GE水煤漿氣化爐燒嘴壓差低的分析與優化

宋九成

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

中海石油華鶴煤化有限公司氣化裝置采用德士古水煤漿加壓氣化技術，氣化壓力6.5MPa(G)，四級閃蒸流程，設計三臺氣化爐，兩開一備。自2016年以來，公司三臺氣化爐經常出現由于燒嘴壓差低而引起的停車，對于公司長周期穩定生產帶來嚴重的影響。

1 工藝燒嘴簡介

德士古水煤漿氣化爐工藝燒嘴一般為三流道結構，氧氣走中心管和外層環隙，煤漿走中間環隙，燒嘴頭部設有冷卻水盤管和夾套。煤漿從燒嘴噴出后，受氧氣剪切力的作用，而被迅速霧化，在爐內充分燃燒。氣化爐燒嘴壓差是指高壓煤漿泵出口入燒嘴前煤漿壓力和氣化爐爐膛壓力的差值，它代表了煤漿入爐的動能，可以反映出燒嘴磨損量及霧化效果。

2 燒嘴壓差低的現象和影響

（1）入爐氧氣流量增加，爐膛溫升較大。氣化爐正常滿負荷生產時，燒嘴壓差一般穩定在450kPa。當燒嘴壓差明顯降低時，煤漿入爐動能減小，氧氣流量瞬間增大，爐膛溫度同時急速上漲；當壓差降至100kPa以下時，氧氣流量增加400Nm3/h，爐溫升高80℃；氣化爐爐膛由正常的1330℃急速升高至1400℃，導致爐壁上的掛渣迅速熔化，相當于短時間內加大了進入激冷室的渣量，從而使渣口、下降管或激冷室底部極易發生堵塞情況，而且加劇了對耐火磚的磨損。

（2）高壓煤漿泵電流下降，出口三處壓力顯示降低。高壓煤漿泵做功減少，出口壓力同時降低，煤漿出口流速下降，導致火焰離燒嘴和拱頂磚過近，造成爐頭溫度過高，對燒嘴周圍的耐火磚直接沖刷灼燒，甚至損壞拱頂轉，嚴重縮短了耐火磚的使用壽命。

（3）霧化效果差，合成氣組分波動。煤漿出燒嘴的速度降低時，外環氧不足以形成合適的霧化角度，燒嘴霧化效果差，煤漿顆粒燃燒不完全，使有效氣成分降低。合成氣中甲烷成分從1000ppm可以漲到3000ppm，一氧化碳、氫氣、二氧化碳含量也隨之變化，影響下游合成工段穩定。

（4）持續時間長，下降范圍大。氣化爐單爐滿負荷37m3/h運行時，燒嘴壓差一般穩定在450kPa，上下波動在30kPa以內。但隨著燒嘴使用周期延長，燒嘴壓差呈現偏低趨勢，且波動越來越明顯。以A#爐為例，在兩個月內，統計降低至200kPa以下的情況就達到了20次；有時雖然工藝人員竭盡全力挽救，但在1個小時的特護運行期間，壓差一直在200kPa以下波動，此時燒嘴火焰長期不穩，容易造成燒嘴回火，存在極大的安全隱患，最后只能被迫停車處理，見圖1。

圖1 燒嘴壓差變化趨勢

3 原因分析

（1）燒嘴問題的排除。在開始出現燒嘴壓差低而停車的情況時，由于缺少此類經驗，設備方面重點對燒嘴環隙、尺寸、磨損情況等進行了全面檢查，未發現明顯異常。工藝上大膽嘗試，重新安裝此燒嘴進行投料后，運行情況良好，證明了燒嘴質量問題并不是直接因素。

（2）高壓煤漿泵問題的排除。高壓煤漿泵驅動系統故障、傳遞給隔膜的有效功率下降，進出口單向閥卡住、關閉不嚴或者沒有開到位，均會對燒嘴壓差造成影響。在多次燒嘴壓差下降幅度較大的時候，工藝人員嘗試用木槌敲擊進出口單向閥，效果不是很明顯；同時檢查煤漿泵運行情況，包括出入口蓄能器、聲學探頭數值、軟管故障報警等均無異常；在停車檢查高壓煤漿泵閥球與閥座時，雜物堵塞較少，驅動系統正常工作，因此判斷設備本身不是引發出口壓力大幅度下降的要因。

（3）入口管線煤漿沉積的分析。當高壓煤漿泵的進口被堵塞、無物料或流速減小時，燒嘴壓差會迅速下降。在燒嘴壓差波動時，操作人員用鐵錘連續敲擊煤漿槽至泵入口管線，尤其是煤漿容易沉積的平直管線，能夠起到一定的效果。同時打開入口導淋排漿，發現煤漿流動性極差，因此判斷入口管線煤漿沉積是直接影響因素。

（4）對于煤漿槽內部及攪拌器的思考。煤漿槽的基本情況如下：容積402m3,總高度11.7m、寬6.8m,其中最上層漿葉高度5.8m、直徑2.4m，下層漿葉高度2m、直徑2.9m，每層槳葉有3個葉片，內壁上每120度均布了三個擋板；在煤漿槽50%至更高的液位時，從頂部人孔查看內部混合情況，發現擾動攪拌效果并不明顯；在對燒嘴壓差波動頻率較大的A爐對應的煤漿槽清洗檢查時發現，煤漿槽內壁和底部形成的結垢層較多，由于液位和溫度的變化，極易流動到煤漿泵入口造成進一步堵塞惡化的趨勢。

（5）確定煤漿質量問題為核心因素。鶴崗本地煤炭資源豐富，三臺氣化爐投料后，主要使用質量較好的龍煤。但受市場價格影響，從2016年開始，氣化用煤主要來自金澤、隆鑫、鑫宏達等地方小礦。這些煤的共同特點就是高灰分、高灰熔點、成漿性差，因燒嘴壓差低而停車的問題自此開始凸顯。因此，如何保證在現有煤質的基礎上提高煤漿質量，成為了解決燒嘴壓差問題的關鍵。

4 工藝改進和優化

對于煤氣化行業來講，煤質是核心，燒嘴是關鍵。成漿性不好的煤種，析水率高，容易在設備和管線內沉積；煤漿的粘度大、粒度分布不合理，會加劇對燒嘴的磨損；因此，為徹底解決燒嘴壓差的困擾，維護氣化系統安穩運行，優化操作和嚴控煤漿質量成為了當務之急。

（1）嚴控煤質，優化原料煤采購，滿足氣化用煤的設計要求。對每批次煤種做好工業分析、成漿性試驗，根據煤種不同制定優化操作指南，包含最佳煤漿濃度、運動粘度、粒度分布、添加劑和石灰石添加比例、低壓煤漿泵電流、磨煤機鋼棒配比等。

（2）煤漿參數的調整（表1）。為了提高有效氣產率和粗煤氣產量，煤漿濃度曾經達到了66.5%，處于行業領先水平，但刻意追求產量的同時卻忽視了煤漿的穩定性。經過長期的實踐證明，高濃度的水煤漿不易于保持穩定，且極易發生沉積現象，導致燒嘴壓差的頻繁波動。

經過一段時間的嘗試和摸索，從濃度、粘度、粒度分布三個方面入手，優化制漿參數，效果顯著。一是把煤漿濃度控制到65%、能夠保證燒嘴壓差穩定和效益的最大化；二是添加劑比例加大到4.5‰，粘度控制在0.28～0.38Pa·s，改善煤漿的流動性；三是嚴格控制磨煤機的鋼棒添加，保證每周定期停機挑揀和添加鋼棒，使煤漿的粒度分布更加合理，保證煤漿的穩定性。

表1 煤漿參數的優化

（3）消除煤漿內出現雜質的隱患。由于磨煤機篩網為長方形條形濾網，原料煤種夾帶的鐵絲等異物，在磨煤機鋼棒研磨下，變成截面為長方形的鐵片，通過磨煤機篩網進入煤漿槽與管線，將會產生高壓煤漿泵止回閥被異物卡澀、燒嘴環隙堵塞等風險。通過對濾網內壁加裝磁鐵，每周都能清理出大量螺母、鐵絲、鐵釘等雜物。下一步計劃變更磨煤機滾筒篩濾網，采購濾孔為圓形的濾網，徹底消除此隱患。

（4）防止煤漿沉積的措施。在高壓煤漿泵入口管線水平段和斜坡段各增加一個振打器，每2個小時開啟振打2分鐘，預防管線內部煤漿沉積；對煤漿槽底部導淋進行改造，增加一條排漿至地溝的管線，設置雙道便于開關的手閥，定期將煤漿槽底部攪拌不均勻的煤漿排出，減小設備內部沉積和形成垢片的幾率；計劃與設計院溝通，希望在管道布置、管道尺寸上進行重新設計，達到減小入口管線平直管的長度和增加入口流速的目的。

（5）對于煤漿槽和攪拌器的優化。氣化爐正常負荷時,煤漿槽內的煤漿全部置換需要至少10個小時。為了改善煤漿槽內部的混合情況，規定煤漿槽液位控制在70%，以減小煤漿停留時間。另外下一步計劃對攪拌器進行重點改造，增加一層槳葉，增大葉片直徑，提高攪拌效果。

5 結語

從2016年開始，燒嘴壓差低一直是困擾氣化裝置長周期運行的最大難題，在2017年度，因燒嘴壓差低而停車的次數就達到了12次。經過近兩年的優化和實踐，雖然仍未徹底解決此難題，但是煤漿質量得到了有效控制，大大減小了燒嘴壓差問題發生的幾率，為煤氣化裝置的安穩運行積累了寶貴經驗。