6.5 MPa德士古水煤漿燒嘴壓差失效事故分析

王金輝

(中國石化齊魯分公司第二化肥廠， 山東淄博 255400)

中國石化齊魯分公司第二化肥廠(以下簡稱齊魯二化)煤氣化裝置采用美國GE公司煤氣化技術(shù)，設(shè)計壓力為6.5 MPa。水煤漿氣化采用頂置單噴嘴氣流霧化技術(shù)，燒嘴采用三通道內(nèi)外混水煤漿氣化工藝燒嘴，裝置自運行以來首次遇到開車后燒嘴壓差失效事故。

1 燒嘴工作原理

德士古燒嘴結(jié)構(gòu)示意見圖1。

水煤漿流經(jīng)中間管與中心管形成的環(huán)隙，首先與中心管內(nèi)的中心氧在燒嘴頭部內(nèi)腔中實現(xiàn)預(yù)混合，高黏度的水煤漿被初步霧化。由氧氣、水、煤粉顆粒組成的混合湍流噴出中間噴頭時，受到外環(huán)氧的沖擊、剪切和摩擦，已被初步霧化的水煤漿又被外環(huán)隙來的氧氣進(jìn)一步?jīng)_散，氧氣與水煤漿之間實現(xiàn)充分混合，給進(jìn)爐后煤的氣化創(chuàng)造了良好的條件[1]。

圖1 德士古燒嘴結(jié)構(gòu)示意

2 事故經(jīng)過

某年6月1日16:58，氣化爐更換燒嘴開車，使用的燒嘴編號為SN-A。氣化爐投料后，煤漿量逐漸由25 m3/h提高至35 m3/h，燒嘴壓差由0.19 MPa升至0.33 MPa，但燒嘴壓差不穩(wěn)定，在0.23～0.38 MPa之間波動。20:10，當(dāng)氣化爐負(fù)荷恒定在35 m3/h時，燒嘴壓差開始下降，停車前降至裝置原始開車以來的最低值(0.07 MPa)。當(dāng)氧煤比恒定在450～460時，氣化爐出口氣溫度逐漸升高，由242 ℃升至245 ℃，原料氣成分出現(xiàn)較大變化，CO2含量升高而CO含量下降，出現(xiàn)明顯過氧現(xiàn)象。運行近5 h后，21:55氣化爐手動停車，作緊急停車處理。

3 影響原因分析

A、B爐氣體成分對比見表1。從6月1日22:00的分析數(shù)據(jù)可看出：A爐氣體成分中CO2含量升高而CO含量下降，發(fā)生明顯過氧現(xiàn)象；在沒有進(jìn)行校表的情況下，6月2日2:00再次開車后壓差顯示正常，可以排除顯示壓差的儀表故障。氣化爐過氧情況的發(fā)生，除了燒嘴霧化效果差外，還有可能是煤漿原料及氧煤比過高等原因。與同一時間內(nèi)使用相同煤漿和氧煤比的氣化爐B爐的氣體成分進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)B爐在A爐壓差波動期間氣體成分穩(wěn)定，可以排除煤漿質(zhì)量和氧煤比過高的影響。

表1 A、B爐氣體成分對比(體積分?jǐn)?shù)) %

在使用過程中，由于燒嘴磨損變形導(dǎo)致其尺寸的改變也是影響壓差的一個因素。停爐卸出事故燒嘴后對其尺寸進(jìn)行復(fù)測，結(jié)果見表2。事故燒嘴使用前、后各部位的尺寸基本無變化，排除了在使用過程中因燒嘴磨損或者變形導(dǎo)致尺寸發(fā)生改變對壓差的影響。

綜上所述，排除了原料、儀表、工藝操作參數(shù)及使用前后燒嘴尺寸變化等方面的因素，基本可以判定此燒嘴裝配尺寸方面存在問題。事故燒嘴SN-A與進(jìn)口燒嘴SN-D對比見表3。

表2 SN-A燒嘴使用前、后尺寸對比

表3 事故燒嘴SN-A與進(jìn)口燒嘴SN-D比對

由表3可以看出：事故燒嘴SN-A的中噴嘴縮入量、內(nèi)噴嘴縮入量、環(huán)隙等3項尺寸的差別較大；中噴嘴縮入量擴大3 mm，內(nèi)噴嘴縮入量擴大2.44 mm，環(huán)隙縮小0.35 mm。

燒嘴的加工裝配質(zhì)量會直接影響燒嘴的使用，外噴頭內(nèi)錐與中噴頭外錐的同軸度誤差較大，導(dǎo)致偏噴，從而使氣化爐某個局部的耐火磚發(fā)生非正常沖刷和燒蝕，霧化效果也會變差。外環(huán)隙實際尺寸偏離設(shè)計尺寸太多、中噴嘴或內(nèi)噴嘴縮入量誤差太大等都會對工藝燒嘴的正常運行產(chǎn)生不良影響。

3.1 環(huán)隙

環(huán)隙縮小使環(huán)隙氧出口速度增大，導(dǎo)致沖擊、剪切、摩擦等作用增強，對霧化效果是有利的。環(huán)隙氧的作用主要是：① 增加撞擊，提高二次霧化效果，改善索太爾平均液滴直徑(SMD)的分布；② 改善回流區(qū)流動，穩(wěn)定燃燒火焰，保護(hù)燒嘴頭和拱頂爐磚。結(jié)合齊魯二化的2臺環(huán)隙分別為4.0 mm和4.2 mm的燒嘴使用情況來看，環(huán)隙對燒嘴壓差影響甚小。因此，環(huán)隙偏差0.35 mm不是造成此次燒嘴壓差失效的原因。

3.2 中噴嘴縮入量

中噴嘴縮入量可能是造成燒嘴壓差失效的一個影響因素，將往年2臺中噴嘴縮入量存在差異的燒嘴進(jìn)行壓差比較。7#燒嘴和5#燒嘴同時使用于2臺氣化爐，氧煤比、煤漿流量等重要參數(shù)保持相同，其使用前尺寸見表4。

表4 7#燒嘴與5#燒嘴使用前尺寸

從表4可看出：7#燒嘴和5#燒嘴的尺寸差異主要為中噴嘴縮入量，7#燒嘴的中噴嘴縮入量為10.86 mm，5#燒嘴的中噴嘴縮入量為8.40 mm。

7#燒嘴與5#燒嘴的負(fù)荷、壓差對比如圖2所示。燒嘴使用前期因磨損而導(dǎo)致的尺寸改變較小，所以從7#燒嘴使用的前半段曲線可以看出，在相同的負(fù)荷下，7#燒嘴的壓差比5#燒嘴的壓差要低，但仍能滿足使用的要求。因此，中噴嘴縮入量雖會影響燒嘴壓差，但不是造成燒嘴壓差失效的主要原因。

圖2 7#燒嘴與5#燒嘴的負(fù)荷、壓差對比

3.3 內(nèi)噴嘴縮入量

內(nèi)噴嘴縮入量決定了中心氧受煤漿的阻力，即中心氧出燒嘴時與爐膛內(nèi)的壓差決定了中心氧出燒嘴時的噴射速度[2]。將內(nèi)噴嘴的氧氣噴射理解為單通道噴嘴，噴嘴出口軸向速度分布見圖3[3]。

考慮到氧氣從內(nèi)噴嘴噴出后在煤漿通道流過，煤漿本身具有一定流速且煤漿黏度大，實際曲線與圖示曲線并不相符，但是軸向速度降低的趨勢應(yīng)該是一致的。也就是說，中噴嘴的縮入量越大，中心氧的軸向速度越低，氣液兩相的速度差越小，則壓差越低。為了保證足夠的混合效果和合理的氣液兩相速度差，內(nèi)噴嘴的縮入量很有可能落在軸向速度陡降或者陡降之前的一段區(qū)間，那么在這段區(qū)間內(nèi)，氣相軸向速度受內(nèi)噴嘴縮入量的影響明顯。因此，內(nèi)噴嘴縮入量對燒嘴壓差及其霧化起著決定性的作用。

圖3噴嘴出口軸向速度分布

4 結(jié)語

(1) 內(nèi)噴嘴縮入量差異過大是造成此次燒嘴壓差失效的主要原因。

(2) 德士古燒嘴使用前、后均需對其重要尺寸進(jìn)行測量、記錄，并形成檔案。結(jié)合使用情況，通過縱向和橫向的比較進(jìn)一步探索燒嘴的使用規(guī)律。

(3) 燒嘴的加工裝配質(zhì)量會直接影響燒嘴的使用。在尺寸控制方面，應(yīng)著重于外噴嘴內(nèi)徑、中噴嘴內(nèi)徑、中噴嘴縮入量、內(nèi)噴嘴縮入量及環(huán)隙等5項尺寸。由于中噴嘴縮入量、內(nèi)噴嘴縮入量及環(huán)隙等3項尺寸的誤差主要產(chǎn)生在裝配過程中，因此，提高加工裝配精度是滿足燒嘴正常使用的重要保證。