延长多喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的探讨

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中氮肥
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的影响。
2 延长工艺烧嘴使用寿命的优化措施
2. 1 低炉温操作 由于水煤浆气化炉液态排渣的特性，要求渣
口处的温度必须高于煤灰粘温特性温度，业内一 致认为操作温度高于煤灰熔点 30 ～ 50 ℃ 即可以 保证灰渣液态排出。2011 年我公司对气化煤种 进行 优 化，采 用 低 灰 熔 点 煤 种 （ 灰 熔 点 低 于 1 230 ℃ ） ，运行中控制较低的气化炉操作温度， 使用 60 d 后停炉检查，烧嘴端面状况有了很大 改善。 2. 2 优化煤种
（ 2） 通过调整氧气流量调节阀的 PID 参数、 氧气总管压力和高压煤浆泵出口缓冲器压力，控 制氧气流量波动在 100 m3 / h 以内、煤浆压力波 动在 0. 05 MPa 以内，系统压力控制由小系统控 压 （ 气化炉合成气出工段阀控压） 改为大系统 控压 （ 净化低温甲醇洗工段出工段阀控压） ，结 合员工的精细化操作，控制气化炉压力波动在 0. 05 MPa 以内，维持气化炉内较好的流场分布。
操作负荷弹性的大小是衡量烧嘴性能优劣的 一个重要指标。烧嘴的雾化性能随着操作负荷的 变化而变化，再好的烧嘴也会有一定的使用负荷 范围和适应的系统压力范围。负荷过高或操作压 力过低，氧气流速升高，煤浆环隙磨损加剧； 负 荷过低或操作压力过高，氧气流速急剧降低，火 焰变短，靠近烧嘴头部，使烧嘴头部温度升高， 甚至出现局部过氧，导致烧嘴烧蚀和龟裂。 1. 7 开停车及工况的稳定性
（ 3） 在气化炉停车后，采取一系列保温措 施在熔渣凝固前将烧嘴拔出，并清理烧嘴室内的 积渣，降低再次安装烧嘴时的难度。
（ 4） 在投料前及停车后，保证少量氮气通 入烧嘴，起 到 冷 却、 惰 性 保 护、 正 压 保 护 的 作 用。 2. 5 控制适宜的中心氧比例
中心氧占总氧比例存在一个最佳值 ，一般 在 15% ～ 20% 之间，实际操作中，随着系统负 荷和压力的改变，需要操作人员根据炉温、炉况 及气化渣中残炭等情况及时调整，以使烧嘴达到 最佳的雾化状态。 2. 6 优化操作与管理
［收稿日期］2015-08-23 ［修稿日期］2015-10-13 ［作者简介］ 孔德升（ 1986—） ，男，山东滕州人，技师。
较小，可以达到更长的运行周期，减少气化炉倒 炉及其过程中事故发生的几率和合成气放空浪费。
但气化炉运行初期，烧嘴在使用及拆装过程 中存在如下问题： 烧嘴端面环向龟裂，端面、侧 端面烧 蚀 泄 漏， 盘 管 腐 蚀 泄 漏， 水 室 边 缘 内 焊 缝、盘管焊 缝 泄 漏， 中 心 氧 头 烧 蚀， 煤 浆 端 磨 损，外氧泄漏，烧嘴法兰烧穿，烧嘴冷却水盘管 拆卸时拉坏，烧嘴联锁系统灵敏度差等。这些问 题制约着系统的高效、稳定、长周期运行。
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中氮肥 M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress
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甲醇及下游产品
No. 4 Jul． 2016
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延长多喷嘴气化炉工艺烧嘴使用寿命的探讨
孔德升，马艳军，张 鼎
［新能凤凰 （ 滕州） 能源有限公司，山东 滕州 277527］
［摘 要］ 对多喷嘴对置式气化炉运行初期烧嘴在使用及拆装过程中出现的烧嘴盘管损坏、喷头龟裂、 焊缝开裂、偏喷、烧蚀等问题进行分析，并通过对烧嘴结构间隙、材质、安装与拆卸以及系统负荷与压力 的关系、煤浆质量、中心氧占总氧比例等进行研究，采取相应的优化措施后，气化炉烧嘴使用寿命得以 延长。
［关键词］ 多喷嘴对置式水煤浆气化炉； 预膜式工艺烧嘴； 泄漏； 烧蚀； 龟裂； 影响因素； 优化措施 ［中图分类号］ TQ 545 ［文献标志码］ B ［文章编号］1004 － 9932（ 2016） 04 － 0044 － 03
DOI:10.16612/j.cnki.issn1004-9932.2016.04.014
0引言
新能凤凰 （ 滕州） 能源有限 公 司 720 kt / a 甲醇装置采用华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆 气化工艺。预膜式工艺烧嘴是其核心设备之一， 它利用高速氧气 （ 纯度 99. 6% 以上） 将浓度约 65% 的煤浆雾化，同时通过同一个水平面的 4 个 工艺烧嘴对喷进入气化炉，快速燃烧，在加压非 催化条件下 发 生 部 分 氧 化 反 应，生 成 以 CO 和 H2 为主的粗煤气，作为甲醇合成的原料气； 其 利用对喷撞击强化混合、质热传递过程和雾化效 果，反应过程非常迅速，一般在 4 ～ 10 s 之内完 成。预膜式三通道工艺烧嘴运用内、外侧高速氧 气的扰动实现水煤浆的雾化和水煤浆与氧气的充 分混合，与 Texaco 预混式烧嘴相比，烧嘴内部 没有预混腔，大大降低了煤浆通道的出口速度， 减少了煤浆通道的磨损，对延长烧嘴寿命有利； 而且由于预膜式烧嘴的氧气压力损失大大降低， 使水煤浆膜初始厚度降低，更易于雾化，浆滴离 开烧嘴后发生二次震荡破碎形成更小的浆滴，雾 化效果好，雾化滴径 （ SMD） 约降低 10% ，碳 转化率和气化效率高。另外，多喷嘴气化炉的负 荷平均分给 4 个烧嘴，每个烧嘴分担的负荷较 小，与单喷嘴相比使用相同的时间煤浆通道磨损
工艺烧嘴的设计长度与气化炉耐火砖厚度是 一一对应的，烧嘴过长，头部暴露在炉膛内，直 接受到高温熔渣的冲蚀； 烧嘴过短，出烧嘴的高 温流股直接冲刷烧嘴室内壁，富氧流股折返回
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来，形成窝火，对烧嘴端面形成烧蚀。因此，不 同气化炉工艺烧嘴不能混用，当耐火砖厚度进行 调整时，必须同时改变烧嘴的长度。
图 1 烧嘴头部结构简图
2. 4 烧嘴保护 （ 1） 烧嘴安装控制在投料前 1 ～ 2 h，避免
烧嘴长时间在高温下承受辐射作用，以及细小的 环隙被飞灰堵塞。
（ 2） 在烧嘴头部按烧嘴室尺寸制作模具， 用绝热效果好、易成型的氧化铝空心球浇注料整 体浇注一次成型，成型凝固后予以修整定型，可 实现对烧嘴头部的保护。
煤浆中 细 颗 粒 比 例 增 大， 可 以 提 高 煤 浆 浓 度，增大煤与氧气反应表面积，利于提升气化效 率，减小气化炉炉膛上下温差，是实现装置增产 降耗的重要手段。但煤浆浓度越高、细颗粒越多 或黏度越高时，对煤浆环隙的磨损也越严重，而 且黏度高还会影响雾化效果，阻碍浆滴的破碎； 但黏度低或煤浆中夹杂异物或大颗粒时，煤浆容 易分层，堵塞烧嘴，使出烧嘴的煤浆不均匀，出 现偏喷，使烧嘴上部烧蚀和龟裂加剧。 1. 9 烧嘴的安装和拆卸
（ 1） 操作中尽量减少开停车次数和保持炉 况的稳定，能维持运行就不要轻易停车，能停 1 对烧嘴带压连投处理的绝不停 2 对烧嘴；Βιβλιοθήκη Baidu停炉后 注意保温，保证投料时炉膛温度尽可能高，减轻 投料过程中温度的波动； 投料后待氧气流量调节 阀前后压差低于 0. 6 MPa 时，方可投自动调节， 以免阀门前后压差大使氧气流量控制出现波动。
选取低 灰 分、 低 灰 熔 点 和 粘 温 特 性 好 的 煤 种，可减轻烧嘴煤浆环隙的磨损，在保证气化炉 液态排渣的前提下，控制较低的气化炉操作温 度，可改善烧嘴的工作环境； 同时，选用大型煤 矿的原料煤，并加强输煤监督管理，以保障煤质 的稳定。 2. 3 严把烧嘴验收关
新烧嘴和检修后的烧嘴必须严格验收，包括 以下检查内容： 对焊缝进行 PT 检查、着色试验 以及端面光谱分析、冷却水盘管和水夹套测厚； 检查并确认工艺烧嘴的安装长度 （ 含垫片） 允 差小于 2 mm、同心度允差小于 0. 5 mm、全长垂 直度允 差 小 于 1 mm、方 位 角 度 允 差 小 于 1. 5 mm； 检查并确认煤浆端面与外环氧端面缩进小 于 0. 02 mm，中心氧管与煤浆端面缩进量允差小 于 0. 02 mm，其中图 1 所示的 A ～ G 这 7 个尺寸 对烧嘴性能的影响至关重要，F 和 G 这 2 个尺寸 要测量 4 个数值，以保证烧嘴环隙的均匀； 对盘 管进行水压试验，需在 14. 3 MPa 压力下保压 30 min 无渗漏。
1 工艺烧嘴使用寿命影响因素分析
1. 1 气化炉操作温度 工艺烧嘴是插入 1 350 ℃ 的高温炉膛内工作
的，热应力腐蚀是烧嘴损坏的主要形式。烧嘴端 面喷口处是机械加工应力最集中的部位，烧嘴各 焊接部件材质不同、厚度不同，在高温环境下应 力得到释放，引起放射性裂纹和疲劳开裂，随着 烧嘴的长期使用，裂纹不断增大，表现为外环氧 端面龟裂和烧嘴各处焊缝开裂。烧嘴端面处的炉 膛温度对烧嘴的热应力大小起到决定性的作用， 改善烧嘴恶劣的工作环境成为延长烧嘴使用寿命 的重要途径。 1. 2 煤质和烧嘴长度
（ 3） 气化炉负荷调整以控制在设计负荷的 80% ～ 100% 为宜，严禁烧嘴在负荷过高或过低 的工况下长期运行； 若气化炉超负荷生产，还应 相应调整工艺烧嘴的装配尺寸。
气化炉运行时，炉内熔渣进入烧嘴室，在烧 嘴与烧嘴室的环隙内填充，停车后炉温骤降，包 裹在烧嘴盘管上的积渣凝固后将烧嘴与烧嘴室粘 连在一起，造成拆卸困难，盘管易被拉坏，并且 烧嘴口凝固的灰渣很难清理，影响烧嘴的顺利安 装，强行 推 入 烧 嘴 室 会 造 成 烧 嘴 头 部 损 伤。 所 以，烧嘴的安装和拆卸对其使用寿命也造成一定
目前工艺烧嘴的材质主体为 Ineonel600，该 材质具有良好的耐高温和抗氧化性能； 烧嘴头部 采用 UMCo50，该材质不仅耐高温和抗氧化性能 良好，还具有优异的耐磨性能，可以减轻烧嘴煤 浆环隙的磨损，延长烧嘴的使用周期，部分厂家 还在烧嘴外环氧端面进行航天抗热材料 Ni-Cr-C 喷涂，对减少端面龟裂起到了较好的效果。 1. 4 工艺烧嘴结构间隙尺寸
三通道工艺烧嘴中，中心氧的作用主要在于 增大煤浆的动能，使煤浆获得较大的加速度，然
后被高速外环氧气流打散，从而实现切割雾化， 若雾化效果差，会造成局部过氧，增加烧嘴周围 的富氧量，易导致烧嘴烧蚀和龟裂。因此，中心 氧与外环氧的比例是影响烧嘴雾化效果的重要因 素，决定着出烧嘴后煤浆液滴的密度分布、燃烧 火焰的长短与大小以及烧嘴端面的温度。 1. 6 系统负荷和系统压力
烧嘴的结构决定水煤浆是依靠高速的氧气实 现雾化的，雾化效果差时，会使火焰靠近烧嘴头 部而造成端面龟裂，同时回流流股中夹带部分未 燃烧的煤浆撞击在烧嘴端面和耐火砖表面时，会 造成烧嘴头部环形烧蚀和烧嘴室周围耐火砖烧 蚀。要获得好的雾化效果，要求环隙内氧气的流 量在 110 ～ 120 m3 / h，这就需要根据系统所需负 荷设计烧嘴三通道的间隙，并在实际运行中予以 校正，保证要求负荷下的烧嘴气流速度。
运行初期工艺烧嘴龟裂严重，使用寿命短， 一般使用 40 多天就已龟裂严重。经有关研究与 设计单位核算发现，烧嘴内氧气实际流速偏低， 后进行了调整。调整后的烧嘴使用效果有了很大 的改善，烧嘴运行周期可以达到 70 ～ 90 d。可 见，工艺烧嘴结构间隙尺寸是影响烧嘴雾化效果 和使用寿命的关键因素，生产能力不同、负荷不 同，对烧嘴结构间隙尺寸的要求也就不同，需要 合理进行设计，并通过实际运行效果的验证及优 化来最终确定适宜的间隙尺寸。 1. 5 中心氧占总氧比例
运行中炉膛内存在一定厚度的固态渣层和液 态渣层，固态渣层拥有一定的强度，当使用高灰 熔点煤种时，炉壁挂渣层增厚，并在烧嘴室上方 形成渣瘤，出烧嘴的高温流股撞击到渣瘤后折返 回来，当撞击到烧嘴无冷却水的地方热量无法及 时移出时，就会在烧嘴头部形成大小不等的凹 坑，引起 氧 化 烧 蚀， 如 果 氧 化 烧 蚀 持 续 时 间 过 长，会造成烧嘴的烧穿泄漏。因此，必须保持气 化用煤灰熔点的稳定。 1. 3 工艺烧嘴材质
运行时，氧气、煤浆进料不稳定和气化炉炉 膛压力波动均会造成气化炉氧煤比失调，雾化角 频繁发生变化，烧嘴头部端面处温度骤升骤降， 在这种工况下，烧嘴受热应力突变影响，很容易 龟裂。尤其是在开车过程中，气化炉投料时，煤 浆先入炉，水分蒸发需要吸收大量热量，此时炉 温至少降低 200 ℃ ； 停车时系统压力骤然降低， 会带走大量热量，从而引起炉温骤降。工况的骤 然变化对烧嘴使用寿命造成影响。 1. 8 煤浆质量