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。

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。

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。

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。