樸東哲

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014060）

1 概 述

某公司GE水煤漿氣化裝置由煤漿制備、水煤漿氣化、渣水處理、高閃氣回收等單元組成。煤漿制備單元有6臺(tái)φ4300mm×6000mm棒磨機(jī)（五開一備）和1套超細(xì)磨系統(tǒng) （一開無備）；氣化單元有7臺(tái)φ3200mm×3800mm氣化爐（五開二備），設(shè)計(jì)單臺(tái)氣化爐投煤漿量85m3／h，合成氣 （CO＋H2）總產(chǎn)量53×104m3／h；渣水處理單元有7套閃蒸系統(tǒng)（五開二備）、3套沉降槽-灰水槽-除氧器系統(tǒng)（沉降槽-灰水槽系統(tǒng)三開無備，除氧器系統(tǒng)兩開一備）及2套脫氨塔系統(tǒng)（一開一備）。

該公司GE水煤漿氣化裝置于2010年5月30日原始開車一次成功，2011年開始商業(yè)化運(yùn)行。開車初期，氣化裝置只能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%～90% （設(shè)計(jì)投煤漿量425m3／h），由于工藝燒嘴和氣化爐爐磚使用壽命短等原因，制約著系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高負(fù)荷、長(zhǎng)周期運(yùn)行；通過與同類型企業(yè)的交流學(xué)習(xí)，并在幾次年度大修期間實(shí)施技術(shù)改造，尤其是實(shí)施了氣化爐工藝燒嘴優(yōu)化改進(jìn)和爐磚改型后，氣化裝置基本上具備了高負(fù)荷運(yùn)行的條件。為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)盈利目標(biāo)，2016年11月該公司氣化裝置開始高負(fù)荷試運(yùn)行，在之后氣化爐3a多的高負(fù)荷運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了氣化爐燒嘴使用壽命短、氣化爐燒嘴壓差高、氣化爐激冷水量不足、氣化爐錐底磚燒蝕嚴(yán)重、氣化系統(tǒng)大小黑水角閥擴(kuò)散段易磨損泄漏、氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重等瓶頸問題，嚴(yán)重制約著裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、高負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)問題及其解決措施作一總結(jié)。

2 氣化裝置高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行瓶頸問題

2.1 燒嘴使用壽命短

2016年11月開始?xì)饣b置高負(fù)荷試運(yùn)行，隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，氣化爐工藝燒嘴出現(xiàn)在線CO分析儀報(bào)警，停車拔出燒嘴后，發(fā)現(xiàn)燒嘴頭部出現(xiàn)裂紋及冷卻水盤管焊縫出現(xiàn)泄漏。

2.1.1 原因分析

該公司氣化裝置用原料煤煤質(zhì)波動(dòng)較大，使用A礦煤時(shí)，雖A礦煤灰熔點(diǎn)較低（見表1），但黏溫特性差，為保證氣化爐順利排渣，氣化爐操作溫度較高，當(dāng)原料煤中硫含量高時(shí)，硫容易附著在冷卻水盤管上而不易被工藝氣帶走，冷卻水盤管腐蝕嚴(yán)重，受操作溫度控制不當(dāng)?shù)榷喾N因素影響，燒嘴冷卻水盤管易腐蝕泄漏；同時(shí)，燒嘴頭部在氣化爐內(nèi)1200～1300℃高溫?zé)彷椛鋰?yán)苛工況下運(yùn)行，爐溫變化造成燒嘴頭部外表面熱負(fù)荷變化而引起燒嘴熱應(yīng)力裂紋，裂紋在煤燃燒產(chǎn)生的H2S的侵蝕下進(jìn)一步擴(kuò)大［1］，造成氣化爐燒嘴頭部出現(xiàn)裂紋而泄漏。

表1 氣化用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.1.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）改進(jìn)工藝燒嘴。與燒嘴設(shè)計(jì)制造廠家技術(shù)合作，進(jìn)行提高燒嘴壽命的技術(shù)攻關(guān)——加厚燒嘴頭部、增加耐磨陶瓷襯里、燒嘴冷卻水盤管焊口采取保護(hù)罩＋耐火纖維的保護(hù)模式，以延長(zhǎng)燒嘴的使用壽命。

（2）優(yōu)化工藝操作。據(jù)不同原料煤的煤質(zhì)情況（灰熔點(diǎn)及黏溫特性分析），調(diào)整中心氧比例，加大工藝燒嘴冷卻水循環(huán)量等；加強(qiáng)氣化爐粗渣渣型監(jiān)控和殘?zhí)柯史治觯皶r(shí)調(diào)整氣化爐爐溫控制指標(biāo)。

通過上述燒嘴改型攻關(guān)及工藝操作優(yōu)化，氣化爐燒嘴使用壽命逐漸提高到80d以上。

2.2 燒嘴壓差大

氣化爐負(fù)荷提高到設(shè)計(jì)負(fù)荷的105%時(shí)，出現(xiàn)燒嘴壓差大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的現(xiàn)象，制約氣化爐的高負(fù)荷運(yùn)行。

2.2.1 原因分析

原燒嘴尺寸是按滿負(fù)荷工況設(shè)計(jì)的，氣化爐負(fù)荷提高至設(shè)計(jì)負(fù)荷的105%時(shí)，燒嘴的制造尺寸已超生產(chǎn)臨界值，故表現(xiàn)出氣化爐燒嘴壓差增大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的現(xiàn)象。

2.2.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）與燒嘴制造廠家聯(lián)合攻關(guān)，將原6英寸（燒嘴水夾套尺寸）工藝燒嘴改型為8英寸工藝燒嘴。

（2）為控制煤漿和氧氣流速在合理范圍內(nèi)，滿足氣化裝置擴(kuò)能后的需要，通過計(jì)算對(duì)煤漿通道和氧氣通道的流通面積進(jìn)行確定，然后對(duì)煤漿配管入口變徑接管、工藝燒嘴外接入口法蘭及通道進(jìn)行如下調(diào)整：煤漿配管入口變徑在原基礎(chǔ)上改為10英寸變8英寸變6英寸（煤漿入爐管線逐漸縮徑）；煤漿管由5英寸等徑三通改為6英寸變徑三通，外接管法蘭變更為6英寸與配管匹配，調(diào)整并實(shí)現(xiàn)與原燒嘴管線的良好對(duì)接。

通過燒嘴及相應(yīng)管線的升級(jí)改造，較好地解決了燒嘴壓差大而氧氣難以加入氣化爐內(nèi)的高負(fù)荷生產(chǎn)瓶頸問題，氣化爐負(fù)荷可提至設(shè)計(jì)負(fù)荷的110%，燒嘴使用壽命可達(dá)85d以上。

2.3 激冷水量不足

隨著氣化爐運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，氣化爐激冷水量逐漸下降，而氣化爐高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)激冷水量需保持相對(duì)穩(wěn)定；此外，有時(shí)單臺(tái)氣化爐1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需使用3個(gè)燒嘴（1臺(tái)氣化爐正常運(yùn)行時(shí)只用1個(gè)工藝燒嘴；當(dāng)在運(yùn)工藝燒嘴泄漏后，需更換新的工藝燒嘴繼續(xù)運(yùn)行，1臺(tái)氣化爐1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)會(huì)使用2個(gè)工藝燒嘴；特殊情況下，1臺(tái)氣化爐1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)需使用3個(gè)工藝燒嘴，其后才進(jìn)行氣化爐檢修），但由于激冷水量不足，不能滿足氣化爐高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行需求。

2.3.1 原因分析

當(dāng)氣化水系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，灰水中固含量高，激冷水通過激冷環(huán)中間壁上36處φ15mm進(jìn)水孔射往環(huán)管時(shí)，對(duì)激冷環(huán)環(huán)管內(nèi)壁造成嚴(yán)重的沖刷磨蝕［2］。在氣化爐更換為第2個(gè)工藝燒嘴后，由于氣化爐開停車過程中激冷水管線溫差變化較大，造成激冷水管線垢片脫落，堵塞在激冷水過濾器處，進(jìn)而造成激冷水量下降較多，通常投用備用激冷水過濾器后，激冷水量會(huì)上漲，能夠滿足高負(fù)荷生產(chǎn)需求。但在氣化爐更換為第3個(gè)工藝燒嘴后，同樣的問題會(huì)再次造成激冷水量下降較多，致使氣化爐激冷室液位持續(xù)下降（液位過低）、氣化爐被迫減負(fù)荷，很難滿足高負(fù)荷生產(chǎn)所需。

2.3.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）經(jīng)分析，原激冷環(huán)結(jié)構(gòu)存在不足，為保證激冷環(huán)達(dá)到良好的使用效果，需進(jìn)行升級(jí)改造，即調(diào)整激冷環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸并重新設(shè)計(jì)、加工，具體內(nèi)容如下：①調(diào)整激冷環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，將激冷水量由原來的430m3／h提高至550m3／h，調(diào)整后激冷環(huán)內(nèi)部射流孔噴射速度≤7m／s、出下降管口激冷水流速≤3.5m／s；②激冷環(huán)噴水孔由原來的36處改為72處，激冷水分布更加均勻合理；③為提高激冷環(huán)沖刷部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，激冷水分布環(huán)采用外方內(nèi)圓的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)激冷環(huán)圓弧內(nèi)表面沖刷部件進(jìn)行整體耐磨處理。

（2）工藝操作方面，嚴(yán)格監(jiān)控氣化高、低壓灰水水質(zhì)的變化，嚴(yán)格要求灰水分散劑、黑水絮凝劑廠家藥劑匹配性良好，確保分散劑、絮凝劑產(chǎn)品的有效性；控制氣化閃蒸系統(tǒng)工藝指標(biāo)，適當(dāng)加大系統(tǒng)水循環(huán)量；嚴(yán)格控制氣化爐爐溫，保證洗滌塔塔盤補(bǔ)水量等。

改造后的（新型）激冷環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1。改造后，氣化爐激冷水量增加，激冷水分布更加合理，激冷環(huán)不容易堵塞，同時(shí)其抗沖蝕性能明顯增強(qiáng)，基本上解決了激冷環(huán)堵塞致激冷水量下降及氣化爐激冷室液位低而不得不減負(fù)荷的問題，高負(fù)荷運(yùn)行期間激冷室液位基本保持在30%以上；也解決了激冷環(huán)因激冷水中固含量高造成的水環(huán)管破裂、激冷水分布不均、下降管內(nèi)壁水膜破壞而掛渣等問題；新型激冷環(huán)使用壽命不低于20000h（原激冷環(huán)使用壽命一般在16000h左右），氣化爐運(yùn)行周期明顯延長(zhǎng)。

圖1 新型激冷環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 氣化爐錐底磚燒蝕嚴(yán)重

氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行期間，其錐底磚所處工況非常惡劣，在強(qiáng)還原性介質(zhì)和高溫液態(tài)熔渣的侵蝕、沖蝕下，爐磚腐蝕速率非常高；在異常高溫工況和燒嘴使用壽命末期燒嘴偏噴的情況下，錐底磚腐蝕速率成倍增加。一旦錐底磚燒蝕嚴(yán)重，氣化爐內(nèi)環(huán)、激冷環(huán)非常容易受到高溫氣體和熔渣的沖蝕而損毀，進(jìn)而引發(fā)激冷水橫噴、下降管鼓包、下降管變形嚴(yán)重而掛渣，甚至發(fā)生下降管燒穿漏粗煤氣、氣化爐支撐板溫度高、支撐板法蘭竄氣等嚴(yán)重生產(chǎn)事故，氣化爐被迫停車檢修。

2.4.1 原因分析

通過對(duì)氣化爐運(yùn)行工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)爐磚減薄尺寸的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為錐底磚燒蝕嚴(yán)重的原因在于：錐底磚渣口處，氣化反應(yīng)產(chǎn)生的高速粗煤氣攜帶熔融態(tài)爐渣對(duì)渣口磚產(chǎn)生剪切、沖刷磨蝕，同時(shí)高溫下爐渣會(huì)滲入、侵蝕到筑爐時(shí)形成的磚縫中，加之由于存在徑向溫差，爐磚與澆注料熱膨脹不協(xié)調(diào)造成錐底磚產(chǎn)生徑向、周向的應(yīng)力集中，以致爐磚產(chǎn)生裂紋，最終造成耐火磚呈塊狀剝落；此外，氣化爐錐底磚結(jié)構(gòu)也存在問題。

2.4.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）錐底磚結(jié)構(gòu)方面，將錐底磚斜面由5種磚型改為4種高鉻磚型，磚縫相應(yīng)由4個(gè)減少到3個(gè)，即增大了單個(gè)錐底磚的體積，利于保持錐底磚整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少薄弱環(huán)節(jié)；錐底向火面磚厚度增加50mm，錐底高度由1037mm增至1087mm，以延長(zhǎng)錐底向火面磚抗沖刷、侵蝕的時(shí)間，提高錐底磚的使用壽命。

（2）將渣口磚改為易更換的結(jié)構(gòu)，不僅便于砌筑、方便施工，而且在單獨(dú)更換渣口時(shí)不會(huì)對(duì)后部其他錐底磚造成影響。

（3）錐底部位渣口磚向火面由平角直面設(shè)計(jì)改為平滑斜面設(shè)計(jì)（見圖2），從而增加渣口磚抗侵蝕的有效面積，避免向火面渦流現(xiàn)象的發(fā)生，有利于減輕高鉻磚受到的沖刷損毀。

圖2 新型錐底磚結(jié)構(gòu)示意圖

（4）工藝操作方面，針對(duì)不同原料煤煤質(zhì)特性，氣化爐燒嘴運(yùn)行初期嚴(yán)格控制中心氧比例，燒嘴運(yùn)行中后期適當(dāng)加大中心氧比例以強(qiáng)化燒嘴霧化效果，避免燒嘴偏噴嚴(yán)重而加速錐底磚沖蝕；采取原料煤摻燒等手段控制氣化爐操作溫度在合理區(qū)間，盡可能延長(zhǎng)錐底磚的使用壽命。

通過錐底磚優(yōu)化改造和工藝操作優(yōu)化，氣化爐錐底磚使用壽命由原來的3000h逐步提高到目前的6000h以上，效果明顯。

2.5 大小黑水角閥擴(kuò)散段易磨損泄漏

氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氣化爐底部排出的大黑水、洗滌塔底部排出的小黑水中固含量因氣化原料煤灰分、氣化爐負(fù)荷、氣化爐操作溫度及氣化水循環(huán)量不同而有所差別，但黑水中含固量一般較高，黑水進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)逐級(jí)濃縮，由于其含固量較高和角閥前后壓差高，極易造成角閥本體及其后擴(kuò)散段易沖刷部位磨損，嚴(yán)重時(shí)氣化爐運(yùn)行1個(gè)多月角閥后擴(kuò)散段即因沖刷磨蝕而泄漏，泄漏嚴(yán)重時(shí)氣化爐須減負(fù)荷退氣降壓處理。

2.5.1 原因分析

氣化爐和洗滌塔來的高溫高壓黑水經(jīng)角閥減壓后，黑水瞬間汽化膨脹，流速急劇增大，對(duì)黑水角閥閥芯的沖刷加劇，在兩相流的作用下黑水角閥三通處磨損最為嚴(yán)重，極易泄漏。

2.5.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）工藝上，氣化爐運(yùn)行前期控制大、小黑水排量，防止排量過大而造成角閥閥芯及擴(kuò)散段過快磨損，避免氣化爐運(yùn)行后期出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏；同時(shí)，通過原料煤摻燒從源頭上控制入爐煤灰分，優(yōu)化氣化爐操作溫度，控制粗、細(xì)渣比例。

（2）試用針對(duì)高壓差、高含固量惡劣工況的新型耐磨管件——采用外部20＃鋼無縫鋼管＋內(nèi)部耐磨合金制作工藝制作，耐磨管件內(nèi)壁凹凸度≤1%，金相組織為M7C3＋M23C7＋二次碳化物＋馬氏體，緩沖罐等設(shè)備內(nèi)部強(qiáng)磨損區(qū)域設(shè)有導(dǎo)流平面及緩沖面等，以分散物料沖擊強(qiáng)度，能保證設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間30個(gè)月不磨穿、無泄漏。

（3）耐磨管件法蘭端帶有耐磨層端部翻邊結(jié)構(gòu)；緩沖罐等設(shè)備有良好的可焊性；釋放桶等在最大負(fù)荷工況下連續(xù)運(yùn)行壁厚減薄速率≤1.5 mm／a，可確保最低30個(gè)月的實(shí)際使用壽命。

通過上述優(yōu)化改進(jìn)，目前基本上消除了大小黑水角閥后擴(kuò)散段易沖刷部位的泄漏問題，氣化爐實(shí)際運(yùn)行2～3個(gè)運(yùn)行周期后檢查修補(bǔ)相應(yīng)的耐磨件，即氣化爐高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行中黑水角閥后管線泄漏的瓶頸問題基本得到解決。

2.6 氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重

氣化裝置在2019年10月份年度大修開車后4個(gè)多月，逐漸出現(xiàn)了沉降槽底流泵打量異常下降、高壓灰水泵入口過濾器結(jié)垢嚴(yán)重的問題，同時(shí)氣化裝置3臺(tái)灰水槽液位差（每臺(tái)灰水槽液位各不相同）逐漸拉大，嚴(yán)重時(shí)液位最高的灰水槽與液位最低的灰水槽之液位差達(dá)40%；氣化外排水換熱器運(yùn)行1周后外排水量由320m3／h降至約210m3／h，氣化外排水新投用的備用管線運(yùn)行1個(gè)多月外排水量由330m3／h逐漸降至250m3／h以下，而通常氣化外排水管線能夠使用8～10個(gè)月后才切換至備用外排水管線；氣化爐運(yùn)行40d以上，氣化爐激冷室液位異常上漲，氣化爐被迫減負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)被迫進(jìn)行停爐連投操作（當(dāng)氣化爐下降管與上升管環(huán)隙掛渣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)氣體偏流嚴(yán)重，造成激冷室液位虛高，嚴(yán)重時(shí)只能停車后重新投料開車，即通過氣化爐開車投料瞬間巨大的氣流將下降管與上升管環(huán)隙處的掛渣沖擊掉）；氣化低壓灰水系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)閥門結(jié)垢嚴(yán)重而無法正常開關(guān)、鎖斗沖洗水罐補(bǔ)水管線結(jié)垢嚴(yán)重而無法正常沖洗鎖斗的現(xiàn)象。

2.6.1 原因分析

（1）分散劑廠家所供藥劑阻垢性能差，其研發(fā)水平較低，分散劑廠家調(diào)配了2次配方，仍不能緩解水系統(tǒng)快速結(jié)垢的狀況。

（2）正常生產(chǎn)時(shí)入爐煤由B礦煤與A礦煤按一定比例混配，由于B礦設(shè)備故障，不能供煤，全部使用A礦煤，而A礦煤煤灰的酸堿比低，氣化后的灰水有硬度高、堿度高的特點(diǎn)，屬于極易結(jié)垢水質(zhì)，加劇了水系統(tǒng)的結(jié)垢傾向。

（3）氣化外排水系統(tǒng)加入的分散劑濃度常年只有30×10-6，不到灰水系統(tǒng)藥量的1／3，加之分散劑性能不佳，雙重因素疊加導(dǎo)致2019年大修后外排水管線的結(jié)垢情況是歷年來最嚴(yán)重的，結(jié)垢導(dǎo)致氣化外排水無法足量送出，系統(tǒng)無法及時(shí)補(bǔ)充新鮮水，加劇了系統(tǒng)的結(jié)垢，陷入惡性循環(huán)，有害離子在氣化水系統(tǒng)富集。

2.6.2 優(yōu)化改進(jìn)

（1）通過氣化灰水槽配置臨時(shí)排水管到公用工程污水井的臨時(shí)措施緩解水系統(tǒng)中Ca2＋、Mg2＋的富集。

（2）通過氣化原料煤摻燒（B礦煤∶A礦煤=1∶1）減少甚至消除氣化粗細(xì)渣中玻璃絲的產(chǎn)生（由于不同原料煤黏溫特性不同，有些原料煤灰熔點(diǎn)T1與T4比較接近，氣化爐操作溫度變化較小的情況下，液態(tài)灰渣粘度變化特別大，氣化爐渣口處易因液態(tài)渣流速慢而出現(xiàn)堆積，在氣流的沖擊下易形成玻璃絲狀灰渣），進(jìn)而減緩氣化系統(tǒng)工藝管線結(jié)垢掛渣的進(jìn)程。

（3）及時(shí)更換為新型分散劑廠家的藥劑，新分散劑廠家技術(shù)人員全程跟蹤分析藥劑使用效果，通過分析氣化灰水系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，有針對(duì)性地進(jìn)行分散劑配方的調(diào)整，并通過不斷的現(xiàn)場(chǎng)水樣、垢樣分析調(diào)整藥劑加入量和配比。

（4）對(duì)氣化裝置外排水管線進(jìn)行高壓清洗，同時(shí)重新設(shè)計(jì)鋪設(shè)長(zhǎng)1250m、DN450的外排水管線（原外排水管線管徑為DN250，仍然保留，實(shí)現(xiàn)氣化外排水管線的一用一備），通過管線擴(kuò)徑加大氣化外排水量，以緩解水系統(tǒng)內(nèi)Ca2＋、Mg2＋的富集，減緩水系統(tǒng)結(jié)垢進(jìn)程。

（5）改造低壓灰水至氣化除氧器和至氣化制漿系統(tǒng)管線，保證其可以在線切換，以便能將運(yùn)行管線隔離檢修處理，避免全系統(tǒng)停車。

采取上述優(yōu)化改進(jìn)措施后，目前氣化水系統(tǒng)結(jié)垢情況相對(duì)較輕，氣化水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重的問題得到極大緩解。

3 結(jié)束語

氣化裝置采取上述設(shè)備升級(jí)改造和工藝操作優(yōu)化后，基本上解決了其在高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行過程中的生產(chǎn)瓶頸問題，接下來氣化裝置將進(jìn)一步在分散劑配方、原料煤摻燒優(yōu)化及氣化水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行上下功夫，進(jìn)一步延長(zhǎng)氣化爐的高負(fù)荷運(yùn)行周期，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。