的水煤浆混合物充分雾化，在气化炉内达到较高的气化效率。

图3 水煤浆气化工艺烧嘴剖面图

高压煤浆泵出口压力与入炉氧气流量的变化趋势见图4。可以看出：高压煤浆泵出口压力持续下降时，入炉氧气流量在不断增高；当高压煤浆泵出口压力突然升高时（升高约0.3MPa），入炉氧气流量降低约1000m3／h。

图4 煤浆泵出口压力与入炉氧气流量的变化趋势

那么反过来思考，主动降低氧气流量，高压煤浆泵出口压力会不会升高呢？实际操作经验表明，通过降低入炉氧气流量是可以控制高压煤浆泵出口压力的，即降低入炉氧气流量可以控制烧嘴压差的波动；换言之，氧气流量确实会对高压煤浆泵出口压力造成干扰。所以，关于烧嘴压差波动的问题，需考虑烧嘴设计是否满足工艺要求，或者烧嘴制造质量（尺寸）是否存在偏差。

2.4 氧气流速的变化

为满足生产所需，气化炉实际运行负荷为110%，煤浆量增大则氧气量必然同步增大，氧气入炉前压力实际为7.9MPa，而设计氧气入炉前压力为7.1MPa，较设计值高出0.8MPa，如此氧气在烧嘴头部的流速必然大于设计值。进一步对烧嘴结构进行认真分析，笔者认为：水煤浆烧嘴是介质性雾化烧嘴的一种，氧气有很高的流速，而水煤浆流速却比较低，当氧气流速超过一定值时，会造成烧嘴三流道物料配比不合适而形成文丘里效应［3］；水煤浆流道受到高速氧气的抽引作用，氧气流量增大，氧气在烧嘴环隙的流速也会增大（中心氧流量比例在15% ～18%范围内调整，对烧嘴压差影响并不明显），此时会对烧嘴处的煤浆流速产生干扰，如果进一步加大入炉氧气流量，则有可能在煤浆喷嘴口处形成相对微负压，负压慢慢积累，高压煤浆泵出口压力会被慢慢抽低，这也就能解释气化炉运行期间烧嘴压差为什么会持续下降了；如果这个时候不作调整，烧嘴压差将会持续降低，高压煤浆泵出口压力会不断下降，且煤浆管线压力表实际安装在煤浆管线横管段（最高处），约高出烧嘴头部2m左右，这也就能够解释为什么烧嘴压差会降为负值了。

3 应对措施

3.1 控制原料煤的灰分

通过长时间的分析与总结，技术人员普遍认为，原料煤中灰分的高低是烧嘴压差波动的主要原因之一，生产中须严格控制原料煤灰分在设计指标范围内（≤12%），做到及时分析（原料煤煤质）并反馈。如果所用原料煤灰分确实增高，超出指标，有条件的情况下可掺烧低灰分煤，按照一定比例混合掺烧［4］。

榆林能化针对原料煤（魏强煤）灰分超标的问题，开展了混合掺烧部分低灰分煤（银河煤和白鹭煤）的试验，银河煤和白鹭煤的煤质分析数据见表2。

将高灰分煤（魏强煤）与低灰分煤（银河煤、白鹭煤）按照不同的比例混合，在制浆添加剂投加量一定（添加比例为0.15%）的情况下，磨煤机制取出合格的水煤浆（水煤浆浓度≥61.5%），通过一段时间的掺烧试验（试验数据见表3）得知：不同的低灰分煤掺烧比例下，烧嘴压差的波动范围不同，且随着混合煤灰分的降低烧嘴压差波动范围逐渐变小；但混合煤灰分降低后，制得的水煤浆浓度和粘度也随之下降，水煤浆的稳定性变差，不利于气化炉的稳定运行。因此，建议混合煤灰分控制在9% ～11%更为合适；同时，为提高水煤浆的浓度，可将制浆添加剂的添加比例由0.15%提高至0.16%，如此制得的水煤浆的粘度可控制在750～950cP，不仅能够减小烧嘴压差的波动，还可以保证水煤浆的浓度及稳定性；另外，气化炉操作温度也不宜过高，控制在入炉煤灰熔点（FT）以上约50℃较为适宜。

表3 不同比例低灰分煤掺烧时的煤浆性能及烧嘴压差

3.2 调整烧嘴尺寸

设计院对烧嘴重新进行设计，据实际运行参数修改烧嘴尺寸，即扩大外环隙氧气流道，以降低氧气流速。工艺烧嘴改造后，气化炉运行期间氧气入炉前的压力由原来的7.9MPa降至7.2 MPa，氧气流量调节阀（FV007）开度由原来的60.5% （对应氧气流量42000m3／h）降至48%（对应氧气流量42000m3／h）就可满足工艺运行的需求，保证了氧气在烧嘴处不会对水煤浆造成干扰，继而达到降低烧嘴压差波动的目的。

3.3 调整氧气流量

既然氧气流速对煤浆造成了干扰，那么通过降低氧气流量来控制氧气流速，是可以达到稳定烧嘴压差的目的的。在烧嘴尺寸未作调整的时候，也可以通过工艺操作来稳定烧嘴压差。实际运行中观察到：A炉在烧嘴压差波动期间，氧煤比控制在475m3／m3（氧气流量41000m3／h）以上时，烧嘴压差波动范围较大，最低有可能为负值（-0.030MPa）；氧煤比控制在470m3／m3（氧气流量40500m3／h）左右时，烧嘴压差能控制在0.10MPa以上；氧煤比控制在465m3／m3（氧气流量40000m3／h）左右时，烧嘴压差能控制在0.15MPa以上；当烧嘴压差处于相对平衡状态时，若系统工况发生变化，会导致烧嘴压差反弹，急剧上升后继续下滑，如此时降低氧气量，平衡值会上移；同时，减少氧气量可以减小系统的热负荷，避免气化炉因过氧而酿成事故。

4 结束语

工艺烧嘴是水煤浆气化炉的核心部件，烧嘴运行状况的好坏直接影响着气化炉的长周期、稳定运行。通过对烧嘴压差波动原因的分析，榆林能化在生产中针对原料煤灰分、工艺烧嘴设计以及工艺操作方面采取了一系列的应对措施，以稳定工艺烧嘴压差、减轻烧嘴的磨损和烧蚀。实际运行情况表明，控制入炉煤灰分在9% ～11%、调整煤浆粘度在750～950cP、选择合适的操作温度、修改烧嘴尺寸、适当降低氧气流速等措施落实后，有效减少了烧嘴压差波动的频次，缩小了烧嘴压差波动的范围，保证了气化炉的平稳运行，提升了企业的经济效益。