水煤漿氣化爐工藝燒嘴壓差波動分析及應對措施

李 龍，李 歡，丁海洋

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西榆林 718500）

0 引 言

現代煤氣化工藝中，水煤漿氣化工藝的應用比較廣泛，經過多年的工藝優化，其技術更加成熟。在水煤漿氣化工藝的發展中，應用最為廣泛的是三流道預混式工藝燒嘴，其工作原理為，高溫環境中通過燒嘴在氣化爐中噴入氧氣與水煤漿，兩者發生部分氧化反應而生成以CO和H2為主的水煤氣，故工藝燒嘴是水煤漿氣化工藝的核心設備，而燒嘴壓差是表征燒嘴運行狀況的一個重要指標。所謂燒嘴壓差，是指煤漿入氣化爐前的壓力與氣化爐燃燒室的壓力之差，它能直接反映出煤漿在燒嘴處的霧化效果，如果燒嘴壓差頻繁波動，會直接影響氣化爐的平穩運行，導致氣化效率低、有效氣含量下降、最終產品產量下降、單位產品煤耗增大，調整不及時甚至可能造成氣化爐過氧爆炸的事故。為此，筆者結合多年氣化工藝操作的經驗，以陜西延長中煤榆林能源化工有限公司（簡稱榆林能化）多元料漿氣化爐A、氣化爐B（簡稱A爐、B爐；榆林能化600kt／a煤制甲醇裝置配套3臺氣化爐，兩開一備）的生產實際為例，談談燒嘴壓差波動的原因及應對措施。

1 燒嘴壓差波動時的現象

燒嘴壓差波動，表明煤漿在燒嘴處霧化效果變差，部分煤漿未經充分反應就被高速的氣流帶出氣化爐燃燒室，在煤漿流量幾乎沒有變化的情況下，氣化效率下降、產氣率降低而導致氣化爐壓力下降、高壓煤漿泵出口壓力持續下降，由于氧氣與煤漿在燒嘴頭部混合，煤漿壓力降低造成氧氣流量不斷上漲，氣化爐因處于過氧狀態而溫度上漲，工藝氣組分發生明顯變化——CH4、CO含量下降而CO2含量上升，有效氣含量明顯降低；同時，經過長期的操作觀察，燒嘴壓差波動具有偶然性，有時波動較小，有時波動較大，甚至會出現燒嘴壓差降為負值的情況，經過一段時間后有時又會突然上漲恢復至正常值，如此反復。

圖1是A爐、B爐某同一時段（當時A爐燒嘴已運行30d、B爐燒嘴已運行10d）燒嘴壓差的波動趨勢。可以看出，燒嘴壓差出現大范圍波動時呈現一定的規律性，不同運行周期的A爐、B爐燒嘴壓差波動趨勢基本一致，因燒嘴壓差初始值不同，波動最低點甚至降為負值。

圖1 同一時段A爐、B爐燒嘴壓差的波動趨勢

2 燒嘴壓差波動的原因分析與排查

2018年7月6日A爐投料后，燒嘴壓差出現大幅波動，甚至幾次降為負值 （-0.030 MPa），工藝氣成分也跟著變化，工況調整頻繁，粗煤氣中有效氣含量低，甲醇產量目標不能完成，給工藝操作帶來很大的壓力，解決這一瓶頸問題已是刻不容緩。在幾次的燒嘴壓差波動中，對燒嘴壓差波動曲線及相關的參數進行詳細的統計分析，雖然看似雜亂無章，但也能從中找到一些必然的聯系。

2.1 原料煤煤質變化

榆林能化氣化爐使用的原料煤為魏強煤，煤種基本穩定，每次燒嘴壓差波動大家都想到是不是煤質變化所致，但其實在燒嘴壓差波動期間并沒有更換或者摻燒其他煤種。不過據長期的原料煤煤質分析數據可以發現，即使同一煤種在不同時期其煤質分析結果差異也會很大。近期氣化爐燒嘴壓差又出現了波動，從波動前后的煤質分析數據（見表1）可以看出，燒嘴壓差波動時原料煤的灰分增高、發熱量降低、灰熔點升高。而煤的發熱量、灰熔點與煤的灰分有著緊密的關系：灰分越高，煤中有效成分含量越低，煤的發熱量會降低；煤的灰熔點一般指熔融溫度或流動溫度（FT），其高低與煤灰的化學組成密切相關，煤灰中SiO2、Al2O3含量越高，煤灰熔點越高［1］；再者，灰分增高對原料煤的成漿性影響較大，表現為煤漿粘度降低，流動性變好［2］，煤漿與管道的內摩擦力降低，高壓煤漿泵出口壓力降低，這是燒嘴壓差波動的觸發因素。

表1 燒嘴壓差波動前后原料煤煤質分析數據

2.2 燒嘴的狀況

隨著氣化爐運行時間的延長，物料持續對燒嘴頭部不斷沖刷以及爐內高溫熱輻射，會造成燒嘴噴口沖刷變大，燒嘴壓差會不斷下降。對氣化爐運行期間燒嘴壓差數據進行統計，結果見圖2。可以看出，燒嘴運行30d之前壓差下降速率約為0.025MPa／d，運行30d之后壓差下降速率變慢，約為0.015MPa／d。結合圖1，燒嘴運行到30d以上時，燒嘴壓差還會發生小幅波動，故筆者認為，如果是磨損造成的燒嘴壓差波動，燒嘴壓差應該是持續降低的，不會來回波動；還有，A爐燒嘴運行剛30d時，燒嘴壓差應該在0.33～0.35MPa，不至于波動至負值，而B爐運行時間只有10d，燒嘴磨損很少，但也出現了大幅波動。因此，可以排除燒嘴磨損導致了燒嘴壓差波動這一因素。

圖2 氣化爐運行期間燒嘴壓差變化趨勢

2.3 高壓煤漿泵出口壓力

據統計數據我們還發現，每次燒嘴壓差降低時，高壓煤漿泵出口壓力也會同步降低。燒嘴壓差是高壓煤漿泵出口壓力與氣化爐爐膛壓力的差值，氣化爐的壓力幾乎是穩定的，那么高壓煤漿泵出口壓力為什么會降低呢？有必要查找原因。

2.3.1 高壓煤漿泵的運行狀況

榆林能化氣化系統采用的是德國菲魯瓦（FELUWA）的高壓煤漿泵，從DCS查看煤漿流量曲線，煤漿管線3只流量計示數幾乎沒有波動；再查看高壓煤漿泵的電流變化，燒嘴壓差波動時高壓煤漿泵電流也會同步小幅波動，由平時的操作經驗可知，高壓煤漿泵的電流與其出口壓力成正比，故在高壓煤漿泵出口壓力小幅波動的情況下其電流波動是正常的。煤漿流量沒有降低，表明高壓煤漿泵自身運行狀況是正常的。

2.3.2 煤漿流經燒嘴處受到干擾

水煤漿氣化工藝燒嘴的結構形式為同心三流道管（見圖3），燒嘴中心氧管出口和水煤漿出口管設計成縮口形式，這樣水煤漿與中心氧形成了一個預混合腔，使進入預混合腔的水煤漿具備一定的速度；在預混合腔內，中心氧對水煤漿進行稀釋和加速，從而改善水煤漿的流變性能，其目的是保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果；外氧管口的縮入量更大一些，目的是提供更高流速的氧氣，使通過預混合腔的水煤漿混合物充分霧化，在氣化爐內達到較高的氣化效率。

圖3 水煤漿氣化工藝燒嘴剖面圖

高壓煤漿泵出口壓力與入爐氧氣流量的變化趨勢見圖4。可以看出：高壓煤漿泵出口壓力持續下降時，入爐氧氣流量在不斷增高；當高壓煤漿泵出口壓力突然升高時（升高約0.3MPa），入爐氧氣流量降低約1000m3／h。

圖4 煤漿泵出口壓力與入爐氧氣流量的變化趨勢

那么反過來思考，主動降低氧氣流量，高壓煤漿泵出口壓力會不會升高呢？實際操作經驗表明，通過降低入爐氧氣流量是可以控制高壓煤漿泵出口壓力的，即降低入爐氧氣流量可以控制燒嘴壓差的波動；換言之，氧氣流量確實會對高壓煤漿泵出口壓力造成干擾。所以，關于燒嘴壓差波動的問題，需考慮燒嘴設計是否滿足工藝要求，或者燒嘴制造質量（尺寸）是否存在偏差。

2.4 氧氣流速的變化

為滿足生產所需，氣化爐實際運行負荷為110%，煤漿量增大則氧氣量必然同步增大，氧氣入爐前壓力實際為7.9MPa，而設計氧氣入爐前壓力為7.1MPa，較設計值高出0.8MPa，如此氧氣在燒嘴頭部的流速必然大于設計值。進一步對燒嘴結構進行認真分析，筆者認為：水煤漿燒嘴是介質性霧化燒嘴的一種，氧氣有很高的流速，而水煤漿流速卻比較低，當氧氣流速超過一定值時，會造成燒嘴三流道物料配比不合適而形成文丘里效應［3］；水煤漿流道受到高速氧氣的抽引作用，氧氣流量增大，氧氣在燒嘴環隙的流速也會增大（中心氧流量比例在15% ～18%范圍內調整，對燒嘴壓差影響并不明顯），此時會對燒嘴處的煤漿流速產生干擾，如果進一步加大入爐氧氣流量，則有可能在煤漿噴嘴口處形成相對微負壓，負壓慢慢積累，高壓煤漿泵出口壓力會被慢慢抽低，這也就能解釋氣化爐運行期間燒嘴壓差為什么會持續下降了；如果這個時候不作調整，燒嘴壓差將會持續降低，高壓煤漿泵出口壓力會不斷下降，且煤漿管線壓力表實際安裝在煤漿管線橫管段（最高處），約高出燒嘴頭部2m左右，這也就能夠解釋為什么燒嘴壓差會降為負值了。

3 應對措施

3.1 控制原料煤的灰分

通過長時間的分析與總結，技術人員普遍認為，原料煤中灰分的高低是燒嘴壓差波動的主要原因之一，生產中須嚴格控制原料煤灰分在設計指標范圍內（≤12%），做到及時分析（原料煤煤質）并反饋。如果所用原料煤灰分確實增高，超出指標，有條件的情況下可摻燒低灰分煤，按照一定比例混合摻燒［4］。

榆林能化針對原料煤（魏強煤）灰分超標的問題，開展了混合摻燒部分低灰分煤（銀河煤和白鷺煤）的試驗，銀河煤和白鷺煤的煤質分析數據見表2。

將高灰分煤（魏強煤）與低灰分煤（銀河煤、白鷺煤）按照不同的比例混合，在制漿添加劑投加量一定（添加比例為0.15%）的情況下，磨煤機制取出合格的水煤漿（水煤漿濃度≥61.5%），通過一段時間的摻燒試驗（試驗數據見表3）得知：不同的低灰分煤摻燒比例下，燒嘴壓差的波動范圍不同，且隨著混合煤灰分的降低燒嘴壓差波動范圍逐漸變小；但混合煤灰分降低后，制得的水煤漿濃度和粘度也隨之下降，水煤漿的穩定性變差，不利于氣化爐的穩定運行。因此，建議混合煤灰分控制在9% ～11%更為合適；同時，為提高水煤漿的濃度，可將制漿添加劑的添加比例由0.15%提高至0.16%，如此制得的水煤漿的粘度可控制在750～950cP，不僅能夠減小燒嘴壓差的波動，還可以保證水煤漿的濃度及穩定性；另外，氣化爐操作溫度也不宜過高，控制在入爐煤灰熔點（FT）以上約50℃較為適宜。

表3 不同比例低灰分煤摻燒時的煤漿性能及燒嘴壓差

3.2 調整燒嘴尺寸

設計院對燒嘴重新進行設計，據實際運行參數修改燒嘴尺寸，即擴大外環隙氧氣流道，以降低氧氣流速。工藝燒嘴改造后，氣化爐運行期間氧氣入爐前的壓力由原來的7.9MPa降至7.2 MPa，氧氣流量調節閥（FV007）開度由原來的60.5% （對應氧氣流量42000m3／h）降至48%（對應氧氣流量42000m3／h）就可滿足工藝運行的需求，保證了氧氣在燒嘴處不會對水煤漿造成干擾，繼而達到降低燒嘴壓差波動的目的。

3.3 調整氧氣流量

既然氧氣流速對煤漿造成了干擾，那么通過降低氧氣流量來控制氧氣流速，是可以達到穩定燒嘴壓差的目的的。在燒嘴尺寸未作調整的時候，也可以通過工藝操作來穩定燒嘴壓差。實際運行中觀察到：A爐在燒嘴壓差波動期間，氧煤比控制在475m3／m3（氧氣流量41000m3／h）以上時，燒嘴壓差波動范圍較大，最低有可能為負值（-0.030MPa）；氧煤比控制在470m3／m3（氧氣流量40500m3／h）左右時，燒嘴壓差能控制在0.10MPa以上；氧煤比控制在465m3／m3（氧氣流量40000m3／h）左右時，燒嘴壓差能控制在0.15MPa以上；當燒嘴壓差處于相對平衡狀態時，若系統工況發生變化，會導致燒嘴壓差反彈，急劇上升后繼續下滑，如此時降低氧氣量，平衡值會上移；同時，減少氧氣量可以減小系統的熱負荷，避免氣化爐因過氧而釀成事故。

4 結束語

工藝燒嘴是水煤漿氣化爐的核心部件，燒嘴運行狀況的好壞直接影響著氣化爐的長周期、穩定運行。通過對燒嘴壓差波動原因的分析，榆林能化在生產中針對原料煤灰分、工藝燒嘴設計以及工藝操作方面采取了一系列的應對措施，以穩定工藝燒嘴壓差、減輕燒嘴的磨損和燒蝕。實際運行情況表明，控制入爐煤灰分在9% ～11%、調整煤漿粘度在750～950cP、選擇合適的操作溫度、修改燒嘴尺寸、適當降低氧氣流速等措施落實后，有效減少了燒嘴壓差波動的頻次，縮小了燒嘴壓差波動的范圍，保證了氣化爐的平穩運行，提升了企業的經濟效益。