航天爐三高無煙煤運行適應性改造與優化

尹 興，周 丹，劉友國，周元祥，文美軍，鄭浩天

(黔西縣黔希煤化工投資有限責任公司，貴州 畢節 551500)

黔西縣黔希煤化工投資有限責任公司年產30萬t乙二醇項目氣化裝置采用航天粉煤加壓氣化工藝。受粉煤燒嘴使用壽命和煤質特性的影響，氣化爐未實現長周期運行。航天爐粉煤燒嘴是煤氣化技術的核心設備之一，其性能在很大程度上決定了氣化爐能否安全穩定長周期運行。自開車以來，由于粉煤燒嘴頭部頻繁泄漏造成的壽命短(60 d)的問題嚴重制約氣化爐安穩長滿優運行。2019年7月起，黔希化工投資有限責任公司展開燒嘴使用壽命問題攻關，通過提高碳轉化率，降低比煤耗和殘碳含量，延長了粉煤燒嘴使用三高無煙煤的運行周期。

1 石灰石系統升級改造

針對貴州無煙煤三高的特性：灰熔點高(大于1 500 ℃)、灰分高(22%～32%)、硫分高(1.5%～3.5%)，其中高灰熔點對氣化爐影響尤為重要。使用高灰熔點煤必然導致氣化爐操作溫度整體升高，單煤耗的氧氣量必然增加，同時較高的操作溫度影響粉煤燒嘴、盤管及激冷室內件的使用壽命。如何降低三高無煙煤灰熔點成為影響燒嘴使用壽命的一項重要難題。由于前期添加精確度太低、添加量不穩定、摻混不均勻，引起粉煤灰熔點不穩定，導致氣化爐操作工況波動較大，于是對原石灰石系統進行升級改造，將皮帶計量輸送系統精度問題，采用矢量稱重給料系統，其矢量稱重給料設備由星型給料機、稱重斗體、螺旋輸送機組成，矢量稱重系統能連續、定量、可控給料，從而實現了石灰石添加配比量的穩定，有效降低了灰熔點，進而確保了氣化爐工況的穩定，為煤燒嘴長周期運行奠定了堅實的基礎。

2 磨煤系統粉煤粒度控制及優化

2.1 磨煤系統出料粒度及水分控制

由于貴州三高無煙煤的哈氏可磨性指數低(HGI<40)，影響磨煤機出口粉煤粒度分布，而粉煤粒度的大小決定了碳的轉化率和渣中殘碳含量的高低。為確保磨煤系統的粉煤質量顆粒尺寸分布規格和粉煤的水分含量滿足要求，通過探索提高磨煤機液壓加載力、一次循環風量和旋轉分離器的頻率等優化操作方法，使5～90 μm的粉煤含量控制在84%～91%，與改造前相比提高了約5個百分點，而大于90 μm粒級含量則降為零，不僅滿足了氣化爐內燃料的完全燃燒，減少了對粉煤管線及燒嘴的磨蝕，而且增大了碳的反應接觸面積，提高了碳轉化率。磨煤過程中需嚴格控制粉煤含水量，粉煤水分過高影響輸送系統的穩定性，造成粉煤流量不穩定，并導至燒嘴燃燒效果差。粉煤質量的好壞是粉煤燒嘴穩定運行的前提，只有不斷優化工藝規范操作和管理，才能確保粉煤質量的合格。

2.2 穩定磨煤系統

減少磨煤系統開停車次數，避免系統負荷變化造成煤粉質量偏離控制指標；減少因煤粉質量變化對煤粉輸送系統造成波動，例：煤粉鎖斗架橋、煤粉流量計波動、煤粉管線斷粉等，都會造成煤燒嘴偏燒現象。

2.3 穩定煤質

加強原煤采購和配煤的管理，原煤的內在質量是氣化爐穩定燃燒的前提。強化輸煤系統的管理，及時定期清理輸煤皮帶系統破碎機、磁鐵器上的雜物，在原煤倉進口處加篦子網，從源頭上杜絕雜物進入粉煤系統。加強入爐煤質的分析(建立煤質分析臺帳，氣化工藝運行班長應了解上煤煤質情況，每天要求做一次粉煤的工業分析，在爐況波動時及時分析煤樣)，了解煤質情況，及時調整助熔劑添加量和爐況，保證粉煤燒嘴在安全穩定的環境中運行。

2.4 磨煤備用系統操作

當備用系統不備用時，為防止使用粉煤儲罐里熱汽進入備用系統造成冷凝水析出與粉煤混合堵塞纖維分離器、螺旋輸送機，輸粉煤系統必須保持正常運行，若必要時應進行隔離，避免結塊壓實的煤粉進入加壓輸送系統，導致角閥、煤線和燒嘴通道發生堵塞等現象，最終保證進料量的穩定，避免出現斷煤卷吸高溫合成氣返混燒蝕。

2.5 嚴格控制磨煤機出口溫度

根據粉煤水分分析指標來調整磨煤機出口溫度，在設計溫度105 ℃、保證安全的前提下提高至107～109 ℃，從而將煤粉中的水分降至最低(<1.5%)；同時，加強磨煤系統伴熱和保溫管理，防止系統熱量損失，確保煤粉輸送暢通，避免堵塞燒嘴，防止回燒。

3 粉煤加壓輸送系統

嚴格按照操作規程或操作指導進行加壓輸送操作，防止因操作不當，造成粉煤鎖斗架橋，下料不暢，壓實結塊，導致煤量不足。若來回反復除橋，會引起粉煤給料罐壓力的波動，導致煤流量波動，破壞了爐內流場；在現有條件下盡量穩定煤粉輸送系統的操作，減少煤粉流量波動，穩定流場。根據氣化爐負荷，粉煤給料罐錐部的流化氣控制在150～230 m3/h，粉煤給料罐與氣化爐壓差控制在0.75 MPa，粉煤管線輸送的流速控制在7～10 m/s；系統在停車后及時排空轉移剩余的煤粉至運行系統摻混消耗。若重新開車時，需提前將料位計、流量計標定，投用伴熱系統，確保讀數準確和系統溫度在控制指標內，防止假數據引起誤判和煤粉溫度低，水分析出，形成結塊，影響煤粉輸送，避免因開車或運行過程中斷煤造成燒嘴局部超溫。

4 燒嘴冷卻水系統

燒嘴冷卻水系統是保護粉煤燒嘴的核心，系統水循環量的大小、流量的穩定性決定了燒嘴頭部溫度的高低和是否恒定，于是探索將燒嘴冷水換熱器停用、加大循環量、修改相關聯鎖，為延長燒嘴壽命扣上“緊箍咒”和翻出“壓艙石”。在換熱器停運前燒嘴冷卻水回水溫度基本在設計值155 ℃上下波動，停運后燒嘴冷卻水回水溫度在150 ℃左右；燒嘴冷卻水流量設計正常值是95.2 m3/h，改造后提至130 m3/h左右，為防止流量波動觸發聯鎖氣化爐停車，總流量與點火、開工、粉煤燒嘴各支路流量必須共同滿足其中的兩路條件才觸發停車，從而有效保證了燒嘴頭部熱量能及時被循環的冷卻水吸收帶走，減少了氣化爐的停車次數。同時嚴把外進的物料質量關，增加分析頻次，嚴格取樣分析水質，根據分析結果通知上游調整添加的藥劑量，使各指標穩定在設計值的控制范圍內，避免因水質問題影響燒嘴的使用壽命。

5 氣化爐溫度控制

爐溫控制是氣化爐操作的核心，是降耗的關鍵，氣化爐經常出現超溫、渣口壓差波動頻繁、盤管密度忽升忽降、汽包產蒸汽量忽多忽少等現象，有時還開氮氣充壓維持汽包壓力，有時氧煤比高達1.2，也因氧煤比過高導致停車，也因激冷室出口合成氣溫度過高導致停車，也因汽包液位降低太快補水不能滿足停過車，也因局部跨渣長期超溫，也因在線分析儀不準確而誤導操作。爐況的種種變化導致了燒嘴在惡劣的工況下運行，大大縮短了燒嘴的使用壽命，針對上述現象，制定了氣化工藝操作指導，并進行了專題培訓。氣化爐爐膛溫度上漲速度快或超過700 ℃后要果斷處理，通過減少入爐氧氣流量或增加入爐粉煤量及時降低氧煤比，穩定工況，待氣化爐運行穩定后再調整至正常參數。通過氣化爐溫度顯示、主盤管回水密度、汽包出口蒸汽流量以及蒸汽外送閥的閥位開度變化，提前判斷固渣層厚薄的變化，有預見性的控制了氣化爐溫度，另外結合合成氣在線分析儀(手動分析與在線分析數據對比，出現偏差必須及時校表，數據異常及時取樣分析，增加分析頻次)及渣樣來綜合判斷氣化爐爐溫是否適宜。但是影響爐溫的因素很多，如：原料煤煤質變化、煤粉質量、粉煤輸送的穩定性、氧煤比自動調節、粉煤流量計的準確性(影響氧煤比值的準確性)、系統壓力穩定性、粉煤給料罐與氣化爐壓差的穩定性等等。爐溫控制高低會影響轉化效率，判斷不準確時不能保證設備的安全，一定要判斷準確無誤后方可采取有效措施并正確處理，有效調控爐況的穩定，則穩定了氣化爐燃燒流場，降低了對燒嘴的傷害。

6 水氧比

由于氧氣中蒸汽添加量不均勻，忽多忽少，因此水氧比不穩定，導致氧氣和蒸氣混合后的溫度突然升高或降低，引起燒嘴通道溫度變化劇烈，導致燒嘴熱應力、強度產生變化。新制度要求，只要氣化爐開車成功爐況穩定就必須把蒸汽加入，且蒸汽量緩慢加到1.5～1.9 t/h，水氧比控制在0.06～0.08，維持氧氣和蒸氣混合后溫度的穩定。

7 燒嘴保護氣

燒嘴保護氣按航天設計有100 m3/h和1 000 m3/h及氣化爐環腔800 m3/h，在原始開車以來一直按設計值添加，但每次停爐拔燒嘴查看都有燒蝕龜裂和飛灰附著及氣化爐環腔飛灰碳黑積集現象。經管理人員討論，確定是燒嘴頭部氧含量高和回流區域上移或燒嘴出現偏流返混現象，導致燒嘴局部溫度過高。于是大家同意將保護氣100 m3/h的加至130 m3/h，1 000 m3/h的加至1 300～1 500 m3/h，氣化爐環腔保護氣800 m3/h的增加至850～900 m3/h，以稀釋燒嘴頭部的氧含量，使回流區的高溫飛灰碳黑遠離燒嘴，避免返混現象，同時降低了燒嘴頭部周圍的溫度，避免了燒嘴長期在高溫富氧環境下的運行，大大延長了燒嘴的使用壽命。

8 與燒嘴關聯的壓差

進燒嘴的物料管線壓力穩定，才能保證壓差的穩定，進一步保證氣化爐內流場的穩定，避免壓差的波動引起爐內射流區和回流區發生變化，卷吸高溫煙氣飛灰至燒嘴頭部燒蝕及燒嘴夾套拉伸應力變化加快對燒嘴的損壞。因此特規定氣化爐滿負荷運行時氧氣壓力波動范圍0.01～0.03 MPa、氧氣調節閥前后壓差0.85～0.9 MPa、粉煤給料罐與氧氣調節閥后壓差0.6～0.7 MPa、粉煤給料罐與氣化爐壓差0.75 MPa，在保證安全的前提下設限操作范圍，維持壓差的穩定，保證入爐流量的穩定。

9 氣化爐開停車

氣化嚴格執行“兩單一票(開停車確認單、開停執行單、開車票)”和安全操作規程，避免在開停車過程中出現超溫超壓超升降速率或開車過程中突然停車重復開車現象，增強了開停車的安全性、穩定性，也降低了在開停過程中對燒嘴的傷害。

10 粉煤燒嘴結構優化

根據前期燒嘴運行工況參數指標、材質結構對比分析及煤質情況，反饋航天公司需依據氣化實際工況，重新對燒嘴結構尺寸進行計算、設計和選材，使之與氣化工況最適合，爐內流場溫度場分布良好，有效減輕燒嘴頭部不在持續受高溫炙烤，確保燒嘴與氣化工藝參數的最佳匹配，提高有效氣含量和燒嘴運行的穩定性。粉煤燒嘴中冷套材質由ST188鈷基合金改為鎳鉻合金，其內部導流槽間隙尺寸稍改大，選擇了適用于更高使用溫度區間的高溫合金；夾套由圓弧過度加工改為倒角過度，夾套中還增加了換熱條，氧通道旋流板角度及燒嘴頭部尺寸進行了調整，使氧氣分布更加均勻，霧化效果更好，保證了爐內流場溫度場分布合理，避免了高溫、高應力集中區域，確保金屬在許用應力和最高使用溫度下工作。

11 結 語

通過對粉煤燒嘴材質和結構的優化及強化細化操作探索，獲得了氣化爐最佳性能、最佳操作量化區間、最佳數據值、最佳爐況，選出了適應三高無煙煤的最佳燒嘴，這樣不但延長了粉煤燒嘴的使用壽命(288 d)而且降低了噸乙二醇煤耗(1.58 t)和殘碳含量，提高了碳的轉化率，消除了粉煤燒嘴泄漏隱患，避免了頻繁倒爐，降低了管控風險、生產成本和人力物力的消耗，從而為實現氣化裝置安穩長滿優運行的目標保駕護航。