德士古氣化爐燒嘴長周期運行的方法

韋新芳，陳衛(wèi)崗(伊泰化工有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017400)

1 德士古氣化爐燒嘴簡介

德士古氣化爐是用在水煤漿加壓氣化技術的氣化爐種類之一，而氣化爐是煤氣化裝置最核心的設備，工藝燒嘴是決定氣化爐長周期運行的重要條件之一。

德士古氣化爐燒嘴安裝在氣化爐頂部，是水煤漿、氧氣進入氣化爐的入口點。其主要作用是將進入氣化爐的水煤漿和氧氣混合、霧化，結構為預混式三流道設計，中心管走中心氧氣，內環(huán)隙走水煤漿，外環(huán)隙走環(huán)隙氧氣，燒嘴頭部有冷卻水夾套及冷卻水盤管，運行時通冷卻水以保護燒嘴不被燒壞。

2 德士古氣化爐燒嘴運行現狀

氣化爐燒嘴是決定氣化爐長周期運行的重要條件，常見的損壞形式有燒嘴冷卻水盤管燒嘴和燒嘴噴頭磨損，只要出現其中一條，就需要停爐更換燒嘴。

預混式燒嘴原理是使用中心氧對煤漿進行加速、混合和霧化，環(huán)氧對霧化的水煤漿進行氧化。裝置生產運行時，水煤漿中固體顆粒高，再加之高速的流動，預混腔內煤漿噴頭磨損嚴重，磨損一定程度后，水煤漿霧化效果差，影響工況，工藝難操作，如出現偏磨，燒嘴偏噴會使氣化爐局部溫度高，影響爐磚使用壽命。

燒嘴冷卻水盤管泄漏。德士古燒嘴安裝在氣化爐頂部，部分插入氣化爐燃燒室中，承受約1 350 ℃的高溫環(huán)境。冷卻水盤管與燒嘴外噴頭接口為角焊縫，厚度差異大，主要受熱應力影響，焊縫處容易產生裂紋，甚至泄漏。燒嘴的冷卻水系統(tǒng)用于保護燒嘴不被燒壞，如燒嘴冷卻水盤管出現燒穿現象，一方面，大大降低了冷卻水對燒嘴的保護作用；另一方面，合成氣系統(tǒng)(高壓高溫)會進入燒嘴冷卻水系統(tǒng)(低壓低溫)，損壞燒嘴及其冷卻水系統(tǒng)，氣化爐聯(lián)鎖跳車。

德士古氣化爐預混式燒嘴在滿負荷工況下，由以上兩種原因，一般使用壽命在60 d 左右，很難超過90 d。

3 德士古氣化爐燒嘴延長壽命的措施

3.1 燒嘴冷水盤管增加防護措施

針對燒嘴冷卻水盤管容易燒穿處增加保護措施。冷卻水盤管材質為INCONEL625，燒嘴冷卻水夾套與燒嘴頭部連接處容易燒穿，在原有設計基礎上，在連接處安裝一層耐火網，在下方再焊接安裝一段保護套，對該薄弱點雙重保護，避免熱輻射直接作用到冷卻水盤管與燒嘴焊接連接段[1]。

3.2 燒嘴煤漿噴頭材質改進

燒嘴磨損后，特別是煤漿噴頭磨損后燒嘴壓差會變小，這會影響煤漿霧化效果，碳轉化率也會降低。德士古氣化爐燒嘴一般設計材質是與氧氣接觸的部分是INCONEL625 材料，煤漿噴頭材質是UMCo50。為減緩煤漿噴頭磨損，選用高硬度和耐磨性的材料制作煤漿噴頭，改成復合陶瓷材質。復合陶瓷具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。

改進材質后，燒嘴運行時間明顯增加。實踐證明，硬質合金材質的煤漿噴頭有更好的耐磨性，這為德士古氣化爐長周期運行創(chuàng)造了條件。

3.3 工藝燒嘴設計參數與操作參數相匹配控制

在工藝燒嘴的規(guī)格不改變的情況下，操作人員的操作思維、工藝操作條件和氣化爐運行狀態(tài)促使燒嘴所工作環(huán)境變化也是決定氣化爐燒嘴能否長周期穩(wěn)定運行的關鍵因素。

3.3.1 燒嘴冷卻水系統(tǒng)：溫度、流量、水質的控制

燒嘴冷卻水系統(tǒng)使燒嘴在1 350 ℃的環(huán)境中具有存在的價值。燒嘴冷卻水流量的大小及溫度的高低決定了燒嘴能否承受1 350 ℃的環(huán)境對自身結構的保護并降低熱蝕。本裝置燒嘴冷卻水流量控制在34 m3/h，進口溫度控制在34 ℃，出口溫度也在37 ℃左右，在此條件下徹底的降低了燒嘴所承受熱蝕的傷害。水質控制方面，因本燒嘴盤管與夾套的設計曲度因素及水質的結垢性原因，采用高質量的除鹽水，不易結垢，硅及二氧化硅含量＜0.02 mg/L，堿含量＜0.02 mg/L，電導＜0.2，pH 值為6～8。

3.3.2 中心氧氣與環(huán)隙氧氣的比例霧化及火焰長度的控制

氧氣作為氣化原料的助燃物質，為了讓煤漿充分燃燒且便于控制將其流道分為中心氧和環(huán)隙氧，其作用不近相同，都有助燃和流化作用。但對于實質操作而言，環(huán)隙氧因高速氣流帶動煤漿使其分散燃燒，在宏觀控制工況方面效果極為顯著，也是整個氣化操作反應的重心。而中心氧提供煤漿霧化，決定著燒嘴霧化的好壞，在微觀調控組分，返混量起必不可少的作用，在總氧流量不變的前提下，加大中心氧流量則環(huán)隙氧氣進入氣化爐內時氧氣分散寬度降低，火焰增長，返混量增加，整體氣化爐爐溫溫區(qū)下移，不利于燒嘴頭部積灰，保護燒嘴，但有利于氣化爐熔渣。再者氧氣流量的大小也決定了氧氣入爐時氧氣分散寬和高低以及氣化爐溫區(qū)的高低，火焰的長短及霧化效果的好壞，直接關系到燒嘴運行中返混氣灰渣對其保護作用的大小和煤漿流向角度對燒嘴的毀壞作用大小。火焰長短調整主要用于控制霧化效果，調整渣口壓差及合成氣組分的控制[2]。

本裝置正常運行時控制氧煤比在460～490 之間，中心氧流量與總氧比在16%～19%之間，大多數情況將中心氧流量控制在17%～18.5%左右，因此環(huán)境中氣化爐返混量最低(氣化爐爐頭法蘭及燒嘴法蘭溫度最低分別在106 ℃和90 ℃左右)，燒嘴頭部容易形成一層灰渣保護層，有利于保護燒嘴。

3.3.3 煤漿泵出口流量及運行穩(wěn)定性控制

本裝置采用德國菲魯瓦三缸雙隔膜高壓料將泵，最大設計量為70 m3/h，確保氣化爐所需流量65 m3/h 煤漿流量的控制。操作時嚴格控制煤漿泵入口壓力及雜物的控制，保證進出口管線暢通是燒嘴長周期運行的重要環(huán)節(jié)。當煤漿流量不穩(wěn)定時，采用活動煤漿泵流量及其他措施將其運行平衡狀態(tài)打破疏通管線確保其管線暢通達到流量平穩(wěn)，煤漿流量波動將導致系統(tǒng)氧煤比波動，最終導致爐溫變化，影響系統(tǒng)返混量及溫度對燒嘴的燒蝕及磨蝕。因此控制煤漿流量穩(wěn)定是保證燒嘴長周期運行的另一種保護措施。

3.3.4 燒嘴壓差控制

燒嘴壓差可以間接性能體現出燒嘴霧化效果的好壞，渣口壓差最基本的體現在氣化爐操作爐溫及煤質灰熔點的表現。當灰熔點高，氣化爐溫度低則渣口易積渣。當渣口壓差增高時必采取升溫熔渣，此時提高中心氧及環(huán)氧量，導致系統(tǒng)返混量及爐溫增加，燒嘴保護灰渣層破壞而損壞燒嘴，因此當煤質變化時及時做煤質分析，確保氣化爐操作在渣流動溫度的±50 ℃之間。

3.3.5 煤質及煤漿性能指標的控制

煤質的灰熔點決定了氣化爐操作溫度，也決定了燒嘴所處的環(huán)境溫度的高低，灰熔點高，燒嘴所處環(huán)境溫度高。煤質的可磨指數越低將導致煤不易粉碎，煤漿的粒度大，降低與水接觸的比表面積促使煤漿不易成漿，顆粒物越大成漿性越差，管線磨損速率增大，燒嘴易磨損，成漿性差將可能導致系統(tǒng)操作過氧，氣化爐溫高，燒嘴熱蝕加劇。縮短使用壽命，因此本裝置采用可磨指數高75 左右，灰熔點在1 250 ℃左右，水分小于14%的空干煤，熱值23 022 kJ 左右的煤質，控制煤漿濃度在59%。粒度分布控制＜14 目(1.43 mm)100 wt%；＜40 目(0.45 mm)90 wt%～98 wt%；＜120 目(0.125 mm)50 wt%～70 wt%；＜200 目(0.076 mm)40 wt%～50 wt%；＜320 目(0.044 mm)25 wt%～40 wt%范圍之間[3]。

3.3.6 工藝操作控制

燒嘴運行周期的長短，最主要的因素在于人與物和諧運作。在燒嘴質量技術改良后，人為操作及管理因素成為了燒嘴運行周期長短的主要控制源。影響燒嘴長周期運行的工藝管控主要有燒嘴運行負荷，過高或過低均會導致燒嘴運行周期縮短，操作負荷低，則系統(tǒng)燒嘴霧化效果差，氧氣分布寬度小，返混量大，氣化爐反應溫區(qū)上移，不利于燒嘴運行，負荷過高則燒嘴的煤漿通道磨損較大；因此按照燒嘴設計量控制方能滿足燒嘴長周期運行的第一條件。氣化爐爐溫控制方面，因注重組分的同時考慮氣化爐渣口壓差及渣樣變化，控制爐溫在規(guī)定范圍內，其次氣化爐導壓管線高壓氮氣通入量也能對燒嘴的起保護作用，本裝置將其控制在6～10 m3/h。

渣口壓差，氧煤比及中心氧量控制，不能一味認為渣口壓差高則提升爐溫熔渣，最終因錯誤判斷而導致爐溫過高而損壞燒嘴。氣化爐加負荷時，先加煤漿，再加氧；降低負荷時，先減氧，后減煤漿。保證系統(tǒng)氧煤比在適當范圍之間。氣化爐因故障急停后，采取連投措施時，因結合實際工況需要，適當降低氧煤比，防止因連投前系統(tǒng)環(huán)境所趨于靜止趨勢，熱量的上移燒嘴熱負荷大，投料后系統(tǒng)氧煤比過高再次加劇燒嘴頭部溫度的升高而導致夾套頭部龜裂。因此在整個操作過程中保證系統(tǒng)處于緩慢調整，緩慢操做過程，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

4 結語

氣化爐是煤氣化裝置的核心設備，而燒嘴是否完好是決定氣化爐長周期運行的重要條件。辦法總比困難多，針對德士古氣化爐燒嘴存在的問題，分析研究，通過優(yōu)化操作參數，對燒嘴的材料和結構技改，可顯著提高氣化爐運行周期，我公司4.3 MPa氣化爐，經改造后的燒嘴運行時間長達226 d。