四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的影响因素分析

四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的影响因素分析
杨胜利
【摘要】For researching the service life factors of four-nozzle gasifier process burner, the life and working state are surveyed and summarized by tracking method at running gasifier nozzle. Theoretical results and various factors are verified in working process repeatedly. Finally, the influence factors of gasifier process nozzle structure, material, performance parameters and process raw material on the service life extension are determined.%为探索影响四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的因素，对实际运行的气化炉工艺烧嘴运行工况和该工况下的寿命周期进行跟踪调查，并进行归纳总结，就其在使用过程中可能影响使用寿命的各种因素和理论结果进行重复验证，最终初步确定气化炉工艺烧嘴结构、材质、性能参数、工艺原材料等对工艺烧嘴使用寿命的影响．
【期刊名称】《宁夏工程技术》
【年(卷),期】2012(011)004
【总页数】5页(P374-378)
【关键词】四喷嘴气化炉;工艺烧嘴;使用寿命影响因素
【作者】杨胜利
【作者单位】神华宁煤集团公司煤炭化学工业分公司甲醇厂,宁夏银川750004【正文语种】中文
【中图分类】TQ546
为了保证在满足生产需要的前提下，尽可能延长工艺烧嘴的使用寿命，对各种影响四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的因素进行统筹、分析、优化.通过对笔者所在单位四喷嘴气化炉工艺烧嘴使用过程中寿命影响因素的总结分析，以及目前煤化工企业常用的工艺烧嘴各部位尺寸、材质，原料煤主要成分（主要是灰分）、生产工况等因素对工艺烧嘴使用寿命的影响，分别进行探索、分析.
1 工艺烧嘴寿命周期的确定
四喷嘴气化炉工艺烧嘴在日常的生产使用过程中，通常依据一组（4台）烧嘴前期使用寿命周期的平均值作为计划检修的参考周期，但在不同的工况条件下，其寿命周期的差别可达一倍左右.其失效的形式主要有外氧喷头冷却水水室盖端面严重龟裂、煤浆喷头出口磨损不均匀且内孔壁出现沿轴向的裂缝、中心氧喷头出口内孔不均匀变形磨损并有明显断层腐蚀现象、冷却水盘管焊缝出现腐蚀断裂迹象等，造成烧嘴无法正常运行，并产生安全隐患[1].
1.1 影响寿命的主要因素及分析途径
根据烧嘴失效的表现、对应的工况变化及烧嘴维修后各部位尺寸偏差，首先，将一组（4台）烧嘴环隙参照其他单位在用烧嘴环隙进行调整后作为实验组，分析喷嘴环隙对寿命周期的影响；第二，对煤质改变进行跟踪，并将结果与喷嘴失效记录进行比对，以确定两者之间存在的影响因素；第三，选择2组（每组4台）不同烧嘴维修、改造单位修复、调整的烧嘴进行外观、结构工艺尺寸确认、记录，并对烧嘴运行情况进行跟踪观察，以确定焊接工艺、热处理方式等维修方法的影响，分析烧嘴整体结构工艺参数及生产工况等因素对工艺烧嘴使用寿命的影响.
1.2 烧嘴失效判断及各类失效现象几率统计
在正常的使用过程中，以烧嘴与工艺生产指标数据的偏差判断烧嘴是否失效，主要
参考数据为炉壁温度或烧嘴冷却水流量及冷却回水中一氧化碳的含量.设备管理人
员判断失效的评价标准主要依据烧嘴设计标准，烧嘴的煤浆通道、外氧环隙尺寸必须保证在设计偏差之内.中心氧喷头、煤浆喷头、外氧喷头唇部磨损及烧蚀，是造
成烧嘴的煤浆通道、外氧环隙尺寸严重超差的主要因素.外氧喷头迎火面龟裂、外
氧管环面腐蚀、冷却盘管前部烧蚀等问题，是造成事故的隐患.2011年10月—2012年9月喷嘴失效的主要形式及几率统计见表1.
2 影响因素分析
2.1 喷头材质、环隙对烧嘴寿命的影响
目前，四喷嘴气化炉工艺烧嘴喷头所用材质大多为GH188合金，尾管、冷却盘管采用Inconel625.依据Z90103—1990《GH188合金板材技术条件》数据显示，GH188合金具有极佳的高温物理化学性能，熔化温度范围1 300～1 360℃，适
于制造航空发动机上在980℃以下要求高强度和在1 100℃以下要求抗氧化的零件，主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置，具有良好的高温抗氧化和抗腐蚀性[2].以该材质制成的工艺烧嘴喷头在我厂的使用过程中，曾多次出现短时间内严重
磨蚀、龟裂的现象.对此，参照其他单位相同或相似类型烧嘴使用经验，对烧嘴喷
头间隙进行调整，缩小中心氧喷头与煤浆喷头、煤浆喷头与外氧喷头的环隙，以加大烧嘴外氧头端面到一次燃烧高温区的距离，降低烧嘴外氧头端面的烧蚀速度，延长烧嘴的使用周期，但最终结果却未能完全如愿.在近乎相同的工况下进行对比测试，使用相近时间的烧嘴外氧喷头外观情况如图1～4所示.图1～2为环隙调整前运行的结果；图3～4为环隙调整后运行的结果.
表1 2011年10月—2012年9月喷嘴失效的主要形式及几率统计失效形式次数
现象备注2011年10月—2012年3月 2012年4月—2012年9月外氧喷头迎
火面龟裂 23 12 外氧喷头迎火面出现放射状裂纹，深度为 2～5 mm迎火面原壁厚为（5±0.2）mm煤浆喷头烧蚀 5 4 喷头口部有烧蓝现象，壁厚减薄为原厚度的1/3原壁厚为（2.5±0.2）mm中心氧喷头磨损 11 4 喷头前部壁厚减薄严重，口部似刀刃一般原壁厚为（2.5±0.2）mm外氧管沿轴向缩短 2 无中心氧喷头、煤浆喷头、外氧喷头之间原有轴向间隙消失，中心氧喷头端面突出至外氧喷头之外2 mm原壁厚为（2.5±0.2）mm外氧管前环面化学腐蚀、裂纹6 2外氧管前段环面有深达4 mm的点状腐蚀坑且已连成片，其间有沿轴向分布的浅裂纹冷却盘管焊缝烧蚀 23 6 焊缝开裂冷却盘管本体烧蚀 8 4 表面麻坑，材质变脆喷嘴整体偏烧 4 无喷头环隙单侧变小
从图1～4对照结果可以看出：依据具体的工况对烧嘴喷头环隙进行调整，可以有限延长烧嘴使用寿命，但却没能产生质的改变.环隙调整后的烧嘴外氧喷头端面烧蚀情况有所好转，但煤浆喷嘴的磨蚀速度却急剧加快.使用40 d的工艺烧嘴，其煤浆喷嘴就已磨得像刀刃一样（图5），并且中心氧喷嘴口甚至出现了局部缺失（图6）.
图1 环隙调整前运行35 d的烧嘴
图2 环隙调整前运行37 d的烧嘴
图3 环隙调整后运行40 d的烧嘴
图4 环隙调整后运行47 d的烧嘴
图5 烧嘴喷头壁厚如刀刃一般
图6 内氧喷头有缺失现象
事实证明，如此单一做法最终无法达到烧嘴整体长周期运行的目的.
2.2 原料煤成分对烧嘴寿命的影响
由于水煤浆气化要将原料制成煤浆，因此要求原料煤具有稳定的成浆性能，同时，也要保证煤的灰分及灰熔点符合气化炉结构、性能及生产经济性要求.由于气化温
度的限制，我厂使用的原料煤灰分大多在11%～14%，偶尔也会有灰分低于11%的原料煤投用，灰熔点温度控制在1 200℃以下.在原料煤配比相对稳定的情况下，经过长期多次跟踪观察记录，使用低灰分煤期间工艺烧嘴的使用周期远长于使用高灰分煤工艺烧嘴的使用周期.典型对比结果见图7～10.
图7 用灰分高于11%的原料煤运行40 d的烧嘴
图8 用灰分高于11%的原料煤运行42 d的烧嘴
图9 用灰分低于11%的原料煤运行47 d的烧嘴
图10 用灰分低于11%的原料煤运行54 d的烧嘴
由图7～10可知，气化炉原料煤灰分的高低与烧嘴烧蚀情况特别是外氧喷嘴断面
烧蚀结果关系密切.在以较高灰分的煤作原料的情况下，烧嘴内氧喷嘴及煤浆喷嘴
前部出现明显快速减薄现象，且煤浆喷头烧蚀明显并在喷头内侧肩部出现纵向裂纹.外氧喷嘴端面的烧蚀结果也迥然不同，除了出现密度较大的放射性裂纹外，烧嘴前端面材质出现明显组织改变特征，切开后的组织改变部分材料无金属光泽，韧性极差.在以较低灰分的煤作为原料煤的情况下，虽然烧嘴喷头磨损情况无较大改观，
但烧蚀情况却有明显改善.依据烧嘴制作材料（GH188合金）物理、化学特性及使用经验判断，为应对因煤的灰分高、灰熔点高导致的排渣困难而提高炉温是造成烧嘴喷头龟裂、烧蚀的重要因素之一.
2.3 其他因素对烧嘴寿命的影响
首先，对烧嘴外氧喷嘴唇部周向分布着的径向裂纹进行车削打磨，发现随着车削深度的增加，裂纹分布密度由外圆向圆心增加趋势明显.同时，注意到烧嘴外氧喷嘴
唇部几何尺寸自喷口向外由薄到厚骤增，且烧嘴喷头金属厚度远大于其两侧金属厚度，这种结构必然会在高温下产生热应力，因此，在喷口流体波动疲劳等因素的综合作用下，极易产生应力裂纹，如图11～12所示.
图11 厚度均匀处裂纹均匀
图12 裂纹随厚度变化
其次，水煤浆气化首先需要将液体原料（含高浓度的固体煤粉的煤浆）通过工艺烧嘴进行雾化.为了达到良好的雾化效果和延长烧嘴的使用寿命，我厂目前采用的是
三通道、预膜式、外混气流雾化工艺烧嘴.其特点是缩小中心氧喷头端面距烧嘴端
面基准面的缩入量，使3个通道端面基本在同一水平面上，形成可控煤浆膜厚，
达到外混气流雾化的目的.为了获得较理想的成膜、雾化的效果，烧嘴流道内的混
合物（水煤浆、氧气）流速必须达到一定的数值.由于混合物中含有大量的煤粉固
体颗粒，同时，内氧喷嘴的延长客观上减少了煤浆喷头内侧肩部的煤浆流通截面积，由此加大了煤浆喷头内腔的磨损速率，并造成内氧喷头和煤浆喷头磨损加快.对比
结果见表2.
最后，气化炉操作炉温偏高，是导致烧嘴严重烧蚀的重要原因之一.由于外氧喷头
的前端面迎着炉内高温的工艺气体及二次燃烧粒子，根据气化炉拱顶下部热电耦指示温度值和工艺气成分分析结果，外氧喷头的前端面附近温度一般为1 250～1 280℃.烧嘴喷头材料（GH188合金）在这样的高温条件下工作，其在冶炼和锻造过程中存在的所有缺陷会逐渐地暴露出来，并且随着温度的进一步升高，情况会迅速恶化.通过对多家同类企业的咨询了解，普遍认为气化炉操作炉温＜1 250℃时，工艺烧嘴运行较稳定；当气化炉操作炉温＞1 280℃时，工艺烧嘴喷头会加速烧蚀.
3 改善措施及建议
通过以上对比分析可以初步得出以下结论：原料煤灰分高、灰熔点高，直接导致气化炉运行过程中极易结焦，为避免气化炉结焦，提高气化炉操作炉温是有效的解决途径，而过高的气化炉操作炉温导致了烧嘴的过快烧蚀[3]，且每次损坏情况类似，均为外氧喷嘴端面烧蚀，深度达3～4 mm的径向裂纹在唇部沿周向分布，甚至有部分裂纹已通透至喷头冷却水腔.为加大工艺烧嘴端面至高温区的距离而缩小喷头
环隙以提高煤浆混合物的流速，致使煤浆喷嘴内表面、内氧喷嘴外表面严重磨损，
这不仅大大缩短了工艺烧嘴的使用周期，而且使气化炉的安全运行受到很大威胁.依据以上分析结果，分步采取以下措施.
（1）针对烧嘴外氧喷头因厚度变化可能产生的应力集中破坏问题，改良外氧喷口头部的壁厚不均匀结构，在烧嘴维修的过程中逐渐调整烧嘴头部各部位厚度，减少不同部位之间的厚度差，同时延长厚薄过渡部位的轴向长度.
（2）降低烧嘴有效迎火面积，减少因烧嘴、气化炉结构工艺产生的热功率对烧嘴的热影响.在冷却盘管与烧嘴外氧喷嘴头部连接焊缝处靠前端盖侧加装护瓦（出入口各加装一块，材质选用Inconel625），同时，烧嘴安装时保证气化炉烧嘴口炉膛内侧耐火砖完好无缺，并做好烧嘴本体与高温焰区的有效隔离.
（3）在现有条件下，加强烧嘴喷头的自冷却能力.将烧嘴冷却水盘管在喷头水室的位置由侧进侧出改为下进上出的方式，并在喷嘴修复过程中逐步调整头部水室内尺寸 (加工的深度及前端面板厚度)，在使其内、外两侧面厚度与端盖厚度保持基本一致的前提下，使外氧喷头冷却水水室内冷却水流速不低于冷却盘管内水流速度. （4）避免烧嘴运行中局部温度过高.在保证烧嘴冷却水压不高于气化炉炉膛压力的前提下，尽量加大烧嘴冷却水流量（冷却水上、回水管管径不变、压力比工艺气压力低0.5 MPa）.
（5）调整煤浆燃烧高温区的位置，使其与气化炉内理论高温区位置重合.停炉时检查气化炉炉砖烧蚀、冲刷情况，调整烧嘴头环隙以控制出烧嘴的氧气流速在最佳范围，改善一次燃烧物与二次燃烧物在炉内流动、混合的形态.
（6）在烧嘴喷头装配间隙固定后，保证气化炉操作须严格按既定的压力-负荷对应曲线操作，避免生产工况大幅波动，尤其要减少气化炉停炉时烧嘴的“干烧”现象等.
另外，针对烧嘴喷头金属厚度远大于其两侧金属厚度，在高温下产生破坏性热应力的问题，建议尝试逐步改变烧嘴外喷头几何尺寸，最终从根本上改变烧嘴外氧喷口
头部的壁厚不均匀结构.建议改进后的工艺烧嘴结构剖面图见图13.
表2 环隙调整与喷头磨损情况对比结果环隙/mm 部位喷头原有厚度/mm 磨损量/mm 运行时间/d 4.0 外氧通道外氧喷头5.0 1.1 42煤浆喷头2.5 1.3 42 8.0 煤浆通道煤浆喷头2.5 1.3 42内氧喷头2.5 1.4 42 13.0 内氧通道内氧喷头2.5 1.4 42 3.8 外氧通道外氧喷头4.8 2.2 37煤浆喷头2.5 1.8 37 7.0 煤浆通道煤浆喷头2.5 1.8 37内氧喷头2.3 1.7 37 12.0 内氧通道内氧喷头2.3 1.7 37
图13 改进后的工艺烧嘴结构剖面图
如图13所示，工艺烧嘴主体结构形式采用德士古同心三套管形式，烧嘴中心氧管的喷头出口设计成缩口形式，并使其端面距烧嘴断面基准面缩入量由原来的
（4±0.1）mm 增大到（70±0.1）mm，形成一个水煤浆和中心氧的混合腔，水
煤浆喷头的出口也设计成缩口形式，使进入混合腔的水煤浆具备一定的速度.在混
合腔内，利用中心氧对水煤浆进行稀释和初加速，改善水煤浆的流变性能，以共同的作用保证水煤浆在离开烧嘴后的雾化效果.外氧喷头的缩口倾角大于30°，减少
外氧喷嘴迎火面面积，降低热功率传递效果，且延长其端面差由原来的（0.5±0.1）mm增大到（6±0.1）mm，通过对流经混合腔的水煤浆混合物进行良好的雾化，使其在气化炉内达到良好的气化效果.同时，对烧嘴外氧喷头外部结构进行改造，
均匀烧嘴喷头壁厚，降低热应力作用；加装与喷头同材质的冷却水出、入口管台，保证应力集中区焊缝为同材质焊接[4]；将冷却盘管材质由Inconel600改为Inconel625，提高冷却盘管的耐腐蚀和抗氧化性能，并充分利用其良好的拉伸性
能和抗疲劳性能，提高冷却盘管在恶劣工况环境下应对高温腐蚀、工艺气紊流冲击的能力.
综上所述，通过对气化炉工艺烧嘴使用结果的分析总结，根据实践经验对烧嘴进行改良，努力向理论合理、实际适用型烧嘴结构靠近，最终必将获得适应该系统工况并可长周期稳定运行的气化炉工艺烧嘴.
【相关文献】
[1]于遵宏，王辅臣.煤炭气化技术[M].北京：化学工业出版社，2010：314-319.
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[3]钱晖，周渝生.HYL-Ⅲ直接还原炼铁技术[J].世界钢铁，2005，5(1)：16-21.
[4]刘振东，任晓善，陈逢阳，等.化工机械维修手册[M].北京：化学工业出版社，2003：625-644.。