网站公告: 欢迎访问最权威的期刊导航网,本站全面升级中,新版即将上线!
论文内容

GSP气化炉国产化烧嘴优化及性能分析

作者:赵元琪 杨会军 陈鹏程 陈杰 黄占宏 时间:2016-07-15 10:01:01点击

文章标题

GSP气化炉国产化烧嘴优化及性能分析

作者单位

神华宁夏煤业集团煤化工烯烃公司

联系电话

15825372092

电子信箱

nternet2007@126.com

投稿时间

2015-10-24

GSP气化炉国产化烧嘴优化及性能分析

赵元琪 杨会军 陈鹏程 陈杰 黄占宏

(神华宁夏煤业集团煤化工烯烃公司,宁夏 银川750411)

GSP gasification Burner Localization Optimization and Performance Analysis

Zhao Yuanqi  Yang Huijun  Chen Pengcheng  Chen Jie  Huang Zhanhong
SNCC Coal Chemical Industry Branch, Yinchuan Ningxia 750411

摘要:介绍了国产烧嘴在运行中存在的问题和国产化烧嘴的结构、作用。从点火枪及点火装置、火焰检测系统、烧嘴冷却水结构、煤粉与氧气混合等方面进行了优化。同时从煤粉与气化剂的混合、有效气的组成、系统安全性与稳定性等方面进行了性能优化。使用国产化烧嘴气化炉内流场、组分场、温度场分布更加合理,有效气组成较高,水冷壁的热损较低,提高了系统运行安全性、稳定性、经济性。

关键词:气化;烧嘴;性能分析
Summary:  Described the localization burner’s problems in operation and the structure and unction of the localization burner. From the point of guns, ignition devices, flame detection systems, burner cooling water structures, coal mixed with oxygen and other aspects were all optimized. At the same time , the mixing of pulverized coal and the gasifying agent, effective gas composition, system security and stability, burner simulation of flow field were also be optimized which based on performance. By using the localization burner, the flow field inside the gasifier, the component field, temperature field distribution were more reasonable, more significant gas composition, and lower heat lossing on the waterwall. Improve the operation of the system security, stability, economy.

Key words: Gasification; Burner; Performance Analysis

引言

烧嘴是GSP气化技术的三大关键设备之一,组合烧嘴的结构和运行状态对气化炉内煤粉与气化剂的混合,气化炉内的压力梯度、温度梯度、煤粉浓度梯度、气化剂分布浓度等流场起着至关重要的作用。烧嘴头部区域所处的工作环境极为恶劣既要受到气化炉内高温烟气的辐射换热和强制对流换热,同时受到高温熔渣的冲刷。本装置自使用国产化组合烧嘴以来出现了如下一系列问题。

1点火成率低,点火枪枪尖放火点处螺纹短接易脱落,点火枪尖加工精度低,膨胀节的收缩量不一致;

2点火烧嘴水夹套端面捣打料容易脱落、端部外圈容易烧损,点火烧嘴端部抓钉焊接固定不牢固,点火烧嘴与主烧嘴组装配合后有晃动,端部主氧出口环隙偏差大;

3主烧嘴煤粉通道出口对烧嘴冷却水内壁和氧气隔板有冲刷磨损,主烧嘴氧气隔板端部与点火烧嘴氧气分布器接触位置有压痕;
    (4)使用国产化烧嘴后渣饼比明显降低,增加了黑水处理系统的压力。

针对国产化烧嘴存在的以上问题,从点火枪及点火装置、火焰检测系统、烧嘴冷却水结构、煤粉与氧气混合等方面进行了优化,使其有较高的安全性、稳定性、经济性。


一、国产化烧嘴结构介绍

1.1国产烧嘴的结构

国产化组合烧嘴由点火烧嘴和主烧嘴组成。点火烧嘴在开车前对气化炉预热、升压,投煤过程中点燃主烧嘴,同时在正常运行时防止主绕嘴熄灭;主烧嘴将氧气/次高蒸汽与气流输送的煤粉在组合烧嘴出口进行充分混合、雾化。组合烧嘴各层介质从中心向外依次是中心氮气、燃料气、点火氧气、点火烧嘴循环冷却水、主绕嘴氧气/次高压蒸汽、煤粉、主绕嘴循环冷却水。各种介质走不同的通道发挥着各自的作用,同时能够有效的避免形成爆炸性混合物。点火烧嘴外层和主烧嘴外层的水夹套能够有效的对暴露在高温辐射部分进行有效冷却。安装在气化炉烧嘴尾部的三合一火焰检测系统,同时提供火焰监测信号和火焰图像视频,便于操作人员在不同阶段对气化炉火焰检测系统进行实时监控。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

1 国产化烧嘴结构示意图

二、国产化烧嘴优化

2.1点火枪及点火装置的优化

按照西门子公司点火器设计要求,电弧点火能量为2-3J,而且必须保证点火枪通道内干燥,防止短路。而在实际操作过程中电极附近有污物、积水,温度较低很难满足设计要求;此外点火电极附近的燃料气和氧气混合不充分,电火花能量不足以点燃气体燃料;电极拉弧所需要的距离较难固定,在安装过程可能出现距离过大,或者电极接线处短路现象,会导致电流从别的地方放电,因此点火比较困难。

将高能点火器的优势运用到现有国产烧嘴工艺中,采用高能量点火方式,能够克服低温、积水、积灰结焦等不良运行环境。其原理是[1]:将220V(AC)电压经变压器升压,通过桥式整流变为2100VDC的直流电,经电容储能,有放电管集中释放能量,产生高能火花脉冲。点火能量可达6-30J,其脉冲释放频率在14-16Hz,根据GSP气化工艺特点:使用LPG点火时点火能量在20J左右已经完全满足工艺要求[2]

2.2增加三合一火焰检测系统

在使用三合一火焰检测系统之前气化炉点火仅依靠火检进行判断,无法判断点火失败是电气的点火器发生了问题,还是仪表的火检检测不到火焰,或者是工艺介质不合格导致的。
    针对现有高温、高压气化炉燃烧反应难以实时检测的问题,通过一体化在线火焰检测系统在小视窗条件下对气化炉内燃烧反应进行实时监控,既能提供火焰的监测信号,又能提供火焰的图像和温度,为气化炉稳定运行提供可靠监控的一体化装置。三合一火焰检测系统利用高清摄像头、分光原理、内部计算法通过一个观察口得到火焰视频信号和火焰强度信号,同时将火焰检测强度信号(4-20mA模拟量信号)引入工艺联锁和监控,在SIS系统中仪表人员设计了相关逻辑使得两种信号互相判断,避免了单一信号受干扰时造成气化炉联锁停车,同时在DCS监控画面中添加了火焰强度模拟量输出。三合一火焰检测系统不仅解决了火焰是否存在的问题,还可以判断点火失败是电气的点火器故障、仪表的火检故障,还是工艺介质不合格。

2.3烧嘴烧嘴冷却水结构的优化

气化炉运行过程中当火焰距离烧嘴夹套端部较近时,容易造成夹套端部温度过高,形成热裂纹,导致夹套烧损,烧嘴冷却水泄漏。国产化主烧嘴取消了中部冷却水通道,增大最外层冷却水夹套流通面积,冷却水量约2530m3/h。同时点火烧嘴冷却水夹套流通面积增大,将点火烧嘴冷却水冷却方式由对流结构改为螺旋式强制旋流,提高了水侧对流换热系数,降低了烧嘴端面向火侧金属壁面的温度,流速由原来的4-5m/s提高至10m/s,材质由厚壁管改为薄壁管;冷却水用量约915m3/h。流动方式的改变增强烧嘴断面的换热效果,能够有效、及时的移走热量。

由于原有点火烧嘴冷却水夹套伸出氧气通道出口外沿,导致高速、高温、旋转的氧气射流冲刷水夹套外沿,存在冷却水外沿被烧损的迹象,导致水夹套外沿破损。因此,将点火烧嘴外夹套长度缩短,保证冷却水夹套缩回到氧气通道出口外沿以内,在向火侧采用新型耐高温耐火浇注料,隔离高温火焰与冷却水端面,降低冷却水端面温度,提高烧嘴端面使用寿命。同时使夹套外倒角直径变大,减弱应力集中现象,有效的避免了点火烧嘴冷却水外沿被烧损的问题。

经过冷却水结构的优化国产化烧嘴水冷夹套气密性试验压力为4.0 Mpa,整体水压试验压力达到8.0 Mpa,而西门子烧嘴水冷夹套设计压力仅为0.8Mpa,因此在点火、投煤、系统停车压差变化较大的情况下,国产化烧嘴的安全性能明显优于西门子烧嘴。

2.4煤粉与氧气混合效果改进与优化

氧气和次高压蒸汽除了参与气化反应控制炉温外,还对气化炉内流场、水冷壁壁面热负荷、烧嘴支撑及下渣口温度等参数的分布起着重要的作用,同时影响着气化炉内煤粉与气化剂的混合时间和停留时间。

国产烧嘴去除了原有的氧气旋风罩,设计了新型的煤粉与氧气混合的通道结构,强化了煤粉与氧气的混合效果,将低速、直流的煤粉射流进行卷吸,提供给煤粉一定的旋转动量;同时还利用高速旋转氧气射流的卷吸作用,将煤粉均匀的弥散在整个炉膛中心,使煤粉与气化剂的充分混合,防止煤粉管道不均匀导致的偏烧现象。经过长时间的运行表明:国产化烧嘴煤粉旋转动量明显高于西门子烧嘴,煤粉颗粒在炉内的均匀性和湍流混合效果要明显占优;煤粉旋转半径小,煤粉燃烧时高温火焰半径也会变小,高温火焰贴近炉膛膜式水冷壁可能性减小,水冷壁的热损明显较低,有利于膜式水冷壁挂渣保护水冷壁正常运行;气化炉内火焰形状短而粗明显不同于西门子烧嘴火焰形状,下渣口处温差明显降低,有利于保护导向管和下渣口长时间稳定运行。

三、国产化烧嘴性能分析

3.1国产化烧嘴利于保护水冷壁

国产化烧嘴因其新型的煤粉与氧气混合的通道结构,强化了煤粉与氧气的混合效果,使气化炉内的流场分布更加合理。喷入气化炉内的煤粉在高速旋转的氧气和次高压蒸汽射流带动下进行卷吸。获得足够的动量后煤粉与气化剂一起运动到炉膛中下部,同时发生湍流燃烧反应,从烧嘴喷入气化炉内的煤粉要经历脱除挥发分、焦炭燃烧、气化反应三个阶段,各个阶段所经历的时间极短。因此,在煤粉和气化剂喷入炉膛后在烧嘴前方射流区(200-2000mm处)形成高温度区,温度约在2327℃左右,在气化炉3000mm以下的管流区,温度较为均匀,平均温度在1750左右,在气化炉的拱顶回流区处温度较低,约为1477左右[3]。随着氧气旋流角度(23°24°25°26°)的增大,氧气/次高压蒸汽从烧嘴喷出后的张角也增大,中心高速气流的直径随之增加,因而贴近水冷壁处的流速也相应增加。因此从理论上讲氧气旋流角度的增大有助于水冷壁更好的挂渣。

在使用国产烧嘴后,气化炉燃烧室水冷壁检修次数明显减少。水冷壁整体挂渣效果好,停炉后对水冷壁的挂渣情况进行检查发现:气化炉拱顶也就是煤粉与气化剂的返混区渣层较为稀松,气化炉炉膛中下部的管流区渣层厚度较厚且渣层均匀,水冷壁整体挂渣效果良好。使用国产烧嘴后,气化炉的各区域热损普遍较低,并且能够有效控制气化炉热损,在使用过程中未出现过水冷壁烧损的情况,说明国产化组合式能有效保护水冷壁。

表一 国产烧嘴水冷壁热损统计表

  最高热损(MW

1#气化炉

2#气化炉

3#气化炉

4#气化炉

5#气化炉

国产化烧嘴

5.79

5.33

4.38

4.6

4.39

西门子烧嘴

12

8.36

7.28

6.45

9.43

3.2国产化烧嘴利于提高有效气组分

通过气化炉内流场分布特点得知,合理的氧气旋流角度就决定气化炉内合理的流场分布,也就决定炉膛内的煤粉与气化剂的混合时间,煤粉气化过程的反应时间。当炉内流场部分不合理时,煤粉与气化剂还没有充分混合就进行气化反应,此时较明显的现象是炉内局部高温,灰渣中残炭的含量较高。使用国产化烧嘴后渣饼比降低,意味着大量的灰渣通过黑水管线进入黑水处理系统,不仅加重了黑水处理单元的负荷,还存在管线、设备磨穿的隐患,已经通过提高气化炉炉温,改进氧气旋流角度逐步进行改善。

表二 国产烧嘴使用前后合成气组分对比

西门子烧嘴气体组分V/V

国产烧嘴气体组分V/V

时间

渣饼比%

CO %

H2 %

有效气%

渣饼比%

CO %

H2 %

有效气%

30

146

67.21

25.52

92.73

65

70.04

25.15

95.19

由表二数据可知,在使用国产化烧嘴后有效气组分(COH2)高于西门子烧嘴1%3%,因此有较好的经济性。

3.3不同氧气旋流角度下性能分析

为了使国产化烧嘴更好的匹配GSP气化炉,优化气化炉内流程,延长烧嘴和水冷壁的使用寿命,提高有效气及反应产物的渣饼比。自其使用以来不断改进烧嘴的氧气旋流角度,通过优化国产烧嘴氧气通道旋流角度(23°、24°、25°、26°),优化气化炉内合理的流场分布,其中主要参数见表三。

表三 不同氧气旋流角度下主要参数表

角度

灰份(%

CO %(V/V)

H2 %(V/V)

有效气(%

热损(MW

下渣口温差(℃)

残炭含量(%

23°

14.13

69.80

25.23

95.03

1.84

15.2

3.53

24°

15.39

69.02

26.14

95.16

2.61

17.7

3.11

25°

13.47

68.88

24.94

93.82

2.37

15.1

4.99

26°

14.55

68.58

26.36

94.93

2.54

15.0

0.76

通过表三看以看出在不同的氧气旋流角度下有效气的组分变化不明显,保持在95%左右,水冷壁盘管及下渣口的热损区别不大,燃烧室整体挂渣情况良好(26°烧嘴还需停车后检查验证)。26°烧嘴的残炭量远低于其他角度的烧嘴,随着氧气旋流角度的增大,氧气/次高压蒸汽从烧嘴喷出后的张角也增大,有助于提高气化炉的温度,因此残炭较低。

表四 不同氧气旋流角度下水冷壁个部位温差

角度

烧嘴支撑温差231TD2249

水冷壁盘管温差231TD2250

水冷壁盘管温差231TD2251

水冷壁盘管温差231TD2252

水冷壁盘管温差231TD2253

23

4.06

6.68

6.76

6.85

6.49

24

3.67

6.81

6.79

6.31

7.11

25

5.28

7.2

7.224

7.31

7.13

26

2.21

8.56

8.84

8.73

8.46

从表四可以看出随着氧气旋流角度的增加水冷壁的热损有增加的趋势,与之前的分析一致,因为随着氧气旋流角度的增大,有助于提高气化炉水冷壁壁面的热密度,因此热损较高。

3.4国产化烧嘴有较好的稳定性和经济性

经过结构优化后的国产化烧嘴水冷夹套气密性试验压力为4.0 Mpa,整体水压试验压力达到8.0 Mpa,而西门子烧嘴水冷夹套设计压力仅为0.8Mpa,因此在点火、投煤、系统停车等压差变化较大的工况下,国产化烧嘴的安全性能明显优于西门子烧嘴。
    自使用国产化烧嘴以来,因烧嘴系统烧损或者水冷壁烧穿而停炉检修的次数明显减少。国产化烧嘴的使用寿命较西门子烧嘴长,在气化开车时点火成功率明显优于西门子烧嘴,缩短了开车时间。更主要的是国产化烧嘴的设备费用、检维修费用低于西门子烧嘴。国产化烧嘴的经济性明显优于西门子烧嘴主要表现在:

1有效气成分高,按照烯设计指标,每台气化炉产生138000 Nm3/h的有效气(CO+H2),有效气含量提高1.57%,国产711烧嘴可以多产生2070 Nm3/h的有效气,一年多产生16560000 Nm3有效气,单个组合烧嘴每年可以多增加经济效益近1656万元,整体装置可增加效益8280万元;

2水冷壁检修频次减少,每年按减少3次水冷壁检修计算,每年可节省检修费用至少60万元;

3烧嘴及维修成本低,新型国产烧嘴单台售价430元,全年维修费用300元,每年节省烧嘴维修费用360元。

表五 国产化烧嘴与西门子烧嘴安全性和稳定性对比

项目

单炉未检修连续运行时间(天)

水夹套承 压(Mpa

有效气成分(V%

点火成功率(%

成本价格 /万元

西门子烧嘴

90

0.8

90-93

35

870

国产烧嘴

150

4

93-95

90

430

3.5国产化烧嘴流场模拟分析

煤粉与气化剂从烧嘴喷出后,在紧靠烧嘴的一个相当短过渡区域内,高速射流造成剪切层,由于剪切层自然不稳定性的迅速增长,形成漩涡,漩涡导致射流对周围流体的卷吸,由于卷吸作用的存在,使得射流宽度沿长度方向不断增加,当射流扩张受到壁面限制且周围流体量小于射流所能卷吸的能量时,由于反向压力梯度的存在,在炉膛内产生回流。因此,烧嘴氧气旋流角度是炉膛内各流场分布重要因素。

通过使用流体力学软件对不同氧气旋流角度下气化炉内温度场进行模拟分析,不同旋流角度下合成气出口温度分别如下:

表六 不同氧气旋流角度下合成气出口温度及流速

烧嘴角度

23°

24°

25°

合成气出口温度(

合成气出口流速m/s

1406

13.26

1412

12.66

1443

14.23

    随着烧嘴氧气旋流角度的增加,合成气的出口温度有一定的影响,这是因为随着烧嘴旋流角度的增大,氧气切向旋流流速增加,火焰形状变得更胖,因此顶锥壁面受到的热辐射有所增加。在炉膛直端,情况与顶锥相反,由于旋流强度的增加,火焰变胖的同时也变的较短,因为随着烧嘴旋流角度的增加,提高了氧气的切向速率,同时降低了轴向的速率,因此旋流角度增加时气流对水冷壁烧嘴支撑和下渣口处冲刷较弱,此时的火焰长度较短对水冷壁烧嘴支撑和下渣口处热辐射也较弱。

四、结论

从点火枪及点火装置、火焰检测系统、烧嘴冷却水结构、煤粉与氧气混合等方面对国产化进行了优化,同时从安全性、稳定性、经济性等角度对国产化烧嘴进行了性能分析,新型干煤粉气化组合烧嘴性能明显优于西门子组合烧嘴,主要表现在:
    (1)国产化烧嘴使用寿命更长,单炉未检修连续运行时间150天;
    (2)国产化烧嘴有良好的安全性,国产化烧嘴易于挂渣有效的保护水冷壁不被烧穿,延长了气化炉的运行时间,水冷夹套气密性试验压力达到4.0 Mpa;
    (3)国产化烧嘴有良好的稳定性,通过对煤粉与氧气混合效果改进使气化炉内流场、组分场、温度场分布更加合理;

4)国产化烧嘴有良好的经济性,烧嘴的使用寿命长,设备费用、检维修费用低,有效气组分高于西门子烧嘴1%3%,点火成功率由35%提至90%左右,缩短了开车时间,节省了人力成本。

参考文献

[1]候玲云,候晓春.喷嘴技术手册(第二版)[M].北京:中国石化出版社.2007,198-201

[2]徐亚昆.神华宁煤GSP气化装置点火与火检系统的改造[J].化工仪表及自动化.2014,41(3):429-431.

[3]马银剑,匡建平,井云环,罗春桃.工业运行GSP气化炉数值模拟研究[J].化肥工业2014.41(6):41-43.

[4]李曙阳,伍永福.氧气喷射角度对煤制甲醇转化炉内速度场的影响[J].当代化工2015,41(1):175-177.

期刊导航网所有资料均源于网上的共享资源及期刊共享,请特别注意勿做其他非法用途
如有侵犯您的版权或其他有损您利益的行为,请联系指出,本网会立即进行改正或删除有关内容
CopyRight (C)2004-2015 www.qikan123.cn 期刊导航网 版权所有 All Rights Reserved 京ICP备16039122号-2

期刊导航网

官方微信