氣化爐工藝燒嘴損壞因素及措施

高晶

【摘 要】本文對工藝燒嘴的損壞進行了分析，并提出了避免損壞的措施，提高工藝燒嘴的運行周期。

【關 鍵 詞】工藝燒嘴、高溫合金、壓差、殘碳

【中圖分類號】TQ016【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0267-01

1、概述

1.1 燒嘴情況

造氣裝置采用美國GE能源公司重油氣化專利技術，利用重油或裂解焦油不完全氧化法生產合成氣。其原理是將重油或裂解焦油、工藝水、氧氣按一定的比例混合，通過造氣爐頂的特殊設備—工藝燒嘴噴入高溫氣化爐內進行快速不完全氧化發應，生產由H2和CO 組成的合成氣。工藝燒嘴是造氣流程中的關鍵部件，是GE能源公司專利的一個組成部分。2012年開工時，直接由國外引進的共有二臺，后又委托北京航天十一所測繪并仿制了一臺，美國GE能源公司委托沈陽通用黎明部件有限公司制造了一臺，現在一共有四臺工藝燒嘴。

1.2 燒嘴結構簡介：

內芯頭體部堆焊鈷50合金；內芯桿體部材質為304和316L不銹鋼合金。工藝燒嘴的外氧噴頭口部直徑為30.2 mm，裂解焦油/工藝水噴頭口部直徑為21.7mm，內氧噴頭口部直徑為14.2 mm，經過縮徑段變徑之后間隙縮小，至燒嘴頭處間隙僅為3.8±0.25mm。

2、燒嘴損壞經過

2012年10月19日，造氣爐-碳洗塔間壓差PDI12015值為0.7Mpa，高于正常壓差值0.45Mpa，至10月26日壓差PDI 12015從0.7Mpa上漲到0. 8Mpa左右，并且呈上漲趨勢，然后突然下降至0.30Mpa左右，裝置聯鎖動作，被迫停車。相關不正常的現象為：（1）P1102焦油泵出口壓力升高，從原來的3.8Mpa左右，升高到4.3Mpa左右。（2）入爐工藝水流量波動。（3）從10月初發現壓差高開始，至檢修前，壓差變化有反復增高的趨勢。當入爐壓差高到一定程度時，突然下降至0.30Mpa左右，裝置聯鎖動作，被迫停車。

當時運行的工藝燒嘴位號為Z1201B，懷疑是工藝燒嘴的問題。10月26日，停車檢修，吊出燒嘴發現燒嘴頭部嚴重損壞，燒嘴內芯頭端部鈷基合金已燒掉，套管內部結碳嚴重。

3、燒嘴損壞原因分析

3.1 燒嘴頭堵塞

工藝燒嘴頭的焦油/工藝水環形通道間隙為3.8mm。如果入爐焦油中的碳黑或其它雜質含量多，過多的碳黑顆粒和雜質不但影響焦油的霧化效果，而且有可能粘結在環形通道內壁上，尤其在變徑處和燒嘴頭處容易產生這樣的粘結現象，造成進料阻力增大，從而導致PDI12015壓差增高。根據當時的運行情況看，PDI12015壓差高，焦油入爐壓力高，正是燒嘴焦油/工藝水環形通道堵塞所導致的現象。當燒嘴焦油/工藝水環形堵塞后，蒸汽流量減小，導致入燒嘴的渣油體積減少，出燒嘴的渣油流速降低，火焰黑區縮短，燃燒區上移，燒嘴局部溫度過高，長時間會導致燒嘴的損壞。燒嘴端部溫度逐漸升高所帶來的負面聯鎖效應便是套管內部結碳聚合的加速，于是入爐壓差逐漸升高，當高到一定值時，結碳聚合處承受不住高壓的沖擊，逐漸破裂沖出燒嘴，使壓差有些好轉，但隨著結碳的增多和燒嘴變形的加劇，又重復進行上述的破裂，這樣惡性循環導致燒嘴損壞速度不斷增加，從而使端部的高溫合金嚴重損壞。

3.1.1 引起燒嘴頭堵塞的原因

（1）焦油質量：現使用的原料焦油來自化工一廠的E3渣油，該渣油是各種復雜的烴類化合物的混合物，其中含有很多環芳烴、過渡金屬及非烴類化合物等，所以其性質是各組分性質的綜合表現。有機物積垢主要為渣油在高溫下形成的聚合物或縮聚物。聚合物是由渣油中烴類溶解的微量氧引發的，發生氧化鏈反應生成的，渣油中的金屬離子又能加速鏈增長，反應生成的聚合物粘在一起，沉積在金屬表面上形成積垢。

（2）溫度對結垢的影響：渣油高溫下結垢行為可以看作是一個復雜的連串反應，溫度越高結垢越嚴重，而且當超過一定溫度時，結垢速度加快。

（3）焦油流量對結垢的影響：焦油流量越小，在積垢管道內經歷高溫的時間越長，結垢越嚴重。車間曾多次經歷焦油泵流量不足的現象，這很容易引起燒嘴的結垢。

（4）雜質的影響：焦油中的灰分、金屬含量、殘碳、水分等的指標以及密度、粘度等如果不符合相關的設計要求都會引起燒嘴內部堵塞現象的發生。車間曾對金屬含量進行了監測，金屬中的鐵、鈉、鈣、鎳等會與焦油中的聚合物等發生氧化反應形成高熔點的氧化物析出粘結在燒嘴內壁上，從而堵塞燒嘴通道。在對金屬含量的分析中，我們發現焦油中的金屬含量都很少，原料焦油中的金屬含量不會對燒嘴的運行產生影響。

車間以后的重點將放在對灰分、殘碳等指標的監測上，因為灰分和殘碳的增多將加大焦油的密度，使焦油流動的內阻力增大，從而減小了焦油的流動性，增大了焦油的停留時間，直接加大結垢的可能性。而且由于碳黑水工段的灰水中殘碳隨著生產的不斷調整，含量是不斷變化的，必須建立相應的監測手段以控制其含量在應有的指標之內。

（5）油水混合器的影響：氣化反應中油水混合器的作用是非常重要的，加入工藝水量會大大降低原料油的粘度，霧化原料油，使霧化效果完全。適當加入工藝水可增加火焰長度，使黑區增長，熱點下移，降低燒嘴的溫度，保護燒嘴。當霧化效果不好時，就會因此造成燒嘴頭部的損壞。

3.2 燒嘴質量問題

將損壞的燒嘴內芯取出進行光譜分析，未發現異常。造氣爐燒嘴從裝置開工至現在情況如下 ：總運行時間9個月，最長運行時間1個月，修理12次，內芯炸脹1次，環隙變形5次，燒嘴頭燒掉12次。

從2012年燒嘴投用至今，12次損壞情況都是燒嘴頭部變形或燒損。而修復時，對燒嘴頭部鈷基合金進行整體更換的次數非常有限，大多是在原有基礎上進行修復，返修多次就會造成頭部高溫合金滲鐵、滲碳等缺陷的存在，而且補焊后在熱影響區會發生再結晶的現象，使合金個別部位晶粒不均勻，從而導致燒嘴內芯頭部合金的熱穩定性能和熱強性能下降，即在高溫下抗氧化、抗氣體腐蝕、抗塑性變形、抗斷裂的能力下降，一旦發生過燒現象，就很容易發生燒卷、缺口甚至燒損現象。

3.3 工藝操作原因

由于裝置開、停車及負荷的改變，在調整的過程中，使入爐的氧油比發生變化，當氧油比變大時，爐溫瞬間急劇增加。據有關文獻報道，原料油與工藝水混合形成的兩相流與氧氣一起離開燒嘴，并于適當處達到充分混合，劇烈發應，釋放出大量的熱，火焰中心溫度可達到1600～1700℃。由于瞬間過氧，火焰溫度會更高，這樣勢必會造成燒嘴的溫度增高，直接影響燒嘴的使用壽命。另外由于原料焦油與工藝水混合效果不好，造成油水混合不均勻，也將直接影響到燒嘴的正常運行。

4、避免措施

4.1 設備維修質量控制

4.1.1 維修方必須提供堆焊焊絲的材質證明書。

4.1.2 維修方必須提供合金堆焊后的射線探傷檢驗報告。

4.1.3 維修方必須提供檢修后的打壓試漏方面的證明材料。

4.1.4 對于已修復三次以上的合金部分，在檢修時，盡量不采用補焊、打磨修復的方法，要重新堆焊整個燒嘴內芯頭部。

4.2 工藝控制措施

4.2.1 在調整負荷時，嚴格控制氧油比，并適當加大入爐的工藝水量，這有利于提高燒嘴的壽命。

4.2.2 定期監測灰水成份的變化，當碳黑水處理系統波動時，減少碳黑水系統補加給油氣化系統的水量，當碳黑水操作正常后，逐漸恢復補加量，并做好這一部分的灰水成分監測。

4.2.3 對外來的原料焦油進行監控，一旦外來焦油流量波動時，要及時進行成分分析，并聯系化工一廠確認來料組成是否發生變化，且根據分析，及時調整入爐氧氣量，防止系統過氧，造成燒嘴的損壞。

4.2.4 監控好爐溫，定期對造氣爐發生器同一環度的各點溫度進行對比分析，及時掌握燒嘴火焰是否存在偏噴現象。

參考文獻

[1] 丁辛醇裝置工藝技術規程（內部資料）

[2] 丁辛醇裝置技術資料匯編（內部資料）