φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉烧嘴压差优化总结

张 超，陈佳俊，马庭强，张富国，杨传琦，张 垚，郑俊魁，吕鹏宇，郭祥辉

(河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡 453000)

0 引 言

河南心连心化学工业集团股份有限公司(简称河南心连心)气化装置采用华东理工大学与兖矿集团有限公司共同研发的、具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化工艺。其中，一期气化装置3台φ3 200 mm气化炉两开一备(简称A炉、B炉、C炉)，单台气化炉日处理原料煤1 200 t，设计操作压力为6.5 MPa；二期气化装置3台φ3 880 mm气化炉两开一备(简称D炉、E炉、F炉)，单台气化炉日处理原料煤3 000 t，设计操作压力为6.5 MPa。实际生产中，多喷嘴水煤浆气化炉存在诸多问题，比如高压煤浆泵故障率高、气化炉烧嘴压差波动大、气化炉渣口压差升高等[1]，业内经过多年的摸索与优化调整，这些问题在很大程度上得到了解决或缓解。近年来，河南心连心φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉烧嘴压差波动成为制约气化炉长周期运行的主要因素，后经分析与探讨，对烧嘴室尺寸、耐火砖结构以及烧嘴环隙尺寸进行了优化，烧嘴压差波动情况得到缓解，延长了气化炉的运行周期。以下对有关情况作一简介。

1 改造背景

河南心连心φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉运行过程中，经常出现烧嘴压差波动，导致烧嘴室壁温及烧嘴冷却水回水温度升高，偶尔也出现拱顶壁温升高，烧嘴端面烧蚀严重，气化炉运行周期短(平均仅43 d)，烧嘴压差波动成为制约气化炉长周期运行的主要因素。停炉检查发现，烧嘴室积渣严重，通过与业内企业及设备专利商的交流，初步判定烧嘴室积渣是导致烧嘴压差波动的直接原因。

为从根本上解决烧嘴压差波动问题，还需从消除烧嘴头部回流区后移问题入手，可对烧嘴室尺寸及耐火砖结构进行优化改进，消除或减弱烧嘴头部结渣问题[2]；另外，可对工艺烧嘴结构尺寸进行优化调整，提高入气化炉氧气、煤浆的动量，促使回流区远离烧嘴。为此，河南心连心计划对烧嘴室耐火砖及烧嘴环隙进行优化改造。与同行业φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉厂家进行对标得知，相较于φ3 200 mm多喷嘴水煤浆气化炉，φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉因烧嘴直径变大，导致烧嘴室直径被迫放大，而烧嘴室直径越大，烧嘴室积渣越严重。

2 优化改造方案

(1)改造原则：① 所制定的改造方案，需理论结合实际进行多方论证；② 要充分考虑改造可能造成的运行风险，做好后备应对措施，减少试验不成功造成的损失；③ 若改造试验不成功，设备应能恢复至原来的状态。

(2)优化改造方案：① 烧嘴室尺寸及耐火砖结构优化——适度缩小烧嘴室直径(由当前的360 mm缩小至325 mm，再由325 mm缩小至300 mm)，并将烧嘴室出口上部耐火砖由原来的带11°切角改为无切角，以减少烧嘴室积渣；② 适度提高出烧嘴氧气流速——据烧嘴环隙设计参数，核算氧气流速，优化烧嘴环隙尺寸。

3 改造试验及试运行情况

3.1 第一阶段

第一阶段改造试验——将烧嘴室直径由当前的360 mm缩小至325 mm，并将烧嘴室出口上部耐火砖由原来的带11°切角改为无切角。

本项技改已在D炉、E炉、F炉上实施，改造后气化炉烧嘴压差波动问题明显好转，气化炉运行周期较改造前最长44 d有了明显提升，试运行阶段实际运行时长分别为：2022年5月25日—8月6日D炉运行73 d，2022年7月7日—9月13日F炉运行68 d，2022年8月6日—10月28日E炉运行84 d。从3台气化炉第一阶段改造后的运行情况来看，烧嘴压差波动问题明显好转，但仍存在不同程度的短时波动，需进一步进行优化。以D炉为例，技改后其试运行情况如下。

3.1.1 D炉运行情况

烧嘴室尺寸及耐火砖结构优化改造的第一台气化炉为D炉。D炉烧嘴室耐火砖改造后于2022年5月25日投运，8月6日停车检修，本周期累计运行73 d。D炉所用主流原料煤煤种为神华煤、崔家沟煤、尔林兔煤，掺配煤种为柠条塔煤、红岩煤，煤浆负荷在134～137 m3/h，氧煤比控制在503～505 m3/m3。

2022年5月27—31日，相同煤种[尔林兔煤∶神华煤∶柠条塔煤=3∶1∶1(质量比，下同)]下运行，D炉烧嘴压差未波动，E炉(当时E炉尚未实施缩小烧嘴室直径技改，其烧嘴室直径仍为360 mm)烧嘴压差波动8 h。

2022年6月8—10日，本批次原料煤灰分为崔家沟煤8.37%、神华煤8.51%、柠条塔煤11.26%，灰熔点为崔家沟煤1 178 ℃、神华煤1 191 ℃、柠条塔煤1 177 ℃，D炉原料煤煤质较差(D磨机崔家沟煤∶神华煤∶柠条塔煤=3∶1∶1，G磨机崔家沟煤∶神华煤∶柠条塔煤=3∶1∶1)，E炉原料煤煤质相对较好(E磨机崔家沟煤∶神华煤=3∶1，G磨机崔家沟煤∶神华煤∶柠条塔煤=3∶1∶1)，不同煤种下运行，D炉烧嘴压差无波动，E炉烧嘴压差波动38 h。

2022年6月16—18日，本批次原料煤灰分为尔林兔煤7.29%、红岩煤6.96%、柠条塔煤11.84%，灰熔点为尔林兔煤1 141 ℃、红岩煤1 214 ℃、柠条塔煤1 220 ℃，D炉原料煤煤质较差(D磨机尔林兔煤∶红岩煤∶柠条塔煤=2∶1∶1，G磨机尔林兔煤∶红岩煤∶柠条塔煤=2∶1∶1)，E炉原料煤煤质相对较好(E磨机纯尔林兔煤，G磨机尔林兔煤∶红岩煤∶柠条塔煤=2∶1∶1)，不同煤种下运行，D炉烧嘴压差无波动，E炉烧嘴压差波动47 h。

2022年7月5—6日，本批次原料煤灰分为崔家沟煤7.98%、红岩煤8.68%、神华煤6.57%、柠条塔煤10.54%，灰熔点为崔家沟煤1 186 ℃、红岩煤1 209 ℃、神华煤1 170 ℃、柠条塔煤1 120 ℃，D炉原料煤煤质较差(D磨机神华煤∶红岩煤=3∶1，G磨机崔家沟煤∶柠条塔煤=2∶1)，E炉原料煤煤质相对较好(E磨机崔家沟煤∶神华煤=2∶5，G磨机崔家沟煤∶柠条塔煤=2∶1)，不同煤种下运行，D炉烧嘴压差无波动，E炉烧嘴压差波动37 h。

D炉停车后，对其烧嘴进行检查，D1、D2烧嘴端面状况较好，D3、D4烧嘴端面有轻微龟裂；D3烧嘴的外环氧管有明显烧蚀痕迹，其他D1、D2、D4烧嘴外环氧管未发现有烧蚀痕迹；对其烧嘴室进行检查，D炉烧嘴室向火面耐火砖无明显的冲刷侵蚀痕迹，耐火砖完好，但烧嘴室仍存有积渣现象，不过积渣程度相较于之前有明显好转。

3.1.2 D炉烧嘴与耐火砖测量数据

(1)D炉烧嘴拔出后进行PT探伤检查及烧嘴环隙测量，结果显示：D3烧嘴受损最严重，其他3支烧嘴基本无损伤；D3烧嘴数据偏差最大，外氧环隙S2最小为2.2 mm(正常值为3.52 mm)，外氧顶间隙H1为0.2 mm(正常值为1.0 mm)，端面龟裂最为严重，这也是D3烧嘴运行时氧气管线压力高的原因；D4烧嘴端面同样有龟裂现象，D1、D2烧嘴端面龟裂很小。

(2)第一阶段技改后的2022年8月16日(当时耐火砖运行时长8 950.34 h)，对D炉进行测量，拱顶、上筒体、下筒体、上膨胀缝、下膨胀缝、锥底耐火砖之时损率分别为0.005 mm/h、0.005 mm/h、0.008 mm/h、0.007 mm/h、0.009 mm/h、0.005 mm/h；而第一阶段技改前的2022年1月19日(当时耐火砖运行时长5 558.90 h)，对D炉进行测量，拱顶、上筒体、下筒体、上膨胀缝、下膨胀缝、锥底耐火砖之时损率分别为0.004 mm/h、0.004 mm/h、0.006 mm/h、0.005 mm/h、0.007 mm/h、0.001 mm/h。可以看到，技改后耐火砖整体时损率增大，比上次检测时平均增加0.002 mm/h，烧嘴室耐火砖整体冲刷减薄速率较之前加快，需进一步进行验证。

3.2 第二阶段

第二阶段改造试验——在缩小烧嘴室直径的基础上缩小烧嘴环隙，提高氧气流速，以优化煤浆雾化效果。

φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉原烧嘴尺寸为，外环氧通道(宽度)3.52 mm、煤浆通道11.51 mm、中心氧通道12.5 mm，设计氧气流速108～133 m/s；新烧嘴尺寸为，外环氧通道(宽度)3.52 mm、煤浆通道10.81 mm、中心氧通道12.0 mm，设计氧气流速105～138 m/s。本项改造试验在E炉上进行，改造后E炉自2022年8月6日—2022年10月28日共运行84 d。从改造后E炉的运行情况来看，烧嘴环隙缩小后，与之前相比并无明显变化，即烧嘴环隙减小并不能避免烧嘴压差波动——在小环隙烧嘴氧气流速高达137 m/s时，E炉烧嘴压差仍会出现大幅波动，且E炉烧嘴压差波动时瞬时氧气流量变化幅度大于原环隙尺寸烧嘴。

3.3 第三阶段

第三阶段改造试验——在前两个阶段改造试验的基础上在烧嘴外环氧管包裹高温岩棉，保护烧嘴外环氧管不直接受到烧蚀。

本项改造试验在D炉上进行，改造后D炉自2022年9月13日—2022年11月28日共运行76 d，期间D炉同时进行提负荷试验。从改造后D炉的运行情况来看，煤浆负荷由138 m3/h提至152 m3/h的工况下烧嘴压差整体稳定，D炉停车后检查显示其烧嘴室积渣明显减少、外环氧管没有回火烧蚀痕迹。

3.4 第四阶段

第四阶段改造试验——在前三个阶段改造试验的基础上继续缩小烧嘴室直径，由325 mm缩小至300 mm。本项改造已在E炉实施(同时在烧嘴外环氧管包裹高温岩棉)，改造后E炉运行情况小结如下。

(1)烧嘴压差仍存在波动，但波动时长明显缩短，本运行周期内E炉烧嘴压差波动总时长150 h，较烧嘴室直径为325 mm时烧嘴压差波动时长明显减少(F炉烧嘴室直径为325 mm时，其烧嘴压差波动时长为203.5 h)。

(2)烧嘴室直径缩小至300 mm的技改完成后，E炉于2022年11月28日投运，2023年3月3日停车检修，本轮运行周期累计时间长达96 d，相较于此前的气化炉运行周期43 d有了大幅提升。

(3)烧嘴压差波动时间明显减少，烧嘴压差波动易恢复，且气化炉运行后期烧嘴压差基本上未出现波动；烧嘴压差波动时，烧嘴室温度平稳，烧嘴冷却水回水温度平稳，烧嘴冷却水进/回水流量稳定。

(4)停车后拔出烧嘴检查，E2烧嘴停车前压差相对稳定，运行状况较好；E4、E3烧嘴因停车前烧嘴压差波动未恢复，其端面有明显龟裂现象，烧嘴头部包裹的浇注料几乎完好；E1烧嘴端面仅有轻微龟裂现象。

(5)烧嘴煤浆环隙、氧气通道环隙均有不同程度磨损——4支烧嘴煤浆环隙磨损量2.19～3.24 mm，与以往的不同之处是，外氧通道与煤浆环隙距离、外氧通道与内氧通道距离均增加，而此前烧嘴运行后其测量结果与本次测量结果截然相反。

4 改造效果总结

(1)第一阶段D炉、E炉、F炉烧嘴室直径缩小改造(由360 mm缩小至325 mm)，对烧嘴压差波动抑制效果明显，气化炉运行周期较改造前有明显提升，但烧嘴压差仍存在不同程度的短时波动，需进一步优化。

(2)第二阶段E炉烧嘴环隙缩小后，并未能避免烧嘴压差波动，在小环隙烧嘴氧气流速高达137 m/s或掺烧的原料煤煤质分析数据超标时，E炉烧嘴压差仍会出现大幅波动，且E炉烧嘴压差波动时瞬时氧气流量变化幅度大于原环隙尺寸烧嘴。

(3)第三阶段D炉烧嘴外环氧管包裹高温岩棉，D炉同时进行提负荷试验，煤浆负荷由138 m3/h提至152 m3/h，烧嘴压差整体稳定，烧嘴室积渣明显减少，外环氧管未发现有回火烧蚀痕迹。

(4)第四阶段E炉进行烧嘴室直径进一步缩小改造(由325 mm缩小至300 mm)，其运行周期明显延长，烧嘴压差仍存在波动，但波动时长明显缩短且易恢复，烧嘴压差波动时相关参数稳定，烧嘴检查情况相对较好，烧嘴煤浆环隙、氧气通道环隙有不同程度磨损。

5 结束语

烧嘴是多喷嘴水煤浆气化炉的核心设备之一，而烧嘴压差是其核心运行参数之一，一般波动0.01～0.03 MPa可视为正常，倘若出现烧嘴压差大幅降低，甚至长期在0.1 MPa低压差下运行，会加剧烧嘴端面龟裂和烧蚀，大大缩短烧嘴的使用寿命[1]。据河南心连心气化炉技术攻关团队总结与分析，除了烧嘴室直径、烧嘴结构及烧嘴环隙大小等因素外，原料煤煤种变化、原料煤粒度偏大、烧嘴间隙磨损、烧嘴实际负荷偏离设计负荷过大等均是造成烧嘴压差波动的原因；将φ3 880 mm多喷嘴水煤浆气化炉烧嘴室直径适度改小后，烧嘴压差波动情况得到缓解，大大延长了气化炉的运行周期。此外，当烧嘴压差波动时，经过一段时间的摸索与尝试，适度降低氧气流量、调整煤浆流量、调整中心氧比例、调整配煤比例，均能达到较好的处理效果，助力气化炉的安、稳、长、满、优运行。