關(guān)于多噴嘴氣化爐燒嘴壓差波動(dòng)原因的探討

陶新兆，邵正軍

(中鹽安徽紅四方股份有限公司， 合肥 231607)

1 概況

中鹽安徽紅四方股份有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)t乙二醇、10萬(wàn)t甲醇、5萬(wàn)t碳酸二甲酯項(xiàng)目配套的氣化裝置于2018年8月建成投運(yùn)。

多噴嘴氣化爐的工藝燒嘴為三通道預(yù)膜式燒嘴，即煤漿走中間通道，氧氣走外通道和內(nèi)通道。在氣化爐正常運(yùn)行過(guò)程中，煤漿在流經(jīng)工藝燒嘴時(shí)，需要克服燒嘴煤漿通道阻力，在氧氣碰撞、剪切作用下，還需要克服氧氣碰撞、剪切的阻力，總的阻力即為燒嘴壓差[1-2]。一般氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燒嘴壓差為0.23～0.25 MPa，在氧氣流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變的情況下，當(dāng)出現(xiàn)某一只或多只燒嘴壓差波動(dòng)(下降)時(shí)，伴隨著對(duì)應(yīng)燒嘴的氧氣與氣化爐燃燒室之間的壓差(簡(jiǎn)稱(chēng)氧氣壓差)也同步出現(xiàn)波動(dòng)(下降)，氧氣流量增加[3]。燒嘴壓差穩(wěn)定運(yùn)行106 d后的工藝燒嘴見(jiàn)圖1。

圖1 燒嘴壓差穩(wěn)定運(yùn)行106 d后的工藝燒嘴

燒嘴壓差波動(dòng)(下降)時(shí)，在控制氧煤比不變的情況下，除了偶爾伴隨著氣化爐壓差波動(dòng)、爐壁溫度變化外，其他無(wú)明顯變化。從表象上看，燒嘴壓差波動(dòng)似乎對(duì)氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響不大，但通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察及停爐后的檢查發(fā)現(xiàn)，燒嘴壓差波動(dòng)(下降)對(duì)氣化爐存在危害，主要表現(xiàn)為：(1)氣化爐內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生改變甚至紊亂，影響耐火磚的使用壽命；(2)回火燒蝕燒嘴頭部(見(jiàn)圖2)，縮短燒嘴使用周期，嚴(yán)重時(shí)，直接導(dǎo)致燒嘴頭部冷卻水室燒穿，引起氣化爐聯(lián)鎖跳車(chē)[4]。

2 原因分析

2.1 儀表顯示故障

一般情況下，只要煤漿源源不斷地流入爐內(nèi)，外加在氧氣的碰撞、剪切作用下，燒嘴壓差不會(huì)低于0.1 MPa。實(shí)際在燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)，燒嘴壓差最低值(儀表顯示)為0.000 MPa，似乎不合邏輯，初步判斷可能是儀表顯示故障，但在燒嘴壓差下降時(shí)，同步氧氣壓差也下降，氧氣流量增加，驗(yàn)證燒嘴壓差波動(dòng)(下降)是真實(shí)存在的，進(jìn)而排除儀表顯示故障的影響因素。

不同狀態(tài)下的燒嘴壓差見(jiàn)圖1。

圖1 投料過(guò)程中燒嘴壓差變化情況

從圖1可以看出：僅考慮煤漿入爐克服煤漿管線、工藝燒嘴阻力，燒嘴壓差已達(dá)0.19 MPa;當(dāng)氧氣入爐后，在氧氣的碰撞、剪切作用下，燒嘴壓差已達(dá)到0.28 MPa。此時(shí)氣化爐壓力約為0.5 MPa，若氣化爐壓力升高后，氧氣流量下降，燒嘴壓差會(huì)有所降低。

燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)氧氣壓差、氧氣流量的變化情況見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：燒嘴壓差下降，同步伴隨著氧氣壓差下降、氧氣流量增加，反之亦然。

圖2 燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)氧氣壓差和氧氣流量變化情況

2.2 高壓煤漿泵打量異常

高壓煤漿泵進(jìn)出口單向閥卡澀、落不到位等導(dǎo)致打量異常，以及其出口緩沖罐充壓不合適，均可能導(dǎo)致煤漿流量、壓力不穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致燒嘴壓差波動(dòng)(下降)。但燒嘴壓差波動(dòng)(下降)時(shí)，煤漿電磁流量比較穩(wěn)定，在燒嘴壓差波動(dòng)(下降)后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤漿電磁流量也是比較穩(wěn)定的，可以排除流量計(jì)測(cè)量滯后問(wèn)題(通常高壓煤漿泵打量異常時(shí)，燒嘴壓差會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，即使流量下降一半，燒嘴壓差也會(huì)在0.10 MPa以上)。如果高壓煤漿泵在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)打量異常導(dǎo)致燒嘴壓差波動(dòng)(下降)，電磁流量會(huì)有所反應(yīng)，但實(shí)際電磁流量比較穩(wěn)定，因此排除高壓煤漿泵打量異常的影響因素。

燒嘴壓差波動(dòng)(下降)持續(xù)時(shí)間見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：燒嘴壓差下降至0.01 MPa以下持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 h左右。

圖3 燒嘴壓差波動(dòng)(下降)持續(xù)時(shí)間

2.3 燒嘴質(zhì)量問(wèn)題

燒嘴結(jié)構(gòu)及內(nèi)徑、環(huán)隙尺寸和環(huán)隙夾角角度直接影響氧氣對(duì)煤漿的霧化、物料離開(kāi)燒嘴后的運(yùn)動(dòng)軌跡及爐內(nèi)流場(chǎng)分布，故燒嘴質(zhì)量問(wèn)題也可能會(huì)影響燒嘴壓差波動(dòng)。若燒嘴質(zhì)量有問(wèn)題，燒嘴投用時(shí)燒嘴壓差便會(huì)有所反應(yīng)，另一種情況為因燒嘴磨損導(dǎo)致的燒嘴壓差波動(dòng)(下降)，這兩種情況引起的燒嘴波動(dòng)(下降)都是不可恢復(fù)的；但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，壓差波動(dòng)(下降)存在間歇性現(xiàn)象，故可以排除燒嘴質(zhì)量問(wèn)題引起燒嘴壓差波動(dòng)(下降)的直接影響因素。

2.4 煤漿質(zhì)量問(wèn)題

2.4.1 原料煤中雜物

原料煤中部分雜物在經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)研磨后仍未被破碎、細(xì)化，進(jìn)而伴隨著煤漿流入燒嘴，可能卡在中心氧定位塊處，導(dǎo)致煤漿偏流、爐內(nèi)局部流場(chǎng)變化，進(jìn)而影響燒嘴壓差波動(dòng)(下降)。氣化D爐在2020年9月8日—12月10日運(yùn)行期間，燒嘴C壓差波動(dòng)(下降)比較頻繁、燒嘴A壓差略有波動(dòng)(下降)，停車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)燒嘴A中心氧定位塊卡有少許類(lèi)似麻絲物，燒嘴C中心氧定位塊卡有少量的類(lèi)似麻絲物(見(jiàn)圖4)。

圖4 燒嘴中心氧定位塊卡有異物

2.4.2 煤渣的黏溫特性

每次停車(chē)拔燒嘴時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，燒嘴室燒嘴頭部處有結(jié)渣現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)，除了燒嘴噴頭出料口因結(jié)渣留有通道外，其他處均掛有灰渣(見(jiàn)圖6)。

圖5 燒嘴室燒嘴頭部

圖6 燒嘴端面結(jié)渣情況

燒嘴頭部掛渣均勻、對(duì)稱(chēng)情況直接影響物料離開(kāi)燒嘴后的運(yùn)動(dòng)軌跡及爐內(nèi)局部流場(chǎng)分布。通過(guò)2020年6月23日倒?fàn)t前后爐溫調(diào)整對(duì)比發(fā)現(xiàn)，倒?fàn)t后爐溫降低，燒嘴壓差較倒?fàn)t前穩(wěn)定(爐溫直接影響爐膛內(nèi)的灰渣流動(dòng)性及爐壁燒嘴室結(jié)渣情況)，故灰渣的黏溫特性差異為燒嘴壓差波動(dòng)的可能影響因素。

2.4.3 煤漿黏度

多噴嘴氣化爐燒嘴從結(jié)構(gòu)形式及工作原理上被稱(chēng)為預(yù)膜式燒嘴，煤漿在氧氣的作用下，形成液膜，煤漿的黏度直接影響液膜的形成及形成厚度，進(jìn)而可能影響氧氣對(duì)煤漿的霧化效果，以及物料離開(kāi)燒嘴后的運(yùn)動(dòng)軌跡及局部流場(chǎng)分布情況。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煤漿黏度一直控制得比較穩(wěn)定，故可以排除煤漿黏度變化引起燒嘴壓差波動(dòng)的影響因素。

2.4.4 煤漿粒度

多噴嘴氣化爐工藝燒嘴采用水平側(cè)裝的安裝方式，煤漿在流經(jīng)燒嘴前的水平管線時(shí)，因煤漿的穩(wěn)定性及粒度的差異性，存在煤漿分層、大顆粒相對(duì)集中于管底的現(xiàn)象，煤漿流經(jīng)燒嘴時(shí)，可能存在偏流、霧化分布不均問(wèn)題。另外，多噴嘴氣化爐操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照壓力-負(fù)荷曲線，煤漿受到重力的影響，若氧氣動(dòng)量不足，會(huì)導(dǎo)致拱頂過(guò)氧。若煤漿中存在相對(duì)大粒徑的煤粒，氧氣需要具有足夠的動(dòng)量才能對(duì)相對(duì)大粒徑的煤粒起到均勻霧化的作用，否則存在偏流、霧化分布不均，進(jìn)而可能引起燒嘴壓差波動(dòng)。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，從分析數(shù)據(jù)來(lái)看，煤漿粒度分布也是比較穩(wěn)定的，故可以排除煤漿粒度變化引起燒嘴壓差波動(dòng)的影響因素。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煤漿流經(jīng)管道、燒嘴時(shí)，克服管道、燒嘴流動(dòng)阻力及氧氣碰撞剪切阻力是存在的，在燒嘴壓差波動(dòng)(下降)時(shí)，實(shí)際應(yīng)為爐膛壓力基本維持不變，燒嘴頭部區(qū)域壓力因某種原因下降，進(jìn)而引起煤漿及氧氣管線壓力下降、氧氣流量增加，從而表現(xiàn)為燒嘴壓差波動(dòng)(下降)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，推斷為燒嘴物料出口處回流區(qū)后移靠近燒嘴頭部區(qū)域，引起燒嘴區(qū)域壓力下降；同時(shí)，由于回流區(qū)的后移，回流區(qū)卷吸的高溫氣體對(duì)燒嘴頭部產(chǎn)生了燒蝕。在實(shí)際的氣化爐運(yùn)行過(guò)程中，燒嘴壓差波動(dòng)(下降)引起燒嘴頭部回火燒蝕也得到了充分的驗(yàn)證，2019年3月，氣化E爐僅運(yùn)行了55 d，由于燒嘴壓差波動(dòng)(下降)頻繁、劇烈,導(dǎo)致其中一只燒嘴頭部冷卻水室回火燒穿，觸發(fā)氣化爐聯(lián)鎖跳車(chē)。

分析導(dǎo)致回流區(qū)后移靠近燒嘴頭部的原因可能為:(1)煤漿中含有雜物卡在中心氧定位塊處，導(dǎo)致煤漿偏流,引起燒嘴頭部附近流場(chǎng)發(fā)生變化；(2)煤渣黏溫特性差，導(dǎo)致燒嘴頭部結(jié)渣不均勻，燒嘴偏流引起燒嘴頭部附近流場(chǎng)發(fā)生變化。

3 防范措施

針對(duì)引起燒嘴壓差波動(dòng)(下降)的2個(gè)影響因素，采取的主要措施為：

(1) 控制原料煤中雜物。加強(qiáng)原料煤管控，盡量消除或減少原料煤中混入的雜物。

(2) 調(diào)整原料煤煤種?；以靥匦圆町悓?duì)燒嘴壓差穩(wěn)定性影響因條件受限研究了解不夠充分，當(dāng)燒嘴壓差出現(xiàn)波動(dòng)(下降)時(shí)，通過(guò)調(diào)整煤種進(jìn)行干預(yù)。

(3) 調(diào)整爐溫。當(dāng)燒嘴壓差出現(xiàn)波動(dòng)(下降)時(shí)，在確保氣化爐排渣正常的情況下，適當(dāng)調(diào)整(降低)氣化爐爐溫，改變燒嘴頭部結(jié)渣情況，消除偏流引起的燒嘴壓差波動(dòng)(下降)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，通過(guò)上述措施，可一定程度上消除或減緩燒嘴壓差波動(dòng)，但作用效果較為有限。為了從根本上解決燒嘴壓差波動(dòng)問(wèn)題，還需從消除燒嘴頭部回流區(qū)后移問(wèn)題入手，可對(duì)燒嘴室耐火磚結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，消除或減弱燒嘴頭部結(jié)渣問(wèn)題；另外，可對(duì)工藝燒嘴結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，提高入爐氧氣、煤漿的動(dòng)量，促使回流區(qū)遠(yuǎn)離燒嘴頭部。