GE水煤浆气化工艺烧嘴压差低原因分析及解决措施

GE水煤浆气化工艺烧嘴压差低原因分析及解决措施

石玉林

中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300

摘要：GE水煤浆气化工艺是以煤和氧气为生产原料，即将原料煤、研磨水及水煤浆添加剂按一定配比研磨出合格的煤浆，与来自空分装置的纯氧通过三通道工艺烧嘴预混合后进入气化炉，在一定温度及压力下进行不完全氧化反应，生产以CO+H₂为主要成分的粗合成气，粗合成气送至下游净化装置。在实际生产运行中，经常会出现烧嘴压差低于联锁值（20kPa）触发气化炉跳车，从而严重制约装置的长周期稳定运行。烧嘴压差是指煤浆进入烧嘴前的压力与气化炉合成气出口压力的差值，烧嘴压差能反映烧嘴喷头的磨蚀及烧嘴喷射雾化效果。设置烧嘴压差低停车联锁主要是防止高温高压合成气反窜进入煤浆管道引起爆炸事故。本文详细的对烧嘴压差低的各种原因进行深度剖析，并提供相对应的解决措施，减少因烧嘴压差低导致气化炉跳车的次数。

关键词：烧嘴压差；烧嘴改造；煤浆质量；中心氧；操作调整

1、中天合创GE水煤浆气化装置简述

中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目煤气化装置采用美国GE公司“非催化部分氧化法”水煤浆气化技术，购买水煤浆气化工艺包和专利设备，由中石化宁波工程公司完成基础及详细工程设计（如图1）。煤气化装置共分为气化一、气化二两个系列，两个系列设置相同，主要包含14套煤浆制备系统、14套气化及合成气洗涤系统、14套四级闪蒸系统及相关公用工程系统。单台气化炉设计原煤日处理量为1496t，有效气产量（CO+H2）10.7万m³/h，14台气化炉正常生产时11开3备，装置于2013年9月份正式开工建设，2016年6月中交，2016年9月份投料开车。

图1 装置工艺流程

2、装置运行状态

装置在运行初期极不稳定，气化炉跳车频繁、运行周期短，其中2018年，气化炉非计划停车（连续运行天数＜60天）次数多达116次，尤其是烧嘴压差低联锁（T-25）导致气化炉非计划停车次数达到88次，气化炉单炉连续运行时间平均不足30天，大大落后于同行业平均70天的运行水平。频繁的烧嘴压差低联锁跳车不仅隐藏着巨大的安全风险，而且对企业的经济效益有着极大的影响。烧嘴压差低，对气化炉和烧嘴的影响主要有：（1）容易造成烧嘴回火，烧穿烧嘴冷却水盘管，导致气化炉跳车，严重时高温高压合成气从冷却水管道窜出发生火灾爆炸事故；（2）火焰变短，导致气化炉拱顶及烧嘴法兰温度高，同时对拱顶砖的冲刷磨蚀加快；（3）煤浆雾化效果差，碳转化不完全，有效气产率低，气化炉渣量变大，捞渣机电流升高。（4）烧嘴压差低于联锁值20kPa时，气化炉跳车^[1]。烧嘴压差低成为制约装置安全稳定运行的瓶颈，为解决这一难题，装置成立攻关小组，对烧嘴压差的影响因素进行全面的分析，一致认为，烧嘴压差的影响因素是综合的，既有设备烧嘴本身的问题，也有煤浆质量的影响，同时还有对操作上的要求等等，攻关小组针对各类问题逐一寻求解决措施，通过对烧嘴改造、提高煤浆质量、优化调整操作等措施，彻底扭转了烧嘴压差低联锁频繁跳车的被动局面，装置生产由被动转为主动，做到定期在线更换工艺烧嘴连投及倒炉等，因烧嘴压差低导致的非计划停车大幅降低，气化炉平均运行周期不断延长，目前已经超过60天。

3、解决措施

3.1烧嘴改造

工艺烧嘴（如图2）是GE水煤浆气化工艺的关键设备，烧嘴寿命长短及性能好坏直接影响气化炉运行周期及合成气品质。水煤浆和纯氧经过三通道工艺烧嘴预混合喷射（如图3），在高温高压的气化炉炉膛内瞬间反应，生成下游装置所需合格的粗合成气^[2]。在生产过程中，工艺烧嘴承受高温（约1350℃）、高压（6.5MPa）、煤质高灰分、强烈腐蚀（高硫等）及煤浆颗粒的高速冲刷等多重因素的考验，烧嘴头部端面及煤浆、氧气喷头在高温侵蚀及煤浆磨蚀作用下，易产生龟裂、通道变大甚至穿孔等情况，未改造前的烧嘴通常在运行30天左右就开始出现烧嘴压差大幅波动，严重时烧嘴压差低直接导致气化炉联锁跳车。公司联合烧嘴维修厂家，对原有烧嘴进行技术研发改造，核心技术包括：

（1）外喷头的创新技术

提高外喷头的耐热耐腐蚀性能。其关键在材料和表面处理技术。选用性能更佳的金属材料，利用堆焊工艺堆焊性能更佳的金属材料，增加金属喷头使用寿命。

（2）中喷头的创新技术

提高中喷头内侧的耐磨损性能。其关键在耐磨材料及加工技术。

（3）内喷头的创新技术

提高内喷头外侧的耐磨损性能。其关键在耐磨材料及加工技术。通过金属喷头堆焊、喷涂陶瓷材料，或者研制金属\耐热耐磨粘接喷头，增加喷头使用寿命。

（4）三流道腔室技术研究

设计出优化的三流道腔室，关键在于三相流技术。依托火箭发动机的纯氧燃烧技术、三相流技术并结合现场煤种等工艺参数，通过相关计算优化三流道腔室结构，调整各喷头间隙，提高工艺烧嘴压差，由350-400 Kpa提高至550-600Kpa，首台高压差烧嘴于2019年4月份在6#气化炉投入运行，运行中压差稳定，该只烧嘴运行了78天后，出于对安全的考虑，气化炉主动停车检修，检查发现烧嘴头部磨蚀情况仍较好。

（5）烧嘴冷却水由盘管式改造成夹套式

增大烧嘴头部端面冷却水流量，降低烧嘴头部端面温度，防止温度过高冷却水盘管烧穿，有效的延长了烧嘴使用寿命。

烧嘴压差提高至580-600kPa后，运行稳定性明显增强，连续运行50-60天后，烧嘴压差才开始出现小幅波动，运行至70天以上时，压差波动幅度将逐渐加大，但几乎不再出现压差低跳车现象，而可能出现烧嘴冷却水中CO报警情况，说明烧嘴头部端面可能有裂纹，烧嘴发生了轻微泄漏，这种情况下通常会主动安排气化炉更换烧嘴连投或者手动停炉检修。高压差烧嘴实施后，烧嘴平均使用寿命突破了70天，最长达到了100天，气化炉因为烧嘴压差低导致的非计划停车次数大幅度降低，气化炉平均运行周期明显延长，目前已提高到60天以上。

图2 GE三通道烧嘴 图3 烧嘴头部预混合室

3.2提高煤浆质量

烧嘴压差波动时，高压煤浆泵入口管线振动较大，入口压力也随之波动，说明泵的吸入不顺畅，气化炉因烧嘴压差低跳车后，现场拆检高压煤浆泵入口管线及单向阀时，发现有较多的铁片、大的煤颗粒、杂物等，清理干净单向阀及入口管线后，气化炉重新连投时，烧嘴压差运行稳定,由此可断定，煤浆中有铁片、杂物等也是烧嘴压差低的重要影响因素，为此，装置采取了以下多种措施：

（1）煤储运系统增加除铁器，磨煤机出口滚筒筛内安装磁铁

煤储运系统前期也有除铁器，但数量较少，加上原料煤的用量较大，每天大约2万吨，致使除铁效果不佳。后期在送往气化用煤的皮带上再次增加除铁器，加强了除铁效果。另外，考虑到棒磨机在长周期的运行中，钢棒逐渐消耗，也会产生少量铁片，因此，在滚筒筛内安装磁铁，用以去除煤浆中的铁片。

（2）磨机出料槽泵出口增加专利型煤浆过滤器

该过滤器带有排污功能，可在线排出过滤掉的粗粒子、杂物等。

（3）滚筒筛小幅改造

将滚筒筛末端外边沿切除磨平，便于粗粒子、杂物能顺畅排出。同时滚筒筛出口增配粗粒子冲洗水，防止粗粒子、杂物累积堵塞出料管后进入磨机出料槽，最终进入煤浆槽和高压煤浆泵。

（4）泵的吸入口改造

煤浆中的粗粒子理论上沉降速度更快，更容易沉积在储槽的底部，为防止煤浆中的粗粒子进入磨机出料槽泵及高压煤浆泵，对泵的吸入口进行了小幅改造，即适当抬高了磨机出料槽泵的吸入口，高压煤浆泵的吸入口增加挡圈，这样粗粒子、杂物等在煤浆储槽底部沉积后可通过底部排污导淋直排排出，减小进入泵的概率。

（5）高压煤浆泵入口管线改造

高压煤浆泵入口管线原设计弯头多、水平段过长，煤浆中的大颗粒、杂物易于沉积，高压煤浆泵在较高负荷运行时存在吸入量不足、入口压力波动等现象。通过入口管线改造，增大管线的倾斜角度，利于煤浆进入高压煤浆泵，减少了大颗粒、杂物的沉积，高压煤浆泵吸入量通畅，入口压力稳定。

（6）优化调整、精心维护

岗位人员的精心操作调整、磨煤制浆设备的维护保养对于提高煤浆质量防止烧嘴压差降低也尤为重要，重点做好以下工作：

1）由于原料煤煤质不稳定，粒径大、煤矸石多，为保证制出的煤浆粒度分布合理，磨煤机的负荷不宜太高，同时，控制好研磨水、添加剂的配比，力求煤浆浓度、粘度稳定。

2）磨煤机的钢棒必须按规定量及比例添加。技术人员要做好钢棒添加记录台账，结合钢棒装填量、粒度分布等，定期挑拣出磨煤机内的细棒、断棒等，适时补充新钢棒，通常一个季度添加一次，添加量大约10吨。

3）滚筒筛粗粒子要定期冲洗，防止粗粒子累积过多进入磨机出料槽。磨机出料槽、煤浆槽要定期排污，防止粗粒子进入高压煤浆泵。

4）磨煤机筒体螺栓更换新型密封橡胶垫，螺栓加背帽，消除筒体漏浆螺栓，减少磨煤机的启停次数，从而稳定煤浆质量。

3.3重新建立烧嘴稳定流场

GE水煤浆工艺烧嘴为三通道预混式烧嘴，正常运行时，煤浆与中心氧在烧嘴头部混合均匀后喷出，再在外环氧的剪切冲击下进一步雾化，整个流场呈现出流速较高、雾化效果良好、煤浆与氧气混合均匀、烧嘴压差稳定的理想状态。在工艺烧嘴运行时间较长后，将不可避免的出现磨蚀、尺寸变形等现象，烧嘴抗干扰能力变差，在煤浆中有粗粒子、铁片等杂物或气化炉负荷、气化压力、氧煤比发生改变时，烧嘴原有的稳定流场将会遭到破坏，烧嘴压差将会出现大幅度波动甚至快速下降的现象，此时，煤浆进烧嘴前压力降低，煤浆流量则相对稳定不变，氧气进烧嘴前压力也降低而流量增加。为了破坏这种不稳定不理想的流场，通常采取一些非常规的操作，主要是大幅度的增减中心氧流量，人为的破坏那种不理想的流场，以此重新建立一种新的动态平衡，使烧嘴压差恢复到正常水平（如图4）。

非常规的操作手法也是最有效的方法就是操作人员在烧嘴压差降低后，及时大幅度的调整中心氧及总氧量，尤其是中心氧，其主要功能就是在烧嘴头部与煤浆预混合，中心氧量的大小决定了混合及雾化的效果，通过较大幅度的调整中心氧量，能有效的破坏原有的流场，快速恢复烧嘴压差。调整中心氧的同时可辅助调整总氧量，主要为了控制合适的氧煤比，防止因烧嘴压差降低时气化炉炉温过高。另外，为减少大幅度的调整对气化炉的冲击过大，烧嘴压差降低时，可适当降低气化炉的负荷煤浆流量。

图4 烧嘴压差降低后通过调节中心氧恢复正常

4、结语

烧嘴压差低是GE水煤浆气化工艺中较常见的问题，由于影响因素多种多样，因此也是不大好解决的问题。剧了解，国内有部分水煤浆气化装置为避免烧嘴压差低跳车将该联锁旁路，这纯粹是为了追求产量、追求气化炉长周期运行而不顾安全的冒险做法，存在巨大的安全风险和隐患。中天合创气化装置通过分析烧嘴压差低的各种原因，积极寻找对策、制定措施，彻底解决了烧嘴压差低跳车的问题，后期因烧嘴压差低停车次数几乎为零，目前装置运行水平不断提高，运行周期不断延长。

参考文献

[1] 周夏. 三流道内外混水煤浆气化工艺烧嘴浅析[J]. 化肥设计，2008,46(2):27-30.

[2] 李晓鹏，王晓伟. 单喷嘴水煤浆加压气化炉工艺烧嘴压差波动的探讨[J]. 煤化工，2017,45(2):62-65.