張宗文(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014000)

水煤漿氣化爐燒嘴國(guó)產(chǎn)化改造論述

張宗文(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014000)

水煤漿氣化爐工藝燒嘴損壞頻繁是氣化爐不能長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要原因，導(dǎo)致燒嘴損壞的主要因素有物理磨蝕、熱沖擊、化學(xué)影響、應(yīng)力破壞等。生產(chǎn)公司與國(guó)內(nèi)氣化燒嘴制造廠聯(lián)合攻關(guān)，改進(jìn)噴頭材質(zhì)、優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水煤漿氣化燒嘴國(guó)產(chǎn)化，延長(zhǎng)了燒嘴的使用壽命，降低了燒嘴的采購(gòu)成本。

水煤漿氣化爐;工藝燒嘴;中噴頭;外噴頭冷卻水盤管

我國(guó)煤炭資源豐富，以煤炭為原料大力發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)在我國(guó)具有戰(zhàn)略意義。2010年世界首套工業(yè)化煤制烯烴項(xiàng)目成功建成并投入商業(yè)化運(yùn)行以來(lái)取得了巨大成功，帶動(dòng)了全國(guó)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,同時(shí)也暴露出很多影響全廠長(zhǎng)周期生產(chǎn)的問(wèn)題，需要探究解決措施。

煤氣化裝置是煤化工生產(chǎn)的龍頭，氣化爐是煤氣化裝置的核心設(shè)備，氣化工藝的選擇決定著氣化爐型的確定。目前氣化技術(shù)分為水煤漿加壓氣化和干煤粉加壓氣化兩種工藝，國(guó)際上較為先進(jìn)的水煤漿工藝以GE公司的水煤漿加壓氣化技術(shù)為代表，干煤粉氣工藝以SHELL的煤粉加壓氣化技術(shù)為代表。

美國(guó)GE公司水煤漿加壓氣化技術(shù)即是美國(guó)Texaco（德士古）氣化技術(shù)，德士古公司原來(lái)是一家石油公司，它擁有自己的油氣化技術(shù)，自20世紀(jì)五十年代開(kāi)始，德士古在油氣化技術(shù)基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)煤氣化技術(shù)。從油氣化技術(shù)應(yīng)用至今，已有超過(guò)70多年的商業(yè)經(jīng)驗(yàn)，以煤炭為原料的氣化技術(shù)應(yīng)用也有近50年的經(jīng)驗(yàn)。2002年10月Texaco（德士古）公司與Chevron（雪佛龍）公司整體合并，兩年后2004年6月Chevron（雪佛龍）公司將氣化業(yè)務(wù)整體出售給通用電氣（簡(jiǎn)稱GE）公司，即產(chǎn)生了現(xiàn)在的GE水煤漿加壓氣化技術(shù)。

水煤漿氣化技術(shù)主要設(shè)備是氣化爐和工藝燒嘴。氣化爐上部為燃燒室，下部根據(jù)不同需要可分為激冷室和輻射廢熱鍋爐兩種形式。我公司氣化裝置采用的水煤漿氣化爐為燃燒室加激冷室結(jié)構(gòu)。燃燒室頂部連接工藝燒嘴，燒嘴是水煤漿氣化爐的關(guān)鍵部件，制造精度要求高，材質(zhì)選取尤為重要，其使用壽命影響著氣化爐的運(yùn)行周期，氣化裝置原設(shè)計(jì)配套的GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命平均為30天，運(yùn)行周期短，頻繁檢修更換迫使氣化爐倒?fàn)t停車，嚴(yán)重影響生產(chǎn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，是困擾生產(chǎn)公司的一大難題。本文重點(diǎn)介紹GE水煤漿氣化爐工藝燒嘴存在的缺陷及國(guó)產(chǎn)化改造后燒嘴使用壽命大幅提高的經(jīng)驗(yàn)，以供同行業(yè)借鑒。

1 激冷式加壓氣化爐結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 氣化爐結(jié)構(gòu)

激冷式加壓氣化爐燃燒室和激冷室外殼是連成一體的。燃燒室為中空內(nèi)襯耐火材料的立式圓筒形結(jié)構(gòu)，上部為拱形，下部為錐形。拱形頂部為工藝燒嘴安裝口，錐形底部為合成氣和熔渣出口，去下面的激冷室。激冷室內(nèi)有與燃燒室連為一體的下降管，下降管的頂部設(shè)有激冷環(huán)。

1.2 氣化爐工作原理

水煤漿和純氧劑通過(guò)工藝燒嘴噴入氣化爐的燃燒室，混合氣在燃燒室內(nèi)高溫高壓下反應(yīng)生成粗煤氣，然后經(jīng)下降管到激冷室。激冷室內(nèi)保持相當(dāng)高的液位，夾帶著大量熔融渣粒的高溫氣體通過(guò)下降管直接與水溶液接觸，氣體得到冷卻，并為水汽所飽和。熔融渣粒淬冷成固態(tài)渣，從粗煤氣中分離出來(lái)，被收集在激冷室下部，由鎖斗定期排出。飽和了水蒸氣的粗煤氣沿著下降管和激冷室內(nèi)壁間的環(huán)形空間上升到激冷室上部，經(jīng)擋板除沫后由側(cè)面氣體出口管送至洗滌塔進(jìn)一步冷卻除塵。激冷環(huán)噴出的水沿下降管下流形成降水膜，降水膜可避免來(lái)自燃燒室的高溫氣體中夾帶的熔融渣粒附著在下降管壁上。粗煤氣中夾帶的渣粒約有95%從鎖斗排出。

2 氣化爐工藝燒嘴結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 氣化爐燒嘴結(jié)構(gòu)

水煤漿氣化爐燒嘴為三流式噴嘴，由3個(gè)同心套管組成。中心管走中心氧，為內(nèi)噴頭；內(nèi)環(huán)隙走水煤漿，為中噴頭；外環(huán)隙走主氧，為外噴頭。最外側(cè)設(shè)置了冷卻水盤管。內(nèi)噴頭端面與中噴頭端面留有一段間距，形成一個(gè)預(yù)混合腔。三個(gè)噴頭出口均設(shè)計(jì)成縮徑口，其作用是使流經(jīng)噴嘴的氣化氧劑和水煤漿節(jié)流加速，水煤漿霧化效果良好。燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖1。

圖1 水煤漿氣化爐燒嘴頭部典型結(jié)構(gòu)

2.2 氣化爐燒嘴工作原理

水煤漿氣化技術(shù)是以水煤漿為原料，以純氧為氣化劑，在氣化爐內(nèi)高溫高壓條件下進(jìn)行氣化反應(yīng)，制得H2+CO為主要成分的粗合成氣工藝技術(shù)。

燒嘴是氣化爐中水煤漿和氧劑的進(jìn)料口，氣化原料煤經(jīng)粉碎、加水、制漿后，由煤漿泵加壓送至氣化爐燒嘴的內(nèi)環(huán)隙；純氧由空分裝置經(jīng)外管網(wǎng)送至氣化裝置的氣化爐燒嘴，自中心管和外環(huán)隙兩路供給，中心管供給的氧氣為中心氧，外環(huán)隙供給的氧氣為主氧。

中心氧經(jīng)內(nèi)噴頭節(jié)流加速后與內(nèi)環(huán)隙供給的水煤漿在預(yù)混合腔內(nèi)進(jìn)行充分混合，改善水煤漿的流變性能，保證水煤漿從中套管噴出后的霧化效果。外套管出口大幅縮徑，目的是使外環(huán)隙供給的主氧獲得更高的流速，有助于水煤漿霧化良好，均勻噴出后在氣化爐內(nèi)高溫高壓下氣化反應(yīng)生成粗煤氣。工藝燒嘴必須如下性能：

（1）具有良好的霧化及混合效果，以獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率；

（2）具有良好的噴射角度和火焰長(zhǎng)度，以防損壞氣化爐耐火磚；

（3）具有一定的操作彈性，以滿足氣化爐負(fù)荷變化的需求；

（4）具有較長(zhǎng)的使用壽命，以保證氣化運(yùn)行的連續(xù)性。

工藝燒嘴的設(shè)計(jì)要考慮煤漿流量、煤漿濃度、氧氣的流量、氣化操作壓力和操作溫度、冷卻水流量等因素。

無(wú)論是中心氧、水煤漿還是主氧，流體的流通面積均需要滿足其流量要求，在流體操作壓力許可的情況下力爭(zhēng)達(dá)到良好的混合和霧化效果。中心氧的比例有一定的限制，一般為總氧量的10%～18%，其余均作為主氧量。中心氧量需嚴(yán)格控制，流量偏低會(huì)導(dǎo)致氧氣與水煤漿混合不充分。流量偏高，一方面會(huì)使預(yù)混合腔內(nèi)的混合物流過(guò)高造成內(nèi)噴頭磨損加重，降低燒嘴的連續(xù)使用壽命；另一方面，中心氧流量增大時(shí)必然使燒嘴出口物料的軸向速度分量增大，徑向速度分量減小，其結(jié)果是使整個(gè)燒嘴出口的火焰變得細(xì)長(zhǎng)，無(wú)法與氣化爐的內(nèi)部型面匹配，造成較大直徑的煤粉顆粒在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間變短，爐渣中的含碳量增加，引起氣化效率降低，同時(shí)會(huì)使火焰直沖爐底，影響爐底激冷環(huán)的工作以及爐磚的使用壽命。

3 水煤漿氣化爐工藝燒嘴常出現(xiàn)主要的問(wèn)題

（1）輸送水煤漿的中噴頭內(nèi)腔磨損嚴(yán)重，造成氣化爐與燒嘴壓差波動(dòng)，致使工藝操作難以控制，導(dǎo)致有效合成氣轉(zhuǎn)化率低。

（2）輸送主氧的外噴頭端面龜裂現(xiàn)象嚴(yán)重,存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）燒嘴環(huán)隙公差控制大于±0.38毫米,影響煤漿壓差和霧化效果。

（4）燒嘴入爐深度設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致投料氣化時(shí)氣化爐拱頂溫度過(guò)高。

（5）燒嘴霧化角設(shè)計(jì)存在缺陷，導(dǎo)致?tīng)t磚局部嚴(yán)重?zé)g,同時(shí)引起灰渣的殘?zhí)荚龈摺?/p>

（6）燒嘴的外盤管與外噴頭焊接處經(jīng)常產(chǎn)生裂紋,存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（7）燒嘴頭部形狀設(shè)計(jì)不合理,容易造成端面開(kāi)裂。

（8）燒嘴冷卻水外盤管開(kāi)裂。

4 燒嘴常見(jiàn)問(wèn)題的原因分析及改進(jìn)措施

4.1 中噴頭內(nèi)腔磨損

中噴頭內(nèi)腔磨損屬物理磨損，是水煤漿氣化爐工藝燒嘴的致命弱點(diǎn)，也是制約水煤漿氣化爐及氣化裝置連續(xù)運(yùn)行的主要因素之一。中噴頭是水煤漿和氧氣在預(yù)混合腔內(nèi)混合后噴入氣化爐的出口，為使水煤漿中的煤粉在氣化爐中充分氣化，必須將中心氧流速提高，帶動(dòng)水煤漿高速噴入氣化爐，達(dá)到霧化狀態(tài)。中噴頭內(nèi)腔磨損正是由于水煤漿中含有大量的煤粉固體顆粒高速流動(dòng)沖刷造成的。

針對(duì)這一問(wèn)題，生產(chǎn)公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)科研院所和水煤漿氣化燒嘴制造廠，多次采集水煤漿組分分析數(shù)據(jù)，控制合理流速，研究解決方案，最終從優(yōu)化中噴頭材質(zhì)著手，通過(guò)多次試驗(yàn)，采用中噴頭內(nèi)襯金屬陶瓷或堆焊耐磨合金熱處理工藝解決了中噴頭內(nèi)腔磨損嚴(yán)重問(wèn)題，堆焊的耐磨合金還可以重復(fù)堆焊一到兩次，降低了制造成本。采用這兩種方法生產(chǎn)的氣化工藝燒嘴，運(yùn)行一個(gè)周期后磨損量只有0.3毫米左右。

4.2 外噴頭端面龜裂

外噴頭端面龜裂即外噴頭端面出現(xiàn)徑向放射性裂紋及不規(guī)則裂紋。引起這一問(wèn)題原因如下：

（1）熱沖擊影響：由于外噴頭端面直接接觸氣化爐內(nèi)高溫工藝氣體（1200～1500℃），端面金屬材料在這樣的高溫條件下長(zhǎng)期工作并受到高速煤漿、氧氣及回流工藝氣體的沖刷，端面材料在冶煉和鍛造過(guò)程中的所有缺陷都會(huì)逐漸暴露出來(lái)，這樣就會(huì)形成不規(guī)則龜裂。

（2）化學(xué)影響：由于外噴頭斷面處氧氣濃度較高，金屬材料在高溫氧化環(huán)境中，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。高溫工況下，金屬材料也會(huì)發(fā)生滲碳現(xiàn)象，使金屬材料的成分和性能發(fā)生變化。另外，煤中的硫，也會(huì)使金屬表面發(fā)生高溫硫化腐蝕，形成放射性裂紋。

針對(duì)這一問(wèn)題，生產(chǎn)公司聯(lián)合燒嘴造廠共同研究攻關(guān)，認(rèn)定外噴頭套管材質(zhì)選取不合理是問(wèn)題的主要原因。對(duì)外套管材質(zhì)進(jìn)行替換，改用英美進(jìn)口耐高溫合金鋼制造外噴頭，龜裂改善效果顯著，改進(jìn)前外噴頭徑向有20-40毫米不等的放射性裂紋,材質(zhì)改進(jìn)后微裂紋只有1-3毫米左右。

4.3 燒嘴環(huán)隙公差過(guò)大

外環(huán)隙是外環(huán)氧的氣流通道，是燒嘴的關(guān)鍵的尺寸。原設(shè)計(jì)制造圖中該尺寸公差為±0.38mm,生產(chǎn)運(yùn)行表明該公差數(shù)值偏大。經(jīng)過(guò)摸索確定外氧環(huán)隙公差為±0.10mm是合理值。按照這一公差嚴(yán)格控制，效果顯著。

4.4 燒嘴入爐深度不合理

通過(guò)調(diào)整燒嘴入爐深度消除了氣化爐拱頂爐壁超溫現(xiàn)象。

4.5 燒嘴霧化角度設(shè)計(jì)存在缺陷

燒嘴霧化角度是燒嘴設(shè)計(jì)的核心數(shù)據(jù),影響到水煤漿在氣化爐內(nèi)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。角度過(guò)小，水煤漿中的顆粒在氧氣噴射的作用下和在重力加速度的驅(qū)動(dòng)下不會(huì)完全反應(yīng)，導(dǎo)致灰渣的摻碳量高達(dá)到30%左右，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致錐底爐磚損壞加速；角度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致局部爐磚氣體沖刷嚴(yán)重。合理調(diào)整了燒嘴的霧化角，使得灰渣的含碳量只有18%-20%左右節(jié)約了大量的資源。

4.6 外噴頭與冷卻水盤管焊縫處產(chǎn)生裂紋

燒嘴外噴頭與冷卻水盤管焊縫處產(chǎn)生裂紋的原因是,外噴頭材質(zhì)為鈷基合金，冷卻水盤管材質(zhì)為鎳基合金，兩者焊接屬異種鋼焊接，金屬材料均有熱漲冷縮的特性，且溫度變化對(duì)金屬材料的線性變量影響很大，燒嘴外噴頭置于氣化爐內(nèi)1300℃的高溫?zé)彷椛渲?，燒嘴冷卻水盤管通入大量冷卻水，兩者溫差極大，由于不同材料的線性膨脹系數(shù)不同，從而導(dǎo)致外噴頭冷卻水進(jìn)出口短管與冷卻水盤管焊接口不能同步漲縮，經(jīng)應(yīng)力模擬計(jì)算，此焊縫處為應(yīng)力集中區(qū)。外噴頭長(zhǎng)期處于熱應(yīng)力和線性膨脹力的作用下，加上爐內(nèi)氣體的長(zhǎng)期腐蝕，最薄弱的短接管與外噴頭焊縫處便會(huì)最先開(kāi)裂，導(dǎo)致冷卻水泄露。冷卻水一旦泄露，爐內(nèi)的高壓粗煤氣極易竄入冷卻水盤管，阻段冷卻水循環(huán)系統(tǒng)供水，爐內(nèi)高溫很快會(huì)燒蝕盤管和外噴頭端面。

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鈷基-鎳基異種鋼焊接時(shí)，常規(guī)的鈷基-鎳基焊接工藝及焊材選取不盡合理，因此對(duì)焊材及焊接工藝重新進(jìn)行了焊接評(píng)定，目前已基本消除焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。

4.7 燒嘴頭部形狀設(shè)計(jì)缺陷

針對(duì)外噴頭端面龜裂情況，生產(chǎn)公司與國(guó)內(nèi)燒嘴制造廠對(duì)冷卻水腔進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，GE工藝燒嘴頭部冷卻水腔為V形結(jié)構(gòu),冷卻水在尖角處速度遠(yuǎn)低于腔內(nèi)平均流速，甚至形成速度“空洞”，達(dá)不到?jīng)_刷冷卻外噴頭端面的目的，且此處緊貼外噴頭，冷卻水極易氣化，從而進(jìn)一步堵塞尖角處的冷卻水，外噴頭端面的熱量無(wú)法及時(shí)被冷卻水帶走，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用下，尖角材料最容易發(fā)生晶相失效，從而產(chǎn)生龜裂。

將燒嘴頭部形狀改為圓柱狀、內(nèi)部流道改變?yōu)榄h(huán)形平面流道，大大改善了冷卻效果,改進(jìn)后燒嘴出入口溫差也有明顯的變化。

4.8 燒嘴冷卻水外盤管開(kāi)裂

通過(guò)分析研究，燒嘴冷卻水外盤管開(kāi)裂主要原因如下：

（1）盤管材質(zhì)為inconel600，夾套材質(zhì)為UMCo50，焊接兩種

材料的焊絲選用的為Co50焊絲，盤管在維修過(guò)程中一般不進(jìn)行更換，所以切割口多次焊接易造成材料金相及焊接性能發(fā)生變化。

（2）無(wú)論是一體式夾套還是普通夾套，盤管和夾套頭部焊接時(shí)，存在一定的弧度和角度，且為角焊縫焊接形式，焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對(duì)接焊縫，形成了薄弱點(diǎn)。

（3）焊接后的部件，中心有一定的偏離，未嚴(yán)格對(duì)中，在焊縫處形成了較大的應(yīng)力，在惡劣的工況下極易造成損壞。

針對(duì)以上三點(diǎn)，生產(chǎn)公司與燒嘴制造商大膽改進(jìn)，將原有的夾套邊緣的圓弧改為直角，盤管直接與直角面焊接，減少了焊接難度和應(yīng)力點(diǎn)，同時(shí)在焊縫外側(cè)再增加一層盤管進(jìn)行保護(hù)，二者間填充耐火氈，這雙層保護(hù)材料直接減少了焊縫在高溫氣體下的侵蝕，不再產(chǎn)生裂紋，延長(zhǎng)了燒嘴的使用壽命。并且要求制造廠家在每次檢修時(shí)一定要更換頭部的圓弧彎管避免多次焊接后材料發(fā)生變化產(chǎn)生裂紋。

5 結(jié)語(yǔ)

水煤漿氣化工藝燒嘴的改造是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的共同課題,每次更換燒嘴都需要停爐（或倒?fàn)t），使氣化爐生產(chǎn)線長(zhǎng)周期運(yùn)行受到限制，停爐或倒?fàn)t一次經(jīng)濟(jì)損失平均高達(dá)百萬(wàn)元，氣化爐燒嘴使用壽命短，成為制約水煤漿加壓氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的瓶徑。氣化爐工藝燒嘴能夠安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行；能夠降低因更換工藝燒嘴帶來(lái)的操作安全風(fēng)險(xiǎn)；能夠降低因更換工藝燒嘴帶來(lái)生產(chǎn)波動(dòng)；能夠提高氣化爐向火面爐磚的使用壽命是生產(chǎn)公司的迫切需求。

通過(guò)以上對(duì)燒嘴損壞主要原因的分析，從物理磨蝕、熱沖擊、化學(xué)影響、應(yīng)力破壞等方面采取了有效的改進(jìn)措施，使水煤漿氣化爐工藝燒嘴使用壽命得以大幅提高，實(shí)現(xiàn)了水煤漿氣化燒嘴國(guó)產(chǎn)化的愿望。

通過(guò)與國(guó)內(nèi)氣化燒嘴制造廠的共同攻關(guān)，改進(jìn)后的燒嘴加工精度高，主體材料選取更適合生產(chǎn)工況、選材合理，外噴頭與冷卻水盤管異種鋼焊接材料進(jìn)一步優(yōu)化、焊接工藝精湛。因消除進(jìn)口燒嘴的諸多缺陷，目前燒嘴壽命由原來(lái)的30天延長(zhǎng)到現(xiàn)在的70天。同時(shí)由于國(guó)內(nèi)制造供貨，目前燒嘴成本比原來(lái)進(jìn)口降低了2-3倍，燒嘴技術(shù)改造取得了顯著效果，延長(zhǎng)了氣化爐生產(chǎn)運(yùn)行周期，值得國(guó)內(nèi)大范圍推廣。

[1]劉孝弟化肥工業(yè)《水煤漿氣化爐工藝燒嘴有關(guān)問(wèn)題探討》.

[2]王朋朋西北大學(xué)碩士論文《激冷式氣化爐強(qiáng)度分析方法、焊接工藝研究及存在問(wèn)題分析》.

張宗文（1965-），男，漢族，黑龍江省牡丹市生人，化工設(shè)備工程師，神華包頭煤化工有限責(zé)任公司供銷中心。