多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴維修創(chuàng)新技術(shù)

辛爭秋，趙 恒，郭 瑩，唐 強，楊海軍

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076)

工藝燒嘴是多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于水煤漿與氧氣的高度混合、霧化。工藝燒嘴通常工作在高溫高壓的苛刻條件下，在約1 300 ℃以上的高溫爐膛內(nèi)，承受著爐內(nèi)火焰和物料的沖刷；正常情況下，工藝燒嘴一般在使用一段時間后需要維修。在保證工藝燒嘴的產(chǎn)品質(zhì)量前提下，其使用壽命是工藝燒嘴的重要性能，是影響水煤漿加壓氣化工藝系統(tǒng)長周期運行的一個主要因素。由于工藝燒嘴維修頻繁、價格昂貴，可通過創(chuàng)新維修技術(shù)來提高工藝燒嘴的使用壽命，使工藝燒嘴性能提升，延長水煤漿加壓氣化工藝系統(tǒng)的運行周期，必將推動煤化工技術(shù)的發(fā)展。因此，對工藝燒嘴制造、維修進行性能改進研究是很有意義的。

1 多噴嘴對置式氣化工藝技術(shù)優(yōu)勢

自首套多噴嘴對置式水煤漿氣化爐投入工業(yè)化應(yīng)用以來，經(jīng)過研發(fā)人員及應(yīng)用單位技術(shù)人員的攻關(guān)及改進，其技術(shù)水平得到不斷提升，裝置的運行周期不斷延長，運行指標不斷優(yōu)化。與同類技術(shù)相比，顯示出了突出的技術(shù)優(yōu)勢，其主要表現(xiàn)在：①規(guī)模大型化，特別是在1 500 t以上的氣化爐投資和運行方面優(yōu)勢明顯，伊煤集團煤制油項目單爐日投煤量達3 000 t；②有效氣體成分高，一般φ(CO+H2)可達84%，碳轉(zhuǎn)化率高，渣中可燃物含量低(其質(zhì)量分數(shù)<5%)；③氣化爐負荷調(diào)節(jié)范圍大，可達50%～120%；④廢水排放少，環(huán)保性能好，基本消除了水煤氣帶灰現(xiàn)象；⑤黑水余熱回收更高效；⑥工藝燒嘴的使用壽命更長，多家企業(yè)工藝燒嘴平均使用壽命超過70 d，部分企業(yè)創(chuàng)新工藝燒嘴使用壽命平均達100 d左右，上海焦化4號裝置的工藝燒嘴無維修累計使用周期最長可達194 d。

2 多噴嘴對置式氣化工藝的推廣應(yīng)用

多噴嘴對置式氣化工藝明顯的技術(shù)優(yōu)勢和良好的工業(yè)應(yīng)用效果，使其得到了國內(nèi)有關(guān)部門和用戶的支持和認可，在眾多煤氣化工藝中脫穎而出，得到了廣泛的技術(shù)推廣應(yīng)用。截止到2016年9月，該技術(shù)已在國內(nèi)外推廣應(yīng)用46家、128臺(套)氣化爐，其中投入運行60臺氣化爐。

先進成熟的氣化工藝保證了氣化裝置運行的穩(wěn)定及指標的優(yōu)良，目前多套裝置運行負荷達到或超過設(shè)計值，安徽華誼、神華寧煤、未來能源、江蘇華昌等氣化裝置在投入運行后半年左右便通過了裝置性能考核驗收，各套裝置考核指標優(yōu)良，特別是煤耗、氧耗、合成氣有效成分、碳轉(zhuǎn)化率等主要指標均明顯優(yōu)于設(shè)計值。江蘇靈谷化工氣化裝置在雙爐1開1備(氣化爐冷備)的狀況下，保持了裝置連續(xù)穩(wěn)定運行的狀態(tài)，裝置投產(chǎn)至今因氣化原因造成的系統(tǒng)停車僅1次(非燒嘴原因)。2011—2015年生產(chǎn)裝置全年累計運行分別達357，352，355，343，354 d。該技術(shù)得到了業(yè)內(nèi)的一致認可，在國內(nèi)外得到廣泛的推廣應(yīng)用，裝置建設(shè)規(guī)模也不斷擴大。

3 工藝燒嘴的使用狀況及損壞原因分析

3.1 工藝燒嘴的使用狀況

工藝燒嘴的工藝原理是將水煤漿與氣化劑(純氧)通過工藝燒嘴噴入高溫氣化爐內(nèi)進行快速氣化反應(yīng)而得到產(chǎn)物合成氣。工藝燒嘴為三流道內(nèi)外混合霧化形式，外流道和內(nèi)流道輸送高壓氧氣，中流道輸送高壓水煤漿。

區(qū)別于德士古工藝燒嘴預(yù)混式設(shè)計形式，多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴具有其獨特的設(shè)計特點：多噴嘴對置式氣化工藝燒嘴采用預(yù)膜、外混式三通道噴嘴(見圖1)，3股物流射出噴嘴，煤漿的內(nèi)外兩側(cè)均為高速流動的氧氣，氧氣通過高速剪切、振動等方式使煤漿實現(xiàn)初級霧化，初級霧化的物料再相互撞擊形成二次霧化，在氣化爐內(nèi)完成氣化反應(yīng)過程。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝燒嘴頭部示意

由于多噴嘴氣化工藝燒嘴合理的預(yù)膜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得水煤漿在燒嘴內(nèi)部特別是煤漿噴頭出口的流速遠低于德士古工藝，可使工藝燒嘴的正常磨損、侵蝕情況降至最小，工藝燒嘴具有更長的運行壽命和更好的穩(wěn)定性。

3.2 工藝燒嘴損壞原因分析

工藝燒嘴處在氣化爐內(nèi)1 300 ℃的高溫高壓環(huán)境中，不僅受到氣化爐內(nèi)固體、液體和氣體的高速沖刷，還受到強氧化性氣氛、液態(tài)熔渣的侵蝕，加上氣化爐開停車時燒嘴頭部較大的溫度和壓力波動，導(dǎo)致噴口內(nèi)、外表面的沖刷腐蝕磨損嚴重。綜上因素，水煤漿工藝燒嘴在使用一段時間后，將出現(xiàn)下面幾種常見的失效形式。

3.2.1 冷卻水盤管損壞

冷卻水盤管的作用是保護處于高溫工藝氣體環(huán)境中的外噴頭。冷卻水盤管的工作環(huán)境非?？量?，其主要損壞形式是冷卻水盤管(鎳基材料)與外噴頭(鈷基材料)連接焊縫區(qū)域的開裂泄漏(見圖2)。該處的焊接形式有V形對接焊縫焊接和插接角焊。該2種焊接形式均為鈷基高溫合金UMCo50與鎳基高溫合金Inconel 600的異種材料焊接，由于2種材料之間焊接性能較差，故焊接難度很大。對接焊接時，材料管壁較薄(約3 mm)；角接焊接時，壁厚差別較大，均不利于焊接強度。工藝燒嘴在惡劣的工況下運行時，該焊縫區(qū)域內(nèi)容易產(chǎn)生裂紋缺陷，進而導(dǎo)致焊縫泄漏。

圖2 工藝燒嘴典型失效位置示意

3.2.2 中噴頭、內(nèi)噴頭物理磨損

為了達到良好的霧化效果，流經(jīng)工藝燒嘴的介質(zhì)流速必須達到工藝要求，較高的水煤漿流速將造成中噴頭內(nèi)型面與內(nèi)噴頭外型面磨損。隨著設(shè)備運行時間的延長，中噴頭出口區(qū)域壁厚逐漸減薄，運行一段時間后，中噴頭內(nèi)型面和內(nèi)噴頭外型面磨損減薄、偏心，造成工藝燒嘴噴口流速下降、霧化效果變差、氣化爐內(nèi)溫度場惡化，需停車對工藝燒嘴的噴頭進行修復(fù)或更換。

3.2.3 外噴頭端面龜裂

影響工藝燒嘴使用壽命的另一種損壞形式是外噴頭端面沿徑向放射狀裂紋及不規(guī)則龜裂。外噴頭端部環(huán)形通道為冷卻水腔，通過冷卻水對外噴頭受熱端部進行冷卻，外噴頭冷卻水腔外壁面受到爐內(nèi)物料沖刷腐蝕以及高溫熱流、熱輻射的影響，在外噴頭出口處出現(xiàn)徑向放射狀裂紋，裂紋隨著運行時間的延長逐步擴大、加深；當裂紋發(fā)展成貫穿性裂紋時，冷卻水腔端面發(fā)生泄漏，導(dǎo)致氣化爐急停。

針對裂紋產(chǎn)生的原因進行分析，其主要影響因素如下：①由于外噴頭端面處在爐內(nèi)高溫(1 300 ℃)的工藝氣體環(huán)境中，金屬材料在此高溫條件下長期工作，受到高速煤漿、氧氣及高溫工藝氣體回流的不斷沖刷，使材料在冶煉和鍛造過程中的所有缺陷逐漸暴露出來，形成不規(guī)則的龜裂。②由于外噴頭出口處的氧氣濃度較高，故金屬材料在高溫氧化環(huán)境中將發(fā)生氧化反應(yīng)和滲碳效應(yīng)，使金屬材料的成分和性能發(fā)生變化；另外，煤中含有的硫也會使金屬表面發(fā)生高溫硫化腐蝕。③徑向放射狀裂紋的源頭是外噴頭的孔口。該尖角是零件機械加工后應(yīng)力集中的部位，在高溫環(huán)境下，應(yīng)力的釋放是造成放射性裂紋的根源，也是外噴頭破壞的最主要因素。

3.2.4 堆焊層失效

工藝燒嘴價格昂貴(每臺售價幾十萬元)，而使用壽命一般只有幾十天，為了降低工藝燒嘴的維修成本，通常對外噴頭端面、中噴頭內(nèi)型面、內(nèi)噴頭外型面堆焊維修后再次使用。目前常用的堆焊用焊材是鈷基高溫合金UMCo50焊絲，堆焊基材為UMCo50。

堆焊修復(fù)步驟如下：去除噴頭本體的燒蝕裂紋層，對清理后的基體著色探傷，再進行堆焊修復(fù)，最后精加工至圖紙要求尺寸。與UMCo50鍛件材料相比，堆焊層的金相組織疏松，機械性能相對較低；另外，堆焊層中存在微小氣孔與夾雜的風(fēng)險成為材料失效的原因，會影響工藝燒嘴運行的安全穩(wěn)定性。

4 工藝燒嘴的創(chuàng)新維修技術(shù)

針對上述工藝燒嘴常見的損壞形式，在工藝燒嘴常規(guī)修復(fù)工序的基礎(chǔ)上，北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司近10年來持續(xù)進行了系統(tǒng)的燒嘴創(chuàng)新維修研究工作，成立了材料、工藝、焊接等多個研究小組，與國內(nèi)先進的航天特種材料及焊接工藝等多家兄弟軍工研究單位合作，共同致力于燒嘴的創(chuàng)新維修技術(shù)項目研究。從2009年至今，獲得航天科技集團公司、中石化集團公司等多個燒嘴創(chuàng)新維修技術(shù)研究項目的資助和支持，研究成果豐碩，且在多家生產(chǎn)企業(yè)獲得了良好的運行實踐業(yè)績。創(chuàng)新維修研究工作主要圍繞以下幾點展開。

4.1 表面處理技術(shù)

工藝噴嘴噴頭表面采用了航天新穎、前沿的復(fù)合處理技術(shù)，在燒嘴材料表面結(jié)合高性能航天特殊新材料，以降低純氧燒嘴頭部的受損速率，實現(xiàn)極好的表面耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊、耐疲勞、抗高溫氧化和減摩等多種性能。新型噴頭已在上海焦化4號裝置、昆山寶鹽氣體有限公司、安徽華誼化工等多家企業(yè)得到應(yīng)用，高效緩解外噴頭龜裂及中、內(nèi)噴頭磨損，噴頭正常使用在3個周期以上，磨損量很小。改進后的上海焦化4號裝置工藝燒嘴最長使用周期達194 d，大部分裝置穩(wěn)定在3個月左右。

4.2 焊接工藝研究

開展包括鈷基、鎳基高溫合金異種材料對接焊工藝研究、鈷基高溫合金堆焊工藝研究等多個焊接研究課題。選取調(diào)整不同的焊接、堆焊工藝參數(shù)，根據(jù)正交試驗法制作堆焊試樣，對其做無損檢測、理化性能檢測、金相分析、硬度試驗以及腐蝕測試。比較分析結(jié)果，修正堆焊工藝流程，通過試樣檢測的反復(fù)對比，達到優(yōu)化堆焊工藝流程、提升堆焊效率和合格率以及提高堆焊層可靠性的目標。

4.3 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

從2010年開始采用工藝燒嘴噴頭一體化加工成型工藝，冷卻水通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將冷卻水管處異種材料的焊接的角焊縫改為對接焊縫，有效增強了該處焊縫的強度，降低了工藝燒嘴的損壞風(fēng)險。目前，北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司新制工藝燒嘴噴頭普遍采用一體化加工成型燒嘴噴頭，該項結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)已基本解決冷卻水盤管焊縫燒蝕裂紋泄漏問題。

5 結(jié)語

北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司在工藝燒嘴的維修改造和創(chuàng)新維修方面積累了大量的理論設(shè)計基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，每年完成燒嘴改造及維修任務(wù)500臺次以上。目前與上海焦化、安徽華誼、華昌、昆山寶鹽、神華寧煤、神華包頭、茂名石化、九江石化、南化、中海油華鶴、中煤榆林、豐喜、天業(yè)等40多家企業(yè)簽訂長期維修以及技改服務(wù)合同，憑借短周期快速維修、完善的質(zhì)量控制體系、24 h快速服務(wù)響應(yīng)機制、專業(yè)物流專車運輸?shù)纫幌盗袃?yōu)質(zhì)服務(wù)，贏得了廣泛的市場占有率，并不斷將最新改進延壽創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于維修技改市場，可提升產(chǎn)品性能，為用戶增加經(jīng)濟效益。