殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞原因分析

康思樂

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

引 言

殼牌煤氣化工藝是國內(nèi)大型化工企業(yè)所采用的重要生產(chǎn)工藝，其中氣化爐作為核心設(shè)備具有重要作用。然而在生產(chǎn)過程中粉煤燒嘴因不同原因損壞不僅縮短了燒嘴的使用壽命，同時(shí)影響煤氣化工藝的正常流程。

1 殼牌煤氣化工藝的基本概述

殼牌煤氣化是化工生產(chǎn)方面具有代表性的生產(chǎn)工藝之一，殼牌煤氣化的整體作業(yè)條件是在高溫加壓下進(jìn)行的，煤粉、氧氣及少量蒸汽在加壓條件下流進(jìn)入氣化爐內(nèi)，并能夠在既定時(shí)間內(nèi)完成升溫、揮發(fā)分脫除、裂解、燃燒及轉(zhuǎn)化等一系列物理和化學(xué)過程[1]，整個(gè)流程的時(shí)間短、效率高。其工作原理是通過向氣化爐內(nèi)輸送氣體造成高溫有氧環(huán)境，使發(fā)生氣化反應(yīng)的碳、揮發(fā)分及部分反應(yīng)產(chǎn)物(H2和CO等)燃燒，并最終在有氧條件終期發(fā)生轉(zhuǎn)化，生成一氧化碳、氫氣成分的煤氣。

2 粉煤燒嘴的結(jié)構(gòu)

粉煤燒嘴的是煤氣化工藝的關(guān)鍵部件，其內(nèi)外結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便更換和維修，降低損耗，粉煤燒嘴采取的是分體安裝方式，即由兩部分構(gòu)成，分別為燒嘴頭和燒嘴身，其中燒嘴頭部組件位于工作前端，是粉煤燒嘴的核心結(jié)構(gòu)，其前端面由高溫合金薄壁構(gòu)成，該薄壁直接接觸合成氣，內(nèi)表面則是螺旋狀環(huán)形冷卻腔體，借助冷卻功能有效抵御外部的高溫、高壓、高腐蝕的環(huán)境。燒嘴頭和燒嘴身共同構(gòu)成了一個(gè)多層套管結(jié)構(gòu)體，煤氣化工藝中的兩個(gè)原料，粉煤、氧氣及蒸汽混合氣分別通過燒嘴頭前端和上部入口進(jìn)入腔體。前端入口與中心通道相連，上端入口則與環(huán)形通道相連，原來入口進(jìn)入燒嘴頭內(nèi)部不存在公用通道。前文提到螺旋形冷卻腔保護(hù)燒嘴進(jìn)行工作，作業(yè)所需的冷卻水通過通道外圍的入口流入冷卻水專用通道并通過上端出口流出，形成自循環(huán)結(jié)構(gòu)。燒嘴按符合要求在氣化爐內(nèi)成對(duì)布置，通常一臺(tái)殼牌氣化爐需要在同一水平面安裝4個(gè)～6個(gè)燒嘴，為了使所有燒嘴軸線的延長(zhǎng)線在氣化爐內(nèi)形成一個(gè)內(nèi)切圓，布置的所有燒嘴以氣化爐的中心為基準(zhǔn)形成偏角[2]。

圖1 粉煤燒嘴的內(nèi)外結(jié)構(gòu)

3 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的主要特征及原因分析

國內(nèi)多數(shù)煤氣化工企業(yè)使用殼牌氣化爐生產(chǎn)煤氣產(chǎn)品，根據(jù)年作業(yè)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，殼牌氣化爐的粉煤燒嘴是氣化爐整體結(jié)構(gòu)中損壞概率最高的構(gòu)件，在作業(yè)達(dá)到一定的周期后，燒嘴頭部等部位頻繁發(fā)生損害，影響正常生產(chǎn)。

3.1 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的主要特征

粉煤燒嘴主要容易發(fā)生裂紋、燒蝕等問題，其多在生產(chǎn)之中發(fā)生，且頭部組件發(fā)生損壞概率高于身體組件。少數(shù)損壞發(fā)生在粉煤燒嘴安裝或更換時(shí)。燒嘴頭部組件常發(fā)生噴口裂紋，根據(jù)粉煤燒嘴的構(gòu)成結(jié)構(gòu)來看，噴嘴前端是高溫合金薄壁，厚度為(2.0±0.1) mm左右，受損后會(huì)在整個(gè)噴口周圍形成放射狀的均勻細(xì)小裂紋。裂紋擴(kuò)大會(huì)造成冷卻水泄漏，影響正常生產(chǎn)。除此之外燒嘴頭部前部還會(huì)在工作中形成結(jié)渣式燒熔面貌，且損害明顯。形成燒熔面貌部分的黏結(jié)以硅為主要成分。除此之外，部分燒嘴頭部存在磕碰傷痕等機(jī)械損壞，只能通過替換進(jìn)行解決。

燒嘴身體組件的損壞特征基本與燒嘴頭部保持一致，但一般不發(fā)生裂紋損傷。燒嘴身體組件接觸高溫作業(yè)環(huán)境，易發(fā)生合成氣回火燒熔，甚至整個(gè)安裝法蘭都可能造成回火燒熔損傷。燒嘴組件中含有管道組件，其外管在長(zhǎng)時(shí)間使用后，產(chǎn)生腐蝕，出現(xiàn)坑洞或破損，導(dǎo)致冷卻水流出，并加速損傷面積。除此之外，燒嘴身體組件的密封面及整個(gè)法蘭存在機(jī)械性劃痕或者損壞。因此從整體來看，燒嘴損壞的主要特征可以歸納為機(jī)械損傷、工作性損傷以及結(jié)構(gòu)特征損傷。

3.2 殼牌氣化爐粉煤燒嘴損壞的原因分析

粉煤燒嘴損壞后，降低其使用壽命，甚至造成全部損傷，需要直接更換，影響運(yùn)行效率和質(zhì)量。根據(jù)殼牌氣化爐煤氣化工藝流程的特點(diǎn)及燒嘴結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，造成燒嘴損壞的原因主要有以下幾點(diǎn)。

1) 粉煤燒嘴自身的結(jié)構(gòu)因素

根據(jù)粉煤燒嘴發(fā)生損壞的特征來判斷，燒嘴頭部組件易發(fā)生裂紋損傷，且損傷基本均勻。造成此種形式損傷的原因來源于噴口特殊的尖角結(jié)構(gòu)，并且基于自冷卻循環(huán)通道的形成，前端面的薄壁厚度最薄時(shí)可達(dá)1 mm。當(dāng)薄壁厚度減小時(shí)，材料本身的力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此其抗高溫輻射及粉煤原料的直接沖刷能力下降。整個(gè)工作過程中，反復(fù)沖擊及負(fù)荷變化，造成材料本身的結(jié)構(gòu)形成力學(xué)疲勞期，尤其是受力集中的情況下，直接造成沖擊點(diǎn)產(chǎn)生裂紋。而燒嘴噴口直接接觸高溫、高壓、高腐蝕混合氣體，因此其需要采用高溫合金材料經(jīng)過嚴(yán)格的抗拉、強(qiáng)度試驗(yàn)生產(chǎn)制成噴嘴。但是基于高溫金屬合金材料本身的條件來看，這種硬度高、塑性大的材料在高精度尺寸和粗糙度的雙重條件壓力下，容易造成生產(chǎn)質(zhì)量欠缺，薄壁厚度不均勻下，使其力學(xué)承受能力不一致，形成損傷后裂紋持續(xù)累積會(huì)極大縮短燒嘴的使用壽命。發(fā)生此種情況下，必須要停車檢修進(jìn)行燒嘴的更換。

2) 粉煤燒嘴安裝因素

根據(jù)殼牌氣化爐的生產(chǎn)需求，需要將4個(gè)～6個(gè)粉煤燒嘴安裝到氣化爐的平面上。其安裝要求包括以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一是要求所有的粉煤燒嘴處于同一水平面，并成對(duì)安裝，形成對(duì)稱性要求；二是粉煤燒嘴應(yīng)以氣化爐的中線為對(duì)稱，形成偏角從而構(gòu)成一個(gè)內(nèi)切圓，對(duì)偏角的設(shè)計(jì)值有要求。根據(jù)上述兩項(xiàng)條件進(jìn)行燒嘴安裝時(shí)，存在偏差，則從整體上改變了粉煤燒嘴相互之間的力學(xué)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的燃燒位置。在這種情況下就會(huì)發(fā)生粉煤燒嘴的燒嘴罩燒損，而無法對(duì)燒嘴形成保護(hù)，從而降低了燒嘴的工作壽命。氧氣蒸汽混合氣損壞時(shí)，就會(huì)造成通道內(nèi)氧氣流通不暢，產(chǎn)生氣體集中燃燒，進(jìn)而使局部位置發(fā)生超高溫現(xiàn)象，造成損壞。

3) 粉煤燒嘴的工作環(huán)境、參數(shù)等因素

用于生產(chǎn)煤氣的粉煤、氧氣、混合氣等通過入口進(jìn)入粉煤燒嘴內(nèi)部，不同原料的工藝參數(shù)對(duì)煤氣化的整體作業(yè)流程產(chǎn)生影響。

根據(jù)煤氣化的生產(chǎn)工藝需求來看。粉煤燒嘴中氧煤比例一般在0.72～0.85。煤或氧氣的量值發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)造成該比值發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)浮動(dòng)頻率過高時(shí)，燒嘴罩及整個(gè)燒嘴的溫度場(chǎng)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。上文提出的材料結(jié)構(gòu)及工藝會(huì)對(duì)燒嘴的材料造成頻繁的異常沖擊或者燃燒，使得材料疲勞，加速老化速度，從而發(fā)生燒嘴前端裂紋等現(xiàn)象。煤燒嘴氧煤比為0.72～0.85，煤線或氧線的波動(dòng)導(dǎo)致氧煤比發(fā)生變化。這種波動(dòng)頻率較高會(huì)引起燒嘴罩和燒嘴周圍溫度場(chǎng)頻繁變化，引起材料熱疲勞導(dǎo)致材料性能快速退化，從而導(dǎo)致燒嘴裂紋產(chǎn)生[3]。

另外，粉煤中含有SiO2、Fe2O3等化學(xué)物質(zhì)的成分不同，進(jìn)而造成渣粘度存在差異。當(dāng)氣化溫度未能按照標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到氣化臨界溫度時(shí)，就會(huì)影響渣流動(dòng)性，若由于渣體不能夠順暢流動(dòng)，并產(chǎn)生高粘度附著在燒嘴頭部時(shí)，就會(huì)造成集中燃燒發(fā)生點(diǎn)腐蝕和坑洞等問題。另外一方面粉煤和混合蒸汽體在有氧條件下發(fā)生燃燒反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生部分高溫氣體回流，當(dāng)此部分氣體回流流轉(zhuǎn)于燒嘴罩及燒嘴頭部的環(huán)隙使，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的外管產(chǎn)生腐蝕滲漏。

4 結(jié)語

粉煤燒嘴作為殼牌煤氣化生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵組成部分，其損傷不僅影響工作壽命，還對(duì)整個(gè)工藝流程和生產(chǎn)質(zhì)量造成影響。根據(jù)燒嘴的損壞特征和生產(chǎn)工藝的工作原理等進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，造成粉煤燒嘴損壞的主要原因包括燒嘴自身結(jié)構(gòu)原因、安裝原因及生產(chǎn)工藝參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等，需要生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)情況及時(shí)更換燒嘴或者調(diào)整作業(yè)參數(shù)等，來提升燒嘴的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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