科林三噴嘴干煤粉氣化裝置優化改進與應用實踐

唐高榮

(兗礦集團貴州開陽化工有限公司 貴州開陽 550300)

兗礦集團貴州開陽化工有限公司(以下簡稱兗礦開陽化工公司)針對貴州當地三高煤(高灰、高灰熔點、高硫)的特點，依靠兗礦集團技術支持，與德國科林公司、華東理工大學合作，開發出了國內首套以西南地區三高煤為主要原料的干煤粉氣化技術。該氣化技術主要包括三噴嘴頂置下噴式干煤粉加壓氣流床氣化、盤管式水冷壁換熱、水浴激冷，為三高煤的清潔高效利用探索了新的技術路線。兗礦開陽化工公司500 kt/a合成氨裝置中設置2臺氣化爐，采用2開不備的運行方式。正常運行時，2臺氣化爐采用75%的設計負荷運行，單爐投煤量為1 100 t/d，氣化爐操作壓力為4.0 MPa，有效氣(C0+H2)產量為70 000 m3/h；氣化爐出口粗合成氣壓力3.8 MPa，溫度205～207 ℃，含塵質量濃度0.5～0.8 mg/m3，水氣比為1；1 000 m3(標態)有效氣(CO+H2)氧耗和煤耗分別為340 m3和650 kg，冷煤氣效率為80%，碳轉化率為98%。

作為國內首套三高煤干煤粉氣化工業化裝置，氣化爐自投運以來，不可避免地出現了一些問題，制約了氣化裝置的長周期穩定運行。圍繞氣化裝置在試車及后期運行中出現的問題，兗礦開陽化工公司通過技術攻關，取得了明顯成效。尤其是針對點火燒嘴火檢信號不穩定、氣化爐燒嘴座環隙超溫、氣化爐水冷壁抓釘燒蝕導致熱通量波動、煤粉輸送管線及氣化黑水管線磨損沖刷嚴重、沉降槽漂珠進入系統而加劇泵的磨損等突出問題，兗礦開陽化工公司成立了氣化技術攻關團隊，針對相關問題進行優化研究，逐步完善了改進方案，并在此基礎上先后對2套氣化爐系統進行了優化改造，解決了上述影響氣化裝置長周期穩定運行的問題。

1 點火燒嘴火檢信號的優化改進

1.1 存在的問題

在前期運行過程中，點火燒嘴的火焰檢測信號經常出現丟失而無法檢測的情況，從而引起點火燒嘴跳車。經分析，出現此種情況的主要原因為長明燈火檢通道直徑較小且長度較長，在安裝過程中易出現彎曲，在一定程度上阻擋了燒嘴火焰光線，致使長明燈火焰檢測器較難捕捉到穩定的光信號，從而造成火焰檢測器信號經常丟失。

1.2 優化改進

針對存在的問題，與有關專業研究機構合作，投用了三合一視頻火檢，在光譜檢測的基礎上增加了視頻火檢，從而形成復合火檢，對爐膛內的燒嘴燃燒情況可通過視頻直接監控。經上述改進后，在通過視頻監控到點火燒嘴正常燃燒的情況下，可直接將長明燈火焰檢測信號切除，從而徹底避免了因為火檢信號丟失引起的跳車，而且火焰可視、信號穩定。

2 氣化爐燒嘴座環隙密封形式的優化改進

2.1 存在的問題

三噴嘴干煤粉氣化爐水冷壁由燒嘴座盤管、筒體水冷壁盤管、渣口水冷壁盤管組成。燃燒室筒體分為2個部分，外部為氣化爐殼體，內部為水冷壁盤管，外徑Φ3 000 mm，內徑Φ2 500 mm。燒嘴座內徑Φ1 600 mm，通過法蘭與氣化爐爐體連接，連接后采用Ω環焊接密封。

氣化爐自投運以來，多次出現夾層頂部超溫現象，判斷主要是由燒嘴座環隙竄氣引起。筒體水冷壁上口與燒嘴座間的環向密封間隙原先為26 mm，采用耐火纖維氈填充及高壓氮氣進行密封。2015年8月入爐檢查，發現環隙局部因超溫已嚴重變形，筒體水冷壁局部燒穿。結構變形導致該處密封效果難以保證，竄氣造成燒嘴座與水冷壁之間的氣化反應流場不穩定，極易形成“小流場”，進一步導致環隙超溫。

2.2 優化改進

結合上述分析，通過流場模擬分析，對氣化爐燒嘴座環隙密封形式制定改進方案，利用系統大修機會實施，具體改進方案如下。

(1)增設新型環隙隔板

去除燒嘴座與氣化爐外壁之間的龜甲網和澆注料，增設燒嘴座環板與隔板，并用新型耐火纖維氈和科學的裝填方法填充水冷壁與爐壁間的間隙形成密封函，有效避免了合成氣的回竄。

(2)改進密封氣系統

經模擬分析，對氣化爐燒嘴座的保護氮氣流量計重新進行選型，將氮氣流量計孔板直徑改為Φ13.94 mm，限流孔板孔徑改為Φ4.00 mm，流量計量程調整為0～100 m3/h，并調整進入氣化爐夾層保護氮氣的流量。

3 氣化爐水冷壁盤管抓釘的優化

氣化爐水冷壁抓釘是爐壁附著SiC耐火材料和掛渣的主體元件，材質為310S。抓釘焊接在水冷壁盤管上，盤管內通冷卻水，通過掛渣及SiC耐火料覆蓋在水冷壁盤管上對其進行保護，使水冷壁免遭爐內高溫及氣流等沖刷而燒蝕盤管。

3.1 存在的問題

2015年3月入爐檢查，發現氣化爐燒嘴座水冷壁、筒體水冷壁中上部等部位的抓釘磨損嚴重，抓釘長度由15 mm被磨損至2～3 mm，局部部位甚至不足1 mm。經分析，其原因為煤質不穩定，水冷壁抓釘燒蝕較為嚴重；水冷壁制造時抓釘焊接質量較差，容易脫落。該部位由于掛渣效果不好，較大面積的掛渣及SiC耐火材料脫落，釘頭露出，也反映出氣化爐在運行過程中所屬水冷壁熱通量較高且頻繁波動(熱通量在5.0～5.9 MW，正常熱通量在4.0～4.5 MW)。

3.2 優化改進

針對以上情況，在加強煤炭管理的基礎上，需要從源頭上對抓釘的抗沖刷腐蝕能力進行重新分析并研究改進的渠道。結合環隙優化改進的成效，對抓釘尺寸及焊接工藝進行重新研究后，確認原設計抓釘尺寸已不符合爐內反應的實際情況。

為此，利用系統大修機會，采用新型抓釘及新的焊接工藝重新進行環向布置，對抓釘和水冷壁保護層進行改進優化，以解決水冷壁盤管抓釘燒蝕沖刷及掛渣困難、水冷壁熱通量高等技術難題。

4 黑灰水管線、煤粉輸送管道的優化措施

4.1 存在的問題

煤粉制備磨機出口彎頭、煤粉鎖斗放空管線同心異徑管、黑灰水管線采用普通碳鋼材料，耐磨蝕性能較差，在氣化裝置運行一段時間后，由于管道內介質的沖刷磨損，管道、管件頻繁磨損泄漏，被迫帶壓堵漏，不僅費用高昂，而且可能導致氣化爐停車，管道泄漏也使清潔管理難度增大。

4.2 優化措施

針對上述情況，經交流考察及實測論證，與專業廠家合作開發出新型稀土合金耐磨材料，通過在易磨損(穿)部位采用稀土合金耐磨材料并在耐磨材料管件內部內襯陶瓷片等優化措施，增強了管道的耐磨蝕性能，相關管線使用壽命大幅提高，降低了運行維護費用。

5 漂珠對氣化灰水的影響及分離改造

漂珠是粉煤灰珠狀顆粒的一種，是薄壁的空心玻璃珠，因能漂浮在水上而得名。漂珠的形成主要是煤粒進入燃燒室時，在急速短暫的高溫作用下，發生脫水、排氣、氧化、燃燒、相變等多種物理化學反應，在加熱和冷卻的復雜過程中，使部分熔渣中空膨脹而形成，其形成主要受煤種、煤質、燃燒溫度、燃燒方式等多種因素影響。質輕、粒徑小、硬度高是漂珠的特點，其主要成分為SiO2(質量分數53.75%)、Al2O3(質量分數31.60%)。

5.1 漂珠對氣化灰水的影響

(1)對灰水輸送設施的磨損較大，特別是對高溫熱水泵口環、葉輪、平衡盤和平衡鼓的磨損較為嚴重。

(2)影響磁翻板液位計、遠傳液位計的準確測量。

(3)影響灰水水質(懸浮物)。

5.2 優化改進措施

(1)排查煤種，停用產生漂珠較多的煤種。

(2)利用漂珠不溶于水、密度小的特點，對沉降槽進行了改造：①在沉降槽溢流口增設一圈擋板，使大部分漂珠與灰水分離并通過引流管引出沉降槽，引出的漂珠經過濾收集后存放，濾液循環返回系統；②在沉降槽頂部灰水出口兩側各設1套漂珠擋板，富含漂珠的灰水通過閥門控制引出系統，漂珠經過濾收集后存放，濾液循環返回系統。

改造后，超過90%的漂珠被分離出系統，大大降低了渣水系統各轉動設備的維修率。

6 結語

2016年1月和2017年2月，利用系統大修機會對2臺氣化爐實施了燒嘴座環隙密封型式、水冷壁盤管抓釘優化布置的改進，并在優化改進后利用短停機會進爐檢查，未出現抓釘燒蝕損壞情況，水冷壁掛渣效果良好，運行中亦未出現掛渣困難、水冷壁熱通量高等問題(表1)。通過對黑灰水管線、制粉及輸送管線有關管件改用新型稀土合金耐磨材料，解決了管線極易磨損泄漏的問題，延長了其使用壽命；通過對沉降槽增設漂珠分離裝置，大大降低了渣水系統各轉動設備的維修率。優化改造措施實施后，杜絕了非計劃停車，提高了氣化裝置的長周期穩定運行水平，實現了氣化爐的經濟運行。

表1 氣化爐優化改進前后工藝運行參數對比

項目水冷壁熱通量/MW灰渣可燃物質量分數/%粗渣細渣φ(CO+H2)/%水冷壁掛渣情況A#改進前4.5～6.03～545～4884.0～87.0掛渣厚薄不均,局部抓釘裸露被沖刷爐改進后4.2～5.0<338～4286.7～88.8掛渣均勻,掛渣效果良好B#改進前4.5～5.83～545～4885.0～87.0掛渣厚薄不均,局部抓釘裸露沖刷嚴重爐改進前3.8～4.5<338～4087.5～88.7掛渣均勻,掛渣效果良好

兗礦開陽化工公司科林三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國內首套工業化運行裝置，通過采取“改進1臺、驗證1臺”的方案，利用系統大修機會先后完成了2臺氣化爐的優化改進并在生產實踐中取得了良好的效果，為合成氨裝置的穩定運行提供了技術保障。三噴嘴干煤粉氣化技術的成功運用以及對關鍵設備的后續優化改進升級，將為貴州、山西、內蒙古等地的劣質煤就地轉化提供了強有力的技術支持。