殼牌粉煤氣化爐煤燒嘴損壞及維護分析

辛 鵬

（廣發化學工業有限公司，山西 大同 037008）

0 引言

在當前的煤化工產業中，殼牌粉煤氣化爐是較為先進的一類設備，主要通過粉煤氣化工藝，將粉煤與氧氣/蒸汽混合物并流噴入氣化爐，并在高溫高壓環境中瞬間進行反應以得到最終氣體產物。因這種氣化爐在性能指標上較為優異，當前已為煤化工企業所廣泛采用。但在實際運行過程中，受到各種因素影響，殼牌氣化爐也難免出現一些問題，其中較為突出的問題則當屬燒嘴損壞[1]。為有效解決此類問題，避免其對生產造成明顯影響，仍需要對此類問題作進一步探究。

1 案例概況

某煤化工企業新建一小型煤氣化裝置，設計投煤量為1 120 t/a，使用殼牌粉煤氣化爐進行生產作業。在實際應用過程中，粉煤加壓后通過對置煤燒嘴，將煤粉噴入氣化爐內，在1 600 ℃高溫條件下反應生成粗煤氣，該粗煤氣的主要組分為氫氣和一氧化碳，而后經由換熱冷卻后，作為原料供下游裝置使用。整體來看，該企業使用的氣化爐為膜式水冷壁結構，并已經配備了爐膛保護措施[2]。

在該粉煤氣化爐投入實際應用后，初期運行情況較為穩定，在提升產能等方面均發揮重要作用。但工作人員近期發現，該裝置頻繁出現停車問題，經檢查后發現，該裝置內部煤燒嘴損壞較為嚴重（圖1），目前已成為制約該裝置長期運行的技術瓶頸。

圖1 燒嘴損壞（左）和燒嘴罩破損（右）

針對當前該粉煤氣化爐煤燒嘴頻繁損壞問題，該企業技術部門積極進行總結分析，并決定對該殼牌煤氣化裝置燒嘴罩損壞問題作進一步分析探究[3]。

2 燒嘴損壞原因分析

2.1 原料煤問題

針對燒嘴損壞問題，技術人員首先查閱資料，對原料煤問題進行分析，對近期的留存煤樣進行檢驗，檢驗結果如表1 所示。

表1 煤樣主要參數檢驗結果 單位：℃

從表1 中可見，近期該企業應用的3 種煤炭材料在灰熔點波動方面較為突出。在此基礎上，技術人員也發現3 種煤樣在灰分波動方面較為突出，波動幅度約為3.2%，已超出Shell 官方說明書中建議的“煤種灰分波動不超過±3%”的要求。當煤質波動較為明顯時，渣層的厚度變化也較為頻繁，瞬間可能產生過厚的渣，過厚的渣翻過燒嘴罩上沿，從燒嘴正面穿過，造成回火，進而燒損燒嘴罩。該過程的原理示意圖如圖2 所示。

圖2 翻渣燒損燒嘴罩的原理示意圖

2.2 參數設置不合理

當前，該企業所使用的殼牌粉煤氣化爐主要應用“蒸汽產量”這一參數來控制爐溫穩定。在該情況下，反應器蒸汽產量控制點的設定和石灰石添加比例兩項控制點最為關鍵，對氣化爐運行工況的穩定度起到決定性作用。由于煤質存在波動，導致蒸汽產量和石灰石添加量與實際煤質的不匹配問題較為凸顯。通過分析近期的資料可知，氣化爐在參數設置上長期處于固定不變的情況，未能根據煤質變化情況對相關參數進行及時調整，由此導致渣的流動性變差和渣層變厚等情況，進而造成翻渣燒損燒嘴罩或堵渣事故[4-5]。

2.3 燒嘴和燒嘴罩安裝存在不規范情況

經過全面檢查并結合歷史資料進行分析后，技術人員發現在以往的維修環節中，燒嘴和燒嘴罩的安裝存在較多不規范之處，主要表現在以下幾方面：一是在燒嘴水平角度控制方面，存在部分燒嘴角度偏差較大的情況，垂直角度偏差為0.3°，水平角度偏差為0.27°，不符合標準要求，因而導致偏流和掛渣不均勻；二是個別煤燒嘴伸出燒嘴罩長度過多，達到29 mm；三是煤燒嘴與燒嘴罩環隙過小，導致燒嘴罩一側距離燒嘴較近而出現燒損。

3 燒嘴損壞問題的解決及后期維護措施

3.1 對原料煤的質量予以把控

考慮到原料煤波動問題是造成燒嘴損壞的首要原因，在后期維護措施中，根據Shell 官方說明書的要求進行選煤，對煤炭質量進行把關，最終確定煤炭篩選要求如表2 所示。

表2 原料煤篩選要求

在此基礎上，為避免原料煤受到外界環境過多影響而出現變質情況，企業決定采用精細化管理模式，在車間內合理規劃堆煤區域，并根據煤質參數進行配比實驗，對用煤環節作進一步的優化。

3.2 對爐溫控制方式進行優化

為提高爐溫控制方式的靈活性，同時避免出現調整失誤情況，技術人員通過以下幾方面的措施實行優化。

一是針對石灰石添加的指標進行優化，避免添加量不準確造成掛渣異常等問題。對此，技術人員結合近年來的入爐煤數據，設定一個參考系數，該參考系數應用公式（1）進行計算：式中：m 表示質量，代入相關質量數據后即可求出相關系數k 值，結合實際情況后，確定k 值在高負荷下取2.6，低負荷下取2.5，以此控制石灰石添加量。

二是針對輸煤流程進行優化，在輸煤流程中，增設除鐵器（圖3）、鉤耙和纖維分離器，對原煤中的異物進行攔截和清理，以降低煤線波動情況，從理論分析可知，這種措施有助于穩定運行工況，有效保護內件和燒嘴罩，最大程度降低燒損情況。

圖3 煤炭行業專用型電磁除鐵器

3.3 實行標準化作業

針對以往煤燒嘴和燒嘴罩安裝過程中存在的不標準等問題，企業安排專業技術人員對安裝過程進行監督控制，制定安裝標準化作業程序，并對安裝后的狀態進行檢查驗收。具體來看，本環節的標準化作業主要通過以下幾個角度加以開展：一是使用專用檢查測量工具，對燒嘴水平安裝角度予以控制，確保其處于4°±0.25°以內，并控制垂直角度為零；二是控制煤燒嘴和燒嘴罩伸出爐壁的長度保持一致，均控制為26 mm；三是在安裝過程中，對燒嘴與燒嘴罩之間的環隙間隙予以控制，將該間隙值控制在6～14 mm 范圍內，避免間隙值控制不當，引發燒嘴罩偏心率過大進而造成高溫燒蝕。

4 結語

整體來看，引起燒嘴罩損壞的原因相對較多，為最大程度降低燒嘴罩的燒損問題，結合實際情況進行全方位分析，并應用精益化管理理念和方法對相關參數進行控制則是一個切實可行的策略。本次結合實際情況開展優化維護措施后，殼牌粉煤氣化爐的停車次數下降近40%，且煤燒嘴損壞問題得到有效解決，證明本次的優化工作取得了一定的成效。當然在今后的工作中，還需要重點考慮燒嘴部位自身的改進，進一步提高其抗工況波動的能力，進而提高殼牌粉煤氣化爐的運行質量。