三噴嘴干煤粉氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化改進(jìn)

湯霞槐，唐高榮，陳 超，米世海

(兗礦集團(tuán)貴州開陽化工有限公司 貴州貴陽 550300)

兗礦集團(tuán)貴州開陽化工有限公司(以下簡稱開陽化工公司)針對貴州當(dāng)?shù)亍叭呙骸?高灰分含量、高灰熔點(diǎn)、高硫含量)的特點(diǎn)，開發(fā)出以西南地區(qū)原煤為主要原料的干煤粉氣化技術(shù)，兼具干煤粉氣化技術(shù)與水煤漿氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，為“三高煤”的清潔高效利用提供了新的方向。開陽化工公司500 kt/a合成氨裝置配置2臺氣化爐，不設(shè)備爐，投煤量為1 200 t/d，操作壓力4.0 MPa，有效氣(C0+H2)產(chǎn)量70 000 m3/h(標(biāo)態(tài))；合成氣出口壓力3.8 MPa，出口溫度205～207 ℃，含塵質(zhì)量濃度0.5～0.8 mg/m3(標(biāo)態(tài))，水汽比為1；氣化爐比氧耗340 m3(標(biāo)態(tài))，比煤耗650 kg，冷煤氣效率80%，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98%。

作為國內(nèi)首套“三高煤”干煤粉氣化工業(yè)化裝置，氣化爐自投運(yùn)以來不可避免地出現(xiàn)了一些問題。圍繞氣化裝置在試車及后期運(yùn)行中出現(xiàn)的點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火成功率低、火檢信號不穩(wěn)定、內(nèi)外環(huán)氧調(diào)節(jié)困難等突出問題，開陽化工公司開展了點(diǎn)火燒嘴結(jié)構(gòu)研究，逐步完善了改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)大修機(jī)會逐步實(shí)施，解決了影響氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

1 點(diǎn)火成功率低的原因及其改進(jìn)

1.1 點(diǎn)火成功率低的原因

點(diǎn)火燒嘴的主要功能是提供氣化爐投料時所需熱量，將氣化爐從冷態(tài)運(yùn)行至熱態(tài)，在惰性氣氛、帶壓(0.3～0.6 MPa)條件下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。點(diǎn)火時采用液化石油氣(LPG)作燃料氣，投料運(yùn)行正常后改用變換系統(tǒng)返回的水煤氣。

開陽化工公司三噴嘴氣化爐點(diǎn)火燒嘴采用水夾套冷卻式結(jié)構(gòu)，燒嘴中心為燃料氣通道、火檢及火檢保護(hù)氮?dú)馔ǖ溃瑠A套間隙為氧氣通道(分內(nèi)、外環(huán))。點(diǎn)火電極位于燃料氣通道出口，內(nèi)、外環(huán)氧氣通道均設(shè)冷卻水保護(hù)。

點(diǎn)火燒嘴工作流程：點(diǎn)火前氣化爐置換合格(含氧體積分?jǐn)?shù)<0.5%)，氣化爐壓力控制在0.5～0.6 MPa，調(diào)節(jié)氧氣與燃料氣壓力、流量；啟動點(diǎn)火順控，火檢監(jiān)控觀察點(diǎn)火情況，點(diǎn)火成功后將燃料氣由點(diǎn)火管線切換至運(yùn)行管線，氣化爐進(jìn)行升溫升壓；逐漸提高燃料氣量至500～600 m3/h(標(biāo)態(tài))，氧氣量隨氧燃比串級調(diào)節(jié)；氣化爐壓力升至3.5 MPa時投料，投料成功后燃料氣量降至300～350 m3/h(標(biāo)態(tài))，點(diǎn)火燒嘴保持運(yùn)行(長明燈)。

點(diǎn)火燒嘴在前期運(yùn)行中點(diǎn)火成功率較低，經(jīng)分析，認(rèn)為其主要原因[1]：點(diǎn)火燒嘴所用點(diǎn)火槍采用拉弧放電方式，點(diǎn)火能量過低(約2 J)，難以在惰性環(huán)境下將LPG點(diǎn)燃；此外，氧氣與燃料氣通過內(nèi)環(huán)的2個Φ5 mm小孔進(jìn)行混合，混合效果較差，較難在點(diǎn)火槍放電時間內(nèi)形成混合氣體，導(dǎo)致點(diǎn)火困難。

1.2 優(yōu)化改進(jìn)[2]

針對上述問題，確定了改進(jìn)方案，經(jīng)模擬分析后聯(lián)系專業(yè)制造企業(yè)對點(diǎn)火燒嘴進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

(1) 改進(jìn)工藝介質(zhì)通道。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴共設(shè)4層通道，介質(zhì)分別為冷卻水、氧氣、燃料氣和氮?dú)?。氮?dú)馔ǖ牢恢眉爸睆讲蛔?，氧氣不再與冷卻水通道混為一體。氧氣通道與燃料氣通道在燒嘴內(nèi)部無法相通，兩者只有在噴出燒嘴端面后才能混合，即采用非預(yù)混燃燒，提高了安全性。

(2) 改進(jìn)冷卻水通道。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴只設(shè)1層水夾套，即外層冷卻水通道。夾套采用高效旋流結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)過特殊處理的耐高溫、抗氧化材料，提高了燒嘴端面的冷卻效果。冷卻水端面將點(diǎn)火槍尖完全包裹在燒嘴內(nèi)部，延長了點(diǎn)火槍尖的使用壽命。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)示意

(3) 提高點(diǎn)火槍尖穩(wěn)定性。點(diǎn)火槍尖安裝在燒嘴頭部，在裝進(jìn)點(diǎn)火燒嘴前即將槍尖與頭部收縮罩?jǐn)Q緊，通過打火試驗(yàn)判斷打火火光是否滿足要求。點(diǎn)火槍尖插入燒嘴后，只需判斷頭部是否已經(jīng)靠住錐口，無需再控制其間距。點(diǎn)火槍尖高壓包采用能夠釋放高能量的控制箱，確保有足夠能量將混合氣點(diǎn)燃。

(4) 將原點(diǎn)火槍改造為高能點(diǎn)火槍，放電能量由2 J提高至20 J。

(5) 將點(diǎn)火槍頭部結(jié)構(gòu)改為蓮花座式，利于燃料氣旋流后與內(nèi)環(huán)氧氣的充分混合，確保在點(diǎn)火燒嘴頭部形成有效的可燃性氣體。改進(jìn)前后點(diǎn)火燒嘴頭部實(shí)物對比如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后點(diǎn)火燒嘴頭部實(shí)物對比

(6) 為便于組對銜接，保持各介質(zhì)管口、法蘭與原燒嘴結(jié)構(gòu)一致。

1.3 改進(jìn)效果

先利用系統(tǒng)大修機(jī)會完成A#爐新型點(diǎn)火燒嘴的對接組裝，一次點(diǎn)火成功。通過與未改造的B#爐的交叉驗(yàn)證表明，A#爐點(diǎn)火燒嘴打火能量高，點(diǎn)火成功率較改造前有了較大的提高。在之后的運(yùn)行過程中，仍偶有點(diǎn)火困難現(xiàn)象，經(jīng)分析其主要原因是點(diǎn)火槍絕緣套管采用的聚四氟乙烯強(qiáng)度不足，在高溫環(huán)境下易變形折斷，造成點(diǎn)火槍短路而無法正常放電。為此，將聚四氟乙烯改為陶瓷，進(jìn)一步提高了點(diǎn)火成功率并延長燒嘴使用壽命。但在正常更換燒嘴時，發(fā)現(xiàn)陶瓷管出現(xiàn)破損、斷裂現(xiàn)象，原因是燒嘴裝配時蓮花座與外水夾套須緊密接觸才能有效放電，該接觸形式導(dǎo)致蓮花座受熱膨脹后，陶瓷管受力而發(fā)生破損斷裂。根據(jù)分析結(jié)果，在陶瓷管座卡槽內(nèi)增設(shè)彈簧，使蓮花頭與燒嘴外環(huán)形成柔性接觸，解決了此種硬性損傷。經(jīng)過上述逐步優(yōu)化改進(jìn)后，在運(yùn)行過程中再未發(fā)現(xiàn)問題，點(diǎn)火槍的優(yōu)化改進(jìn)取得了極好的效果，大大提高了點(diǎn)火成功率并延長了燒嘴的使用壽命。

2 火檢信號不穩(wěn)定及其改進(jìn)[3]

在前期運(yùn)行過程中，燒嘴火檢信號出現(xiàn)過丟失、無法檢測現(xiàn)象，嚴(yán)重時觸發(fā)點(diǎn)火燒嘴跳車。經(jīng)分析，其主要原因是長明燈火檢通道直徑較小且距離較長，安裝過程中易發(fā)生彎曲而阻擋火焰光線，使火焰檢測器較難捕捉到穩(wěn)定的光信號，導(dǎo)致火焰檢測器信號經(jīng)常丟失。針對該情況，投用三合一視頻火檢，在光譜檢測的基礎(chǔ)上增加了溫度與視頻監(jiān)控，燒嘴燃燒狀況可通過視頻直接監(jiān)控。改進(jìn)后，在通過視頻監(jiān)控到點(diǎn)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，徹底避免了因火檢信號丟失引起的跳車問題，大大縮短了系統(tǒng)開車時間。

3 內(nèi)、外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)困難及其改進(jìn)

初始設(shè)計時，點(diǎn)火燒嘴氧氣流量采用內(nèi)、外環(huán)分別控制，內(nèi)環(huán)氧氣主要用于點(diǎn)火，外環(huán)氧氣用于正常運(yùn)行，內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比為1∶2。在后期運(yùn)行過程中，因外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度不高，無法保證內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比達(dá)標(biāo)，氧氣絕大部分流向外環(huán)，內(nèi)環(huán)氧氣量明顯不足，造成點(diǎn)火困難。如滿足點(diǎn)火要求，則外環(huán)流量調(diào)節(jié)閥須保持很小開度，但氣化爐內(nèi)可燃性氣體易竄入氧氣管線，存在重大安全隱患。

經(jīng)論證分析，認(rèn)為投用內(nèi)環(huán)氧氣即可滿足投料所需的氧氣量，故對長明燈氧氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取消其外環(huán)氧氣，并將外環(huán)流通介質(zhì)改為氮?dú)?。改進(jìn)后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程

改進(jìn)后，點(diǎn)火燒嘴氧氣調(diào)節(jié)控制流程得到簡化，實(shí)現(xiàn)了氧燃比流量串級控制，提高了自動化程度，消除了外環(huán)氧存在的安全隱患。

4 點(diǎn)火槍電導(dǎo)線易腐蝕斷線及其改進(jìn)

點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火槍電導(dǎo)線原采用銅絲外包絕緣皮，正常運(yùn)行時采用含H2S體積分?jǐn)?shù)在1%～2%的水煤氣作為燃料氣，使電導(dǎo)線長期處于高硫腐蝕環(huán)境中而容易斷線，無法形成放電回路。每次出現(xiàn)該情況后，需對氣化爐系統(tǒng)進(jìn)行置換、隔離，然后拔出長明燈，對點(diǎn)火槍重新接線并回裝，待氣化爐氣密試驗(yàn)合格后才能重新點(diǎn)火，開車時間因此延長16～20 h。

針對上述問題，決定對點(diǎn)火槍電導(dǎo)線材質(zhì)及接線方式進(jìn)行改進(jìn)，即采用304鋼絲外包高效絕緣皮，電導(dǎo)線端部與銅質(zhì)壓線鼻子連接后用螺釘固定于點(diǎn)火槍頭部。點(diǎn)火槍電導(dǎo)線改進(jìn)后，大大提高了其耐腐蝕性，再未出現(xiàn)因電導(dǎo)線斷線而無法放電點(diǎn)火的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

3年多的運(yùn)行實(shí)踐表明，對2臺氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化改進(jìn)是成功的： 通過對點(diǎn)火燒嘴流道的模擬分析，對其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，解決了點(diǎn)火成功率低及燒嘴壽命短的問題；通過對點(diǎn)火槍的改進(jìn)，解決了其使用壽命短的問題；通過改進(jìn)火焰監(jiān)測器型號及監(jiān)測方式，解決了火檢信號不穩(wěn)定易觸發(fā)跳車的問題；通過改進(jìn)內(nèi)、外環(huán)氧控制流程，解決了氧量調(diào)節(jié)困難的問題，消除了安全隱患。與改造前相比，杜絕了非計劃停車，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

開陽化工公司三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國內(nèi)首套工業(yè)化運(yùn)行裝置，通過采取“改進(jìn)1臺、驗(yàn)證1臺”的穩(wěn)妥方案，利用系統(tǒng)大修機(jī)會先后完成2臺氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化改進(jìn)并取得了良好的效果，為合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功應(yīng)用以及對關(guān)鍵設(shè)備的后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)升級，為貴州、山西、內(nèi)蒙古等地的劣質(zhì)煤就地轉(zhuǎn)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。