湯霞槐，唐高榮，陳 超，米世海

(兗礦集團(tuán)貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司 貴州貴陽(yáng) 550300)

兗礦集團(tuán)貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)陽(yáng)化工公司)針對(duì)貴州當(dāng)?shù)亍叭呙骸?高灰分含量、高灰熔點(diǎn)、高硫含量)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出以西南地區(qū)原煤為主要原料的干煤粉氣化技術(shù)，兼具干煤粉氣化技術(shù)與水煤漿氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，為“三高煤”的清潔高效利用提供了新的方向。開(kāi)陽(yáng)化工公司500 kt/a合成氨裝置配置2臺(tái)氣化爐，不設(shè)備爐，投煤量為1 200 t/d，操作壓力4.0 MPa，有效氣(C0+H2)產(chǎn)量70 000 m3/h(標(biāo)態(tài))；合成氣出口壓力3.8 MPa，出口溫度205～207 ℃，含塵質(zhì)量濃度0.5～0.8 mg/m3(標(biāo)態(tài))，水汽比為1；氣化爐比氧耗340 m3(標(biāo)態(tài))，比煤耗650 kg，冷煤氣效率80%，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98%。

作為國(guó)內(nèi)首套“三高煤”干煤粉氣化工業(yè)化裝置，氣化爐自投運(yùn)以來(lái)不可避免地出現(xiàn)了一些問(wèn)題。圍繞氣化裝置在試車(chē)及后期運(yùn)行中出現(xiàn)的點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火成功率低、火檢信號(hào)不穩(wěn)定、內(nèi)外環(huán)氧調(diào)節(jié)困難等突出問(wèn)題，開(kāi)陽(yáng)化工公司開(kāi)展了點(diǎn)火燒嘴結(jié)構(gòu)研究，逐步完善了改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)逐步實(shí)施，解決了影響氣化爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。

1 點(diǎn)火成功率低的原因及其改進(jìn)

1.1 點(diǎn)火成功率低的原因

點(diǎn)火燒嘴的主要功能是提供氣化爐投料時(shí)所需熱量，將氣化爐從冷態(tài)運(yùn)行至熱態(tài)，在惰性氣氛、帶壓(0.3～0.6 MPa)條件下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。點(diǎn)火時(shí)采用液化石油氣(LPG)作燃料氣，投料運(yùn)行正常后改用變換系統(tǒng)返回的水煤氣。

開(kāi)陽(yáng)化工公司三噴嘴氣化爐點(diǎn)火燒嘴采用水夾套冷卻式結(jié)構(gòu)，燒嘴中心為燃料氣通道、火檢及火檢保護(hù)氮?dú)馔ǖ?，夾套間隙為氧氣通道(分內(nèi)、外環(huán))。點(diǎn)火電極位于燃料氣通道出口，內(nèi)、外環(huán)氧氣通道均設(shè)冷卻水保護(hù)。

點(diǎn)火燒嘴工作流程：點(diǎn)火前氣化爐置換合格(含氧體積分?jǐn)?shù)<0.5%)，氣化爐壓力控制在0.5～0.6 MPa，調(diào)節(jié)氧氣與燃料氣壓力、流量；啟動(dòng)點(diǎn)火順控，火檢監(jiān)控觀察點(diǎn)火情況，點(diǎn)火成功后將燃料氣由點(diǎn)火管線切換至運(yùn)行管線，氣化爐進(jìn)行升溫升壓；逐漸提高燃料氣量至500～600 m3/h(標(biāo)態(tài))，氧氣量隨氧燃比串級(jí)調(diào)節(jié)；氣化爐壓力升至3.5 MPa時(shí)投料，投料成功后燃料氣量降至300～350 m3/h(標(biāo)態(tài))，點(diǎn)火燒嘴保持運(yùn)行(長(zhǎng)明燈)。

點(diǎn)火燒嘴在前期運(yùn)行中點(diǎn)火成功率較低，經(jīng)分析，認(rèn)為其主要原因[1]：點(diǎn)火燒嘴所用點(diǎn)火槍采用拉弧放電方式，點(diǎn)火能量過(guò)低(約2 J)，難以在惰性環(huán)境下將LPG點(diǎn)燃；此外，氧氣與燃料氣通過(guò)內(nèi)環(huán)的2個(gè)Φ5 mm小孔進(jìn)行混合，混合效果較差，較難在點(diǎn)火槍放電時(shí)間內(nèi)形成混合氣體，導(dǎo)致點(diǎn)火困難。

1.2 優(yōu)化改進(jìn)[2]

針對(duì)上述問(wèn)題，確定了改進(jìn)方案，經(jīng)模擬分析后聯(lián)系專(zhuān)業(yè)制造企業(yè)對(duì)點(diǎn)火燒嘴進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

(1) 改進(jìn)工藝介質(zhì)通道。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴共設(shè)4層通道，介質(zhì)分別為冷卻水、氧氣、燃料氣和氮?dú)?。氮?dú)馔ǖ牢恢眉爸睆讲蛔儯鯕獠辉倥c冷卻水通道混為一體。氧氣通道與燃料氣通道在燒嘴內(nèi)部無(wú)法相通，兩者只有在噴出燒嘴端面后才能混合，即采用非預(yù)混燃燒，提高了安全性。

(2) 改進(jìn)冷卻水通道。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴只設(shè)1層水夾套，即外層冷卻水通道。夾套采用高效旋流結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)過(guò)特殊處理的耐高溫、抗氧化材料，提高了燒嘴端面的冷卻效果。冷卻水端面將點(diǎn)火槍尖完全包裹在燒嘴內(nèi)部，延長(zhǎng)了點(diǎn)火槍尖的使用壽命。改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的點(diǎn)火燒嘴頭部結(jié)構(gòu)示意

(3) 提高點(diǎn)火槍尖穩(wěn)定性。點(diǎn)火槍尖安裝在燒嘴頭部，在裝進(jìn)點(diǎn)火燒嘴前即將槍尖與頭部收縮罩?jǐn)Q緊，通過(guò)打火試驗(yàn)判斷打火火光是否滿足要求。點(diǎn)火槍尖插入燒嘴后，只需判斷頭部是否已經(jīng)靠住錐口，無(wú)需再控制其間距。點(diǎn)火槍尖高壓包采用能夠釋放高能量的控制箱，確保有足夠能量將混合氣點(diǎn)燃。

(4) 將原點(diǎn)火槍改造為高能點(diǎn)火槍?zhuān)烹娔芰坑? J提高至20 J。

(5) 將點(diǎn)火槍頭部結(jié)構(gòu)改為蓮花座式，利于燃料氣旋流后與內(nèi)環(huán)氧氣的充分混合，確保在點(diǎn)火燒嘴頭部形成有效的可燃性氣體。改進(jìn)前后點(diǎn)火燒嘴頭部實(shí)物對(duì)比如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后點(diǎn)火燒嘴頭部實(shí)物對(duì)比

(6) 為便于組對(duì)銜接，保持各介質(zhì)管口、法蘭與原燒嘴結(jié)構(gòu)一致。

1.3 改進(jìn)效果

先利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)完成A#爐新型點(diǎn)火燒嘴的對(duì)接組裝，一次點(diǎn)火成功。通過(guò)與未改造的B#爐的交叉驗(yàn)證表明，A#爐點(diǎn)火燒嘴打火能量高，點(diǎn)火成功率較改造前有了較大的提高。在之后的運(yùn)行過(guò)程中，仍偶有點(diǎn)火困難現(xiàn)象，經(jīng)分析其主要原因是點(diǎn)火槍絕緣套管采用的聚四氟乙烯強(qiáng)度不足，在高溫環(huán)境下易變形折斷，造成點(diǎn)火槍短路而無(wú)法正常放電。為此，將聚四氟乙烯改為陶瓷，進(jìn)一步提高了點(diǎn)火成功率并延長(zhǎng)燒嘴使用壽命。但在正常更換燒嘴時(shí)，發(fā)現(xiàn)陶瓷管出現(xiàn)破損、斷裂現(xiàn)象，原因是燒嘴裝配時(shí)蓮花座與外水夾套須緊密接觸才能有效放電，該接觸形式導(dǎo)致蓮花座受熱膨脹后，陶瓷管受力而發(fā)生破損斷裂。根據(jù)分析結(jié)果，在陶瓷管座卡槽內(nèi)增設(shè)彈簧，使蓮花頭與燒嘴外環(huán)形成柔性接觸，解決了此種硬性損傷。經(jīng)過(guò)上述逐步優(yōu)化改進(jìn)后，在運(yùn)行過(guò)程中再未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，點(diǎn)火槍的優(yōu)化改進(jìn)取得了極好的效果，大大提高了點(diǎn)火成功率并延長(zhǎng)了燒嘴的使用壽命。

2 火檢信號(hào)不穩(wěn)定及其改進(jìn)[3]

在前期運(yùn)行過(guò)程中，燒嘴火檢信號(hào)出現(xiàn)過(guò)丟失、無(wú)法檢測(cè)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)觸發(fā)點(diǎn)火燒嘴跳車(chē)。經(jīng)分析，其主要原因是長(zhǎng)明燈火檢通道直徑較小且距離較長(zhǎng)，安裝過(guò)程中易發(fā)生彎曲而阻擋火焰光線，使火焰檢測(cè)器較難捕捉到穩(wěn)定的光信號(hào)，導(dǎo)致火焰檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)常丟失。針對(duì)該情況，投用三合一視頻火檢，在光譜檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了溫度與視頻監(jiān)控，燒嘴燃燒狀況可通過(guò)視頻直接監(jiān)控。改進(jìn)后，在通過(guò)視頻監(jiān)控到點(diǎn)火燒嘴正常燃燒的情況下，可直接將長(zhǎng)明燈火焰檢測(cè)信號(hào)切除，徹底避免了因火檢信號(hào)丟失引起的跳車(chē)問(wèn)題，大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)車(chē)時(shí)間。

3 內(nèi)、外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)困難及其改進(jìn)

初始設(shè)計(jì)時(shí)，點(diǎn)火燒嘴氧氣流量采用內(nèi)、外環(huán)分別控制，內(nèi)環(huán)氧氣主要用于點(diǎn)火，外環(huán)氧氣用于正常運(yùn)行，內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比為1∶2。在后期運(yùn)行過(guò)程中，因外環(huán)氧氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度不高，無(wú)法保證內(nèi)、外環(huán)氧氣體積流量比達(dá)標(biāo)，氧氣絕大部分流向外環(huán)，內(nèi)環(huán)氧氣量明顯不足，造成點(diǎn)火困難。如滿足點(diǎn)火要求，則外環(huán)流量調(diào)節(jié)閥須保持很小開(kāi)度，但氣化爐內(nèi)可燃性氣體易竄入氧氣管線，存在重大安全隱患。

經(jīng)論證分析，認(rèn)為投用內(nèi)環(huán)氧氣即可滿足投料所需的氧氣量，故對(duì)長(zhǎng)明燈氧氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取消其外環(huán)氧氣，并將外環(huán)流通介質(zhì)改為氮?dú)狻８倪M(jìn)后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的燒嘴內(nèi)、外環(huán)氣體流程

改進(jìn)后，點(diǎn)火燒嘴氧氣調(diào)節(jié)控制流程得到簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了氧燃比流量串級(jí)控制，提高了自動(dòng)化程度，消除了外環(huán)氧存在的安全隱患。

4 點(diǎn)火槍電導(dǎo)線易腐蝕斷線及其改進(jìn)

點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火槍電導(dǎo)線原采用銅絲外包絕緣皮，正常運(yùn)行時(shí)采用含H2S體積分?jǐn)?shù)在1%～2%的水煤氣作為燃料氣，使電導(dǎo)線長(zhǎng)期處于高硫腐蝕環(huán)境中而容易斷線，無(wú)法形成放電回路。每次出現(xiàn)該情況后，需對(duì)氣化爐系統(tǒng)進(jìn)行置換、隔離，然后拔出長(zhǎng)明燈，對(duì)點(diǎn)火槍重新接線并回裝，待氣化爐氣密試驗(yàn)合格后才能重新點(diǎn)火，開(kāi)車(chē)時(shí)間因此延長(zhǎng)16～20 h。

針對(duì)上述問(wèn)題，決定對(duì)點(diǎn)火槍電導(dǎo)線材質(zhì)及接線方式進(jìn)行改進(jìn)，即采用304鋼絲外包高效絕緣皮，電導(dǎo)線端部與銅質(zhì)壓線鼻子連接后用螺釘固定于點(diǎn)火槍頭部。點(diǎn)火槍電導(dǎo)線改進(jìn)后，大大提高了其耐腐蝕性，再未出現(xiàn)因電導(dǎo)線斷線而無(wú)法放電點(diǎn)火的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

3年多的運(yùn)行實(shí)踐表明，對(duì)2臺(tái)氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化改進(jìn)是成功的： 通過(guò)對(duì)點(diǎn)火燒嘴流道的模擬分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，解決了點(diǎn)火成功率低及燒嘴壽命短的問(wèn)題；通過(guò)對(duì)點(diǎn)火槍的改進(jìn)，解決了其使用壽命短的問(wèn)題；通過(guò)改進(jìn)火焰監(jiān)測(cè)器型號(hào)及監(jiān)測(cè)方式，解決了火檢信號(hào)不穩(wěn)定易觸發(fā)跳車(chē)的問(wèn)題；通過(guò)改進(jìn)內(nèi)、外環(huán)氧控制流程，解決了氧量調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題，消除了安全隱患。與改造前相比，杜絕了非計(jì)劃停車(chē)，實(shí)現(xiàn)了氣化爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

開(kāi)陽(yáng)化工公司三噴嘴干煤粉氣化爐為目前國(guó)內(nèi)首套工業(yè)化運(yùn)行裝置，通過(guò)采取“改進(jìn)1臺(tái)、驗(yàn)證1臺(tái)”的穩(wěn)妥方案，利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)先后完成2臺(tái)氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化改進(jìn)并取得了良好的效果，為合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。三噴嘴干煤粉氣化技術(shù)的成功應(yīng)用以及對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)升級(jí)，為貴州、山西、內(nèi)蒙古等地的劣質(zhì)煤就地轉(zhuǎn)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。