水煤漿氣化爐工藝燒嘴損壞問題分析與改進

劉立國

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154111）

0 引言

氣化爐是水煤漿加壓氣化裝置的核心設(shè)備，而與氣化爐匹配的工藝燒嘴則是關(guān)系到氣化爐能否長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一。工藝燒嘴的作用是將前端輸送來的水煤漿、中心氧和外環(huán)氧通過燒嘴的噴頭同時噴射進氣化爐燃燒室內(nèi)進行燃燒，進而產(chǎn)生粗煤氣。這是水煤漿氣化工藝原料匯集反應(yīng)所經(jīng)過的第一道關(guān)卡，一旦出現(xiàn)問題將會導致整套工藝系統(tǒng)停車，進而造成重大經(jīng)濟損失，甚至出現(xiàn)安全事故，因此需要對工藝燒嘴進行定期檢查更換。本文對氣化爐工藝燒嘴損壞的相關(guān)問題進行闡述和分析，提出相應(yīng)的解決對策。

1 問題的提出

中海石油華鶴煤化有限公司3052 大顆粒尿素項目配備3套氣化爐系統(tǒng)，2015 年4 月開車投料運行，采用GE 三流式工藝燒嘴。工藝條件：煤漿濃度60%～65%；氧氣濃度99.6%；氣化溫度1387 ℃；氣化爐設(shè)計壓力7.15 MPa；氣化爐操作壓力6.5 MPa。

運行1 年以后，2016 年2 月，C#氣化爐因工藝燒嘴冷卻水盤管及外噴頭端面損壞，導致聯(lián)鎖停車，更換一件噴頭或冷卻水盤管的費用都在10 萬元以上。在后續(xù)備爐檢修期間檢查均發(fā)現(xiàn)工藝燒嘴的中噴頭（煤漿噴頭）磨損嚴重、形成刃狀，內(nèi)徑尺寸變化較大，外噴頭端面沖蝕、龜裂嚴重等現(xiàn)象，為防止燒嘴損壞引起聯(lián)鎖停車，容易引發(fā)設(shè)備損壞及安全事故，需頻繁停車更換燒嘴，燒嘴的使用壽命在40～60 d，大大增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。

2 問題分析

2.1 工藝燒的嘴噴頭結(jié)構(gòu)及工作原理[1]

2.1.1 工藝燒嘴噴頭結(jié)構(gòu)

德士古工藝燒嘴是氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，一般為三流道外混式結(jié)構(gòu)，中心管和外環(huán)隙走氧氣，內(nèi)環(huán)隙走煤漿，噴頭外側(cè)為冷卻水盤管。工藝燒嘴噴頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 噴頭示意

2.1.2 工作原理[2]

德士古三流式工藝燒嘴有3 個流道，開車投料時3 層介質(zhì)按照比例同時噴入事先升溫到1200 ℃的氣化爐燃燒室中，爆燃后投料成功。在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化，以便于在氣化爐內(nèi)發(fā)生充分的氣化反應(yīng)。由于燒嘴插入氣化爐燃燒室中，承受1200 ℃到1400 ℃的高溫，為防止損壞，在燒嘴外側(cè)設(shè)置了冷卻盤管，在燒嘴頭部設(shè)置了水夾套，有一套單獨的系統(tǒng)向燒嘴提供2.0 MPa 冷卻水。為防止外噴頭水夾套或冷卻水盤管損壞，爐內(nèi)高壓易燃易爆的粗煤氣反竄入冷卻水系統(tǒng)，還設(shè)置了復雜的安全停車聯(lián)鎖系統(tǒng)。

2.2 分析[3]

（1）中噴頭沖蝕磨損。由于水煤漿在高速中心氧的作用下從中噴頭噴出，其中含有大量的煤粉和石灰石等固體顆粒，所以，物理磨損是中噴頭沖蝕損壞的主要原因。

（2）外噴頭損壞。最常見的形式為噴嘴周邊呈環(huán)狀、放射龜裂，嚴重情況會出現(xiàn)裂開或孔洞。原因分析：①熱沖擊作用。外噴頭端面朝向1400 ℃的爐內(nèi)，在高速煤漿、氧氣以及回流的工藝氣體沖刷作用下，金屬材料的制造缺陷會顯現(xiàn)且不斷擴大；②化學因素的影響。噴頭處的氧濃度高，高溫下金屬材料會發(fā)生氧化反應(yīng)，性能發(fā)生改變。此外，煤炭中富含的硫也會使噴頭表面產(chǎn)生硫化腐蝕反應(yīng)；③應(yīng)力作用的影響。由于外噴頭的V 形結(jié)構(gòu)，導致其厚度變化較大，應(yīng)力集中，龜裂就是從噴頭的口部開始的。加之冷卻效果不佳，熱量不能及時帶走，材料發(fā)生晶相失效等諸多因素導致了外噴頭的損壞。

（3）冷卻水盤管。冷卻水盤管損壞形式主要表現(xiàn)為焊縫裂紋、燒蝕孔洞、沖蝕減薄等。焊縫裂紋主要由于燒嘴入爐段與冷卻水盤管的線性膨脹程度不一樣，產(chǎn)生應(yīng)力所致。燒蝕孔洞主要原因是水量低或斷水時長時間高溫灼燒造成的。工藝氣回流沖刷及硫化氫的腐蝕是冷卻水盤管減薄的主要因素。另外在停車拔燒嘴時，由于工藝燒嘴與氣化爐內(nèi)壁之間的空隙處經(jīng)常會出現(xiàn)回流產(chǎn)生的積渣，也容易造成盤管的損壞。

3 改造措施

針對以上分析，與北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司進行技術(shù)交流，并依托其技術(shù)優(yōu)勢對工藝燒嘴的易損部位進行了技術(shù)改進，主要有以下3 點。

（1）中噴頭（煤漿噴頭）改進。中噴頭材料為Inconel600，針對水煤漿的物理磨損，在原設(shè)計的尺寸結(jié)構(gòu)保持不變前提下，在噴頭內(nèi)壁噴涂了一層1 mm 厚的針對水煤漿的抗耐磨硬質(zhì)合金材料，大大提高了噴頭的抗磨性能，如圖2 所示。改造前后中噴頭使用后的對比情況如圖3 所示。運行82 天的耐磨燒嘴，從中噴外觀上看，沒有形成刃狀，實際測量中噴內(nèi)徑Φ32.65 mm，標準值Φ32.5 mm，幾乎為原始狀態(tài)。

（2）外噴頭改進。首先，外噴頭在原Inconel600 基材不變情況下，冷卻水流道的結(jié)構(gòu)由原來的V 形改為環(huán)形，改善了冷卻效果及減小厚度變化產(chǎn)生的應(yīng)力；其次，噴頭端面由原來的橢圓形改為平面，在向火端面噴涂耐熱、耐腐蝕的陶瓷層，用以延長使用壽命。原始外噴頭與改造后的外噴頭如圖4 所示。使用后的對比效果如圖5 所示。

圖2 改后的中噴頭

圖3 中噴頭改造前后使用情況對比

圖4 外噴頭改進前后外管對比

圖5 兩種形式使用后效果對比

從外噴端面上的龜裂來看，改進后的耐磨燒嘴比普通燒嘴要強很多。從測量數(shù)據(jù)來看，外噴內(nèi)徑Φ44.7 mm，標準值Φ44 mm，磨損程度輕，磨損量很小，效果很好。

（3）冷卻水盤管。冷卻水盤管的材料選擇上選用高溫性能穩(wěn)定且耐腐蝕的材料，目前最好的是Inconel625 材料。針對焊縫開裂問題，將接管角焊縫改為對接焊縫，以減小應(yīng)力影響；另將冷卻水盤管厚度適當增加，以增強抗工藝氣回流沖刷和硫化氫的腐蝕性能。

4 結(jié)束語

目前中海石油華鶴煤化有限公司6 臺工藝燒嘴均已改造完成，燒嘴的運行周期由原來的平均45 天到改造后運行86 天沒有出現(xiàn)問題，安全穩(wěn)定。通過近兩年的實際運行來看，氣化爐更換燒嘴次數(shù)減少近半，每年節(jié)約因更換燒嘴開停車的成本消耗上千萬元。每臺燒嘴的改造費用僅十幾萬元，小投入換來了大效益，為公司生產(chǎn)運行安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)提供了有力保證，達到了改造目的?？梢姡敬螌饣癄t工藝燒嘴的改造行之有效。