[科普中国]-烧嘴点火

简介

壳牌煤气化技术是目前世界上最先进的煤气化技术之一，壳牌公司自20 世纪50 年代就开始煤气化技术的研发， 从6t/d、150t/d 中试装置一步步做起，至1988 年将第一台2000t/d 级的气化炉成功应用于荷兰的Buggenun IGCC 电厂， 至今已有近60 年的研发历史。我国自1997 年来已陆续引进23台壳牌气化炉，单台气化炉日投煤能力为1000t 或2000t，产品合成气大部分用于生产合成氨、甲醇和氢气，目前有10 套以上装置已经开车。

从已投产的气化炉运行情况看，壳牌气化炉的设计理念非常先进，但存在的问题也很突出，主要是运行稳定性差， 故障率高， 例如： 锁斗开关阀卡死、大渣块容易堵管、开工烧嘴易烧坏、粉煤输送不稳定、激冷器压缩机和飞灰陶瓷过滤器故障频繁等，这些都是壳牌炉的“软肋”，主要是设计上的先天不足导致的1。

壳牌气化炉点火系统设计按气化工艺要求，气化炉内需用高压氮气和烧嘴燃烧的烟气充压到约1MPa 后才投入煤粉，如此高的压力和高密度的惰性环境，无疑将给气化炉点火造成很大难度。因此，与常规火电负压燃烧的燃煤锅炉相比， 壳牌气化炉的点火系统设计比较复杂， 共设计了三级点火， 并对应设置了点火烧嘴(IB)、开工烧嘴(SUB)、粉煤烧嘴(CB)，以此来克服炉内高压和高浓度氮气对点火的影响。烧嘴数量共6个：其中点火烧嘴1 个，燃烧介质为燃料气(天然气或液化石油气)加仪表空气；开工烧嘴1 个，燃烧介质为纯氧加柴油；粉煤烧嘴4 个，燃烧介质为粉煤、纯氧加水蒸气。开工烧嘴功率约为10MW(为粉煤烧嘴功率的6%)，点火烧嘴功率约为100kW(为开工烧嘴功率的1%)。

烧嘴点火和开工烧嘴位于同一个垂直平面，均为插入式结构，开工阶段，开工和点火烧嘴暂时插入气化炉内，之后随即撤出，其伸缩过程全部由DCS 控制。4 个粉煤烧嘴与点火烧嘴位于同一水平面，均匀分布，为固定式结构，安装在水冷壁上的隔焰罩内。

下面简述壳牌气化炉的三级点火过程：

当高压氮气完成对气化炉的吹扫后，系统先通过电子点火装置将点火烧嘴IB 点燃， 随后启动系统的引氧程序，待引氧程序第一阶段( 即氧气引至SUB 阀前)完成后，启动开工烧嘴SUB 的点火顺控程序13KS0003，若SUB 点火成功，点火烧嘴立即退出，并启动煤烧嘴的粉煤循环，同时气化系统开始升压(在SUB 点火成功后，一旦燃烧烟气中氧气含量小于0.5%， 系统放空方式随即从大气放空切换至火炬燃烧排放)，压力调节阀B(粗合成气去火炬总管排放阀)由手动变为自动调节模式来调节气化炉的压力，当气化炉压力达到0.65MPa 时开始启动激冷气循环压缩机并调整稳定(根据各型号压缩机不同的特性，有的用户已改为常压启动)，当压力接近1.0MPa 时开始投入第一个粉煤烧嘴CB，稳定几分钟后开始投人第二个粉煤烧嘴(与第一个烧嘴相对)， 当第二个粉煤烧嘴点燃后， 开工烧嘴立即退出，随后再依次点燃剩下的两个粉煤烧嘴，至此气化炉点火过程结束2。

开工烧嘴原理与结构气化炉开工烧嘴主要用于开工阶段给气化炉升温升压以及点燃主粉煤烧嘴，开工烧嘴为插入式结构，配有可遥控的(DCS 控制)机械插入装置。整个插入系统由烧嘴支架支撑，配有驱动电机、滑车、滑轨及限位等。驱动电机通过传动链条带动滑车，滑车通过“夹紧万向节”带动烧嘴，经由一个填料函、两个密封球阀和中间隔离环( 内充高压密封氮)插入和退出气化炉， 其作用是当烧嘴退出气化炉后，防止炉内的高温高压气体从烧嘴通道窜出而损坏烧嘴，发生安全事故。滑车的行程定位由三级限位(减速限位、正常限位和极限限位)控制，此外还配有气动的机械定位销。

开工烧嘴的关键部位为烧嘴头。烧嘴头由水夹套和铜头组成。冷却水进入烧嘴头后分为两股，一股用来冷却水夹套，另一股用来冷却铜头。铜头内加工有12 个柴油通道(第一代烧嘴只设计了6 个)，直径约1mm。水夹套与铜头之间形成的环形空间为氧通道， 此环形空间的尾端为柴油及氧气的混合区。烧嘴正常工作时，高速喷入的氧气夹带柴油，从铜头与水夹套的缝隙间高速喷出并雾化(此处的缝隙大小可通过SUB 外部的调整螺栓来控制其雾化效果)，遇到点火烧嘴燃烧的小火焰后迅速燃烧，形成巨大的火焰环。烧嘴头被高温火焰辐射而产生的热量迅速被冷却水带走，以防止烧嘴头烧坏3。

开工烧嘴常见故障分析开工烧嘴点火是气化炉点火的关键， 也是难点。据悉，国内大部分壳牌气化炉在首次开车时都频繁发生开工烧嘴被烧坏现象，有时点一次火连续烧坏3～4 次，导致不停地拆装烧嘴。此外，若开工烧嘴点火失败，必须立即停止气化开车程序，重新执行气化炉吹扫程序(因为从烧嘴中喷出的油氧混合物将残留在气化炉内，若不将其吹扫干净，再次点火时很容易发生爆燃现象)，费时费力，严重影响了开车进程。

那么开工烧嘴为何如此容易烧坏呢？ 从设计原理上分析， 最关键因素在于其燃烧方式为纯氧燃烧。因开工烧嘴点火时，气化炉内充满了氮气，此时只有用纯氧作为助燃剂才能将大功率的开工烧嘴点燃，但纯氧燃烧很难控制，主要是氧气与柴油的混合比例(即通常说的“氧油比”)以及到达烧嘴头的同步性不好调整， 氧气偏多火焰温度就会瞬间剧增，氧气偏少又会导致灭火。

第二个因素在于其喷头的材质选择，壳牌选择用紫铜来制作烧嘴喷头，通常简称为“铜头”，其原因有两个：一是铜具有良好的热传导性能，这样喷头因高温火焰辐射而快速增加的热量能迅速地被冷却水带走，以防止喷头因高温而烧毁；二是铜具有良好的抗氧化性，这样流经喷头四周的纯氧不会轻易将喷头氧化腐蚀，从而延长了烧嘴的寿命。但是，铜用作喷头也存在一个致命的弱点，就是其熔点偏低，不耐高温，很容易被烧毁。

客观地说，针对气化炉特殊的运行工况， 壳牌对开工烧嘴采取以上的设计理念还是很先进的(目前仍没有更好的设计方案来替代)， 只要充分掌握了纯氧燃烧的特性和铜头的特点，在实际操作中采取有效的、针对性的预防措施，还是能大大降低开工烧嘴的故障率。但由于经验上的不足，国内大多数壳牌炉在开工初期总是频繁出现开工烧嘴点火故障，其原因是多方面的，由于篇幅有限，以下只列举几个典型案例加以分析：

点火时氧油不同步根据壳牌工艺要求，开工烧嘴点火时最关键的一点是要保证氧气和柴油同时到达烧嘴喷头，如果氧气比柴油先到， 喷出的氧气一遇到点火烧嘴火焰，瞬间将产生约3000℃的高温火焰，很快就会将铜头烧化。但实际操作中不可能做到氧油绝对同步，为确保氧气滞后于柴油，实际操作中往往采取让柴油先到的办法，因为柴油若比氧气先到，柴油将被氧管线里的高压吹扫氮雾化而喷出，对烧嘴没有影响，但早到时间也不能偏长，否则大量的柴油喷入炉膛，极易发生事故。

具体时间应通过试验来测定。通常的做法是通过做试验(用水代替油、用氮气代替氧气)来测定氧气和柴油开关阀动作时间和各自到达喷嘴头的时间( 用秒表测定)，再将测定的时间值输入到DCS的开工烧嘴顺控程序中(氧气在管内的流速比柴油快，它到达喷头的时间肯定比柴油短，可通过DCS组态在顺控程序中进行延时设定)。但在实际操作中，由于时间测量上的误差，经常会发生氧比油先到的现象，致使铜头因高温而烧毁。

阀门的控制逻辑不合理开工烧嘴正常工作时，氧气开关阀13XV0023 和柴油开关阀13XV0024 为全开状态， 氧管线吹扫阀13XY0027 和油管线吹扫阀13XV0025、13XV0026 处于关闭状态。开工烧嘴正常退出时，由DCS 执行顺控程序，先开启13XV0025、13XV0026 和13XY0027，将高压吹扫氮气先补进氧油管线， 然后再关闭13XV0023 和13XV0024， 切断氧气和柴油， 目的是防止烧嘴退出时烧嘴里的油和氧被炉膛的高背压往回顶，产生回火现象而将烧嘴烧坏。

以上指的是烧嘴的正常退出程序，按理说非正常退出时也应如此，但有些气化炉在开工烧嘴因联锁保护动作而发生跳车时，经常将烧嘴烧坏，后经观察发现， 每当烧嘴非正常退出( 跳车) 时，13XV0025、13XV0026 和13XY0027 的开启总是比13XV0023 和13XV0024 的关闭晚，即氧油已切断而高压吹扫氮气来不及补上，导致回火而烧毁烧嘴。

为何会发生这样的现象呢？ 有经验的技术人员从DCS 与ESD 之间找到了原因： 烧嘴系统正常退出时由DCS 控制， 而跳车时则由ESD 通过DCS 向13XV0025、13XV0026 和13XY0027 发出“开” 的命令， 同时直接向13XV0023 和13XV0024 发出“ 关”命令，可ESD 与DCS 之间通讯需要时间，致使高压吹扫氮滞后(约1.3s)补进，造成开工烧嘴回火被烧坏。后来将以上3 个阀门全部改为由ESD 直接控制后，问题得以解决。

柴油管线压力不稳壳牌炉的柴油泵一般都设在零米，且大都采用往复泵，往复泵的优点是扬程大，缺点是出口压力不稳，为保持柴油管线的压力稳定，在泵的出口都设计了柴油缓冲罐(也称作阻尼器或蓄能器)，目的是随时调整柴油管线的压力，防止开工烧嘴因油压不稳而跳车。但由于柴油缓冲罐也安装在零米，而开工烧嘴安装在43m 层， 两者之间连接管线太长、且高度相差大， 制约了缓冲罐的压力调节能力，致使开工烧嘴经常因油压不稳导致氧油比超限而跳车。据悉，龙宇煤化工通过调整柴油缓冲罐的位置而圆满解决了这一问题，具体整改方案概述如下：把位于零米的柴油缓冲罐移至38m 的平台上。

在缓冲罐投用前，先用高压氮气向罐内充25~30kgf(1kgf 约等于9.806N，下同)的压力，使罐内的液位达到5cm 左右，当柴油管线内的压力大于30kgf 时再投用缓冲罐。这样不仅缩短了缓冲罐与开工烧嘴的距离，而且可使罐内有足够可压缩的气体，从而让缓冲罐起到了很好的稳压作用。

火检信号延时设置不合适壳牌气化炉设置了专门的火焰探测器(通常称为火检)，用来检测开工烧嘴点火是否成功，此检测信号既用来保护开工烧嘴，同时又给粉煤烧嘴的投放提供了条件。火焰探测器是通过紫外线探测火焰强度的，检测的是电离信号，并输出给DCS(开关量信号)。

当氧气开关阀13XV0023 开启后， 开工烧嘴顺控程序将延迟几秒来检测火检信号，如果未检测到火焰，开工烧嘴将立即跳车，以保护烧嘴。

因氧气从开关阀到烧嘴喷头需要时间，且烧嘴刚点着时，氧油混合燃烧并不稳定，且火焰强度也不高，所以在顺控程序中对火检信号设置了延迟时间，以确保检测信号的准确。这一设计是非常合理的，关键是如何确定合适的延迟时间，若时间偏短，烧嘴还未点着或点着后火焰还没稳定就跳车了，属误停车；若时间偏长，烧嘴如果确实未点燃而没有及时跳车，很容易把烧嘴烧坏，而且柴油留在炉内，在下次点火时会出现爆燃，危害到设备安全。

据技术人员介绍，火检信号的延迟检测时间一般设置为3～5s 较合适， 具体准确时间需现场做试验测定，各烧嘴略有不同3。

烧嘴厂家概述尽管国内外生产烧嘴的厂家很多，但壳牌目前只认证了唯一的烧嘴供货商： 德国沃尔特·布林克曼公司。目前国内所有壳牌气化炉的开工烧嘴全部采用该公司的产品。

德国沃尔特·布林克曼公司成立于1883 年，是一家专业生产各类燃烧器、烘干系统的知名企业，其产品广泛应用于钢铁、制铝、石灰烧制及化工行业。目前该公司已被德国克莱德公司收购，更名为克莱德·贝尔格曼·布林克曼有限公司。该公司在工业烧嘴和加热系统的设计、加工方面一直处于世界领先地位，曾为韩国浦项钢铁厂的炼钢工艺设计了功率达300MW 的燃烧器。同时，布林克曼公司是壳牌气化炉开工烧嘴的唯一指定生产商， 为欧洲的IGCC 电站提供了相应的燃烧系统， 包括西班牙IGCC 电站的开工烧嘴， 荷兰IGCC 电站的点火烧嘴、开工烧嘴以及惰性气体发生器等。

正因为其产品的唯一性，导致其销售价格一直居高不下，据悉一套烧嘴(一台点火烧嘴加一台开工烧嘴)的价格约80 万欧元( 约680 万人民币)， 且降价的余地很小。

对于国产气化炉烧嘴来说，经了解， 目前最值得关注的是西安远征公司的产品。该公司的全称为西安航天远征流体控制股份有限公司，成立于2001年5 月18 日， 是以中国航天科技集团公司六院第十一研究所与航天六院为主体，以液体火箭发动机特种技术为依托的高科技股份有限公司，专业从事石化热能产品的设计、开发、生产等业务。该公司利用液体火箭发动机高效燃烧和传热技术，先后开发了渣油气化炉烧嘴、天然气造气烧嘴、二段转化炉烧嘴、焦炉气转化炉烧嘴、水煤浆气化烧嘴、干粉气化烧嘴，以及为各种气化炉(转化炉)配套的工艺烧嘴，并成功地应用于我国的石油化工领域。

2006 年该公司开始启动壳牌气化炉点火烧嘴与开工烧嘴的资格认证工作。2010 年6 月，航天部六院十一所介质试验室自行设计和建设的壳牌全尺寸烧嘴试验系统经过了综合测试，并通过了壳牌专家组的评审验收。该试验系统由工艺系统和测控系统两部分组成，是目前国内最先进、最完善的石化烧嘴试验台。但由于该公司产品一直没有壳牌炉应用业绩，所以至今未获得壳牌的资格认证，只获取了壳牌对其技术方案的认可。据悉，云南云天化于2010 年5 月已向远征公司定购了两台开工烧嘴，一台完全克隆原布林克曼的烧嘴，一台为远征公司自主研发生产的烧嘴，近期准备交货2。

对开工烧嘴故障应采取的预防措施以上第4 部分只列举了几个开工烧嘴典型故障案例，实际上造成开工烧嘴点火故障的原因是多方面的， 要从根本上降低壳牌炉开工烧嘴的故障率，一定要针对烧嘴的特性，在烧嘴的安装、调试和运行等各个阶段， 均采取有针对性的预防措施，具体建议如下：

① 烧嘴安装前，要按规定做好相关试验，如烧嘴喷头雾化试验、柴油管线和氧气管线充氮模拟试验等，测定相关阀门带压时的开关时间、柴油(用高压水代替)和氧气(用高压氮气代替)各自送到开工烧嘴头部的时间、柴油流量控制阀和压力调节阀的预设开度、氧阀开的延迟时间等相关参数以及烧嘴顺控程序的正确性，尽量获得精确的数据。

② 严格按照说明书要求的尺寸来安装设备，开工烧嘴插入位置既不能离气化炉水冷壁太近而烧坏水冷壁，也不能离水冷壁太远而造成燃烧火焰分散，导致火焰强度低而使粉煤烧嘴难以点燃。

③ 因烧嘴铜头在首次开车时很容易烧坏， 而从我方的采购合同中了解到布林克曼只随机提供了两个烧嘴头备件，从壳牌炉开车经验分析，此备件的数量是不够的，为此在烧嘴调试前至少应预先委托国内相关厂家加工几个铜头以做备用。

④ 纯氧点火控制难度很大， 稍有不慎就会将烧嘴烧坏，建议点火时在纯氧中加入适量的高压氮气，以降低氧气的纯度，变成富氧点火。具体做法是当顺控程序33KS0003 运行到要点火开氧油阀前，先将氧管线的氮气吹扫阀33FV0020 预开一定阀度，目的是向氧管线里补进少量的氮气( 具体的氮气补充量须现场试验测定)。据悉，国内有些壳牌炉用户采用此方法后取得了良好的效果。

⑤ 从以下几方面加强开工烧嘴的日常维护：

采购时确保柴油的质量，并保证柴油系统过滤器的投运效果，防止柴油管路堵塞而引起开工烧嘴跳车。此外，还应定期通过柴油罐导淋排水装置将柴油中的水排掉；气化炉停车后，炉内熔渣肯定会将开工烧嘴的插入孔覆盖，因此，每当开工烧嘴投运前，应及时将覆盖插入孔的渣层清除，防止开工烧嘴插入时烧嘴头与渣层相撞，造成物理损伤；每当开工烧嘴投运前，应及时清除烧嘴驱动链条上的杂物， 并检测驱动小车所有限位开关是否正常，确保烧嘴伸缩正常；开工烧嘴投运前，仔细检查进入烧嘴的氧气、柴油、冷却水软管，看是否有破损或泄漏现象(据悉2010 年7 月下旬天津碱厂的SUB 点火时， 因氧气软管存在问题而导致跳车)； 严寒季节， 一定要确保柴油管线的伴热系统运行良好，以防止柴油因低温而变稠，流动性变差而引起烧嘴跳车；点火烧嘴点火成功后，要保证其燃烧火焰有足够的长度，给开工烧嘴点火创造有利条件；开工烧嘴正常运行时，应密切注意烧嘴冷却水系统，防止冷却水量减少而造成烧嘴头烧坏；维护好氧气和柴油管线上的远传压力表33PI0029 和33PI0035，并定期检测，确保其测量信号的准确，防止其误发信号而跳烧嘴；开工烧嘴点燃后，应将气化炉压力控制在1．2MPa 以下，否则开工烧嘴会因背压大、火焰不稳而跳车[3]；控制好氧油比，某些业内人士建议烧嘴点火时氧油比定为3.2～3.3 较合适， 随着气化炉压力的逐步提高(提压速度约为5kPa/min)，氧气的压力也应随之增加(由空分系统调节)，氧油比也就适当提高， 但必须小于3.5。具体数值有待调试中确定；开工烧嘴燃烧时间不宜过长，以防止烧嘴头因长期高温而烧坏。因为铜头虽然有冷却水对其冷却，但是长时间的高温辐射，将会造成铜头有少许变形。在下一次点火时，有可能造成点火失败。为此，一旦SUB 点燃后，如果气化炉压力未在正常时间内达到投粉煤烧嘴的要求或粉煤烧嘴点火不成功，应暂时将开工烧嘴退出，待冷却后再继续点火，以保护SUB；壳牌的设计理念是安全第一，为此在开工烧嘴的顺控程序中设置了很多联锁保护来保证烧嘴的安全，导致开工烧嘴跳车频繁，有些用户为了省事，将其中的一些保护解除掉，这样的做法尽管是不得已而为之，但在解除保护前一定要仔细分析该保护的重要性，不要随意解除，否则将很容易造成开工烧嘴烧坏。

同时，应密切关注西安远征公司产品在壳牌炉上的应用情况，在保证安全稳定的前提下，尽量实现开工烧嘴的国产化1。

总结开工烧嘴是气化炉点火系统中最复杂、最关键的设备，它在壳牌气化炉的整个启动过程中起着至关重要的作用，也是气化炉开车的难点所在，而且价格昂贵，为此建议国内壳牌炉用户加强相互间的交流，总结经验，从开工烧嘴安装开始直到投产运行， 各阶段都能积极采取有针对性的预防措施，少走弯路，尽量降低开工烧嘴点火的故障率。

此外，鉴于开工烧嘴昂贵的价格和被外商垄断的局面，建议国内壳牌炉用户积极配合国内相关企业做好开工烧嘴的自主创新工作，尽快实现开工烧嘴的国产化，降低设备成本，打破外商的垄断2。