GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴存在問題及技術改造探討
王云剛
摘 要
針對單系列60萬t/a甲醇裝置運行過程中，GE水煤漿氣化爐頻繁發(fā)生的工藝燒嘴壓差波動、燒嘴頭部冷卻水盤管泄漏等問題，從燒嘴運行狀況、故障現(xiàn)象、同規(guī)模燒嘴設計參數(shù)比對等方面查找分析故障原因，總結(jié)故障發(fā)生時燒嘴運行管控思路，提出燒嘴設計參數(shù)優(yōu)化改造方案，通過將燒嘴壓差提高至0.6 MPa、燒嘴氧氣壓差降至1.1 MPa～1.2 MPa、燒嘴長度縮短至935 mm等措施，根除了燒嘴壓差頻繁波動現(xiàn)象，使燒嘴運行周期延長至最長62 d，平均可達56 d。
作 者 簡 介
王云剛（1981- ），男，陜西鳳翔，工程師，學士，2004年本科畢業(yè)于安徽理工大學化學工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事水煤漿加壓氣化方面的工作。
正 文
引 言
水煤漿加壓氣化工藝是國內(nèi)目前廣泛應用、規(guī)模較大、技術成熟穩(wěn)定的煤氣化工藝，其核心設備之一工藝燒嘴的安全、穩(wěn)定、長周期運行，對整個煤化工生產(chǎn)企業(yè)的安全、長周期、滿負荷生產(chǎn)運行和高效益生產(chǎn)起著決定性作用。
水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴的一次性連續(xù)使用壽命較短（目前6.5 MPa氣化爐工藝燒嘴平均壽命為80 d），影響了單臺氣化爐的連續(xù)運行時間，因此，設計中均有備用爐在線長期熱備，以便運行爐發(fā)生工藝燒嘴故障時及時在線倒爐，相互切換。
陜西咸陽化學工業(yè)有限公司（簡稱咸陽公司）甲醇項目作為國內(nèi)第一批建成的首套單系列60萬t/a甲醇項目，氣化裝置采用GE單噴嘴水煤漿加壓氣化激冷流程，化工生產(chǎn)運行過程中，出現(xiàn)了氣化爐工藝燒嘴壓差頻繁波動、燒嘴頭部冷卻水盤管泄漏故障頻率高、燒嘴外氧頭部端面龜裂嚴重等現(xiàn)象，且燒嘴運行壽命起初只能維持10 d～15 d，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整操作參數(shù)后，最長也只能維持在40 d左右，嚴重影響生產(chǎn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。現(xiàn)對該氣化裝置水煤漿加壓氣化爐運行過程中頻繁出現(xiàn)的工藝燒嘴壓差波動、盤管頻繁泄漏等問題展開討論，并對生產(chǎn)期間的燒嘴改造成效和運行操作經(jīng)驗進行總結(jié)，以供同行參考。
1 水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)
圖1 水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)
水煤漿氣化爐工藝燒嘴為同心三套管形式，外加冷卻水盤管結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外分別為中心氧管、煤漿管（煤漿噴頭）以及外環(huán)氧管（外氧噴頭）。燒嘴中心氧管的出口設計成縮口形式，目的是對中心氧加速，使其具有一定的出口流速（中心氧出口流速一般為150 m/s～180 m/s），同時其端面距燒嘴端面基準面有一定的縮入量，形成一個水煤漿和中心氧的預混合腔。水煤漿的出口管路也設計成縮口形式，使進入預混合腔的流速為2 m/s～4 m/s的水煤漿具備一定的速度。在預混合腔內(nèi)，利用中心氧對水煤漿進行稀釋和初加速（預混合腔出口流速一般為12 m/s～20 m/s），改善水煤漿的流變性能，保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧氣（外氧的出口流速一般為160 m/s～200 m/s），對通過預混合腔的水煤漿混合物進行良好的霧化，以便在氣化爐內(nèi)達到良好的氣化效果[1]。
2.2 燒嘴壓差波動瞬時各參數(shù)變化情況
1. 新燒嘴在線使用3 d～7 d后，煤漿壓差由最初的0.4 MPa快速下降至0.2 MPa，嚴重時甚至出現(xiàn)負壓差。在發(fā)生壓差波動前，生產(chǎn)裝置各項工藝指標均未發(fā)生異常波動，低壓差甚至負壓差現(xiàn)象持續(xù)一定時間后，壓差又恢復正常。壓差波動現(xiàn)象在整個燒嘴運行周期內(nèi)經(jīng)常發(fā)生。
2. 燒嘴壓差波動瞬間，在氧氣閥門開度未變情況下，氧氣瞬時流量快速升高，氣化爐頭氧管線上下游切斷閥間壓力下降，氧煤比升高，氣化爐燃燒室上部高溫熱電偶溫度飛漲，瞬間由1 230 ℃漲至1 350 ℃并報警。
3. 燒嘴壓差波動瞬間，洗滌塔塔頂粗煤氣中甲烷體積分數(shù)由800×10-6～1 000×10-6快速下降至500×10-6～600×10-6，甚至更低；粗煤氣中二氧化碳體積分數(shù)由原來的18%左右漲至20%左右，一氧化碳體積分數(shù)隨之快速下降1～2個百分點。
4. 燒嘴壓差經(jīng)多次波動后，燒嘴頭部冷卻水盤管進出口流量開始偶發(fā)上下跳動現(xiàn)象，同時冷卻水回水分離罐頂CO報警（CO體積分數(shù)超過8×10-6），系統(tǒng)被迫停爐、更換燒嘴。
1. 燒嘴下線檢查中，發(fā)現(xiàn)燒嘴頭部端面龜裂嚴重，裂紋布局呈放射狀，且龜裂裂紋數(shù)量及深度隨燒嘴在爐內(nèi)運行時間的延長而增多、增長。燒嘴壓差波動越頻繁，持續(xù)時間越長，燒嘴端面燒蝕坑點數(shù)量及深度也越明顯，冷卻水盤管角焊縫處損傷也越明顯。
2. 燒嘴在爐內(nèi)高溫環(huán)境下使用一定時間后，其外氧噴口向內(nèi)有不同程度內(nèi)收縮。
3. 中心氧噴嘴頭部縮徑?jīng)_刷磨損嚴重，內(nèi)壁呈“刀刃”狀；中心氧頭部定位塊沖刷磨損厲害，中心氧管晃動，且與煤漿噴頭有軸向同心度偏離現(xiàn)象。
4. 煤漿噴頭沖刷磨損嚴重，內(nèi)徑尺寸明顯增大，且煤漿噴嘴出口斷面內(nèi)壁呈“刀刃”狀，煤漿噴頭內(nèi)側(cè)斜面磨損嚴重。
5. 燒嘴拆卸作業(yè)中，多次發(fā)生因爐頸與燒嘴盤管空腔內(nèi)爐渣結(jié)焦較多而造成爐口吊裝燒嘴的電動葫蘆過載、頻繁跳閘現(xiàn)象。
6. 燒嘴運行周期短，普遍只有15 d～30 d，與行業(yè)平均壽命80 d相差甚遠。
1. 一旦突發(fā)燒嘴壓差波動，可通過迅速減小燒嘴總氧量的方法來控制燒嘴壓差下降趨勢，一般來說一次減小總氧量5%時，對控制燒嘴壓差下降效果非常明顯。
2. 在燒嘴壓差波動期間，增大中心氧流量比例對緩解燒嘴壓差波動也有效果，但不明顯。
3. 在通過減少總氧量來穩(wěn)定燒嘴壓差波動時，氧煤比降低，需嚴格監(jiān)控渣口壓差、粗煤氣中CO組分變化，同時通過鎖斗排渣情況、撈渣機電流大小及渣量、渣樣變化情況，來綜合判斷氣化爐運行工況，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
4. 由于燒嘴壓差波動下降，引起煤漿霧化效果變差，氣化爐黑水水質(zhì)變差，為有效改善系統(tǒng)水質(zhì)，可通過加大氣化爐激冷水量、加大氣化爐及洗滌塔排黑水量等方式，來控制整個系統(tǒng)水中離子的平衡，達到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。
5. 在燒嘴壓差未恢復至正常情況下，不建議恢復總氧量參數(shù)，在燒嘴壓差正常后，可通過緩慢、少量、多次的方式逐步恢復總氧量至原操作數(shù)值。
為查明燒嘴故障原因，調(diào)研了業(yè)內(nèi)同規(guī)模水煤漿氣化裝置的操作參數(shù)和燒嘴關鍵參數(shù)，并與咸陽公司氣化裝置相關數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果見表1、表2。
由表1可以看出，3家公司氣化裝置系統(tǒng)負荷、氧煤比、煤漿濃度及有效氣組分差異不大，氧氣壓差和燒嘴壓差數(shù)值存在明顯差異。
表1 同規(guī)模水煤漿氣化裝置工藝運行參數(shù)對比
表2 同規(guī)模水煤漿氣化裝置工藝燒嘴參數(shù)對比
由表2可以看出，不論是氣化爐燃燒室長度，還是工藝燒嘴設計參數(shù)，咸陽公司與2家公司之間存在著很大的差異，具體如下：
1. 燃燒室長度：咸陽公司氣化爐燃燒室長度為9 100 mm，較公司1（8 317 mm）和公司2（8 322 mm）分別長783 mm和778 mm。
2. 燒嘴長度：咸陽公司燒嘴長度1 085 mm，較公司1與公司2（兩者燒嘴長度基本相同）長約175 mm。
3. 燒嘴冷態(tài)安裝尺寸：咸陽公司燒嘴在冷態(tài)時伸出143.1 mm，公司1、公司2燒嘴在冷態(tài)下分別縮進29.4 mm、25.8 mm。正常情況下，在1 200℃時，耐火磚、氣化爐筒體受熱抬高約為50 mm，由此可以推測公司1、公司2燒嘴頭部在熱態(tài)時伸出量分別為20.6 mm、24.2 mm，而此時咸陽公司燒嘴伸出量則會更大，為193.1 mm。
4. 燒嘴中外噴頭環(huán)隙：3家公司相差較大。
5. 燒嘴煤漿噴頭深度：3家公司相差不大。
6. 燒嘴壓差：公司1與公司2的基本相同，咸陽公司的最低。
7. 中心氧流量比例：燒嘴正常運行時，咸陽公司燒嘴中心氧流量比例較公司1高54.2%～62.5%，較公司2高23.3%～30.0%。
8. 燒嘴使用壽命：咸陽公司燒嘴使用壽命約為其他2家公司燒嘴使用壽命的1/2。
1. 由表2可以看出，在氣化爐拱頂爐頸高度相同情況下，咸陽公司氣化爐工藝燒嘴長度明顯比其他兩家公司長，且在冷態(tài)下燒嘴頭部已經(jīng)深入爐內(nèi)100 mm以上，明顯高于業(yè)內(nèi)一致認可的“冷態(tài)下燒嘴在爐內(nèi)應內(nèi)縮20 mm～30 mm”。燒嘴過度深入爐膛，易造成燒嘴頭部大面積暴露在高溫、高還原介質(zhì)中，同時也易出現(xiàn)燒嘴冷卻水盤管局部過熱，導致燒嘴頭部
