簡介
殼牌煤氣化技術是目前世界上最先進的煤氣化技術之一，殼牌公司自20 世紀50 年代就開始煤氣化技術的研發， 從6t/d、150t/d 中試裝置一步步做起，至1988 年將第一台2000t/d 級的氣化爐成功套用於荷蘭的Buggenun IGCC 電廠， 至今已有近60 年的研發歷史。我國自1997 年來已陸續引進23台殼牌氣化爐，單台氣化爐日投煤能力為1000t 或2000t，產品合成氣大部分用於生產合成氨、甲醇和氫氣，目前有10 套以上裝置已經開車。
從已投產的氣化爐運行情況看，殼牌氣化爐的設計理念非常先進，但存在的問題也很突出，主要是運行穩定性差， 故障率高， 例如： 鎖斗開關閥卡死、大渣塊容易堵管、開工燒嘴易燒壞、粉煤輸送不穩定、激冷器壓縮機和飛灰陶瓷過濾器故障頻繁等，這些都是殼牌爐的“軟肋”，主要是設計上的先天不足導致的。
殼牌氣化爐點火系統設計
按氣化工藝要求，氣化爐內需用高壓氮氣和燒嘴燃燒的煙氣充壓到約1MPa 後才投入煤粉，如此高的壓力和高密度的惰性環境，無疑將給氣化爐點火造成很大難度。因此，與常規火電負壓燃燒的燃煤鍋爐相比， 殼牌氣化爐的點火系統設計比較複雜， 共設計了三級點火， 並對應設定了點火燒嘴(IB)、開工燒嘴(SUB)、粉煤燒嘴(CB)，以此來克服爐內高壓和高濃度氮氣對點火的影響。燒嘴數量共6個：其中點火燒嘴1 個，燃燒介質為燃料氣(天然氣或液化石油氣)加儀表空氣；開工燒嘴1 個，燃燒介質為純氧加柴油；粉煤燒嘴4 個，燃燒介質為粉煤、純氧加水蒸氣。開工燒嘴功率約為10MW(為粉煤燒嘴功率的6%)，點火燒嘴功率約為100kW(為開工燒嘴功率的1%)。
燒嘴點火和開工燒嘴位於同一個垂直平面，均為插入式結構，開工階段，開工和點火燒嘴暫時插入氣化爐內，之後隨即撤出，其伸縮過程全部由DCS 控制。4 個粉煤燒嘴與點火燒嘴位於同一水平面，均勻分布，為固定式結構，安裝在水冷壁上的隔焰罩內。
下面簡述殼牌氣化爐的三級點火過程：
當高壓氮氣完成對氣化爐的吹掃後，系統先通過電子點火裝置將點火燒嘴IB 點燃， 隨後啟動系統的引氧程式，待引氧程式第一階段( 即氧氣引至SUB 閥前)完成後，啟動開工燒嘴SUB 的點火順控程式13KS0003，若SUB 點火成功，點火燒嘴立即退出，並啟動煤燒嘴的粉煤循環，同時氣化系統開始升壓(在SUB 點火成功後，一旦燃燒煙氣中氧氣含量小於0.5%， 系統放空方式隨即從大氣放空切換至火炬燃燒排放)，壓力調節閥B(粗合成氣去火炬總管排放閥)由手動變為自動調節模式來調節氣化爐的壓力，當氣化爐壓力達到0.65MPa 時開始啟動激冷氣循環壓縮機並調整穩定(根據各型號壓縮機不同的特性，有的用戶已改為常壓啟動)，當壓力接近1.0MPa 時開始投入第一個粉煤燒嘴CB，穩定幾分鐘後開始投人第二個粉煤燒嘴(與第一個燒嘴相對)， 當第二個粉煤燒嘴點燃後， 開工燒嘴立即退出，隨後再依次點燃剩下的兩個粉煤燒嘴，至此氣化爐點火過程結束。
開工燒嘴原理與結構
氣化爐開工燒嘴主要用於開工階段給氣化爐升溫升壓以及點燃主粉煤燒嘴，開工燒嘴為插入式結構，配有可遙控的(DCS 控制)機械插入裝置。整個插入系統由燒嘴支架支撐，配有驅動電機、滑車、滑軌及限位等。驅動電機通過傳動鏈條帶動滑車，滑車通過“夾緊萬向節”帶動燒嘴，經由一個填料函、兩個密封球閥和中間隔離環( 內充高壓密封氮)插入和退出氣化爐， 其作用是當燒嘴退出氣化爐後，防止爐內的高溫高壓氣體從燒嘴通道竄出而損壞燒嘴，發生安全事故。滑車的行程定位由三級限位(減速限位、正常限位和極限限位)控制，此外還配有氣動的機械定位銷。
開工燒嘴的關鍵部位為燒嘴頭。燒嘴頭由水夾套和銅頭組成。冷卻水進入燒嘴頭後分為兩股，一股用來冷卻水夾套，另一股用來冷卻銅頭。銅頭內加工有12 個柴油通道(第一代燒嘴只設計了6 個)，直徑約1mm。水夾套與銅頭之間形成的環形空間為氧通道， 此環形空間的尾端為柴油及氧氣的混合區。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並霧化(此處的縫隙大小可通過SUB 外部的調整螺栓來控制其霧化效果)，遇到點火燒嘴燃燒的小火焰後迅速燃燒，形成巨大的火焰環。燒嘴頭被高溫火焰輻射而產生的熱量迅速被冷卻水帶走，以防止燒嘴頭燒壞。
開工燒嘴常見故障分析
開工燒嘴點火是氣化爐點火的關鍵， 也是難點。據悉，國內大部分殼牌氣化爐在首次開車時都頻繁發生開工燒嘴被燒壞現象，有時點一次火連續燒壞3～4 次，導致不停地拆裝燒嘴。此外，若開工燒嘴點火失敗，必須立即停止氣化開車程式，重新執行氣化爐吹掃程式(因為從燒嘴中噴出的油氧混合物將殘留在氣化爐內，若不將其吹掃乾淨，再次點火時很容易發生爆燃現象)，費時費力，嚴重影響了開車進程。
那么開工燒嘴為何如此容易燒壞呢？ 從設計原理上分析， 最關鍵因素在於其燃燒方式為純氧燃燒。因開工燒嘴點火時，氣化爐內充滿了氮氣，此時只有用純氧作為助燃劑才能將大功率的開工燒嘴點燃，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”)以及到達燒嘴頭的同步性不好調整， 氧氣偏多火焰溫度就會瞬間劇增，氧氣偏少又會導致滅火。
第二個因素在於其噴頭的材質選擇，殼牌選擇用紫銅來製作燒嘴噴頭，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，就是其熔點偏低，不耐高溫，很容易被燒毀。
客觀地說，針對氣化爐特殊的運行工況， 殼牌對開工燒嘴採取以上的設計理念還是很先進的(目前仍沒有更好的設計方案來替代)， 只要充分掌握了純氧燃燒的特性和銅頭的特點，在實際操作中採取有效的、針對性的預防措施，還是能大大降低開工燒嘴的故障率。但由於經驗上的不足，國內大多數殼牌爐在開工初期總是頻繁出現開工燒嘴點火故障，其原因是多方面的，由於篇幅有限，以下只列舉幾個典型案例加以分析：
點火時氧油不同步
根據殼牌工藝要求，開工燒嘴點火時最關鍵的一點是要保證氧氣和柴油同時到達燒嘴噴頭，如果氧氣比柴油先到， 噴出的氧氣一遇到點火燒嘴火焰，瞬間將產生約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絕對同步，為確保氧氣滯後於柴油，實際操作中往往採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，極易發生事故。
具體時間應通過試驗來測定。通常的做法是通過做試驗(用水代替油、用氮氣代替氧氣)來測定氧氣和柴油開關閥動作時間和各自到達噴嘴頭的時間( 用秒表測定)，再將測定的時間值輸入到DCS的開工燒嘴順控程式中(氧氣在管內的流速比柴油快，它到達噴頭的時間肯定比柴油短，可通過DCS組態在順控程式中進行延時設定)。但在實際操作中，由於時間測量上的誤差，經常會發生氧比油先到的現象，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，氧氣開關閥13XV0023 和柴油開關閥13XV0024 為全開狀態， 氧管線吹掃閥13XY0027 和油管線吹掃閥13XV0025、13XV0026 處於關閉狀態。開工燒嘴正常退出時，由DCS 執行順控程式，先開啟13XV0025、13XV0026 和13XY0027，將高壓吹掃氮氣先補進氧油管線， 然後再關閉13XV0023 和13XV0024， 切斷氧氣和柴油， 目的是防止燒嘴退出時燒嘴裡的油和氧被爐膛的高背壓往回頂，產生回火現象而將燒嘴燒壞。
以上指的是燒嘴的正常退出程式，按理說非正常退出時也應如此，但有些氣化爐在開工燒嘴因聯鎖保護動作而發生跳車時，經常將燒嘴燒壞，後經觀察發現， 每當燒嘴非正常退出( 跳車) 時，13XV0025、13XV0026 和13XY0027 的開啟總是比13XV0023 和13XV0024 的關閉晚，即氧油已切斷而高壓吹掃氮氣來不及補上，導致回火而燒毀燒嘴。
為何會發生這樣的現象呢？ 有經驗的技術人員從DCS 與ESD 之間找到了原因： 燒嘴系統正常退出時由DCS 控制， 而跳車時則由ESD 通過DCS 向13XV0025、13XV0026 和13XY0027 發出“開” 的命令， 同時直接向13XV0023 和13XV0024 發出“ 關”命令，可ESD 與DCS 之間通訊需要時間，致使高壓吹掃氮滯後(約1.3s)補進，造成開工燒嘴回火被燒壞。後來將以上3 個閥門全部改為由ESD 直接控制後，問題得以解決。
柴油管線壓力不穩
殼牌爐的柴油泵一般都設在零米，且大都採用往復泵，往復泵的優點是揚程大，缺點是出口壓力不穩，為保持柴油管線的壓力穩定，在泵的出口都設計了柴油緩衝罐(也稱作阻尼器或蓄能器)，目的是隨時調整柴油管線的壓力，防止開工燒嘴因油壓不穩而跳車。但由於柴油緩衝罐也安裝在零米，而開工燒嘴安裝在43m 層， 兩者之間連線管線太長、且高度相差大， 制約了緩衝罐的壓力調節能力，致使開工燒嘴經常因油壓不穩導致氧油比超限而跳車。據悉，龍宇煤化工通過調整柴油緩衝罐的位置而圓滿解決了這一問題，具體整改方案概述如下：把位於零米的柴油緩衝罐移至38m 的平台上。
在緩衝罐投用前，先用高壓氮氣向罐內充25~30kgf(1kgf 約等於9.806N，下同)的壓力，使罐內的液位達到5cm 左右，當柴油管線內的壓力大於30kgf 時再投用緩衝罐。這樣不僅縮短了緩衝罐與開工燒嘴的距離，而且可使罐內有足夠可壓縮的氣體，從而讓緩衝罐起到了很好的穩壓作用。
火檢信號延時設定不合適
殼牌氣化爐設定了專門的火焰探測器(通常稱為火檢)，用來檢測開工燒嘴點火是否成功，此檢測信號既用來保護開工燒嘴，同時又給粉煤燒嘴的投放提供了條件。火焰探測器是通過紫外線探測火焰強度的，檢測的是電離信號，並輸出給DCS(開關量信號)。
當氧氣開關閥13XV0023 開啟後， 開工燒嘴順控程式將延遲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，以保護燒嘴。
因氧氣從開關閥到燒嘴噴頭需要時間，且燒嘴剛點著時，氧油混合燃燒並不穩定，且火焰強度也不高，所以在順控程式中對火檢信號設定了延遲時間，以確保檢測信號的準確。這一設計是非常合理的，關鍵是如何確定合適的延遲時間，若時間偏短，燒嘴還未點著或點著後火焰還沒穩定就跳車了，屬誤停車；若時間偏長，燒嘴如果確實未點燃而沒有及時跳車，很容易把燒嘴燒壞，而且柴油留在爐內，在下次點火時會出現爆燃，危害到設備安全。
據技術人員介紹，火檢信號的延遲檢測時間一般設定為3～5s 較合適， 具體準確時間需現場做試驗測定，各燒嘴略有不同。
燒嘴廠家概述
儘管國內外生產燒嘴的廠家很多，但殼牌目前只認證了唯一的燒嘴供貨商： 德國沃爾特·布林克曼公司。目前國內所有殼牌氣化爐的開工燒嘴全部採用該公司的產品。
德國沃爾特·布林克曼公司成立於1883 年，是一家專業生產各類燃燒器、烘乾系統的知名企業，其產品廣泛套用於鋼鐵、制鋁、石灰燒制及化工行業。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。該公司在工業燒嘴和加熱系統的設計、加工方面一直處於世界領先地位，曾為韓國浦項鋼鐵廠的煉鋼工藝設計了功率達300MW 的燃燒器。同時，布林克曼公司是殼牌氣化爐開工燒嘴的唯一指定生產商， 為歐洲的IGCC 電站提供了相應的燃燒系統， 包括西班牙IGCC 電站的開工燒嘴， 荷蘭IGCC 電站的點火燒嘴、開工燒嘴以及惰性氣體發生器等。
正因為其產品的唯一性，導致其銷售價格一直居高不下，據悉一套燒嘴(一台點火燒嘴加一台開工燒嘴)的價格約80 萬歐元( 約680 萬人民幣)， 且降價的餘地很小。
對於國產氣化爐燒嘴來說，經了解， 目前最值得關注的是西安遠征公司的產品。該公司的全稱為西安航天遠征流體控制股份有限公司，成立於2001年5 月18 日， 是以中國航天科技集團公司六院第十一研究所與航天六院為主體，以液體火箭發動機特種技術為依託的高科技股份有限公司，專業從事石化熱能產品的設計、開發、生產等業務。該公司利用液體火箭發動機高效燃燒和傳熱技術，先後開發了渣油氣化爐燒嘴、天然氣造氣燒嘴、二段轉化爐燒嘴、焦爐氣轉化爐燒嘴、水煤漿氣化燒嘴、乾粉氣化燒嘴，以及為各種氣化爐(轉化爐)配套的工藝燒嘴，並成功地套用於我國的石油化工領域。
2006 年該公司開始啟動殼牌氣化爐點火燒嘴與開工燒嘴的資格認證工作。2010 年6 月，航天部六院十一所介質試驗室自行設計和建設的殼牌全尺寸燒嘴試驗系統經過了綜合測試，並通過了殼牌專家組的評審驗收。該試驗系統由工藝系統和測控系統兩部分組成，是目前國內最先進、最完善的石化燒嘴試驗台。但由於該公司產品一直沒有殼牌爐套用業績，所以至今未獲得殼牌的資格認證，只獲取了殼牌對其技術方案的認可。據悉，雲南雲天化於2010 年5 月已向遠征公司定購了兩台開工燒嘴，一台完全克隆原布林克曼的燒嘴，一台為遠征公司自主研發生產的燒嘴，近期準備交貨。
對開工燒嘴故障應採取的預防措施
以上第4 部分只列舉了幾個開工燒嘴典型故障案例，實際上造成開工燒嘴點火故障的原因是多方面的， 要從根本上降低殼牌爐開工燒嘴的故障率，一定要針對燒嘴的特性，在燒嘴的安裝、調試和運行等各個階段， 均採取有針對性的預防措施，具體建議如下：
① 燒嘴安裝前，要按規定做好相關試驗，如燒嘴噴頭霧化試驗、柴油管線和氧氣管線充氮模擬試驗等，測定相關閥門帶壓時的開關時間、柴油(用高壓水代替)和氧氣(用高壓氮氣代替)各自送到開工燒嘴頭部的時間、柴油流量控制閥和壓力調節閥的預設開度、氧閥開的延遲時間等相關參數以及燒嘴順控程式的正確性，儘量獲得精確的數據。
② 嚴格按照說明書要求的尺寸來安裝設備，開工燒嘴插入位置既不能離氣化爐水冷壁太近而燒壞水冷壁，也不能離水冷壁太遠而造成燃燒火焰分散，導致火焰強度低而使粉煤燒嘴難以點燃。
③ 因燒嘴銅頭在首次開車時很容易燒壞， 而從我方的採購契約中了解到布林克曼只隨機提供了兩個燒嘴頭備件，從殼牌爐開車經驗分析，此備件的數量是不夠的，為此在燒嘴調試前至少應預先委託國內相關廠家加工幾個銅頭以做備用。
④ 純氧點火控制難度很大， 稍有不慎就會將燒嘴燒壞，建議點火時在純氧中加入適量的高壓氮氣，以降低氧氣的純度，變成富氧點火。具體做法是當順控程式33KS0003 運行到要點火開氧油閥前，先將氧管線的氮氣吹掃閥33FV0020 預開一定閥度，目的是向氧管線里補進少量的氮氣( 具體的氮氣補充量須現場試驗測定)。據悉，國內有些殼牌爐用戶採用此方法後取得了良好的效果。
⑤ 從以下幾方面加強開工燒嘴的日常維護：
採購時確保柴油的質量，並保證柴油系統過濾器的投運效果，防止柴油管路堵塞而引起開工燒嘴跳車。此外，還應定期通過柴油罐導淋排水裝置將柴油中的水排掉；氣化爐停車後，爐內熔渣肯定會將開工燒嘴的插入孔覆蓋，因此，每當開工燒嘴投運前，應及時將覆蓋插入孔的渣層清除，防止開工燒嘴插入時燒嘴頭與渣層相撞，造成物理損傷；每當開工燒嘴投運前，應及時清除燒嘴驅動鏈條上的雜物， 並檢測驅動小車所有限位開關是否正常，確保燒嘴伸縮正常；開工燒嘴投運前，仔細檢查進入燒嘴的氧氣、柴油、冷卻水軟管，看是否有破損或泄漏現象(據悉2010 年7 月下旬天津鹼廠的SUB 點火時， 因氧氣軟管存在問題而導致跳車)； 嚴寒季節， 一定要確保柴油管線的伴熱系統運行良好，以防止柴油因低溫而變稠，流動性變差而引起燒嘴跳車；點火燒嘴點火成功後，要保證其燃燒火焰有足夠的長度，給開工燒嘴點火創造有利條件；開工燒嘴正常運行時，應密切注意燒嘴冷卻水系統，防止冷卻水量減少而造成燒嘴頭燒壞；維護好氧氣和柴油管線上的遠傳壓力表33PI0029 和33PI0035，並定期檢測，確保其測量信號的準確，防止其誤發信號而跳燒嘴；開工燒嘴點燃後，應將氣化爐壓力控制在1．2MPa 以下，否則開工燒嘴會因背壓大、火焰不穩而跳車[3]；控制好氧油比，某些業內人士建議燒嘴點火時氧油比定為3.2～3.3 較合適， 隨著氣化爐壓力的逐步提高(提壓速度約為5kPa/min)，氧氣的壓力也應隨之增加(由空分系統調節)，氧油比也就適當提高， 但必須小於3.5。具體數值有待調試中確定；開工燒嘴燃燒時間不宜過長，以防止燒嘴頭因長期高溫而燒壞。因為銅頭雖然有冷卻水對其冷卻，但是長時間的高溫輻射，將會造成銅頭有少許變形。在下一次點火時，有可能造成點火失敗。為此，一旦SUB 點燃後，如果氣化爐壓力未在正常時間內達到投粉煤燒嘴的要求或粉煤燒嘴點火不成功，應暫時將開工燒嘴退出，待冷卻後再繼續點火，以保護SUB；殼牌的設計理念是安全第一，為此在開工燒嘴的順控程式中設定了很多聯鎖保護來保證燒嘴的安全，導致開工燒嘴跳車頻繁，有些用戶為了省事，將其中的一些保護解除掉，這樣的做法儘管是不得已而為之，但在解除保護前一定要仔細分析該保護的重要性，不要隨意解除，否則將很容易造成開工燒嘴燒壞。
同時，應密切關注西安遠征公司產品在殼牌爐上的套用情況，在保證安全穩定的前提下，儘量實現開工燒嘴的國產化。
總結
開工燒嘴是氣化爐點火系統中最複雜、最關鍵的設備，它在殼牌氣化爐的整個啟動過程中起著至關重要的作用，也是氣化爐開車的難點所在，而且價格昂貴，為此建議國內殼牌爐用戶加強相互間的交流，總結經驗，從開工燒嘴安裝開始直到投產運行， 各階段都能積極採取有針對性的預防措施，少走彎路，儘量降低開工燒嘴點火的故障率。
此外，鑒於開工燒嘴昂貴的價格和被外商壟斷的局面，建議國內殼牌爐用戶積極配合國內相關企業做好開工燒嘴的自主創新工作，儘快實現開工燒嘴的國產化，降低設備成本，打破外商的壟斷。
