GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴存在問題及技術(shù)改造探討

王云剛

（陜西咸陽化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西 咸陽712000）

引 言

水煤漿加壓氣化工藝是國內(nèi)目前廣泛應(yīng)用、規(guī)模較大、技術(shù)成熟穩(wěn)定的煤氣化工藝，其核心設(shè)備之一工藝燒嘴的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，對(duì)整個(gè)煤化工生產(chǎn)企業(yè)的安全、長周期、滿負(fù)荷生產(chǎn)運(yùn)行和高效益生產(chǎn)起著決定性作用。

水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴的一次性連續(xù)使用壽命較短（目前6.5 MPa氣化爐工藝燒嘴平均壽命為80 d），影響了單臺(tái)氣化爐的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，因此，設(shè)計(jì)中均有備用爐在線長期熱備，以便運(yùn)行爐發(fā)生工藝燒嘴故障時(shí)及時(shí)在線倒?fàn)t，相互切換。

陜西咸陽化學(xué)工業(yè)有限公司（簡稱咸陽公司）甲醇項(xiàng)目作為國內(nèi)第一批建成的首套單系列60萬t/a甲醇項(xiàng)目，氣化裝置采用GE單噴嘴水煤漿加壓氣化激冷流程，化工生產(chǎn)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了氣化爐工藝燒嘴壓差頻繁波動(dòng)、燒嘴頭部冷卻水盤管泄漏故障頻率高、燒嘴外氧頭部端面龜裂嚴(yán)重等現(xiàn)象，且燒嘴運(yùn)行壽命起初只能維持10 d～15 d，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整操作參數(shù)后，最長也只能維持在40 d左右，嚴(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。現(xiàn)對(duì)該氣化裝置水煤漿加壓氣化爐運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)的工藝燒嘴壓差波動(dòng)、盤管頻繁泄漏等問題展開討論，并對(duì)生產(chǎn)期間的燒嘴改造成效和運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以供同行參考。

1 水煤漿加壓氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)

水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1水煤漿氣化爐工藝燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)

水煤漿氣化爐工藝燒嘴為同心三套管形式，外加冷卻水盤管結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外分別為中心氧管、煤漿管（煤漿噴頭）以及外環(huán)氧管（外氧噴頭）。燒嘴中心氧管的出口設(shè)計(jì)成縮口形式，目的是對(duì)中心氧加速，使其具有一定的出口流速（中心氧出口流速一般為150 m/s～180 m/s），同時(shí)其端面距燒嘴端面基準(zhǔn)面有一定的縮入量，形成一個(gè)水煤漿和中心氧的預(yù)混合腔。水煤漿的出口管路也設(shè)計(jì)成縮口形式，使進(jìn)入預(yù)混合腔的流速為2 m/s～4 m/s的水煤漿具備一定的速度。在預(yù)混合腔內(nèi)，利用中心氧對(duì)水煤漿進(jìn)行稀釋和初加速（預(yù)混合腔出口流速一般為12 m/s～20 m/s），改善水煤漿的流變性能，保證水煤漿在離開燒嘴后的霧化效果。外氧管口的縮口比例更大一些，目的是提供更高流速的氧氣（外氧的出口流速一般為160 m/s～200 m/s），對(duì)通過預(yù)混合腔的水煤漿混合物進(jìn)行良好的霧化，以便在氣化爐內(nèi)達(dá)到良好的氣化效果[1]。

2 燒嘴運(yùn)行狀況

2.1 氣化爐運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)

氣化爐運(yùn)行期間，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)61.8%～62.5%、黏度800 mPa·s～1 000 mPa·s；系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷（煤漿流量）80 m3/h，煤漿壓差（煤漿泵出口管道與氣化爐燃燒室壓力差）0.4 MPa左右，氣化爐頭氧管線上下游切斷閥間壓力7.6 MPa，氣化爐操作壓力6.0 MPa，中心氧流量比例18%～20%；洗滌塔頂粗煤氣有效組分（CO+H2）體積分?jǐn)?shù)81%～82%，粗煤氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)800×10-6～1 000×10-6；燒嘴冷卻水流量28 m3/h～30 m3/h，出口溫度30℃左右。

2.2 燒嘴壓差波動(dòng)瞬時(shí)各參數(shù)變化情況

（1）新燒嘴在線使用3 d～7 d后，煤漿壓差由最初的0.4 MPa快速下降至0.2 MPa，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)負(fù)壓差。在發(fā)生壓差波動(dòng)前，生產(chǎn)裝置各項(xiàng)工藝指標(biāo)均未發(fā)生異常波動(dòng)，低壓差甚至負(fù)壓差現(xiàn)象持續(xù)一定時(shí)間后，壓差又恢復(fù)正常。壓差波動(dòng)現(xiàn)象在整個(gè)燒嘴運(yùn)行周期內(nèi)經(jīng)常發(fā)生。

（2）燒嘴壓差波動(dòng)瞬間，在氧氣閥門開度未變情況下，氧氣瞬時(shí)流量快速升高，氣化爐頭氧管線上下游切斷閥間壓力下降，氧煤比升高，氣化爐燃燒室上部高溫?zé)犭娕紲囟蕊w漲，瞬間由1 230℃漲至1 350℃并報(bào)警。

（3）燒嘴壓差波動(dòng)瞬間，洗滌塔塔頂粗煤氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)由800×10-6～1 000×10-6快速下降至500×10-6～600×10-6，甚至更低；粗煤氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)由原來的18%左右漲至20%左右，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)隨之快速下降1～2個(gè)百分點(diǎn)。

（4）燒嘴壓差經(jīng)多次波動(dòng)后，燒嘴頭部冷卻水盤管進(jìn)出口流量開始偶發(fā)上下跳動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)冷卻水回水分離罐頂CO報(bào)警（CO體積分?jǐn)?shù)超過8×10-6），系統(tǒng)被迫停爐、更換燒嘴。

2.3 工藝燒嘴存在問題

（1）燒嘴下線檢查中，發(fā)現(xiàn)燒嘴頭部端面龜裂嚴(yán)重，裂紋布局呈放射狀，且龜裂裂紋數(shù)量及深度隨燒嘴在爐內(nèi)運(yùn)行時(shí)間的延長而增多、增長。燒嘴壓差波動(dòng)越頻繁，持續(xù)時(shí)間越長，燒嘴端面燒蝕坑點(diǎn)數(shù)量及深度也越明顯，冷卻水盤管角焊縫處損傷也越明顯。

（2）燒嘴在爐內(nèi)高溫環(huán)境下使用一定時(shí)間后，其外氧噴口向內(nèi)有不同程度內(nèi)收縮。

（3）中心氧噴嘴頭部縮徑?jīng)_刷磨損嚴(yán)重，內(nèi)壁呈“刀刃”狀；中心氧頭部定位塊沖刷磨損厲害，中心氧管晃動(dòng)，且與煤漿噴頭有軸向同心度偏離現(xiàn)象。

（4）煤漿噴頭沖刷磨損嚴(yán)重，內(nèi)徑尺寸明顯增大，且煤漿噴嘴出口斷面內(nèi)壁呈“刀刃”狀，煤漿噴頭內(nèi)側(cè)斜面磨損嚴(yán)重。

（5）燒嘴拆卸作業(yè)中，多次發(fā)生因爐頸與燒嘴盤管空腔內(nèi)爐渣結(jié)焦較多而造成爐口吊裝燒嘴的電動(dòng)葫蘆過載、頻繁跳閘現(xiàn)象。

（6）燒嘴運(yùn)行周期短，普遍只有15 d～30 d，與行業(yè)平均壽命80 d相差甚遠(yuǎn)。

2.4 燒嘴壓差波動(dòng)期間工藝操作

（1）一旦突發(fā)燒嘴壓差波動(dòng)，可通過迅速減小燒嘴總氧量的方法來控制燒嘴壓差下降趨勢，一般來說一次減小總氧量5%時(shí)，對(duì)控制燒嘴壓差下降效果非常明顯。

（2）在燒嘴壓差波動(dòng)期間，增大中心氧流量比例對(duì)緩解燒嘴壓差波動(dòng)也有效果，但不明顯。

（3）在通過減少總氧量來穩(wěn)定燒嘴壓差波動(dòng)時(shí)，氧煤比降低，需嚴(yán)格監(jiān)控渣口壓差、粗煤氣中CO組分變化，同時(shí)通過鎖斗排渣情況、撈渣機(jī)電流大小及渣量、渣樣變化情況，來綜合判斷氣化爐運(yùn)行工況，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

（4）由于燒嘴壓差波動(dòng)下降，引起煤漿霧化效果變差，氣化爐黑水水質(zhì)變差，為有效改善系統(tǒng)水質(zhì)，可通過加大氣化爐激冷水量、加大氣化爐及洗滌塔排黑水量等方式，來控制整個(gè)系統(tǒng)水中離子的平衡，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

（5）在燒嘴壓差未恢復(fù)至正常情況下，不建議恢復(fù)總氧量參數(shù)，在燒嘴壓差正常后，可通過緩慢、少量、多次的方式逐步恢復(fù)總氧量至原操作數(shù)值。

3 燒嘴設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

為查明燒嘴故障原因，調(diào)研了業(yè)內(nèi)同規(guī)模水煤漿氣化裝置的操作參數(shù)和燒嘴關(guān)鍵參數(shù)，并與咸陽公司氣化裝置相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1、表2。

由表1可以看出，3家公司氣化裝置系統(tǒng)負(fù)荷、氧煤比、煤漿濃度及有效氣組分差異不大，氧氣壓差和燒嘴壓差數(shù)值存在明顯差異。

表1同規(guī)模水煤漿氣化裝置工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

表2同規(guī)模水煤漿氣化裝置工藝燒嘴參數(shù)對(duì)比

由表2可以看出，不論是氣化爐燃燒室長度，還是工藝燒嘴設(shè)計(jì)參數(shù)，咸陽公司與2家公司之間存在著很大的差異，具體如下：

（1）燃燒室長度：咸陽公司氣化爐燃燒室長度為9 100 mm，較公司1（8 317 mm）和公司2（8 322 mm）分別長783 mm和778 mm。

（2）燒嘴長度：咸陽公司燒嘴長度1 085 mm，較公司1與公司2（兩者燒嘴長度基本相同）長約175 mm。

（3）燒嘴冷態(tài)安裝尺寸：咸陽公司燒嘴在冷態(tài)時(shí)伸出143.1 mm，公司1、公司2燒嘴在冷態(tài)下分別縮進(jìn)29.4 mm、25.8 mm。正常情況下，在1 200℃時(shí)，耐火磚、氣化爐筒體受熱抬高約為50 mm，由此可以推測公司1、公司2燒嘴頭部在熱態(tài)時(shí)伸出量分別為20.6 mm、24.2 mm，而此時(shí)咸陽公司燒嘴伸出量則會(huì)更大，為193.1 mm。

（4）燒嘴中外噴頭環(huán)隙：3家公司相差較大。

（5）燒嘴煤漿噴頭深度：3家公司相差不大。

（6）燒嘴壓差：公司1與公司2的基本相同，咸陽公司的最低。

（7）中心氧流量比例：燒嘴正常運(yùn)行時(shí)，咸陽公司燒嘴中心氧流量比例較公司1高54.2%～62.5%，較公司2高23.3%～30.0%。

（8）燒嘴使用壽命：咸陽公司燒嘴使用壽命約為其他2家公司燒嘴使用壽命的1/2。

4 燒嘴故障原因分析

4.1 燒嘴頭部龜裂

（1）由表2可以看出，在氣化爐拱頂爐頸高度相同情況下，咸陽公司氣化爐工藝燒嘴長度明顯比其他兩家公司長，且在冷態(tài)下燒嘴頭部已經(jīng)深入爐內(nèi)100 mm以上，明顯高于業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可的“冷態(tài)下燒嘴在爐內(nèi)應(yīng)內(nèi)縮20 mm～30 mm”。燒嘴過度深入爐膛，易造成燒嘴頭部大面積暴露在高溫、高還原介質(zhì)中，同時(shí)也易出現(xiàn)燒嘴冷卻水盤管局部過熱，導(dǎo)致燒嘴頭部在氣化爐內(nèi)發(fā)生熱腐蝕，期間爐內(nèi)少量的硫元素會(huì)穿透氧化膜，產(chǎn)生很大的生長應(yīng)力，使金屬變得疏松多孔，導(dǎo)致金屬不斷吸收爐內(nèi)的硫元素，生成Ni3S2，此化合物又與金屬內(nèi)部的鎳元素形成低熔點(diǎn)共晶，呈薄膜狀分布于晶界，并使金屬產(chǎn)生脆性[2]。隨著燒嘴使用時(shí)間的增加，金屬內(nèi)部的鎳元素不斷析出，金屬的韌性、抗腐蝕能力及疲勞強(qiáng)度都下降，最終形成燒嘴頭部端面處呈放射性龜裂，且龜裂程度及深度隨著燒嘴使用周期的延長而增大加深。

（2）咸陽公司燒嘴在線運(yùn)行期間，頻繁發(fā)生燒嘴壓差波動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)L時(shí)間處于負(fù)壓差狀態(tài)。在燒嘴壓差瞬間下降過程中，出燒嘴的煤漿因壓差波動(dòng)而霧化效果變差，加之在燒嘴壓差波動(dòng)過程中氧氣流量瞬間增大，造成燒嘴頭部過氧燃燒，爐溫瞬間飛漲。局部過氧燃燒造成燒嘴端面被舔舐，出現(xiàn)大小深淺不一的坑點(diǎn)，更加劇了燒嘴頭部龜裂裂紋的深度，同時(shí)也使得燒嘴冷卻水角焊縫發(fā)生斷裂，可燃?xì)怏w倒竄入冷卻水內(nèi)，引起燒嘴冷卻水出口處在線CO報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)因冷卻水泄漏量的突然增大，出現(xiàn)燒嘴冷卻水流量快速下降，出水溫度上漲而觸發(fā)燒嘴冷卻水系統(tǒng)三選二聯(lián)鎖，致氣化爐停車。

4.2 燒嘴中外噴頭口收縮規(guī)律及其對(duì)壓差波動(dòng)的影響

對(duì)比燒嘴頭部各參數(shù)與燒嘴在線運(yùn)行天數(shù)后發(fā)現(xiàn)，隨著燒嘴在爐內(nèi)運(yùn)行時(shí)間的延長，工藝燒嘴外氧噴頭端面產(chǎn)生裂紋的數(shù)量和深度以及外氧噴口四周向內(nèi)收縮的幅度逐漸增大，導(dǎo)致中外噴頭之間的環(huán)隙減小。經(jīng)初步測算，外氧環(huán)隙減小量約0.05 mm/d，且外氧環(huán)隙的減小在燒嘴投用的第1個(gè)星期較快，之后有減慢的趨勢。另外，在整個(gè)正常運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，燒嘴各流道介質(zhì)（總氧、中心氧、煤漿）的流量、煤質(zhì)、煤漿濃度及黏度基本相同，變化極小。據(jù)此通過計(jì)算，得出在燒嘴使用過程中，因外氧頭部受爐內(nèi)高溫?zé)彷椛溆绊?，外氧噴口處金屬蠕變，發(fā)生收縮，使得外氧環(huán)隙相對(duì)減小，外環(huán)氧氣出口流速不斷增大，燒嘴使用10 d左右，外環(huán)氧氣出口流速增加約20%（約40 m/s），帶動(dòng)煤漿出燒嘴流速增大，使煤漿在出燒嘴處壓差減小，引起燒嘴壓差波動(dòng)。

4.3 燒嘴煤漿噴頭磨損嚴(yán)重

（1）由于燒嘴中外噴嘴口受熱內(nèi)縮變小，引起燒嘴外環(huán)氧氣出口流速增大，形成文式管效應(yīng)，燒嘴煤漿腔體內(nèi)平衡被打破，形成微負(fù)壓，出燒嘴煤漿流速增大，加速了煤漿噴頭口內(nèi)側(cè)及環(huán)隙的沖刷磨損，而燒嘴壓差的頻繁波動(dòng)，使得燒嘴頭部火焰縮短，局部過氧燃燒，更加加劇了燒嘴頭部的燒蝕沖刷損壞，煤漿噴頭處金屬材質(zhì)變脆脫落，最終引起煤漿噴頭尺寸變大。

（2）行業(yè)目前在用燒嘴氧氣壓差普遍為1.2 MPa，而咸陽公司燒嘴氧氣壓差為1.6 MPa，遠(yuǎn)高于同行業(yè)；加之咸陽公司燒嘴中心氧流量比例在18.5%～19.5%，高于行業(yè)平均值15%，這些參數(shù)的差異，使得出燒嘴預(yù)混合腔的水煤漿流速增大，加劇了燒嘴煤漿噴頭的磨損。

5 燒嘴參數(shù)優(yōu)化改造

燒嘴壓差頻繁波動(dòng)，主要原因是燒嘴設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，為此，咸陽公司在通過大量調(diào)研和論證后，對(duì)現(xiàn)有燒嘴參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

5.1 提高燒嘴煤漿壓差至0.6 MPa

煤漿壓差是煤氣化主要控制工藝指標(biāo)之一。煤漿與中心氧氣的混合流速?zèng)Q定了煤漿壓差和燒嘴噴射黑區(qū)的長度，也影響了噴嘴的霧化效果，此外，煤漿噴頭的磨損和預(yù)混流速也有很大的關(guān)系。通過計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將煤漿口徑由Φ50 mm縮小至Φ48 mm，并在燒嘴煤漿噴頭內(nèi)壁增加硬質(zhì)合金耐磨材料；將煤漿噴頭深度由7.0 mm縮小至6.0 mm；將中心氧噴頭深度由100.0 mm縮短至75.0 mm、中心氧口徑由Φ21.0 mm增大至Φ22.0 mm，使工藝燒嘴在運(yùn)行中形成合適的噴射黑區(qū)，達(dá)到優(yōu)化工藝指標(biāo)、延長燒嘴運(yùn)行周期的要求。

5.2 降低燒嘴氧氣壓差至1.1 MPa～1.2 MPa

工藝燒嘴氧氣壓差影響氧氣流速，如果氧氣流速不合適，燒嘴在爐內(nèi)所處位置的熱返流就會(huì)增大，引起燒嘴頭部溫度過高，導(dǎo)致外氧噴頭龜裂。同時(shí)氧氣流速?zèng)Q定燒嘴霧化效果，影響煤氣化有效氣體含量、殘?jiān)剂康裙に囍笜?biāo)。通過計(jì)算，將外氧口徑由Φ68.5 mm縮至Φ67.0 mm，將中外噴頭環(huán)隙由4.2 mm增至4.8 mm，使之與煤漿流速更好匹配，達(dá)到穩(wěn)定燒嘴壓差、延長運(yùn)行周期的目的。

5.3 縮短燒嘴長度至935 mm

工藝燒嘴在氣化爐內(nèi)所處的空間位置不同，導(dǎo)致燒嘴頭部四周的環(huán)境溫度也不同；環(huán)境溫度過高，容易造成外氧噴頭頭部龜裂或冷卻水盤管泄漏等現(xiàn)象。將燒嘴長度由原來的1 085 mm縮短至935 mm，最大限度地減小燒嘴頭部在爐內(nèi)的伸出量。

5.4 燒嘴盤管角焊縫處增加保護(hù)設(shè)施

工藝燒嘴外部冷卻水盤管在氣化爐內(nèi)除受到高溫?zé)彷椛渫猓€受爐內(nèi)煤氣中硫元素腐蝕，冷卻水盤管與燒嘴外氧噴頭頭部水夾套處角焊縫在爐內(nèi)受到煤氣返流沖刷、過氧燒蝕，易發(fā)生斷裂[3]，為消除此隱患，在燒嘴維修過程中，在角焊縫外側(cè)焊接一段保護(hù)套管，達(dá)到保護(hù)角焊縫的目的。

通過以上參數(shù)優(yōu)化改造，燒嘴運(yùn)行壽命大大提高，由10 d～15 d延長至最長62 d，平均56 d以上，燒嘴壓差頻繁波動(dòng)現(xiàn)象得到根除，改造后至今未發(fā)生因燒嘴壓差波動(dòng)、盤管破裂等原因造成的停車事故；同時(shí)，運(yùn)行期間氣化爐有效氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)81.5%～82.0%，為咸陽公司的安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。

6 結(jié) 語

工藝燒嘴作為整個(gè)煤氣化裝置的核心設(shè)備，其運(yùn)行周期的長短直接關(guān)系到生產(chǎn)系統(tǒng)是否能長周期穩(wěn)定運(yùn)行和企業(yè)的運(yùn)營成本。燒嘴運(yùn)行壽命除受工藝操作、系統(tǒng)工況影響外，更多時(shí)候取決于其設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，因此，需通過實(shí)踐操作和技術(shù)交流，摸索最佳工藝操作參數(shù)；通過優(yōu)化燒嘴設(shè)計(jì)參數(shù)，使之與操作工況及氣化爐型相匹配，延長燒嘴使用壽命，減少不必要的系統(tǒng)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的持續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行和長久發(fā)展。