裂解焦油氣化裝置燒嘴的改造與應(yīng)用

高曉宇

（中國(guó)石油 大慶石化公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

裂解焦油氣化裝置燒嘴的改造與應(yīng)用

高曉宇

（中國(guó)石油 大慶石化公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

針對(duì)裂解焦油氣化裝置燒嘴易燒損、壽命短（30 d）的問(wèn)題，分析燒損產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上提出改造措施。改造措施包括：縮小噴頭直徑、減小壁厚與縮進(jìn)量、更換燒嘴冷卻水盤(pán)管材質(zhì)、改善燒嘴頭部冷卻室結(jié)構(gòu)。對(duì)改造前后燒嘴的性能進(jìn)行冷態(tài)模擬，模擬結(jié)果表明，改造后燒嘴的性能好于改造前燒嘴的性能。在氣化裝置上應(yīng)用改造后的燒嘴，取得了良好效果：?jiǎn)未问褂脡勖_(dá)到103 d，碳洗塔出口干氣中一氧化碳與氫氣總含量（φ）達(dá)到88%～89%，氣化爐頂部法蘭最高溫度降低至260 ℃，燒嘴冷卻水盤(pán)管完好無(wú)損，耐火磚減薄速率降低。

裂解焦油；氣化裝置；燒嘴；合成氣

中國(guó)石油大慶石化公司化工二廠合成氣裝置是200 kt/a丁辛醇改擴(kuò)建項(xiàng)目的重要組成部分，設(shè)計(jì)以裂解焦油為原料，采用美國(guó)GE公司的激冷工藝流程，生產(chǎn)高質(zhì)量的羰基合成原料氣，是國(guó)內(nèi)首套以裂解焦油為氣化原料生產(chǎn)合成氣的裝置［1］。

裂解焦油氣化裝置的核心設(shè)備是燒嘴，燒嘴的結(jié)構(gòu)直接影響裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。初期使用的燒嘴，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中頻繁地出現(xiàn)燒損問(wèn)題。如何延長(zhǎng)燒嘴的使用壽命，當(dāng)時(shí)成為急需解決的難題。

與燒嘴相關(guān)的文獻(xiàn)大多數(shù)是有關(guān)水煤漿工藝燒嘴技術(shù)改造的［2-16］，而涉及焦油氣化裝置所使用的工藝燒嘴技術(shù)改造的卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，解決焦油氣化裝置工藝燒嘴的燒損問(wèn)題，對(duì)于新燒嘴的設(shè)計(jì)研發(fā)以及延長(zhǎng)焦油氣化裝置的運(yùn)行周期具有重要指導(dǎo)意義。

本工作在分析裂解焦油氣化裝置燒嘴易燒損原因的基礎(chǔ)上，對(duì)燒嘴提出改造措施，并對(duì)改造前后的燒嘴進(jìn)行冷態(tài)模擬，分析了改造后燒嘴的應(yīng)用效果。

1 燒嘴工作原理與燒損原因分析

1.1 燒嘴工作原理

圖1為典型的三流道內(nèi)外混燒嘴的總體結(jié)構(gòu)圖。3種規(guī)格的套管構(gòu)成了氧氣和焦油的3個(gè)獨(dú)立流道。氧氣既是參加反應(yīng)的主要元素之一，又是焦油與水混合物的霧化劑，氧氣分為中心氧與外環(huán)氧兩部分，分別按照?qǐng)D2所示的流道到達(dá)燒嘴頭部。

圖1 燒嘴輪廓示意圖Fig.1 Outline drawing of burner.

圖2 燒嘴頭部示意圖Fig.2 Drawing of burner head.

自中間環(huán)管進(jìn)入的焦油和水的混合物在燒嘴頭部與氧氣以一定的交叉角相互撞擊，在高速氧氣流的沖擊、碰撞、攜帶作用下，焦油和水混合物與氧氣發(fā)生湍混，焦油與氧氣、水的質(zhì)點(diǎn)除了有向前的運(yùn)動(dòng)外，還產(chǎn)生了徑向位移，高黏度的焦油與水混合物被充分地霧化。霧化后，油滴被氧氣隔開(kāi)，油滴與氧氣在爐膛內(nèi)充分接觸，給入爐的焦油創(chuàng)造了良好的工藝條件。中心氧量一般是總氧量（φ）的15%～20%，中心氧能夠提高氧氣和焦油的返混程度，提高一氧化碳的轉(zhuǎn)化率。

1.2 燒嘴燒損情況與原因分析

1.2.1 燒嘴損壞情況

2012年開(kāi)車(chē)至今，燒嘴使用壽命最長(zhǎng)的為30 d，最短的只有3 d，由于頻繁的更換燒嘴，極大的制約了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。每次停車(chē)檢查都發(fā)現(xiàn)燒嘴頭部有一定的破損，圖3為一些具有代表性的燒嘴燒損后的圖片。

從圖3可看出，燒嘴冷卻水夾套已經(jīng)大部分被燒損，中噴嘴和中心管也發(fā)生了向內(nèi)部回?zé)默F(xiàn)象。很明顯燒嘴在運(yùn)行過(guò)程中，燃燒火焰已經(jīng)縮回到燒嘴頭部通道，導(dǎo)致燒嘴頭部嚴(yán)重破壞。除燒嘴頭部被燒損外，燒嘴表面粘有一層黃綠色物質(zhì)，經(jīng)分析得知該物質(zhì)為硫化鎳。由于硫化鎳的生成，降低了金屬的機(jī)械強(qiáng)度。

圖3 燒損后的燒嘴Fig.3 Damaged burner after burning.

1.2.2 工藝燒嘴損壞的原因分析

裂解焦油是裂解原料經(jīng)過(guò)高溫裂解、冷卻分離所得的副產(chǎn)物，主要由碳、氫兩種元素組成。在常溫下為黑褐色黏稠可燃性液體，密度比水大，閃點(diǎn)一般介于80～100 ℃，其中，重芳烴含量高。在氣化反應(yīng)過(guò)程中，由于采用純氧高溫氣化，因此焦油經(jīng)燒嘴噴出后，受到高溫?zé)煔獾妮椛浜蛯?duì)流換熱，很容易達(dá)到閃點(diǎn)而燃燒。焦油中的芳烴類(lèi)物質(zhì)、膠質(zhì)等容易分解產(chǎn)生焦碳和氣體，在焦油離開(kāi)燒嘴頭部后噴射速度不高的情況下極易結(jié)焦，生成的焦炭滲入金屬中，形成碳和金屬的固體溶液。這種滲碳現(xiàn)象使金屬合金失去原有的抗氧化安定性而易受侵蝕，導(dǎo)致噴嘴的機(jī)械性能降低。另外，噴嘴材質(zhì)中的鐵、鎳、鉻及其氧化物對(duì)結(jié)焦有催化作用，尤其是鐵、鎳及其氧化物對(duì)結(jié)焦有很強(qiáng)的催化作用，能導(dǎo)致結(jié)焦加快。一旦燒嘴頭部結(jié)焦，不僅容易引起燒嘴頭部出現(xiàn)焦油偏噴現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰變形；也容易導(dǎo)致火焰黑區(qū)的長(zhǎng)度逐漸縮短，直到火焰貼近燒嘴頭部燃燒，最終將燒嘴燒壞。

焦油中的硫會(huì)對(duì)燒嘴的使用壽命產(chǎn)生一定的影響，目前工業(yè)上使用的燒嘴主要材質(zhì)為Inconel600，該材質(zhì)的高溫抗氧化性能良好，但在高溫下材質(zhì)中的鎳會(huì)與硫產(chǎn)生硫化鎳，導(dǎo)致材質(zhì)腐蝕。燒嘴頭部的黃色物質(zhì)證明了這一點(diǎn)。

2 燒嘴結(jié)構(gòu)的改造

2.1 燒嘴改造的措施

依據(jù)燒嘴損壞的原因，新燒嘴在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下改造：1）縮小焦油通道尺寸，提高焦油在通道內(nèi)的流速，從而提高焦油和中心氧混合后的出口速度；2）調(diào)整中心氧通道和焦油通道的位置與縮進(jìn)量，合理設(shè)計(jì)焦油和中心氧的預(yù)混空間，并使其與主氧在燒嘴端面外部均勻混合；3）減小焦油和外部環(huán)形氧通道之間的夾層在出口處的壁厚；4）優(yōu)化燒嘴頭部的冷卻室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高對(duì)流傳熱效果；5）將燒嘴冷卻水盤(pán)管的材質(zhì)由Inconel 600改為UMCo50，提高金屬的抗壓性能。改造前后的燒嘴頭部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4和表1。

圖4 改造前后的燒嘴頭部結(jié)構(gòu)Fig.4 Burner spray nozzle structures before and after revamping.

表1 改造前后的燒嘴頭部結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structure size of the burner spray nozzle before and after revamping

2.2 燒嘴改造后的模擬計(jì)算結(jié)果

采用Gambit和Fluent等軟件，以Realizable k-ε雙方程模型對(duì)燒嘴改造前后的效果進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)氣化過(guò)程進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5～8。

圖 5為改造前后冷態(tài)時(shí)燒嘴的速度分布。從圖5可看出，改造后燒嘴由于焦油流速提高，平移并縮小焦油和中心氧在燒嘴頭部?jī)?nèi)的混合空間，使得焦油從燒嘴頭部噴出后仍保持較高流速。這樣有助于將火焰推離燒嘴頭部端面，減少燃燒結(jié)焦的可能性。

圖 6為改造前后冷態(tài)時(shí)燒嘴的焦油組分分布。從圖6可看出，改造前的燒嘴，焦油和外部環(huán)形氧通道之間的夾層在出口處有焦油存在，這是由于高速環(huán)形氧和中間低速的焦油形成的回流區(qū)造成的；改造后的燒嘴，焦油和環(huán)形氧在燒嘴頭部端面外部混合，這樣有利于保護(hù)燒嘴。

圖5 改造前后冷態(tài)時(shí)燒嘴的速度分布Fig. 5 Velocity distribution in the burner at cooling state before and after revamping.

圖6 改造前后冷態(tài)時(shí)燒嘴的焦油組分分布Fig.6 Cracking tar composition distribution in burner before and after revamping.

圖 7 為改造前后燒嘴頭部局部區(qū)域的溫度分布。

從圖7可看出，改造前的燒嘴，在頭部混合室內(nèi)和燒嘴端面會(huì)形成高溫火焰區(qū)，從而造成燒嘴的燒損；改造后的燒嘴，使火焰外推，避免在燒嘴頭部混合室和燒嘴端面形成高溫區(qū)。

圖7 改造前后燒嘴頭部局部區(qū)域的溫度分布Fig.7 Temperature distribution in the local area of burner spray nozzle before and after revamping.

3 改造后燒嘴的應(yīng)用效果

3.1 設(shè)備運(yùn)行狀況分析

2013年3月至今，改造后燒嘴在氣化裝置上使用的壽命最短為60 d，最長(zhǎng)為103 d，與改造前燒嘴的使用壽命最長(zhǎng)時(shí)間30 d相比，改造后燒嘴運(yùn)行時(shí)間明顯延長(zhǎng)。應(yīng)用改造后燒嘴時(shí)，每次停車(chē)對(duì)燒嘴頭部進(jìn)行檢查，在中心氧、外環(huán)氧、焦油噴頭處有0.2～0.5 cm的燒損，這與改造前燒嘴頭部的燒損1.0～1.5 cm相比，燒損程度得到了有效改善（見(jiàn)圖8）。燒嘴頭部水倉(cāng)以及冷卻水盤(pán)管連續(xù)運(yùn)行103 d無(wú)任何損傷，說(shuō)明燒嘴冷卻水盤(pán)管改造后所采用的金屬材料能夠完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，解決了改造前的燒嘴冷卻水管路燒穿的問(wèn)題。

圖8 新燒嘴運(yùn)行103 d后的圖片F(xiàn)ig.8 Images of the new burner after running 103 days.

使用改造后燒嘴時(shí)，整個(gè)爐體金屬外表面溫度分布均勻，基本上為280 ℃；氣化爐頂部法蘭表面溫度由應(yīng)用改造前燒嘴時(shí)出現(xiàn)的最高溫度380 ℃降至260 ℃。

改造前燒嘴長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后燒嘴頭部燒損嚴(yán)重，焦油可產(chǎn)生偏流，對(duì)氣化爐內(nèi)局部耐火磚產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷與火焰舔舐，使得這一部位的耐火磚變薄，壽命縮短。使用改造后燒嘴時(shí)，由于燒嘴頭部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，焦油不會(huì)產(chǎn)生偏流，氣流對(duì)耐火磚的沖刷是均勻的。通過(guò)測(cè)算得出爐磚的減薄速率由原來(lái)的5.4 μm/h降至3.8 μm/h，耐火磚的壽命得到延長(zhǎng)。改造后燒嘴的壽命延長(zhǎng)，使得氣化爐開(kāi)停車(chē)次數(shù)減少，這也減少了耐火磚的熱振，能很好地起到延長(zhǎng)耐火磚使用壽命的效果。

表2 改造后燒嘴在不同階段的運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 2 Operating data of new structured burner in different stages

3.2 改造后燒嘴的使用效果分析

改造后燒嘴在不同階段的運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2可看出，在不同的運(yùn)行時(shí)期，關(guān)鍵工藝指標(biāo)，如干氣組成（有效氣含量（H2+CO）、二氧化碳含量）、比氧耗、比油耗和有效氣產(chǎn)量等均較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)改造前燒嘴運(yùn)行到后期出現(xiàn)的有效氣產(chǎn)量降低、比氧耗和比油耗升高的問(wèn)題；隨燒嘴運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，改造后燒嘴壓差減小，燒嘴壓差的變化對(duì)其使用壽命以及性能的影響是可以接受的，能夠滿(mǎn)足焦油氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需求。從改造后燒嘴的使用壽命上看，可以確定燒嘴的結(jié)構(gòu)改造方案是成功的。

4 結(jié)論

1）在裂解焦油氣化裝置的燒嘴燒損原因分析的基礎(chǔ)上，提出燒嘴改造方案：調(diào)整燒嘴頭部的間隙、縮進(jìn)量、頭部冷卻室結(jié)構(gòu)，更換燒嘴冷卻水管的金屬材質(zhì)。

2）與改造前燒嘴相比，改造后燒嘴使用壽命延長(zhǎng)至103 d，減少了氣化爐開(kāi)停車(chē)次數(shù)。

3）使用改造后的燒嘴在其運(yùn)行期間（103 d），氣化裝置的關(guān)鍵工藝指標(biāo)（干氣組成、比氧耗、比油耗和有效氣產(chǎn)量）均較穩(wěn)定。

［1］ 謝文艷，劉秋雁. 國(guó)內(nèi)首套裂解焦油氣化生產(chǎn)合成氣裝置試車(chē)成功［EB/OL］. ［2013-12-31］. http：//www.dqdaily.com/ ztxw/yhpd/2012-09/26/content_1284196.htm.

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（編輯 李治泉）

Revamping and Application of Burner of Cracking Tar Gasification Installation

Gao Xiaoyu
（ PetroChina No.2 Chemical Plant of Petrochina Daqing Petrochemical Company， Daqing Helongjiang 163714， China ）

Aimed at easily burnt burner of cracking tar gasifcation installation and its service life(30 d)，some revamp measures were proposed，namely reducing spray nozzle diameter，decreasing wall thickness and retraction，changing cooling coil material quality，and improving cooling chamber structure of the burner head. Cold model experiments were carried out for the performances of the burner before and after the revamping，and the results showed that the revamping improved the performance of the burner evidently. After the revamping， the single service life of the burner reached 103 d，the total contents of both CO and hydrogen in dry gas at the outlet of carbon scrubber reached 88%-89%(φ)，temperature at the top of the gasifer lowered to 260 ℃，the burner cooling coil was not damaged，and the rate of refractory brick thinning was decreased.

cracking tar；gasifcation installation；burner；synthesis gas

1000 - 8144（2014）10 - 1196 - 05

TQ 026.4

A

2014 - 04 - 14；［修改稿日期］ 2014 - 06 - 23。

高曉宇（1980—），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，碩士，工程師，電話(huà) 13936825053，電郵 gaoxiaoyu_2006@126.com。