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新型气化炉工艺烧嘴损坏原因分析及应对措施

本篇文章由兖矿新疆煤化陈改霞提供评选

      目前工业上最先进的水煤浆气化炉属于气流床气化工艺范畴，其基本原理是将水煤浆与气化剂（纯氧）通过安装在气化炉上部（或顶部）的特殊设备——工艺烧嘴喷入气化炉进行气化反应。为实现高效的雾化性能，烧嘴内部有三个通道，分别在走氧气和水煤浆，通过氧气流股与煤浆流股的动量交换，达到雾化煤浆的工艺目标，为炉内的气化与燃烧过程创造条件。物料（氧气和煤浆）通过工艺烧嘴雾化后喷入高温的气化炉内，进行快速复杂的气化反应，最终得到产物合成气。故气化烧嘴是水煤浆生产工艺的关键设备之一，也是气化反应器进料的主要设备，直接关系到气化反应效率、生产的工艺指标优劣和系统的安全稳定。为了防止炉内高温对烧嘴外部喷头的热辐射，在烧嘴头部设有冷却水盘管和水冷夹套。

1  工艺烧嘴简介

水煤浆工艺烧嘴结构形式为同心三套管预膜外混形式，从里到外分别为中心氧管、煤浆管、外环氧管。为使喷嘴免受高温影响，外环喷头的头部（向火面）采用夹层冷却，冷却水直接进入向火面冷却室，冷却向火面金属，自冷却室出来的冷却水沿喷嘴旋转8周经法兰流出炉外。其工艺介质氧气纯度≥99.6%，压力为6.0Mpa，水煤浆浓度60%，压力4.0Mpa。由于工艺烧嘴工作在高温、高冲刷、高腐蚀性的环境中，其本体及喷头部位均采用耐高温，耐腐蚀的材料制作，喷头材料为Go50，本体及冷却盘管材质为Inconel600。通过烧嘴的物料（水煤浆及氧气）在同一水平面上向中间对喷，物料撞击后形成由射流去，撞击区，撞击流股，回流区，折返流区和管流区组成的气化炉流场结构。

2  工艺烧嘴损坏现象及原因分析

2.1  烧嘴安装拆卸困难

烧嘴在安装时，烧嘴不能与烧嘴室保持水平、居中，造成烧嘴安装时倾斜，烧嘴头部盘管与烧嘴室壁接触，导致安装困难，烧嘴安装使用一段时间后，拆卸非常困难，必须使用2t倒链往外拉，这样往往会将冷却水盘管拉坏，使用后的烧嘴从宏观检查来看，盘管拉长拉坏，盘管外部存有大量积渣，主要原因是气化炉停车后炉内熔渣聚积在烧嘴室内，使积渣包住烧嘴盘管，与烧嘴室凝固为一体，造成拆卸困难、盘管拉坏。

2.2  烧嘴盘管损坏原因分析

统计显示，烧嘴冷却水盘管的损坏是影响烧嘴长周期稳定运行的主要因素，烧嘴冷却水盘管损坏的主要形式是冷却水盘管前部弯头与外氧喷头连接处焊缝开裂导致冷却水泄漏，必须停车更换新的烧嘴，非常不利于烧嘴的长周期稳定运行，给整个气化系统的高效运行带来很大的制约。最短曾出现过新烧嘴使用14d后就出现烧嘴盘管泄漏的现象。究其原因，主要是冷却水盘管和外喷头焊接处的热应力破坏。冷却水盘管前部弯头与外氧喷头连接处焊缝属角焊，焊肉薄，壁厚差别较大，使用材料也不同，又处于烧嘴的端部，在使用过程中容易产生裂纹（主要是热应力的影响）形式的破坏，国内暂时还没有质量检测方法，因此往往在运行中暴露。腐蚀性气体和灰渣的侵蚀及焊缝处的残存应力也是焊缝开裂的因素。

2.3  外氧喷头水室端面龟裂

影响水煤浆气化炉工艺烧嘴使用寿命的另一种损坏形式是外喷头端面的径向放射性裂纹及不规则龟裂的形成。在烧嘴正常运行一段时间后，沿着外喷头孔口的边沿会出现密集的径向放射性裂纹及不规则的龟裂。当基本上都超过端面壁后的40%，工艺烧嘴不能继续使用。喷头材质为Go50，通过对材质进行金相分析及对烧嘴在其他使用单位的调研，认为选材方面没有问题。该龟裂现象为高温辐射、冲刷造成的结果，与工艺操作环境有一定关系。

2.4 冷却水盘管及外氧管表面腐蚀

烧嘴冷却水盘管及外氧管表面同样受到炉内高温热辐射和冲刷作用，在使用一段时间后，从宏观形貌可发现，管材外壁的侵蚀较为严重、凹坑、结疤和剥落明显，管材内壁也出现不同程度的腐蚀，烧嘴冷却水盘管，外氧管材质为Inconel600，在抗氧化、耐腐蚀、耐高温方面属于优质材料，根据金相组织检测报告，认为盘管、外氧管的局部腐蚀属于晶间腐蚀，腐蚀其原因为气化炉内高温合成气的硫化氢和原料煤中所含硫反应，在金属晶格间产生NiS,对烧嘴材料产生一定的腐蚀。

2.5 工艺操作条件对烧嘴的影响

在操作条件的众多影响因素中，以操作负荷、气化炉炉温的影响最为显著，在低负荷时，由于烧嘴出口的氧气流速、煤浆流速下降，火焰黑区变短，热辐射强度增大，容易烧毁烧嘴。

3   烧嘴的改进

3.1  烧嘴安装工具的确定

设计、制作烧嘴安装推车。考虑到烧嘴安装需调整方位，设计了带液压升降装置、底部有万向调整轮的专用烧嘴推车。气化炉烧嘴室底部平台铺设安装平台，防止烧嘴在推进过程中出现颠簸，影响烧嘴的安装。烧嘴推车在投入使用后，效果非常好，避免了安装时不水平居中对烧嘴头部的损伤，缩短了安装时间，也提高了安装质量。

3.2  冷却水盘管形式的改造及焊缝的保护
(1)冷却水盘管形式的改造    原烧嘴冷却水进水管与出水管之间保持一定距离，如图1所示，图1中a10mm，b为8mm。为了提高烧嘴盘管的冷却面积和缩小烧嘴头部外形尺寸，将a尺寸较原设计缩短5mm，

b尺寸有原来的8mm缩短为2mm。改造后，对盘管的加工要求有所提高，但是保护盘管的冷却面积得到提高，有效保护了外氧喷头，并提高冷却盘管的使用寿命。烧嘴头部外形尺寸的缩小，避免了冷却水盘管进水管及出水管弯头与烧嘴室的接触及安装时的碰撞，使得烧嘴安装更加容易，有效避免了烧嘴冷却水盘管进水管及出水管弯头因受外力而增加焊缝的残存应力，防止在使用一段时间后焊缝开裂。冷却水进水管由原来大角度弯管改造成直接经直管和一90°弯头进入端部冷却水夹套，保证进水管路具有良好统一的弹性伸缩量，避免冷却水盘管前部弯头在受热后伸缩量不一致而导致焊缝受力不均匀产生裂纹，最终导致焊缝开裂。
(2)加焊挡板保护烧嘴冷却水盘管焊缝    在烧嘴向火端面（水冷盘管焊缝的正前方）焊接一块Inconel600的金属挡板（如图2所示）

目的是保护水冷盘管的焊缝，避免直接面对向火面方向的高温流体的传热和烧蚀。焊块的尺寸为一宽度为22mm，厚度为5mm的金属薄片（图2）。焊块和烧嘴端面相接触的位置应在烧嘴水冷空腔的上方，以便及时的移走热量，在使用120天后，保护挡板仍然完好，有效保护了烧嘴前部弯头处焊缝（图3）。

3.3 优化操作
在不改变结构尺寸的情况下，提高烧嘴冷却水流量，从而提高烧嘴头部的传热速率，降低头部温度。通过试验，确定勺子环隙的氧气流量比例，改变烧嘴雾化区状态，使高温区尽量远离头部，降低热辐射对烧嘴外氧喷头冷却水室端面的破坏。随着经验的积累和持续改进，目前外氧喷头使用寿命明显提高，使用120天的烧嘴外氧喷头只出现了轻微的龟裂，可继续使用。

在低负荷操作时应及时根据负荷大小，控制气化炉的操作压力，使出烧嘴的流体流速达到设计要求，保证烧嘴的正常运行。
3.4  降低煤浆出口流量
在满足工艺要求的条件下，通过调整安装尺寸，尽量控制煤浆喷口流速；在满足流量要求和雾化要求的前提下，应尽量降低煤浆出口流速。一般的金属材料在受到含固体颗粒的流体冲刷时，其磨损率与颗粒流速之间的关系密切，当颗粒流速达到某数值（临界流速）时，磨损率就会明显增大。尽量是物料的流速低于材料磨损的临界流速，必然会延长煤浆喷头与中心氧喷头的使用寿命。
3.5 冷却水盘管及外氧管的保护
目前仍没有更好的耐高温耐腐蚀材质代替目前烧嘴外氧管及冷却水盘管所用材料，最有效的解决办法就是加以保护。
(1)冷却水盘管的保护    合成气夹带的灰渣进入烧嘴室，与烧嘴冷却水盘管腐蚀、拆卸困难、烧嘴盘管损坏等现象都有直接关系。对烧嘴头部盘管部位进行保护，使烧嘴室形成相对密闭空间，可有效防止气化炉内灰渣进入烧嘴室，既减少了烧嘴的腐蚀，又方便烧嘴的拆卸。由于烧嘴头部在气化炉内处于高温区，用于头部保护的材料应为耐高温、易成型的材料。氧化铝空心球浇注料具有耐腐蚀、耐高温、易成型的特性。根据烧嘴室的尺寸制作磨具，在烧嘴头部按烧嘴室尺寸整体浇注一次成型，并对氧化铝空心球浇注料的浇注进行配料试验，摸索出配料方法，能在40min成型凝固后加以修整定型（图2）。使用120天后的烧嘴保护依然完好，在清理干净保护冷却水盘管的氧化铝空心球浇注料后发现，冷却水盘管未受到侵蚀（图3）。在有效保护烧嘴冷却水盘管不受侵蚀的同时也保护了盘管焊缝，并方便了烧嘴的拆卸。
(2)外氧管的保护    外氧管的保护比较简单，每次在安装烧嘴前，用20mm厚的岩棉将外氧管道进行包裹，可以有效防止合成气夹带的灰渣对外氧管的侵蚀。
3.6 生产管理规范化
生产管理的规范化和制度化，将有利于保障烧嘴的运行性能和延长烧嘴是使用寿命。

运行记录

对每个进厂烧嘴建立一套完善的烧嘴运行、检查台账。设立烧嘴专用日志记录本，所有的仪表测量的与烧嘴操作有关的变量均应定期监控，这些变量主要包括氧气与煤浆（入口温度、压力和流量）、冷却水（进出口温度、流量和进口压力），一氧化碳检测仪（冷却水系统）、气化炉操作状况（压力、温度和合成气组分），原煤的灰产量等参数。

另外，针对这些变量还应记录烧嘴的操作时间、日期、烧嘴的开启次数、烧嘴的编号。应对烧嘴的关键部件（例如烧嘴的内外枪、内外喷头）进行编号，便于对烧嘴和部件进行跟踪。

维修记录

不论是新烧嘴，还是更换返修的烧嘴，一定要结合烧嘴的运行台账完整如实地记录。这些日志包括：烧嘴的目视检查、实物照片、关键尺寸的测量；烧嘴的维修记录、数据、材质、型号或组件等。准确地做好烧嘴的记录，是实现烧嘴长寿命和提高沙鸥明的重要途径。建立一个关于维修烧嘴的表格记录所有的评语，包括零件的维修、测量如压力测试、染色检测或射线探伤等用来确认维修的质量。

运行管理

投料后，在压力升高时以1.0Mpa为一节点对烧嘴进行查漏；每周从烧嘴冷却水分离罐处取样1次，检测CO含量；控制室人员实时地监控现场烧嘴画面，发现烧嘴压差变化异常是及时排查原因，在低负荷时应特别关注烧嘴物料流速控制；在未经领导批准，运行期间不得随意接触烧嘴冷却水联锁；严格控制煤浆的灰熔点、灰分，禁止高炉温操作。

4  结论

水煤浆加压气化技术具有压力高、气化炉结构简单、投资费用低等优点，但该技术目前均存在的不足就是烧嘴使用寿命短，烧嘴的使用寿命约束着单台气化炉的连续运行周期。通过对烧嘴的持续改进、保护和工艺环境的优化，以及使用经验的积累，目前工艺烧嘴以达到一个稳定的运行周期，平均使用寿命达到120天，最长使用151天，已达到同类烧嘴的先进水平，为气化炉的稳定运行奠定了坚实的基础，也为整个生产系统的高效运行提供了保障，大大提高了水煤浆气化烧嘴的安全性能。