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，設計壓力為6.5 MPa。水煤漿氣化采用頂置單噴嘴氣流霧化技術，燒嘴采用三通道內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

德士古燒嘴結構示意見圖1。

水煤漿流經中間管與中心管形成的環(huán)隙，首先與中心管內的中心氧在燒嘴頭部內腔中實現預混合，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)隙來的氧氣進一步沖散，氧氣與水煤漿之間實現充分混合，給進爐后煤的氣化創(chuàng)造了良好的條件[1]。

圖1 德士古燒嘴結構示意

2 事故經過

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，當氣化爐負荷恒定在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 ℃，原料氣成分出現較大變化，CO2含量升高而CO含量下降，出現明顯過氧現象。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的分析數據可看出：A爐氣體成分中CO2含量升高而CO含量下降，發(fā)生明顯過氧現象；在沒有進行校表的情況下，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。與同一時間內使用相同煤漿和氧煤比的氣化爐B爐的氣體成分進行比較，發(fā)現B爐在A爐壓差波動期間氣體成分穩(wěn)定，可以排除煤漿質量和氧煤比過高的影響。

表1 A、B爐氣體成分對比(體積分數) %

在使用過程中，由于燒嘴磨損變形導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行復測，結果見表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。

燒嘴的加工裝配質量會直接影響燒嘴的使用，外噴頭內錐與中噴頭外錐的同軸度誤差較大，導致偏噴，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)隙實際尺寸偏離設計尺寸太多、中噴嘴或內噴嘴縮入量誤差太大等都會對工藝燒嘴的正常運行產生不良影響。

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，保護燒嘴頭和拱頂爐磚。結合齊魯二化的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#燒嘴的負荷、壓差對比如圖2所示。燒嘴使用前期因磨損而導致的尺寸改變較小，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#燒嘴的負荷、壓差對比

3.3 內噴嘴縮入量

內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的壓差決定了中心氧出燒嘴時的噴射速度[2]。將內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，氣相軸向速度受內噴嘴縮入量的影響明顯。因此，內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 結語

(1) 內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行測量、記錄，并形成檔案。結合使用情況，通過縱向和橫向的比較進一步探索燒嘴的使用規(guī)律。

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