关于GE水煤浆气化炉烧嘴压差低的探讨

徐银桥

( 中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100 )

烧嘴压差也被称为煤浆压差，具体是指煤浆管线炉头压力与气化炉燃烧室取压管线压力之差，它能反映出烧嘴磨损量及煤浆的喷射雾化效果。当烧嘴压差出现大幅降低、频繁波动时，它会严重影响气化炉的稳定运行，严重时，甚至会导致后系统大幅度减负荷，严重影响生产连续性。

1 烧嘴压差低的现象与危害

1.1 烧嘴压差波动的现象

气化炉在正常运行期间，煤浆投放量、氧气量、气化炉操作压力、温度均没有出现明显变化的情况下，烧嘴压差出现频繁、大幅度的波动。具体的现象为烧嘴压差在运行趋势上呈大幅度波动，最低时降至0，后又突然恢复（恢复到正常值的情况较少，多为反复波动），如此反复。并且没有规律性，即使换上新的烧嘴，也经常是几天内就再次出现上述情况，大部分情况下，则是待烧嘴使用至半个运行周期时才出现这种现象（烧嘴运行周期为90天）。另外，因烧嘴压差波动严重且无法自行恢复的情况而停车的次数达到13次，如图1。

图1 烧嘴压差波动时的趋势图

1.2 烧嘴压差低带来的危害

气化装置以磨机制出的煤浆为原料，以空分提供的高纯度氧气为气化剂，两者在气化炉内充分燃烧产出粗煤气。当烧嘴压差降低时，被烧嘴喷头喷出的煤浆流速就会降低，同时，外环氧的喷射角度也随之改变，导致煤浆的雾化效果差。烧嘴压差频繁波动会引起连锁反应，煤浆颗粒燃烧不完全，渣中残碳含量升高，使有效气成分降低，碳利用率下降；烧嘴喷射的动能低，导致气化炉燃烧室内火焰长度缩短，火焰距离烧嘴过近，造成烧嘴大法兰温度过高，且燃烧不完全的灰渣也会对拱顶砖直接冲刷，大大缩短了耐火砖的使用寿命；同时，烧嘴压差低时，发生回火的概率也大大增加，使烧嘴端面和冷却水盘管烧穿的概率增加。

2 造成烧嘴压差低的可能性原因探讨

2.1 工艺烧嘴本身质量

华鹤公司GE水煤浆气化技术采用的工艺烧嘴为三流道外混式烧嘴，中心管与外环隙流道介质为高压氧气，内环隙介质为煤浆。随着运行时间的增长，煤浆对工艺烧嘴内流道的磨损日益严重，流道壁厚逐步变薄、环隙扩大、烧嘴雾化效果变差，表现现象为烧嘴压差逐渐降低，并出现频繁波动。

在频繁出现因烧嘴压差问题停车的情况后，工艺和保运部门展开了专题研究会，对烧嘴环隙、喷头磨损等情况进行全面检查和论证，并未发现明显的问题。随后，在2018年11月8日B#气化炉更换新烧嘴后，仅使用了13天，就再次因烧嘴压差低导致停车，结合以往经验与气化炉运行数据分析，判断出并非工艺烧嘴原因造成此次停车，在未更换烧嘴的情况下，B#气化炉做联投处理，投料后烧嘴压差又趋于稳定，这也证明了工艺烧嘴本身的质量并不是引起的烧嘴压差低的直接原因。

2.2 高压煤浆泵进口蓄能器、出口缓冲罐

华鹤公司的高压煤浆泵选型为三缸单作用往复泵，其中煤浆泵的出口缓冲罐是为了弥补缸体往复冲程产生的出口脉冲压力波动，其每次开车前需将蓄能器压力充至高压煤浆泵正常工况运行压力的80%。每当因烧嘴压差低的原因停车后，安排对出口缓冲罐进行检查，发现入口蓄能器、出口缓冲罐压力均正常、软管无泄漏，证明高压煤浆泵本体配件不是造成烧嘴压差低的直接原因。

2.3 煤浆管线沉积

随着运行时间的增长，煤浆沉积也在不断增加。尤其是高压煤浆泵进口管线的水平段出现煤浆硬沉积的可能性最大。当煤浆硬沉积占据管线内部空间达到一定程度时，会使煤浆在管道内的流动受到影响，从而影响高压煤浆泵的泵送量（见图2）。

图2 煤浆管线沉积

在出现烧嘴压差波动时，最常用的处理方法是现场员工对水平段煤浆管线进行连续性敲击，此时，可以起到一定效果。此时，将煤浆泵入口管线上的导淋阀打开排浆，发现煤浆的流动性极差，非常不易排出，管线底部的煤浆硬度较高，从而判断煤浆泵入口管线的沉积现象是间接影响因素。

2.4 高压煤浆泵单向阀卡塞

煤浆中的沉积、结块、絮团、大颗粒以及铁片，这些都会造成高压煤浆泵单向阀回座时间长或卡塞，进出口单向阀卡塞严重时会导致单缸不打量，煤浆流量计会明显下降，如不及时调节氧煤比，会造成炉温激剧升高设备损坏。在烧嘴压差波动时，现场对高压煤浆泵每个缸测温、测振以及利用听针听缸体有无异响，并对单向阀进行敲击，烧嘴压差有时会恢复正常，但仍避免不了停车。由此证明，大颗粒积累致使单向阀卡塞导致密封不严、产生回流也是引发烧嘴压差低的间接原因。

2.5 煤浆槽搅拌器搅拌效果

华鹤公司煤浆槽基本参数：内部容积402m3，总高度11.7 m，宽6.8m，最上层桨叶高度5.8m，直径4.2m，下层桨叶高度2m，直径2.9m，每层桨叶均有3个叶片，内壁有三块挡板，呈120°均布，其作用为将煤浆的旋转运动改为垂直翻转运动，切向流受到抑制或阻碍，槽内产生上下翻动的大幅度运动，消除旋涡，同时，改善所施加功率的有效利用率，加强混合效果。但是，从顶部人孔观察内部混合情况，发现效果并不理想。后期在清理煤浆槽时发现，煤浆槽内壁和底部结构层较多。此前，气化装置曾出现过因煤浆槽内壁硬沉积脱落，堵塞高压煤浆泵入口管线与煤浆槽连接的进料柱塞阀造成停车，从而证明煤浆槽搅拌器的搅拌效果不佳也是一个间接因素。

2.6 煤浆质量

从上面的5个问题也可以看出，不论是烧嘴系统本身，或者是高压煤浆泵系统，亦或者煤浆槽及煤浆管线，最终指向均是煤浆质量问题，若要从根本上解决烧嘴压差波动的问题，就要紧抓煤浆质量问题不放。

从2016年开始，受到黑龙江煤炭市场价格的影响，华鹤公司的气化用煤主要来自金泽、隆鑫、鑫宏达等地方小矿。这些煤的共同特点是高灰分、高灰熔点、成浆性差，因烧嘴压差低而停车的问题自此开始凸显。因此，如何保证在现有煤质的基础上提高煤浆质量，成为解决烧嘴压差问题的关键所在。

3 工艺上的配合改进与优化

3.1 去除原料煤中的杂质

气化原料煤由煤矿拉入煤储运堆场，再送入预破碎工段进行破碎，经皮带输送至磨煤厂房煤仓。原料煤进入煤仓前的皮带装有电磁除铁器用于除去混入煤中的铁质品，但除铁效果不理想，曾经在磨煤机下料口发现过压扁的铁丝和螺母，同时，磨煤机钢棒和耐磨钢衬的损耗也是煤浆管道内出现铁片的重要原因之一。

为此，气化装置已对滚筒筛进行了改造，在滚筒筛靠近磨煤机出口的出浆区域增加了16块永磁，用于吸附从煤浆中的铁屑，每周清理一次，能基本除去煤浆中的铁屑（见图3）。

3.2 磨煤机滚筒筛改造

根据日常对煤浆样的检查发现，在烧嘴压差波动时，时常能在煤浆中见到大颗粒，用水冲洗后测量，最大的粒径为4mm颗粒，磨煤机滚筒筛的筛孔尺寸为4×20mm，煤浆从磨煤机溢流口溢出后，做受重力作用竖直下落，而滚筒筛随磨煤机转动14.45r/min，所以筛孔长度20mm不能减小。煤浆颗粒多呈不规则形状，偶尔有部分片状的颗粒或异物也可通过滚筒筛，造成大颗粒进入煤浆泵，使煤浆泵单向阀卡阀或密封不严。为了解决煤浆中存在大颗粒的问题，气化装置在不影响煤浆通过率的情况下，将滚筒筛筛孔尺寸改为2.5×20mm。

图3 磨煤机出口煤浆铁屑清理出的铁屑

3.3 优化磨煤机钢棒装填量以及保证磨煤机的连续运行

华鹤公司气化装置采用的磨煤机为溢流式棒磨机，筒体规格φ3600×5800，最大产生能力45t/h（干基），钢棒推荐填装量90t，最大装棒量110t。钢棒分为三种规格φ75、φ65、φ50，原始配比为3:4:3（质量比）。

在煤浆的制备过程中，如果粗颗粒较多，那么，煤浆黏度会下降，流动性变好，但由于颗粒较重，颗粒重力就会超过粒子间的相互作用力，从而使煤浆的悬浮体系开始分层、沉降，最终导致煤浆稳定性变差，1个小时就会让煤浆上下分层。反之，如果煤浆中的细颗粒较多，那么，粒子间的凝聚力增大，形成更多的粒子凝聚团，稳定性提高了，但煤浆的黏度会随平均粒径的减小而迅速增大，流动性变差。因此，适当的粒度分布是制取高浓度、流动性好、稳定性好的水煤浆的根本保证。磨煤机在高负荷运行和钢棒填装量少的情况下都会造成煤浆粒度变粗。

之前，气化装置磨煤机钢棒填装量已接近最大值110t，过多的填装钢棒造成磨煤机电机载荷大、耗电量多；同时，减少了磨煤机的有效研磨容积，影响磨煤机钢棒的提升高度，使钢棒不易被抛出，研磨力降低，反倒容易产生大颗粒。

磨煤机筒体内部衬板采用耐磨钢衬，衬板与筒体、端盖之间设有耐酸碱橡胶垫，以降低噪音和振动，衬板螺栓处均设有密封垫防止渗漏。但随着磨煤机运行时间的增长，部分密封垫螺母会出现松动，在多次紧固后出现密封垫失效现象，此时，只能停磨煤机更换新的密封垫。更换一个密封垫需要大约半小时时间。在此期间，磨煤机内部煤浆缺乏钢棒的研磨，大部分新进的原料煤与水还没有经过充分的研磨、混合，并随着时间的推移开始在内部产生分层。虽然这种现象会在磨煤机重新启动后开始好转，但是，确实会有大部分未经充分研磨的煤浆被送入煤浆槽，久而久之，就会造成煤浆槽内煤浆质量下降。

目前，气化装置已经对密封垫材质进行了优化、紧固，螺母由原来的一颗改为两颗，并借每年的小修机会，对密封垫、螺栓进行部分更换。尽可能地减少磨煤机停车次数与时间，只有磨煤机连续稳定运行，才能保障制得均匀稳定的煤浆。此后，煤浆参数开始出现好转，详见表1。

表1 煤浆参数优化

3.4 煤浆槽搅拌器改造

气化炉维持常规负荷时，若要将煤浆大槽内的所有煤浆置换完成，需要至少10个小时的时间。为了改善煤浆在大槽内的混合情况，使之在停留时间内充分搅拌均匀，我们将煤浆大槽液位控制在60%左右，尽量减少煤浆的停留时间，使煤浆分层和硬化沉积出现的可能性降低。同时，准备对煤浆大槽的搅拌器进行重点改造，计划在主轴可允许的受力范围内增加一层桨叶，并增大叶片直径，以提高对煤浆的搅拌效果。

3.5 煤浆管线防沉积改造

在煤浆泵入口管线的水平段和斜坡段各增加一个振打器，设定为每小时开启一次，单次开启时间持续2分钟，利用振打器的高频率敲击，使管线内的煤浆挂壁以及沉积情况大大改善；同时，在煤浆大槽底部增加一条排浆管线并引至地沟，定期开关一次，将沉积在煤浆大槽底部的煤浆排出，以减小煤浆槽内部沉积和形成垢片的概率；同时，在管道布置、管道尺寸上进行重新设计与推算，以达到减小入口管线平直管的长度和增加入口流速的目的（图4）。

图4 煤浆泵入口管线振打器

4 结语

GE水煤浆技术工艺烧嘴的稳定运行与使用是离不开设备与工艺技术支持的。在摸索前行的同时，我们也在不断地积累运行经验。2016～2017年的20余次停车中，我们也逐渐摸到了门路，虽然还未彻底解决此难题，但我们不断地优化和实践改进也确实取得了初步成果，煤浆的制浆质量得到了提升，这也极大地降低了因烧嘴压差低停车的可能性。接下来，华鹤公司会与业界同仁一同积极交流相关经验，为使气化技术安全、稳定、长周期运行而共同努力。