李振家
（陕西未来能源化工有限公司，陕西 榆林719000）
［摘 要］陕西未来能源化工有限公司1 000 kt/a煤间接液化示范装置气化系统设置8台多喷嘴对置式水煤浆气化炉（设计六开两备）。自投运以来气化炉烧嘴室回火现象始终无法消除，2016年6月气化系统重启后几台气化炉轮番因工艺烧嘴回火烧穿冷却水室或激冷水盘管而跳车（平均运行周期不足24 h），与相关设计、制造单位一起分析，确认主要原因为原料煤灰分高（原料煤灰分由8%左右飙升至15%～20%）。经分析与研究，结合同类装置改造情况，综合衡量各方面的利弊，在稳定可控的基础上制定出分两步走的改造方案：第一阶段，改造烧嘴室喷口砖M1，已于2023年3月先行在2#气化炉实施，取得了较好的效果，接下来将择机对其余7台气化炉烧嘴室进行类似改造；第二阶段优化改进将在进一步慎重论证后择机实施。
［关键词］多喷嘴对置式水煤浆气化炉；原料煤灰分高；烧嘴室回火；原因分析；优化改造；喷口砖M1；改造效果
［中图分类号］TQ545 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）04-0019-05
0 引 言
陕西未来能源化工有限公司（简称未来能源）全国首套1 000 kt/a煤间接液化示范装置（煤制油装置）气化系统设置8台设计操作压力4.0 MPa、Φ3 880 mm的多喷嘴对置式水煤浆气化炉（设计六开两备，由于后系统方面的原因现阶段以五开三备为主），单台气化炉设计处理原料煤量约2 012 t/d（收到基）。自2015年7月气化系统投运以来，烧嘴室回火现象始终无法消除，只是程度有所不同，尤其是受原料煤价格及生产成本的制约，在“挖潜降耗”的总体思路下，气化原料煤品质一降再降（特殊情况下煤炭采购紧张，不易进行多煤种掺烧调配以降低灰分及灰熔点），2015年8月—2016年5月原料煤灰分由8%（质量分数，下同）左右直接飙升至15%～20%，而多喷嘴对置式水煤浆气化炉专利商山东兖矿国拓科技工程股份有限公司（简称兖矿国拓）+华东理工大学的运行建议为“耐火砖气化炉（热壁炉）一般要求原料煤灰分＜ 8%，灰分在5%～8%为宜”。2016年6月，气化系统检修后重启，几台气化炉轮番因工艺烧嘴回火烧穿冷却水室或激冷水盘管而跳车，平均运行周期不足24 h。未来能源紧急召集相关设计、制造单位一起分析，确认主要原因为原料煤灰分高，导致熔渣粘温特性差、熔渣层厚而流动性不好，粘稠熔渣自炉壁沿发散口斜面作为通道流通，逐步积聚于烧嘴外氧端面处遮挡环隙，使工艺烧嘴环隙处初次雾化物料所形成的火焰束向炉内喷射受阻、动能损耗致烧嘴压差波动大；同时，因烧嘴压差变化而烧嘴室喷口处动能降低，形成多喷嘴对置式水煤浆气化炉特有的“渣帘”现象，导致高温气持续回火（业内称“窝火”现象）烧损外氧喷头水室、激冷水盘管及烧嘴室耐火砖烧蚀而造成气化炉联锁跳车。因此，对于多喷嘴对置式水煤浆气化工艺，原料煤灰分是第一重点控制指标。
针对多喷嘴对置式水煤浆气化炉烧嘴室回火现象，未来能源经分析研究并结合同类装置改造情况，通过论证改造后燃烧室流场变化特点以及综合衡量各方面利弊，在稳定可控的基础上制定出分两步走的改造方案：首先，改造烧嘴室喷口砖，以消除粘稠熔渣流通及于烧嘴外氧端面处积聚的条件，改善烧嘴室运行环境（本项改造于2023年3月先行在2#气化炉大修期间实施，效果较好，接下来将择机对其余7台气化炉实施类似改造）；其次，在第一步改造完成并总结评估运行效果的基础上，分析与讨论进一步改造的可行性——变更工艺烧嘴尺寸、改变烧嘴安装位置，使回火点位置前移以避免烧嘴（烧嘴室）薄弱环节烧蚀，并强化烧嘴出口动能，配合烧嘴室喷口砖改造，减少烧嘴室前端挂渣以防形成“渣帘”（本项改造今后进一步慎重论证后择机实施）。以下对有关情况作一介绍。
1 烧嘴室回火概况及危害
入炉煤浆灰分高低、熔渣粘温特性存在差异，所形成的回火强度亦不同，未来能源气化炉停车拆检工艺烧嘴，据其外观，烧嘴室回火大体可分为两种情况：① 持续性回火（重度回火），表现为短时间内烧穿水室、激冷水盘管引发气化炉联锁跳车乃至造成系统停车，严重时高温粗合成气可自激冷水母管透出容器外而引发如人员烧伤、中毒窒息、设施损毁、燃烧爆炸等严重后果；② 间歇性回火（轻度回火），物料（出环隙流速约15 m/s）受高速喷出氧气（出环隙流速约110 m/s）撞击、剪切初步雾化形成的高温火焰束，不能离开烧嘴（端面）而是紧贴外氧喷头端面燃烧，长时间高温近距离热辐射及偶尔的火焰烧蚀使烧嘴外氧端面金属晶粒粗化蚀损而盖板减薄，缩短烧嘴的使用寿命而增加运行隐患。
多喷嘴对置式水煤浆气化炉烧嘴室回火不仅会引发烧嘴事故，而且会使烧嘴口砖M2蚀损（工艺烧嘴安装位置方面的原因），长周期运行后M2砖（或M3砖）斜上方形成蚀损空洞，一旦烧穿则直达炉壁保温砖B1，因保温砖由氧化铝空心球压制而成不耐高温火焰烧蚀，会造成气化炉炉壁温度急剧上升，监控不及时的话甚至会烧穿炉壁引发重大安全事故（已有多家企业同类型气化炉炉壁发生过烧穿事故）。简言之，烧嘴室回火问题严重制约着未来能源气化系统的安全、稳定、长周期运行，减缓或弱化回火造成的危害是亟需解决的问题。
除了熔渣积聚于烧嘴外氧端面导致烧嘴室回火产生的危害以外，流动性差的熔渣若在激冷环低温区凝结而堵塞渣口（即激冷环处渣口积渣），会使多喷嘴对置式水煤浆气化炉渣口流通面积减小、渣口压差增大，高温粗合成气流速增大并形成偏喷，破坏下降管激冷水膜，下降管因局部高温而产生变形并逐步损毁，最终也会导致气化炉停车。
2 烧嘴室回火之设备结构方面原因分析
多喷嘴对置式水煤浆气化炉4个工艺烧嘴处于同一水平面，烧嘴出口处高速（约110 m/s）氧气对煤浆进行初步碰撞、剪切雾化，于烧嘴室内（烧嘴端面距离高铬砖内壁230 mm的整体烧嘴室可看成是圆柱形空间）形成火焰束喷射入炉膛内，4股火焰再次撞击使未完全燃烧物料充分混合以达到充分燃烧的目的。气化炉烧嘴室耐火内衬由内向外基本上是由向火面砖（高铬砖）M1/M2/M3、保温砖B1及低铬砖Z/SZ等组成的圆柱形空间，工艺烧嘴安装于内端面、距离高铬砖内壁230 mm，烧嘴端面处于M1/M2砖缝处。
工艺烧嘴在烧嘴室的方位（与M2砖平齐），单个烧嘴室可看作是一个半封闭容器，高速持续喷出的火焰可使烧嘴室内相对于炉膛空间形成一定压差（如同负压罐）。工艺烧嘴正常运行时物料喷出烧嘴环隙形成的火焰束呈圆锥状，火焰束根部应离开烧嘴外氧端面盖板——因持续高速火焰外喷所形成的微小压差，于喷口周边造成部分火焰回流结合未完全燃烧的氧气会形成轻微回火（影响不大）。
更多内容详见《中氮肥》2024年第4期