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(jì)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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?dú)夂蜔烊紵臒煔獬鋲旱郊s1MPa 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(diǎn)火造成很大難度。因此，與常規(guī)火電負(fù)壓燃燒的燃煤鍋爐相比， 殼牌氣化爐的點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜， 共設(shè)計了三級點(diǎn)火， 并對應(yīng)設(shè)置了點(diǎn)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?dú)鈱c(diǎn)火的影響。燒嘴數(shù)量共6個：其中點(diǎn)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(diǎn)火燒嘴功率約為100kW(為開工燒嘴功率的1%)。
燒嘴點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火過程：
當(dāng)高壓氮?dú)馔瓿蓪饣癄t的吹掃后，系統(tǒng)先通過電子點(diǎn)火裝置將點(diǎn)火燒嘴IB 點(diǎn)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(diǎn)火順控程序13KS0003，若SUB 點(diǎn)火成功，點(diǎn)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(diǎn)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(dá)到0.65MPa 時開始啟動激冷氣循環(huán)壓縮機(jī)并調(diào)整穩(wěn)定(根據(jù)各型號壓縮機(jī)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(diǎn)燃后， 開工燒嘴立即退出，隨后再依次點(diǎn)燃剩下的兩個粉煤燒嘴，此氣化爐點(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)、滑車、滑軌及限位等。驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)火是氣化爐點(diǎn)火的關(guān)鍵， 也是難點(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火時很容易發(fā)生爆燃現(xiàn)象)，費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響了開車進(jìn)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(diǎn)火時，氣化爐內(nèi)充滿了氮?dú)?，此時只有用純氧作為助燃劑才能將大功率的開工燒嘴點(diǎn)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(dá)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(diǎn)，就是其熔點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)火時氧油不同步
根據(jù)殼牌工藝要求，開工燒嘴點(diǎn)火時關(guān)鍵的一點(diǎn)是要保證氧氣和柴油同時到達(dá)燒嘴噴頭，如果氧氣比柴油先到， 噴出的氧氣一遇到點(diǎn)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?dú)獯嫜鯕?來測定氧氣和柴油開關(guān)閥動作時間和各自到達(dá)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(dá)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(jìn)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?dú)庀妊a(bǔ)進(jìn)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(hù)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?dú)鈦聿患把a(bǔ)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(bǔ)進(jìn)，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(diǎn)是揚(yáng)程大，缺點(diǎn)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?dú)庀蚬迌?nèi)充25~30kgf(1kgf 約等于9.806N，下同)的壓力，使罐內(nèi)的液位達(dá)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(diǎn)火是否成功，此檢測信號既用來保護(hù)開工燒嘴，同時又給粉煤燒嘴的投放提供了條件?；鹧嫣綔y器是通過紫外線探測火焰強(qiáng)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(hù)燒嘴。
因氧氣從開關(guān)閥到燒嘴噴頭需要時間，且燒嘴剛點(diǎn)著時，氧油混合燃燒并不穩(wěn)定，且火焰強(qiáng)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(zhǔn)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(diǎn)著或點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)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(rèn)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(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)征公司的產(chǎn)品。該公司的全稱為西安航天遠(yuǎn)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(tuán)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(jī)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(jī)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(diǎn)火燒嘴與開工燒嘴的資格認(rèn)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(rèn)證，只獲取了殼牌對其技術(shù)方案的認(rèn)可。據(jù)悉，云南云天化于2010 年5 月已向遠(yuǎn)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(yuǎn)征公司自主研發(fā)生產(chǎn)的燒嘴，近期準(zhǔn)備交貨 [2] 。
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