煤气化炉烧嘴冷却水监控系统的优化设计

余 超

（莱卡国际生物科技有限公司，山西 平定 045200）

引言

煤炭在我国能源结构中占据主导地位，我国处于煤炭资源丰富、油气资源相对不足的现状。在当前环境保护要求越发严格的年代，对清洁能源的要求越高，使得煤化工行业的需求量越大。煤气化炉为煤化工行业的关键设备，而决定煤气化炉能够稳定运行的关键部件为烧嘴。在实际生产中，由于对冷却水监控不到位导致烧嘴经常发生破裂从而影响煤气化炉的使用性能[1]。因此，对煤气化炉烧嘴冷却水监控系统的优化是十分有必要的。

1 煤气化炉循环冷却水系统及监控系统概述

1.1 煤气化炉烧嘴循环冷却水系统结构概述

煤气化炉烧嘴的主要作用是将水煤浆和氧气充分混合后进入煤气化炉中，保证后续的氧化反应充分。煤气化炉烧嘴分为三层结构包括有环氧层、喷射层和中心氧管。在煤气化炉烧嘴的作用下将水泥煤浆与氧气充分混合后生产粗煤气。在实际生产过程中，煤气化炉中的温度最高可达到1 320℃[2]。因此，为了避免煤气化炉烧嘴在高温下寿命降低并失效，在其外层配置有一层循环冷却水。一般的煤气化炉烧嘴循环冷却工艺装置结构如图1所示。

鉴于煤气化炉中特殊的工艺，烧嘴循环冷却装置配置有安全联锁机构。当烧嘴冷却装置发生故障时，煤气化需要紧急停止运行，保护烧嘴不会被高温环境而腐蚀。同时，煤气化炉烧嘴冷却水系统共有两台水泵，采用一备一用的工作原则。此外，鉴于煤气化炉烧嘴的工作环境较为恶劣，对其管材和制备材料的要求较高。比如：烧嘴结构中与氧气接触的材质为镍-铬-铁基固溶强化合金；烧嘴结构中与浆料接触部位的材质为含有抵抗晶间腐蚀的钛[3]。

1.2 煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统

煤气化炉烧嘴常见的故障形式为裂纹和沙眼。当出现上述故障时，随着生产的进行会有部分工艺高压气体混入循环冷却水系统中。工艺高压气体的主要成分为CO，因此，对循环冷却水中CO的含量进行检测了判断烧嘴循环冷却水的盘管是否出现故障。

目前，煤气化炉循环冷却水监控系统的结构如图2所示。

如图2所示的煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统发挥功能的核心仪器为CO在线分析仪。在实际生产中，往往存在CO分析仪已经失效或者监测数据不准确时，现场作业人员还不知道情况导致无法及时、准确判断煤气化炉是否需要停机，从而导致烧嘴被腐蚀甚至完全损坏。此外，当烧嘴盘管破裂后存在高压工艺气体渗透进入相邻煤气化炉循环冷却水的盘管中，从而导致相邻煤气化炉循环冷却水的CO在线分析仪检测到超量的CO导致误报警。

因此，急需对煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统进行优化设计，以提高监控系统的可靠性和响应速度。

2 煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统的优化设计

2.1 优化总体思路

通过上述分析可知，导致烧嘴循环冷却水监控系统可靠性低的主要原因是作业人员无法判断CO在线分析仪所测的数据是否准确，无法评估CO在线分析仪是否出现故障。

优化总体思路：拟通过为煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统再配置一套备用的CO在线分析，两台CO在线分析仪同时对循环冷却水中的CO含量进行监测，当其中一套CO在线分析仪精度受到影响或者出现故障时，两套CO在线分析所测得数据差异明显，从而保证作业人员不会因为故障CO在线分析仪误报警而草率停机，进而造成产量的降低；同时，当其中一台CO在线分析仪出现故障后，备用CO在线分析仪依然可以保证煤气化炉的正常运行，不需要煤气化炉完全停机对故障CO在线分析仪进行检修，从而减少了煤气化的停机时间[4]。

结合上述优化总体思路，在完成备用CO在线分析仪与煤气化炉管线路连接的基础上，对其相应的控制线进行布置。针对CO在线分析仪与煤气炉化循环冷却水系统采用两通阀门或六通阀门进行连接。本节具体对两通阀门和六通阀门的连接方式进行对比

2.2 管线连接方式对比

两通阀门连接方式和六通阀门连接方式对应的切换方案分别如图3、图4所示。

如图3所示，采用两通阀门连接方式具有结构简单的优势。但是，采用两套阀门的形式实现备用CO在线分析仪的连接时效性较差，检修困难且可靠性偏低。

如图4所示，基于六通阀门连接方式可根据实际情况采用图中所示的阀门位置1和阀门位置2对线路通断进行控制，从而实现了多个CO在线分析仪的自动切换，而且还可在不影响煤气化炉正常运行的情况对出现故障CO在线分析仪进行隔离检修。

2.3 烧嘴循环冷却水管线的优化设计

针对烧嘴盘管破裂导致高压工艺气体渗透进入相邻煤气化炉烧嘴的循环冷却水的盘管中导致误报警的问题，做出如下改造。

在每台煤气化炉烧嘴入口切断阀前加装一个止回阀。加装止回阀的主要作用是避免高压工艺气体串入相邻煤气化炉烧嘴循环冷却水系统的盘管中[5]。此外，为了避免由于烧嘴盘管发生泄露而导致煤气化炉跳车，从而导致盘管炸裂并损坏烧嘴的问题，在切断阀之后安装一个安全阀。加装止回阀和安全阀后的效果如图5所示。

3 结语

煤气化炉为煤化工中的关键设备，其是水煤浆进行充分氧化反应的场所，对应的产物为粗煤气。对于煤气化炉而言，烧嘴为其关键零部件，该零部件能够实现水煤浆与氧气的充分混合，为后续的氧化反应奠定基础。为保证烧嘴在高温高压环境的寿命和性能配置循环冷却水系统是十分有必要的。本文重点对烧水循环冷却水监控系统进行优化，具体包括如下：

1）为每天煤气化炉烧嘴循环冷却水监控系统配置一套备用CO在线分析仪，并采用六通阀实现管路的连接；

2）针对高压工艺气体传入其他煤气化炉烧嘴盘管的问题，在切断阀之前安装止回阀并在其后安装安全阀避免盘管炸裂。