殼牌煤氣化技術(shù)是目前的煤氣化技術(shù)之一，殼牌公司自20 世紀50 年代就開始煤氣化技術(shù)的研發(fā)， 從6t/d、150t/d 中試裝置一步步做起，1988 年將臺2000t/d 級的氣化爐成功應(yīng)用于荷蘭的Buggenun IGCC 電廠， 今已有近60 年的研發(fā)歷史。我國自1997 年來已陸續(xù)引進23臺殼牌氣化爐，單臺氣化爐日投煤能力為1000t 或2000t，產(chǎn)品合成氣大部分用于生產(chǎn)合成氨、甲醇和氫氣，目前有10 套以上裝置已經(jīng)開車。
從已投產(chǎn)的氣化爐運行情況看，殼牌氣化爐的設(shè)計理念非常，但存在的問題也很突出，主要是運行穩(wěn)定性差， 故障率高， 例如： 鎖斗開關(guān)閥卡死、大渣塊容易堵管、開工燒嘴易燒壞、粉煤輸送不穩(wěn)定、激冷器壓縮機和飛灰陶瓷過濾器故障頻繁等，這些都是殼牌爐的“軟肋"，主要是設(shè)計上的先天不足導(dǎo)致的 [1] 。
殼牌氣化爐點火系統(tǒng)設(shè)計編輯 語音
按氣化工藝要求，氣化爐內(nèi)需用高壓氮氣和燒嘴燃燒的煙氣充壓到約1MPa 后才投入煤粉，如此高的壓力和高密度的惰性環(huán)境，無疑將給氣化爐點火造成很大難度。因此，與常規(guī)火電負壓燃燒的燃煤鍋爐相比， 殼牌氣化爐的點火系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜， 共設(shè)計了三級點火， 并對應(yīng)設(shè)置了點火燒嘴(IB)、開工燒嘴(SUB)、粉煤燒嘴(CB)，以此來克服爐內(nèi)高壓和高濃度氮氣對點火的影響。燒嘴數(shù)量共6個：其中點火燒嘴1 個，燃燒介質(zhì)為燃料氣(天然氣或液化石油氣)加儀表空氣；開工燒嘴1 個，燃燒介質(zhì)為純氧加柴油；粉煤燒嘴4 個，燃燒介質(zhì)為粉煤、純氧加水蒸氣。開工燒嘴功率約為10MW(為粉煤燒嘴功率的6%)，點火燒嘴功率約為100kW(為開工燒嘴功率的1%)。
燒嘴點火和開工燒嘴位于同一個垂直平面，均為插入式結(jié)構(gòu)，開工階段，開工和點火燒嘴暫時插入氣化爐內(nèi)，之后隨即撤出，其伸縮過程全部由DCS 控制。4 個粉煤燒嘴與點火燒嘴位于同一水平面，均勻分布，為固定式結(jié)構(gòu)，安裝在水冷壁上的隔焰罩內(nèi)。
下面簡述殼牌氣化爐的三級點火過程：
當(dāng)高壓氮氣完成對氣化爐的吹掃后，系統(tǒng)先通過電子點火裝置將點火燒嘴IB 點燃， 隨后啟動系統(tǒng)的引氧程序，待引氧程序階段( 即氧氣引SUB 閥前)完成后，啟動開工燒嘴SUB 的點火順控程序13KS0003，若SUB 點火成功，點火燒嘴立即退出，并啟動煤燒嘴的粉煤循環(huán)，同時氣化系統(tǒng)開始升壓(在SUB 點火成功后，一旦燃燒煙氣中氧氣含量小于0.5%， 系統(tǒng)放空方式隨即從大氣放空切換火炬燃燒排放)，壓力調(diào)節(jié)閥B(粗合成氣去火炬總管排放閥)由手動變?yōu)樽詣诱{(diào)節(jié)模式來調(diào)節(jié)氣化爐的壓力，當(dāng)氣化爐壓力達到0.65MPa 時開始啟動激冷氣循環(huán)壓縮機并調(diào)整穩(wěn)定(根據(jù)各型號壓縮機不同的特性，有的用戶已改為常壓啟動)，當(dāng)壓力接近1.0MPa 時開始投入個粉煤燒嘴CB，穩(wěn)定幾分鐘后開始投人第二個粉煤燒嘴(與個燒嘴相對)， 當(dāng)?shù)诙€粉煤燒嘴點燃后， 開工燒嘴立即退出，隨后再依次點燃剩下的兩個粉煤燒嘴，此氣化爐點火過程結(jié)束 [2] 。
開工燒嘴原理與結(jié)構(gòu)編輯 語音
氣化爐開工燒嘴主要用于開工階段給氣化爐升溫升壓以及點燃主粉煤燒嘴，開工燒嘴為插入式結(jié)構(gòu)，配有可遙控的(DCS 控制)機械插入裝置。整個插入系統(tǒng)由燒嘴支架支撐，配有驅(qū)動電機、滑車、滑軌及限位等。驅(qū)動電機通過傳動鏈條帶動滑車，滑車通過“夾緊萬向節(jié)"帶動燒嘴，經(jīng)由一個填料函、兩個密封球閥和中間隔離環(huán)( 內(nèi)充高壓密封氮)插入和退出氣化爐， 其作用是當(dāng)燒嘴退出氣化爐后，防止?fàn)t內(nèi)的高溫高壓氣體從燒嘴通道竄出而損壞燒嘴，發(fā)生安全事故?；嚨男谐潭ㄎ挥扇壪尬?減速限位、正常限位和極限限位)控制，此外還配有氣動的機械定位銷。
開工燒嘴的關(guān)鍵部位為燒嘴頭。燒嘴頭由水夾套和銅頭組成。冷卻水進入燒嘴頭后分為兩股，一股用來冷卻水夾套，另一股用來冷卻銅頭。銅頭內(nèi)加工有12 個柴油通道(代燒嘴只設(shè)計了6 個)，直徑約1mm。水夾套與銅頭之間形成的環(huán)形空間為氧通道， 此環(huán)形空間的尾端為柴油及氧氣的混合區(qū)。燒嘴正常工作時，高速噴入的氧氣夾帶柴油，從銅頭與水夾套的縫隙間高速噴出并霧化(此處的縫隙大小可通過SUB 外部的調(diào)整螺栓來控制其霧化效果)，遇到點火燒嘴燃燒的小火焰后迅速燃燒，形成巨大的火焰環(huán)。燒嘴頭被高溫火焰輻射而產(chǎn)生的熱量迅速被冷卻水帶走，以防止燒嘴頭燒壞 [3] 。
開工燒嘴常見故障分析編輯 語音
開工燒嘴點火是氣化爐點火的關(guān)鍵， 也是難點。據(jù)悉，國內(nèi)大部分殼牌氣化爐在開車時都頻繁發(fā)生開工燒嘴被燒壞現(xiàn)象，有時點一次火連續(xù)燒壞3～4 次，導(dǎo)致不停地拆裝燒嘴。此外，若開工燒嘴點火失敗，必須立即停止氣化開車程序，重新執(zhí)行氣化爐吹掃程序(因為從燒嘴中噴出的油氧混合物將殘留在氣化爐內(nèi)，若不將其吹掃干凈，再次點火時很容易發(fā)生爆燃現(xiàn)象)，費時費力，嚴重影響了開車進程。
那么開工燒嘴為何如此容易燒壞呢？ 從設(shè)計原理上分析， 關(guān)鍵因素在于其燃燒方式為純氧燃燒。因開工燒嘴點火時，氣化爐內(nèi)充滿了氮氣，此時只有用純氧作為助燃劑才能將大功率的開工燒嘴點燃，但純氧燃燒很難控制，主要是氧氣與柴油的混合比例(即通常說的“氧油比")以及到達燒嘴頭的同步性不好調(diào)整， 氧氣偏多火焰溫度就會瞬間劇增，氧氣偏少又會導(dǎo)致滅火。
第二個因素在于其噴頭的材質(zhì)選擇，殼牌選擇用紫銅來制作燒嘴噴頭，通常簡稱為“銅頭"，其原因有兩個：一是銅具有良好的熱傳導(dǎo)性能，這樣噴頭因高溫火焰輻射而快速增加的熱量能迅速地被冷卻水帶走，以防止噴頭因高溫而燒毀；二是銅具有良好的抗氧化性，這樣流經(jīng)噴頭四周的純氧不會輕易將噴頭氧化腐蝕，從而延長了燒嘴的壽命。但是，銅用作噴頭也存在一個致命的弱點，就是其熔點偏低，不耐高溫，很容易被燒毀。
客觀地說，針對氣化爐特殊的運行工況， 殼牌對開工燒嘴采取以上的設(shè)計理念還是很的(目前仍沒有更好的設(shè)計方案來替代)， 只要充分掌握了純氧燃燒的特性和銅頭的特點，在實際操作中采取有效的、針對性的預(yù)防措施，還是能大大降低開工燒嘴的故障率。但由于經(jīng)驗上的不足，國內(nèi)大多數(shù)殼牌爐在開工初期總是頻繁出現(xiàn)開工燒嘴點火故障，其原因是多方面的，由于篇幅有限，以下只列舉幾個典型案例加以分析：
點火時氧油不同步
根據(jù)殼牌工藝要求，開工燒嘴點火時關(guān)鍵的一點是要保證氧氣和柴油同時到達燒嘴噴頭，如果氧氣比柴油先到， 噴出的氧氣一遇到點火燒嘴火焰，瞬間將產(chǎn)生約3000℃的高溫火焰，很快就會將銅頭燒化。但實際操作中不可能做到氧油同步，為確保氧氣滯后于柴油，實際操作中往往采取讓柴油先到的辦法，因為柴油若比氧氣先到，柴油將被氧管線里的高壓吹掃氮霧化而噴出，對燒嘴沒有影響，但早到時間也不能偏長，否則大量的柴油噴入爐膛，極易發(fā)生事故。
具體時間應(yīng)通過試驗來測定。通常的做法是通過做試驗(用水代替油、用氮氣代替氧氣)來測定氧氣和柴油開關(guān)閥動作時間和各自到達噴嘴頭的時間( 用秒表測定)，再將測定的時間值輸入到DCS的開工燒嘴順控程序中(氧氣在管內(nèi)的流速比柴油快，它到達噴頭的時間肯定比柴油短，可通過DCS組態(tài)在順控程序中進行延時設(shè)定)。但在實際操作中，由于時間測量上的誤差，經(jīng)常會發(fā)生氧比油先到的現(xiàn)象，致使銅頭因高溫而燒毀。
閥門的控制邏輯不合理
開工燒嘴正常工作時，氧氣開關(guān)閥13XV0023 和柴油開關(guān)閥13XV0024 為全開狀態(tài)， 氧管線吹掃閥13XY0027 和油管線吹掃閥13XV0025、13XV0026 處于關(guān)閉狀態(tài)。開工燒嘴正常退出時，由DCS 執(zhí)行順控程序，先開啟13XV0025、13XV0026 和13XY0027，將高壓吹掃氮氣先補進氧油管線， 然后再關(guān)閉13XV0023 和13XV0024， 切斷氧氣和柴油， 目的是防止燒嘴退出時燒嘴里的油和氧被爐膛的高背壓往回頂，產(chǎn)生回火現(xiàn)象而將燒嘴燒壞。
以上指的是燒嘴的正常退出程序，按理說非正常退出時也應(yīng)如此，但有些氣化爐在開工燒嘴因聯(lián)鎖保護動作而發(fā)生跳車時，經(jīng)常將燒嘴燒壞，后經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)， 每當(dāng)燒嘴非正常退出( 跳車) 時，13XV0025、13XV0026 和13XY0027 的開啟總是比13XV0023 和13XV0024 的關(guān)閉晚，即氧油已切斷而高壓吹掃氮氣來不及補上，導(dǎo)致回火而燒毀燒嘴。
為何會發(fā)生這樣的現(xiàn)象呢？ 有經(jīng)驗的技術(shù)人員從DCS 與ESD 之間找到了原因： 燒嘴系統(tǒng)正常退出時由DCS 控制， 而跳車時則由ESD 通過DCS 向13XV0025、13XV0026 和13XY0027 發(fā)出“開" 的命令， 同時直接向13XV0023 和13XV0024 發(fā)出“ 關(guān)"命令，可ESD 與DCS 之間通訊需要時間，致使高壓吹掃氮滯后(約1.3s)補進，造成開工燒嘴回火被燒壞。后來將以上3 個閥門全部改為由ESD 直接控制后，問題得以解決。
柴油管線壓力不穩(wěn)
殼牌爐的柴油泵一般都設(shè)在零米，且大都采用往復(fù)泵，往復(fù)泵的優(yōu)點是揚程大，缺點是出口壓力不穩(wěn)，為保持柴油管線的壓力穩(wěn)定，在泵的出口都設(shè)計了柴油緩沖罐(也稱作阻尼器或蓄能器)，目的是隨時調(diào)整柴油管線的壓力，防止開工燒嘴因油壓不穩(wěn)而跳車。但由于柴油緩沖罐也安裝在零米，而開工燒嘴安裝在43m 層， 兩者之間連接管線太長、且高度相差大， 制約了緩沖罐的壓力調(diào)節(jié)能力，致使開工燒嘴經(jīng)常因油壓不穩(wěn)導(dǎo)致氧油比超限而跳車。據(jù)悉，龍宇煤化工通過調(diào)整柴油緩沖罐的位置而圓滿解決了這一問題，具體整改方案概述如下：把位于零米的柴油緩沖罐移38m 的平臺上。
在緩沖罐投用前，先用高壓氮氣向罐內(nèi)充25~30kgf(1kgf 約等于9.806N，下同)的壓力，使罐內(nèi)的液位達到5cm 左右，當(dāng)柴油管線內(nèi)的壓力大于30kgf 時再投用緩沖罐。這樣不僅縮短了緩沖罐與開工燒嘴的距離，而且可使罐內(nèi)有足夠可壓縮的氣體，從而讓緩沖罐起到了很好的穩(wěn)壓作用。
火檢信號延時設(shè)置不合適
殼牌氣化爐設(shè)置了專門的火焰探測器(通常稱為火檢)，用來檢測開工燒嘴點火是否成功，此檢測信號既用來保護開工燒嘴，同時又給粉煤燒嘴的投放提供了條件。火焰探測器是通過紫外線探測火焰強度的，檢測的是電離信號，并輸出給DCS(開關(guān)量信號)。
當(dāng)氧氣開關(guān)閥13XV0023 開啟后， 開工燒嘴順控程序?qū)⒀舆t幾秒來檢測火檢信號，如果未檢測到火焰，開工燒嘴將立即跳車，以保護燒嘴。
因氧氣從開關(guān)閥到燒嘴噴頭需要時間，且燒嘴剛點著時，氧油混合燃燒并不穩(wěn)定，且火焰強度也不高，所以在順控程序中對火檢信號設(shè)置了延遲時間，以確保檢測信號的準確。這一設(shè)計是非常合理的，關(guān)鍵是如何確定合適的延遲時間，若時間偏短，燒嘴還未點著或點著后火焰還沒穩(wěn)定就跳車了，屬誤停車；若時間偏長，燒嘴如果確實未點燃而沒有及時跳車，很容易把燒嘴燒壞，而且柴油留在爐內(nèi)，在下次點火時會出現(xiàn)爆燃，危害到設(shè)備安全。
據(jù)技術(shù)人員介紹，火檢信號的延遲檢測時間一般設(shè)置為3～5s 較合適， 具體準確時間需現(xiàn)場做試驗測定，各燒嘴略有不同 [3] 。
燒嘴廠家概述編輯 語音
盡管國內(nèi)外生產(chǎn)燒嘴的廠家很多，但殼牌目前只認證了的燒嘴供貨商： 德國沃爾特·布林克曼公司。目前國內(nèi)所有殼牌氣化爐的開工燒嘴全部采用該公司的產(chǎn)品。
德國沃爾特·布林克曼公司成立于1883 年，是一家專業(yè)生產(chǎn)各類燃燒器、烘干系統(tǒng)的企業(yè)，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵、制鋁、石灰燒制及化工行業(yè)。目前該公司已被德國克萊德公司收購，更名為克萊德·貝爾格曼·布林克曼有限公司。該公司在工業(yè)燒嘴和加熱系統(tǒng)的設(shè)計、加工方面一直處于地位，曾為韓國浦項鋼鐵廠的煉鋼工藝設(shè)計了功率達300MW 的燃燒器。同時，布林克曼公司是殼牌氣化爐開工燒嘴的生產(chǎn)商， 為歐洲的IGCC 電站提供了相應(yīng)的燃燒系統(tǒng)， 包括西班牙IGCC 電站的開工燒嘴， 荷蘭IGCC 電站的點火燒嘴、開工燒嘴以及惰性氣體發(fā)生器等。
正因為其產(chǎn)品的性，導(dǎo)致其銷售價格一直居高不下，據(jù)悉一套燒嘴(一臺點火燒嘴加一臺開工燒嘴)的價格約80 萬歐元( 約680 萬人民幣)， 且降價的余地很小。
對于國產(chǎn)氣化爐燒嘴來說，經(jīng)了解， 目前關(guān)注的是西安遠征公司的產(chǎn)品。該公司的全稱為西安航天遠征流體控制股份有限公司，成立于2001年5 月18 日， 是以中國航天科技集團公司六院第十一研究所與航天六院為主體，以液體火箭發(fā)動機特種技術(shù)為依托的高科技股份有限公司，專業(yè)從事石化熱能產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)等業(yè)務(wù)。該公司利用液體火箭發(fā)動機高效燃燒和傳熱技術(shù)，先后開發(fā)了渣油氣化爐燒嘴、天然氣造氣燒嘴、二段轉(zhuǎn)化爐燒嘴、焦?fàn)t氣轉(zhuǎn)化爐燒嘴、水煤漿氣化燒嘴、干粉氣化燒嘴，以及為各種氣化爐(轉(zhuǎn)化爐)配套的工藝燒嘴，并成功地應(yīng)用于我國的石油化工領(lǐng)域。
2006 年該公司開始啟動殼牌氣化爐點火燒嘴與開工燒嘴的資格認證工作。2010 年6 月，航天部六院十一所介質(zhì)試驗室自行設(shè)計和建設(shè)的殼牌全尺寸燒嘴試驗系統(tǒng)經(jīng)過了綜合測試，并通過了殼牌專家組的評審驗收。該試驗系統(tǒng)由工藝系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩部分組成，是目前國內(nèi)、完善的石化燒嘴試驗臺。但由于該公司產(chǎn)品一直沒有殼牌爐應(yīng)用業(yè)績，所以今未獲得殼牌的資格認證，只獲取了殼牌對其技術(shù)方案的認可。據(jù)悉，云南云天化于2010 年5 月已向遠征公司定購了兩臺開工燒嘴，一臺*克隆原布林克曼的燒嘴，一臺為遠征公司自主研發(fā)生產(chǎn)的燒嘴，近期準備交貨 [2] 。
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