Optimization and Improvement of Ignition Nozzle of Three-Nozzle Dry Pulverized Coal Gasifie
Abstract：
In view of the problems such as low ignition success rate of ignition nozzle, unstable flame detecting signal, difficult adjustment of oxygen in inner and outer rings, etc., in the domestic first set of dry pulverized coal gasification industrialized device for coal with high ash content, high ash melting point and high sulfur content after operation, the reasons are analyzed and the corresponding improvement measures are taken. Through more than three years of operation, it is proved that the transformation is successful and the problems existing in the ignition nozzle have been effectively solved.
兖矿集团贵州开阳化工有限公司(以下简称开阳化工公司)针对贵州当地“三高煤”(高灰分含量、高灰熔点、高硫含量)的特点，开发出以西南地区原煤为主要原料的干煤粉气化技术，兼具干煤粉气化技术与水煤浆气化技术优点，为“三高煤”的清洁高效利用提供了新的方向。开阳化工公司500 kt/a合成氨装置配置2台气化炉，不设备炉，投煤量为1 200 t/d，操作压力4.0 MPa，有效气(C0+H2)产量70 000 m3/h (标态)；合成气出口压力3.8 MPa，出口温度205~207 ℃，含尘质量浓度0.5~0.8 mg/m3(标态)，水汽比为1；气化炉比氧耗340 m3(标态)，比煤耗650 kg，冷煤气效率80%，碳转化率达98%。
作为国内首套“三高煤”干煤粉气化工业化装置，气化炉自投运以来不可避免地出现了一些问题。围绕气化装置在试车及后期运行中出现的点火烧嘴点火成功率低、火检信号不稳定、内外环氧调节困难等突出问题，开阳化工公司开展了点火烧嘴结构研究，逐步完善了改进方案，并在此基础上利用系统大修机会逐步实施，解决了影响气化炉长周期稳定运行的问题。
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点火成功率低的原因及其改进
1.1
点火成功率低的原因
点火烧嘴的主要功能是提供气化炉投料时所需热量，将气化炉从冷态运行至热态，在惰性气氛、带压(0.3~0.6 MPa)条件下实现点火。点火时采用液化石油气(LPG)作燃料气，投料运行正常后改用变换系统返回的水煤气。
开阳化工公司三喷嘴气化炉点火烧嘴采用水夹套冷却式结构，烧嘴中心为燃料气通道、火检及火检保护氮气通道，夹套间隙为氧气通道(分内、外环)。点火电极位于燃料气通道出口，内、外环氧气通道均设冷却水保护。
点火烧嘴工作流程：点火前气化炉置换合格(含氧体积分数＜0.5%)，气化炉压力控制在0.5~0.6 MPa，调节氧气与燃料气压力、流量；启动点火顺控，火检监控观察点火情况，点火成功后将燃料气由点火管线切换至运行管线，气化炉进行升温升压；逐渐提高燃料气量至500~600 m3/h (标态)，氧气量随氧燃比串级调节；气化炉压力升至3.5 MPa时投料，投料成功后燃料气量降至300~350 m3/h (标态)，点火烧嘴保持运行(长明灯)。
点火烧嘴在前期运行中点火成功率较低，经分析，认为其主要原因[1]：点火烧嘴所用点火枪采用拉弧放电方式，点火能量过低(约2 J)，难以在惰性环境下将LPG点燃；此外，氧气与燃料气通过内环的2个Φ 5 mm小孔进行混合，混合效果较差，较难在点火枪放电时间内形成混合气体，导致点火困难。
针对上述问题，确定了改进方案，经模拟分析后联系专业制造企业对点火烧嘴进行了相应改进。
(1)改进工艺介质通道。改进后的点火烧嘴共设4层通道，介质分别为冷却水、氧气、燃料气和氮气。氮气通道位置及直径不变，氧气不再与冷却水通道混为一体。氧气通道与燃料气通道在烧嘴内部无法相通，两者只有在喷出烧嘴端面后才能混合，即采用非预混燃烧，提高了安全性。
(2)改进冷却水通道。改进后的点火烧嘴只设1层水夹套，即外层冷却水通道。夹套采用高效旋流结构，采用经过特殊处理的耐高温、抗氧化材料，提高了烧嘴端面的冷却效果。冷却水端面将点火枪尖完全包裹在烧嘴内部，延长了点火枪尖的使用寿命。改进后的点火烧嘴头部结构如图 1所示。
图 1
(3)提高点火枪尖稳定性。点火枪尖安装在烧嘴头部，在装进点火烧嘴前即将枪尖与头部收缩罩拧紧，通过打火试验判断打火火光是否满足要求。点火枪尖插入烧嘴后，只需判断头部是否已经靠住锥口，无需再控制其间距。点火枪尖高压包采用能够释放高能量的控制箱，确保有足够能量将混合气点燃。
(4)将原点火枪改造为高能点火枪，放电能量由2 J提高至20 J。
(5)将点火枪头部结构改为莲花座式，利于燃料气旋流后与内环氧气的充分混合，确保在点火烧嘴头部形成有效的可燃性气体。改进前后点火烧嘴头部实物对比如图 2所示。
图 2
(6)为便于组对衔接，保持各介质管口、法兰与原烧嘴结构一致。
1.3
改进效果
先利用系统大修机会完成A#炉新型点火烧嘴的对接组装，一次点火成功。通过与未改造的B#炉的交叉验证表明，A#炉点火烧嘴打火能量高，点火成功率较改造前有了较大的提高。在之后的运行过程中，仍偶有点火困难现象，经分析其主要原因是点火枪绝缘套管采用的聚四氟乙烯强度不足，在高温环境下易变形折断，造成点火枪短路而无法正常放电。为此，将聚四氟乙烯改为陶瓷，进一步提高了点火成功率并延长烧嘴使用寿命。但在正常更换烧嘴时，发现陶瓷管出现破损、断裂现象，原因是烧嘴装配时莲花座与外水夹套须紧密接触才能有效放电，该接触形式导致莲花座受热膨胀后，陶瓷管受力而发生破损断裂。根据分析结果，在陶瓷管座卡槽内增设弹簧，使莲花头与烧嘴外环形成柔性接触，解决了此种硬性损伤。经过上述逐步优化改进后，在运行过程中再未发现问题，点火枪的优化改进取得了极好的效果，大大提高了点火成功率并延长了烧嘴的使用寿命。
在前期运行过程中，烧嘴火检信号出现过丢失、无法检测现象，严重时触发点火烧嘴跳车。经分析，其主要原因是长明灯火检通道直径较小且距离较长，安装过程中易发生弯曲而阻挡火焰光线，使火焰检测器较难捕捉到稳定的光信号，导致火焰检测器信号经常丢失。针对该情况，投用三合一视频火检，在光谱检测的基础上增加了温度与视频监控，烧嘴燃烧状况可通过视频直接监控。改进后，在通过视频监控到点火烧嘴正常燃烧的情况下，可直接将长明灯火焰检测信号切除，彻底避免了因火检信号丢失引起的跳车问题，大大缩短了系统开车时间。
3
内、外环氧气调节困难及其改进
初始设计时，点火烧嘴氧气流量采用内、外环分别控制，内环氧气主要用于点火，外环氧气用于正常运行，内、外环氧气体积流量比为1 :2。在后期运行过程中，因外环氧气调节阀调节精度不高，无法保证内、外环氧气体积流量比达标，氧气绝大部分流向外环，内环氧气量明显不足，造成点火困难。如满足点火要求，则外环流量调节阀须保持很小开度，但气化炉内可燃性气体易窜入氧气管线，存在重大安全隐患。
经论证分析，认为投用内环氧气即可满足投料所需的氧气量，故对长明灯氧气系统进行优化改进，取消其外环氧气，并将外环流通介质改为氮气。改进后的烧嘴内、外环气体流程如图 3所示。
图 3
改进后，点火烧嘴氧气调节控制流程得到简化，实现了氧燃比流量串级控制，提高了自动化程度，消除了外环氧存在的安全隐患。
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点火枪电导线易腐蚀断线及其改进
点火烧嘴点火枪电导线原采用铜丝外包绝缘皮，正常运行时采用含H2S体积分数在1%~2%的水煤气作为燃料气，使电导线长期处于高硫腐蚀环境中而容易断线，无法形成放电回路。每次出现该情况后，需对气化炉系统进行置换、隔离，然后拔出长明灯，对点火枪重新接线并回装，待气化炉气密试验合格后才能重新点火，开车时间因此延长16~20 h。
针对上述问题，决定对点火枪电导线材质及接线方式进行改进，即采用304钢丝外包高效绝缘皮，电导线端部与铜质压线鼻子连接后用螺钉固定于点火枪头部。点火枪电导线改进后，大大提高了其耐腐蚀性，再未出现因电导线断线而无法放电点火的现象。
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结语
3年多的运行实践表明，对2台气化炉点火烧嘴的优化改进是成功的：通过对点火烧嘴流道的模拟分析，对其结构形式进行调整，解决了点火成功率低及烧嘴寿命短的问题；通过对点火枪的改进，解决了其使用寿命短的问题；通过改进火焰监测器型号及监测方式，解决了火检信号不稳定易触发跳车的问题；通过改进内、外环氧控制流程，解决了氧量调节困难的问题，消除了安全隐患。与改造前相比，杜绝了非计划停车，实现了气化炉的经济运行。
开阳化工公司三喷嘴干煤粉气化炉为目前国内首套工业化运行装置，通过采取“改进1台、验证1台”的稳妥方案，利用系统大修机会先后完成2台气化炉点火烧嘴的优化改进并取得了良好的效果，为合成氨装置的稳定运行提供了技术保障。三喷嘴干煤粉气化技术的成功应用以及对关键设备的后续优化改进升级，为贵州、山西、内蒙古等地的劣质煤就地转化提供了强有力的技术支持。
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